CN102075470B - 一种fsk或gfsk数字解调装置及方法 - Google Patents

一种fsk或gfsk数字解调装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种FSK或GFSK数字解调装置及方法。该装置包括：FSK或GFSK解调电路，用于通过检测调制信号的中频频率，从而采用合适的中频对调制信号进行解调，并输出调解结果；码元恢复电路，用于统计所述FSK或GFSK解调电路输出的解调信号的上升沿和下降沿的位置，寻找合适的单个码元的起始位置，并输出正确的码元。本发明的有益效果是，误码率低，根据不同的频率偏移容忍度来调整方案的参数设置，结构简单，灵活度大；能够有效的恢复码元，抵抗外部时钟的偏差；只采用数字电路，成本低。

Description

一种FSK或GFSK数字解调装置及方法
技术领域
本发明涉及通信领域，特别是涉及一种（高斯）频移键控（（Gauss）Frequency Shift Keying，简称FSK或GFSK）数字解调装置及方法。
背景技术
目前常见的FSK或GFSK解调电路有：利用模拟微分器的解调电路，功耗比较大，对中频频率偏移的容忍度低；利用时域微分器的解调电路，需要一个性能要求高的滤波器，导致功耗也比较大；利用过零检测和脉冲整形的解调电路，采用数模混合的方式，功耗比较低，但抗中频偏移的电路比较复杂；利用锁相环实现FSK解调，实现复杂；利用ADC（数模转换器）的FSK解调，需要ADC，也比较复杂。并且，这些传统的解调电路中是没有码元恢复电路的。
对于码元恢复电路，现有技术多采用锁相环分频的方式，这种实现方案复杂、成本高。
发明内容
（一）要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是提供一种数字解调装置，以克服现有解调装置功耗大、复杂度高、成本高和在对中频偏移容忍度以及码元恢复方案方面的不足；
本发明要解决的另一技术问题是提供一种数字解调方法，以克服现有解调方法功耗大、复杂度高、成本高和在对中频偏移容忍度以及码元恢复方案方面的不足。
（二）技术方案
为解决上述技术问题，提供一种FSK或GFSK数字解调装置，包括：
FSK或GFSK解调电路，用于通过检测调制信号的中频频率，从而采用合适的中频对调制信号进行解调，并输出调解结果；
码元恢复电路，用于统计所述FSK或GFSK解调电路输出的解调信号的上升沿和下降沿的位置，寻找合适的单个码元的起始位置，并输出正确的码元。
优选地，所述FSK或GFSK解调电路用于通过直接测量限幅放大后的调制信号的相邻边沿的间隔大小输出解调结果。
优选地，所述FSK或GFSK解调电路用于通过测量限幅放大后的调制信号的相邻边沿的最大和最小间隔来得到调制信号的中频频率，从而调整解调采用的中频频率使之和调制信号的中频频率相同。
优选地，所述码元恢复电路包括移位寄存器，用来存储所述FSK或GFSK解调电路的输出结果，其中所述移位寄存器的位数为一个码元的位数。
本发明还提供了一种FSK或GFSK数字解调方法，包括步骤：
S1，利用限幅放大器限幅放大调制信号；
S2，利用FSK或GFSK解调电路通过直接测量限幅放大后的调制信号的相邻边沿的间隔大小输出解调结果；
S3，利用FSK或GFSK解调电路通过测量限幅放大后的调制信号的相邻边沿的最大和最小间隔来得到调制信号的中频频率，从而调整解调采用的中频频率使之和调制信号的中频频率相同；
S4，码元恢复电路统计FSK或GFSK解调电路输出的解调信号的上升沿和下降沿的位置，寻找合适的单个码元的起始位置，并输出正确的码元。
优选地，在步骤S2中，当相邻边沿的间隔大于f0/(2Fc）时，输出低电平；当相邻边沿的间隔不大于f0/（2Fc）时，输出高电平，其中f0为外部时钟频率，Fc为中频。
优选地，在所述步骤S3中，当统计的最小间隔小于f0/（2Fc+Fs）时，则增大调解中频Fc；否则，作空处理，其中f0为外部时钟频率，Fc为中频，Fs为频偏。
优选地，在所述步骤S3中，当统计的最大间隔大于f0/（2Fc-Fs）时，则减小调解中频Fc；否则，作空处理，其中f0为外部时钟频率，Fc为中频，Fs为频偏。
优选地，在所述步骤S4中，码元恢复电路从移位寄存器的某一位置X开始码元统计，每经过f0/Fd个时钟周期，判断输出刚刚经过的码元值，同时判断开始码元统计时位置X与码元的边沿位置的偏差，调整X向码元边沿位置移动，从而最终使得开始码元统计时码元的边沿在X处，使得统计的f0/Fd个值是一个完整的码元。
优选地，如果外部时钟频率f0比理想值偏高，在每次开始码元统计时，移位寄存器中存储的解调电路的输出波形的边沿位置不断向移位寄存器的右侧移动，使得X也向右移，当X移动到最右侧时，若还需要向右移，则X移到最左侧，不输出下一码元；如果外部时钟频率f0比理想值偏低，在每次开始码元统计时，移位寄存器中存储的解调电路的输出波形的边沿位置不断向移位寄存器的左侧移动，使得X也向左移，当X移动到最左侧时，若还需要向左移，则X移到最右侧，多输出一个码元。
（三）有益效果
本发明的FSK或GFSK解调装置和方法，利用FSK或GFSK解调电路对调制信号进行解调，检测调制信号的中频值，根据检测出的中频值调整解调参数，从而达到抗频率偏差的效果；码元恢复电路能够根据FSK或GFSK解调电路输出的解调信号的上升沿和下降沿的位置进行码元恢复。本发明的有益效果是误码率低，根据不同的频率偏移容忍度来调整方案的参数设置，结构简单，灵活度大；能够有效的恢复码元，抵抗外部时钟的偏差；只采用数字电路，成本低。
附图说明
图1是依据本发明实施方式FSK或GFSK数字解调装置的结构示意图；
图2是依据本发明实施方式的FSK或GFSK解调电路的工作流程图；
图3是依据本发明实施方式的码元恢复电路的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，本实施例提供一种FSK或GFSK数字解调装置，包括：FSK或GFSK解调电路，用于通过检测调制信号的中频频率，从而采用合适的中频对调制信号进行解调，并输出调解结果；码元恢复电路，用于统计所述FSK或GFSK解调电路输出的解调信号的上升沿和下降沿的位置，寻找合适的单个码元的起始位置，并输出正确的码元。利用该装置进行数字解调的方法包括：本发明还提供了一种FSK或GFSK数字解调方法，包括步骤：利用限幅放大器限幅放大调制信号；利用FSK或GFSK解调电路通过直接测量限幅放大后的调制信号的相邻边沿的间隔大小输出解调结果；利用FSK或GFSK解调电路通过测量限幅放大后的调制信号的相邻边沿的最大和最小间隔来得到调制信号的中频频率，从而调整解调采用的中频频率使之和调制信号的中频频率相同；以及码元恢复电路统计FSK或GFSK解调电路输出的解调信号的上升沿和下降沿的位置，寻找合适的单个码元的起始位置，并输出正确的码元。
该解调方案可抗中频偏差、时钟信号的偏差，适用于较低中频的FSK或GFSK的解调。
对于FSK或GFSK调制，设中频Fc、频偏Fs、数据率Fd、外部输入时钟频率f0，中频的偏移量Δ。
FSK或GFSK解调电路，输入为频率f0的时钟信号、限幅放大后的调制信号，输出为解调输出信号data_noclk。该模块用来检测调制信号中相邻边沿的间隔为多少个时钟周期，根据该间隔的大小进行解调。
调制信号的高频部分的频率为Fc+Fs，低频部分频率为Fc-Fs，可检测到调制信号中的相邻边沿的间隔最小为
Figure GDA00002727648800051
个时钟周期，最大为
Figure GDA00002727648800052
个时钟周期，中间频率Fc的时候调制信号中的相邻边沿的间隔为f0/（2Fc）个。因此，当检测到间隔宽度小于等于f0/（2Fc）个时钟周期时，设定调制信号中这段波形时间对应的解调输出信号data_noclk的值为1；当检测到间隔宽度大于等于f0/（2Fc）+1个时钟周期时，设定调制信号中这段波形时间对应的解调输出信号data_noclk的值为0。这样我们便根据输入调制信号的频率得到解调结果。
考虑到调制信号的中频会有偏移，从Fc偏移到较高频率或者较低频率都有可能。当中频偏移到Fc-Δ时，其余条件不变，这样调制信号的高频部分为Fc+Fs-Δ，低频为Fc-Fs-Δ，可检测到调制信号中的相邻边沿的间隔最小为个时钟周期，最大为
Figure GDA00002727648800054
个时钟周期，中间频率Fc-Δ的时候调制信号中的相邻边沿的间隔为
Figure GDA00002727648800055
个。因此，当检测到间隔宽度小于等于
Figure GDA00002727648800056
个时钟周期时，设定调制信号中这段波形时间对应的解调输出信号data_noclk的值为1；当检测到间隔宽度大于等于
Figure GDA00002727648800057
个时钟周期时，设定调制信号中这段波形时间对应的解调输出信号data_noclk的值为0。
当中频偏移到Fc+Δ时，其余条件不变，这样调制信号的高频部分为Fc+Fs+Δ，低频为Fc-Fs+Δ，可检测到调制信号中的相邻边沿的间隔最小为
Figure GDA00002727648800061
个时钟周期，最大为
Figure GDA00002727648800062
个时钟周期，中间频率Fc-Δ的时候调制信号中的相邻边沿的间隔为
Figure GDA00002727648800063
个。因此，当检测到间隔宽度小于等于
Figure GDA00002727648800064
个时钟周期时，设定调制信号中这段波形时间对应的解调输出信号data_noclk的值为1；当检测到间隔宽度大于等于
Figure GDA00002727648800065
个时钟周期时，设定调制信号中这段波形时间对应的解调输出信号data_noclk的值为0。
同样的，对于中频偏移到Fc-2Δ、Fc+2Δ等等时，可以得到类似的结论，在此不再赘述。
由上可以看出，以中频为Fc-2Δ、Fc-Δ、Fc、Fc+Δ、Fc+2Δ五种情况为例说明，按以上方法均可将调制信号进行解调，为了便于解调方案可以自动根据中频频偏设定解调中频值，因此设定3bit的解调中频控制字（因为以上五种中频值仅需要5种状态的控制字即可，3bit可以得到8种状态，足够使用。实际中根据需要设定的中频值的个数来确定该控制字的比特数）。观察上述5种中频时调制信号中相邻边沿的最大和最小间隔分别为多少个时钟周期数（称为最大和最小间隔数），可以发现，最小、最大间隔数都随中频频率的增加而减小，同时对于Fc-2Δ、Fc-Δ、Fc、Fc+Δ、Fc+2Δ几种频率，最小和最大间隔数各不相同，解调方案中设定这几个解调中频值，输入信号中频值在哪两个相邻解调中频值之间时，解调中频值就会在这两种情况之间来回变动。通过检测最大和最小的间隔数可以实现这种自动的中频值的探测。初始的中频值设定为Fc，检测当前输入调制信号中的相邻边沿的距离，如果间隔出现小于
Figure GDA00002727648800071
的，则说明输入调制信号的中频比Fc要高，因此调整中解调中频值的控制字，上调解调中频值到Fc+Δ；如果间隔出现大于
Figure GDA00002727648800072
的，则说明输入调制信号的中频比Fc要低，因此调整中解调中频值的控制字，下调解调中频值到Fc-Δ。为了降低噪声的影响，设定当间隔小于
Figure GDA00002727648800073
的情况、间隔大于
Figure GDA00002727648800074
的情况出现比较频繁时才会调整解调中频值。根据检测结果依次对解调中频值进行调整，直到中频值在相邻两个之间变动，从而输入信号的中频值即在这两个解调中频值之间。
在此我们介绍了Fc-2Δ、Fc-Δ、Fc、Fc+Δ、Fc+2Δ等5种不同的中频值的情况，根据需要可以对中频值的个数、Δ的大小、解调中频控制字的位数等进行调整。
由于噪声的影响和数字解调方案的特点，FSK或GFSK解调电路的输出信号data_noclk的0、1的码元间隔并不标准，即0的码元宽度与1的码元宽度并不相等，因此需要对解调的输出进行码元恢复。传统的办法采用锁相环来恢复定位信号，比较复杂，此处提出一种简单有效的码元恢复办法。
本设计中采用的输出码元的方法是采用两路信号，一路为码元标记信号data_out_clk，一路为码元值信号data_out，其中当码元标记信号data_out_clk有脉冲出现时，表示当前时间对应的码元值信号data_out为一个有效的码元值，这样方便我们进行码元的不输出和多输出，即只需在信号data_out-clk中少输出一个脉冲或者多输出一个脉冲并设定相应的信号data_out的电平即可。
利用外部输入的f0的时钟信号，对信号data_noclk进行采样。长度为f0/Fd的移位寄存器out_temp最右端1bit输入当前解调电路输出的采样值，移位寄存器out_temp中的数据每经过一个时钟周期左移一位。利用这个f0/Fd长度的移位寄存器，移位寄存器所有bit加起来正好是一个码元的长度，即1/Fd，每经过f0/Fd个时钟周期判断输出一个码元。
设定一个指针P指着这个移位寄存器中的某个位置X，为了能够使指针能够与码元的边沿对齐，设定指针移动的精度为N，即当指针需要左移或者右移的时候在移位寄存器上移动N位，N根据需要而定，最小为1。经过f0/2Fd个时钟周期，统计这f0/2Fd个时钟周期中out_temp[X]的值的和（1的时候加1，0的时候减1），命名为bit_midnum，再经过f0/2Fd个周期，统计这f0/Fd个时钟周期中out_temp[X]的值的和（1的时候加1，0的时候减1），命名为bit_counter。
bit_midnum、bit_counter的初值设为M，这样当经过f0/Fd个时钟周期后，如果bit-counter的值大于M，说明刚刚经过的这个码元为1。若(bit_midnum-M)<(bit_counter-bit_midnum)，说明刚经过的f0/Fd个采样值中的前f0/2Fd个采样值中0的个数大于后f0/2Fd个采样值中0的个数，说明开始统计码元时在移位寄存器上指针位置比码元边沿的位置偏左，指针需要右移以便与码元边沿对准；若(bit_midnum-M)>(bit_counter-bit_midnum)，说明刚经过的f0/Fd个采样值中的前f0/2Fd个采样值中0的个数小于后f0/2Fd个采样值中0的个数，说明开始统计码元时在移位寄存器上指针位置比码元边沿的位置偏右，指针需要左移以便与码元边沿对准。
如果bit_counter的值小于M，说明刚刚经过的这个码元为0。若(M-bit_midnum)<(bit_midnum-bit_counter)，说明刚经过的f0/Fd个采样值中的前f0/2Fd个采样值中1的个数大于后f0/2Fd个采样值中1的个数，说明开始统计码元时在移位寄存器上指针位置比码元边沿的位置偏左，指针需要右移以便与码元边沿对准；若(M-bit_midnum)>(bit_midnum-bit_counter)，说明刚经过的f0/Fd个采样值中的前f0/2Fd个采样值中1的个数小于后f0/2Fd个采样值中1的个数，说明开始统计码元时在移位寄存器上指针位置比码元边沿的位置偏右，指针需要左移以便与码元边沿对准。
综合以上几种情况，如果指针需要左移，在统计下一个f0/Fd个采样值的时候将指针指向移位寄存器的X+N的位置，即统计out_temp[X+N]的值的和；如果指针需要右移，在统计下一个f0/Fd个采样值的时候将指针指向X-N，即统计out_temp[X-N]的值的和。如果当前指针已经指在移位寄存器的最右端，检测的结果是需要继续右移，则将指针指在移位寄存器的最左端，开始下一f0/Fd个时钟周期的统计，由于此时移位寄存器中存储的那个码元已经输出过了，因此设置码元标记信号data_out_clk在下一次输出码元时不输出脉冲，即在下一个码元期间不输出码元信号；如果当前指针在移位寄存器的最左端，检测的结果是需要继续左移，则将指针指在移位寄存器的最右端，开始下一f0/Fd个时钟周期的统计，同时多输出一个码元值，即信号data_out_clk多输出一个脉冲，该脉冲对应的码元信号值则根据当前移位寄存器中存储数据的和来决定。
由以上实施例可以看出，本发明实施例通过采用FSK或GFSK解调装置和方法，利用FSK或GFSK解调电路对调制信号进行解调，检测调制信号的中频值，根据检测出的中频值调整解调参数，从而达到抗频率偏差的效果；码元恢复电路能够根据FSK或GFSK解调电路输出的解调信号的上升沿和下降沿的位置进行码元恢复。本发明的有益效果是，误码率低，根据不同的频率偏移容忍度来调整方案的参数设置，结构简单，灵活度大；能够有效的恢复码元，抵抗外部时钟的偏差；只采用数字电路，成本低。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种FSK或GFSK数字解调装置，其特征在于，包括： 
FSK或GFSK解调电路，用于通过检测调制信号的中频频率，从而采用合适的中频对调制信号进行解调，并输出调解结果； 
码元恢复电路，用于统计所述FSK或GFSK解调电路输出的解调信号的上升沿和下降沿的位置，寻找合适的单个码元的起始位置，并输出正确的码元；所述码元恢复电路包括移位寄存器，用来存储所述FSK或GFSK解调电路的输出结果，其中所述移位寄存器的位数为一个码元的位数。 
2.如权利要求1所述的FSK或GFSK数字解调装置，其特征在于，所述FSK或GFSK解调电路用于通过直接测量限幅放大后的调制信号的相邻边沿的间隔大小输出解调结果。 
3.如权利要求1或2所述的FSK或GFSK数字解调装置，其特征在于，所述FSK或GFSK解调电路用于通过测量限幅放大后的调制信号的相邻边沿的最大和最小间隔来得到调制信号的中频频率，从而调整解调采用的中频频率使之和调制信号的中频频率相同。 
4.一种FSK或GFSK数字解调方法，其特征在于，包括步骤： 
S1，利用限幅放大器限幅放大调制信号； 
S2，利用FSK或GFSK解调电路通过直接测量限幅放大后的调制信号的相邻边沿的间隔大小输出解调结果；当相邻边沿的间隔大于f0/（2Fc）时，输出低电平；当相邻边沿的间隔不大于f0/（2Fc）时，输出高电平，其中f0为外部时钟频率，Fc为中频 ；
S3，利用FSK或GFSK解调电路通过测量限幅放大后的调制信号的相邻边沿的最大和最小间隔来得到调制信号的中频频率，从而调整解调采用的中频频率使之和调制信号的中频频率相同； 
S4，码元恢复电路统计FSK或GFSK解调电路输出的解调信号的上升沿和下降沿的位置，寻找合适的单个码元的起始位置，并输出 正确的码元；所述码元恢复电路从移位寄存器的某一位置X开始码元统计，每经过f0/Fd个时钟周期，判断输出刚刚经过的码元值，同时判断开始码元统计时位置X与码元的边沿位置的偏差，调整X向码元边沿位置移动，从而最终使得开始码元统计时码元的边沿在X处，使得统计的f0/Fd个值是一个完整的码元，其中Fd为数据率。 
5.如权利要求4所述的FSK或GFSK数字解调方法，其特征在于，在所述步骤S3中，当统计的最小间隔小于f0/（2Fc+Fs）时，则增大调解中频Fc；否则，作空处理，其中f0为外部时钟频率，Fc为中频，Fs为频偏。 
6.如权利要求4所述的FSK或GFSK数字解调方法，其特征在于，在所述步骤S3中，当统计的最大间隔大于f0/（2Fc-Fs）时，则减小调解中频值Fc；否则，作空处理，其中f0为外部时钟频率，Fc为中频，Fs为频偏。 
7.如权利要求4所述的FSK或GFSK数字解调方法，其特征在于，如果外部时钟频率f0比理想值偏高，在每次开始码元统计时，移位寄存器中存储的解调电路的输出波形的边沿位置不断向移位寄存器的右侧移动，使得X也向右移，当X移动到最右侧时，若还需要向右移，则X移到最左侧，不输出下一码元；如果外部时钟频率f0比理想值偏低，在每次开始码元统计时，移位寄存器中存储的解调电路的输出波形的边沿位置不断向移位寄存器的左侧移动，使得X也向左移，当X移动到最左侧时，若还需要向左移，则X移到最右侧，多输出一个码元。 
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