CN102325109B - 一种快速fsk解调方法及全数字低功耗实现装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种快速FSK解调信号的方法。同时本发明还提供了实现该算法的全数字低功耗装置，包括限幅单元、采样单元、M滑动窗、第一存储单元、第一按位同或运算单元、第一计数单元、第一比较减法器、第二存储单元、第二按位同或运算单元、第二计数单元、第二比较减法器、减法器、加法器、均值滤波器和判决器。这种解调FSK信号的方法可以用全数字电路实现，具有很强的抗干扰能力和移植性，并且占用较少的硬件资源，可以减小功耗。
Description
技术领域
本发明属于无线通信领域，尤其涉及一种解调频移键控（Frequency ShiftKeying以下简称FSK）信号的方法以及全数字实现装置。
背景技术
FSK是信息传输中使用得较早的一种调制方式，它的主要优点是：实现起来较容易，抗噪声与抗衰减的性能较好，因此在中低速数据传输中得到了广泛的应用，比如在铁路系统和电力系统的载波通信中，也是用FSK信号来传输各种控制信号。FSK是利用两个不同频率F1和F0的信号来代表基带信号“1”和“0”，二进制FSK信号的常用解调方法可采用非相干检测法和相干检测法，其中抽样判决器是判定那一个输入样值大，此时可以不专门设置门限电平。此外，FSK信号还有其他解调方法，比如鉴频法、过零检测法及差分检波法等，这些解调方法主要通过模拟电路实现，但是模拟电路实现起来相对复杂，由于模拟电路容易受温漂和零飘的影响，引起工作点的漂移，使得电路不能长期稳定工作；由于数字电路具有很好的抗干扰能力，电路工作稳定以及实现简单等优点而备受关注，因此国内外有人研究基于数字电路的FSK解调装置，比如短时傅里叶变换法，虽然短时傅里叶变换法抗噪性能较好，但其运算量较大，电路功耗较大，不适合用在移动通信设备，比如蓝牙，无绳电话等以及靠电池供电的应答器上传链路的FSK信号解调设备中。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种快速FSK解调方法及全数字低功耗实现装置。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种快速FSK解调方法，包含如下步骤：
（1）设N0个频率为f0的信号代表基带信号“0”，N1个频率为f1的信号代表基带信号“1”；
（2）设置采样时钟频率为Fs，理想情况下，一比特基带“0”信号对应的FSK信号的二进制表达式为N0个{111..，000…}（其中1和0的个数相等，都为[Fs/2f0]）拼接在一起，位数为N0*[Fs/f0]；同理，一比特基带“1”信号对应的FSK信号二进制表达式为N1个{111..，000…}（其1和0的个数相等，都为[Fs/2f1]）拼接在一起，位数为N1*[Fs/f1]；[]表示取整运算；
（3）将接收到的FSK信号限幅，即FSK信号幅值高于某个电压值时对应的逻辑值为1，反之为0，限幅后的FSK信号成为二进制FSK信号，这样的FSK信号被频率为Fs的采样时钟采样；
（4）设滑动窗的窗口宽度为M，M大小为一个码元的宽度，即M=N0*[Fs/f0]=N1*[Fs/f1]，该滑动窗在被限幅后的二进制FSK信号上滑动，一个窗口内有M个采样信号，在采样时钟的控制下每1/Fs时间滑动一次；
（5）将滑动窗内的二进制FSK信号分别跟一比特基带“0”信号对应的FSK信号的二进制表达式和基带“1”对应的FSK信号的二进制表达式按位做同或运算，也就是说，M个FSK信号分别跟N0个{111..，000…}（其中1和0的个数为[Fs/2f0]）信号和N1个{111..，000…}（其中1和0的个数为[Fs/2f1]）信号按位做同或运算，并且计算出这两组同或运算结果为1的个数；
（6）将步骤5得到的两组计数结果分别与M/2相减，并求绝对值；
（7）将步骤6得到的两组值相减，然后再加上M/2后经过一个滑动窗口为Mf的均值滤波器，该均值滤波器在采样时钟的控制下每1/Fs时间滑动一次，也就是把窗口内的Mf个值相加求平均然后输出；
（8）将步骤6中滤波器的输出进行判决，高于M/2就认为是基带“1”信号，否则就是基带“0”信号。
一种实现上述的FSK解调方法的全数字低功耗实现装置，包括：
一限幅单元，将接收到的FSK信号进行限幅后输出；
一采样单元，与限幅单元相连，对限幅单元输出的信号按采样频率为Fs的采样时钟采样；
一M滑动窗，与采样单元相连，窗口宽度M大小为一比特码元宽度，即M=N0*[Fs/f0]=N1*[Fs/f1]，由M个一比特移位寄存器实现，用来暂时保存M个二进制FSK信号，其滑动受采样时钟控制，频率为Fs；
一第一存储单元，存储一比特基带“0”信号对应的FSK信号表达式，也就是存储N0个{111…000…}（其中1和0的个数为[Fs/2f0]）；
一第一按位同或运算单元，分别与第一存储单元和M滑动窗相连，将M个移位寄存器中的值跟N0个{111…000…}（其中1和0的个数为[Fs/2f0]）做同或运算；
一第一计数单元，与第一按位同或运算单元相连，计算出第一按位同或运算单元的结果为1的个数；
一第一比较减法器，与第一计数单元相连，由一个比较器和减法器组成，比较第一计数单元输出结果跟M/2的大小，并且用较大的值减去较小的值；
一第二存储单元，存储一比特基带“1”信号对应的FSK信号表达式，也就是存储N1个{111…000…}（其中1和0的个数为[Fs/2f1]）；
一第二按位同或运算单元，分别与第二存储单元和M滑动窗相连，将M个移位寄存器中的值跟N1个{111…000…}（其中1和0的个数为[Fs/2f1]）按位做同或运算；
一第二计数单元，与第二按位同或运算单元相连，计算出第二按位同或运算单元的结果为1的个数；
一第二比较减法器，与第二计数单元相连，由一个比较器和减法器组成，比较第二计数单元输出结果跟M/2的大小，并且用较大的值减去较小的值；
一减法器，分别与第一比较减法器和第二比较减法器相连，第二比较减法器的输出减去第一比较减法器的输出；
一加法器，与减法器相连，将减法器输出结果跟M/2相加；
一均值滤波器，与加法器相连，窗口宽度为Mf，由Mf-1个延迟单元组成，其滑动受采样时钟控制，频率为Fs，将第一加法器的结果输入到均值滤波器，每Mf个值求平均值后输出；
一判决器，与均值滤波器相连，主要由比较器构成，如果均值滤波器输出结果大于M/2的，则输出基带“1”信号，否则为基带“0”信号。
本发明的有益效果是，本发明采用了多比特同或运算单元，可以提高FSK解调的启动速度，本发明的解调方法，从开始解调到恢复出第一位数据的时间为一个码元多点的时间；另外本发明只采取两组参考信号，减少了做运算的通道，这样就减小了通道噪声对解调效果的影响，可以减小解调中的误码率以及功耗；最后本发明可以全部采用数字电路实现，具有很强的抗干扰能力和移植性。
附图说明
图1是FSK调制结果示意图；
图2是本发明的FSK解调方法的实现装置的结构示意框图；
图3是在其滑动窗M为112，均值滤波器窗口为8的情况下，本发明的FSK解调装置主要模块工作结果示意图；
图4是调制时的基带数据跟本发明解调出来的数据对比示意图；
图5是调制时的基带数据跟本发明解调出来的数据对比放大示意图。
具体实施方式
为了将基带信号“0”，“1”解调出来，本发明采用了一种新的方法，其核心思想就是将滑动窗M内的二进制FSK信号分别与理想情况下一比特基带“0”信号对应的FSK信号及理想情况下一比特基带“1”信号对应的FSK信号按位做同或运算，计算出同或运算结果中为1的个数，并对这两组计数结果做相应的处理后经过均值滤波器后判决出基带信号是“0”还是“1”。具体的方法步骤和实现装置如下：
一种新型FSK解调方法，其包含如下步骤：
步骤1，设N0个频率为f0的信号代表基带信号“0”，N1个频率为f1的信号代表基带信号“1”；
步骤2，设置本解调方法中的采样时钟频率为Fs，理想情况下，一比特基带“0”信号对应的FSK信号的二进制表达式为N0个{111..，000…}（其中1和0的个数相等，都为[Fs/2f0]）拼接在一起，共N0*[Fs/f0]位；同理，一比特基带“1”信号对应的FSK信号二进制表达式为N1个{111..，000…}（其1和0的个数相等，都为[Fs/2f1]）拼接在一起，共N1*[Fs/f1]位；[]表示取整运算；
步骤3，将接收到的FSK信号限幅，即FSK信号幅值高于某个电压值是对应的逻辑值为1，反之为0，限幅后的FSK信号成为二进制FSK信号，这样的FSK信号被频率为Fs的采样时钟采样；
步骤4，设滑动窗窗口宽度为M，M大小为一个码元的宽度，即M=N0*[Fs/f0]=N1*[Fs/f1]，该滑动窗在被限幅后的二进制FSK信号上滑动，一个窗口内有M个采样信号，在采样时钟的控制下每1/Fs时间滑动一次；
步骤5，将滑动窗内的二进制FSK信号分别跟一比特基带“0”信号对应的FSK信号的二进制表达式和基带“1”对应的FSK信号的二进制表达式按位做同或运算，也就是说M个FSK信号分别跟N0个{111..，000…}（其中1和0的个数为Fs/2f0）信号和N1个{111..，000…}（其中1和0的个数为Fs/2f1）信号按位做同或运算，并且计算出这两组同或运算结果为1的个数；
步骤6，将步骤5得到的两组计数结果分别与M/2相减，并求绝对值；
步骤7，将步骤6得到的两组值相减，然后再加上M/2后经过一个滑动窗口为Mf的均值滤波器，该均值滤波器在采样时钟的控制下每1/Fs时间滑动一次，也就是把窗口内的Mf个值相加求平均然后输出；
步骤8，将步骤6中滤波器的输出进行判决，高于M/2就认为是基带“1”信号，否则就是基带“0”信号；
如图2所示，本发明实现该快速FSK解调方法的全数字低功耗实现装置，包括：
一限幅单元，将接收到的FSK信号进行限幅后输出；
一采样单元，与限幅单元相连，对限幅单元输出的信号按采样频率为Fs的采样时钟采样；
一M滑动窗，与采样单元相连，窗口宽度M大小为一比特码元宽度，即M=N0*[Fs/f0]=N1*[Fs/f1]，由M个一比特移位寄存器实现，用来暂时保存M个二进制FSK信号，其滑动受采样时钟控制，频率为Fs；
一第一存储单元，存储一比特基带“0”信号对应的FSK信号表达式，也就是存储N0个{111…000…}（其中1和0的个数为[Fs/2f0]）；
一第一按位同或运算单元，分别与第一存储单元和M滑动窗相连，将M个移位寄存器中的值跟N0个{111…000…}（其中1和0的个数为[Fs/2f0]）做同或运算；
一第一计数单元，与第一按位同或运算单元相连，计算出第一按位同或运算单元的结果为1的个数；
一第一比较减法器，与第一计数单元相连，由一个比较器和减法器组成，比较第一计数单元输出结果跟M/2的大小，并且用较大的值减去较小的值；
一第二存储单元，存储一比特基带“1”信号对应的FSK信号表达式，也就是存储N1个{111…000…}（其中1和0的个数为[Fs/2f1]）；
一第二按位同或运算单元，分别与第二存储单元和M滑动窗相连，将M个移位寄存器中的值跟N1个{111…000…}（其中1和0的个数为[Fs/2f1]）按位做同或运算；
一第二计数单元，与第二按位同或运算单元相连，计算出第二按位同或运算单元的结果为1的个数；
一第二比较减法器，与第二计数单元相连，由一个比较器和减法器组成，比较第二计数单元输出结果跟M/2的大小，并且用较大的值减去较小的值；
一减法器，分别与第一比较减法器和第二比较减法器相连，第二比较减法器的输出减去第一比较减法器的输出；
一加法器，与减法器相连，将减法器输出结果跟M/2相加；
一均值滤波器，与加法器相连，窗口宽度为Mf，由Mf-1个延迟单元组成，其滑动受采样时钟控制，频率为Fs，将第一加法器的结果输入到均值滤波器，每Mf个值求平均值后输出；
一判决器，与均值滤波器相连，主要由比较器构成，如果均值滤波器输出结果大于M/2的，则输出基带“1”信号，否则为基带“0”信号。
图1所示为FSK调制的原理图，基带“1”信号用频率为f1的正弦信号表示，基带“0”信号用频率为f0的正弦信号表示，这样就组成为FSK信号。本发明的解调方法以及装置就是针对这样的FSK信号，解调出FSK信号所携带的基带信号。
限幅单元将输入的FSK信号转化为二进制FSK信号，也就是类似方波的FSK信号。如图3中的二进制频移键控所示，这里调制时的基带信号如图3中基带数据所示，基带“0”信号对应的频率f0为4.5MHz，并且8个4.5Mhz的信号代表一比特基带“0”信号，即这里使N0为8，基带“1”信号对应的频率f1为3.9MHz，并且7个3.9MHz的信号代表一比特基带“1”信号，即这里使N1为7，由于这两个载频频差很小，所以在图上很难区分出来，只有在图5这个细节图上才能看出这两个频率的信号的差别；
采样单元工作时钟Fs为63.2MHz，对限幅输出的二进制FSK信号进行采样，这样4.5MHz的FSK信号一个周期被采样[Fs/f0]次，即14次，3.9MHz的FSK信号一个周期被采样[Fs/f1]次，即16次；第一存储单元存储的为理想情况下一比特基带“0”信号对应FSK信号的值，这里为8个{11111110000000}拼接，共8*14=112位，表达式中1，0的个数为[Fs/2f0]=[63.2/9]=7；同理，第二存储单元存储的为理想情况下一比特基带“1”信号对应FSK信号的值，这里为7个{1111111100000000}拼接，共7*16=112位，表达式中1，0的个数为[Fs/2f1]=[63.2/7.8]=8；将采样单元的输出结果一位一位的移入到窗口为M为112的滑动窗中，也就是112位移位寄存器中，当112位移位寄存器中装满二进制FSK信号后，将这112位移位寄存器的输出同时输出到第一按位同或运算单元和第二按位同或运算单元；这样第一按位同或运算单元将112位移位寄存器中实际接收到的二进制FSK信号与第一存储单元中112位理想情况下一比特基带“0”信号对应FSK信号的值按位做同或运算；将第一按位同或运算完的112位结果送到第一计数单元中，第一计数单元计算出第一按位同或运算完的112位结果中1的个数，输出结果如图3中按位求和1所示；第二按位同或运算单元将112位移位寄存器中实际接收到的二进制FSK信号与第二存储单元中112位理想情况下一比特基带“1”信号对应FSK信号的值按位做同或运算；将第二按位同或运算完的112位结果送到第二计数单元中，第二计数单元计算出第二按位同或运算完的112位结果中1个个数，输出结果如图3中按位求和2所示；将第一计数单元的结果送到第一比较减法器中，如果输入大于56，则第一比较减法器的输出为输入减去56，否则为56减去输入；将第二计数单元的结果送到第二比较减法器中，如果输入大于56，则第二比较减法器的输出为输入减去56，否则为56减去输入；将第一比较减法器跟第二比较减法器的输出送入到减法器，第二比较减法器的输出减去第一比较减法器的输出作为该减法器的输出；将减法器的输出结果送到加法器中，与M/2，即56相加作为加法器的输出，输出结果如图3中求和所示；将加法器的输出作为窗口Mf为8的均值滤波器，也就是每8个输入值求平均后输出，然后在时钟Fs的控制下，滑动一次，也就是再接受一个输入，并且把原先8个输入中的最早接受到输入值抛弃，这样组成的一个新的8个输入值再求平均后输出，输出结果如图3中均值滤波器输出所示；最后将均值滤波器的输出送到判决器中，如果均值滤波器输出大于M/2，即56，则判决器输出为基带“1”信号，否则为基带“0”信号，输出结果如图3中恢复出来的数据所示。由于图3只有几个比特的基带信号，不能很好的看出解调的效果，图4为较多的基带信号以及解调后的数据，中间为二进制FSK信号，由图4可看出，解调出来的数据与调制前的基带数据完全相等，因此本发明的解调的方法能很好的解调二进制FSK信号；图5是图4的细节图，由图5可看出，解调出的数据只比调制基带数据延迟一个码元多一点的时间，虽然这个延迟是无法消除的，但是不影响解调系统的正常工作。
将基带“0”信号对应频率为4.5MHz，基带“1”信号对应频率为3.9MHz的FSK信号经过本发明的解调装置，在进行模拟时，滑动窗窗口为112，均值滤波器窗口为8，并且给FSK信号加入高斯白噪声，信噪比为5db的情况，本发明可以很好的解调出基带信号。
Claims (2)
1.一种快速FSK解调方法，其特征在于，包含如下步骤：
（1）设N0个频率为f0的信号代表基带信号“0”，N1个频率为f1的信号代表基带信号“1”；
（2）设置采样时钟频率为Fs，理想情况下，一比特基带“0”信号对应的FSK信号的二进制表达式为N0个{111..，000…}拼接在一起，位数为N0*[Fs/f0]， {111..，000…}中，1和0的个数相等，都为[Fs/2f0]；同理，一比特基带“1”信号对应的FSK信号二进制表达式为N1个{111..，000…}拼接在一起，位数为N1*[Fs/f1]，[]表示取整运算，{111..，000…}中，1和0的个数相等，都为[Fs/2f1]；
（3）将接收到的FSK信号限幅，即FSK信号幅值高于某个电压值时对应的逻辑值为1，反之为0，限幅后的FSK信号成为二进制FSK信号，这样的FSK信号被频率为Fs的采样时钟采样；
（4）设滑动窗的窗口宽度为M，M大小为一个码元的宽度，即M= N0*[Fs/f0]= N1*[Fs/f1]，该滑动窗在被限幅后的二进制FSK信号上滑动，一个窗口内有M个采样信号，在采样时钟的控制下每1/Fs时间滑动一次；
（5）将滑动窗内的二进制FSK信号分别跟一比特基带“0”信号对应的FSK信号的二进制表达式和基带“1”对应的FSK信号的二进制表达式按位做同或运算，也就是说，M个FSK信号分别跟N0个{111..，000…}信号和N1个{111..，000…}信号按位做同或运算，并且计算出这两组同或运算结果为１的个数，所述N0个{111..，000…}中，{111..，000…}中的1和0的个数都为[Fs/2f0]；所述N1个{111..，000…}中，{111..，000…}中的1和0的个数都为[Fs/2f1]；
（6）将步骤5得到的两组计数结果分别与M/2相减，并求绝对值；
（7）将步骤6得到的两组值相减，然后再加上M/2后经过一个滑动窗口为Mf的均值滤波器，该均值滤波器在采样时钟的控制下每1/Fs时间滑动一次，也就是把窗口内的Mf个值相加求平均然后输出；
（8）将步骤6中滤波器的输出进行判决，高于M/2就认为是基带“1”信号，否则就是基带“0”信号。
2.一种实现权利要求1所述的FSK解调方法的全数字低功耗实现装置，其特征在于，它包括：
一限幅单元，将接收到的FSK信号进行限幅后输出；
一采样单元，与限幅单元相连，对限幅单元输出的信号按采样频率为Fs的采样时钟采样；
一M滑动窗，与采样单元相连，窗口宽度M大小为一比特码元宽度，即M= N0*[Fs/f0]= N1*[Fs/f1]，由M个一比特移位寄存器实现，用来暂时保存M个二进制FSK信号，其滑动受采样时钟控制，频率为Fs；
一第一存储单元，存储一比特基带“0”信号对应的FSK信号表达式，也就是存储N0个{111…000…}；{111..，000…}中，1和0的个数都为[Fs/2f0]；
一第一按位同或运算单元，分别与第一存储单元和M滑动窗相连，将M个移位寄存器中的值跟N0个{111…000…}做同或运算，{111..，000…}中，1和0的个数都为[Fs/2f0]；
一第一计数单元，与第一按位同或运算单元相连，计算出第一按位同或运算单元的结果为1的个数；
一第一比较减法器，与第一计数单元相连，由一个比较器和减法器组成，比较第一计数单元输出结果跟M/2的大小，并且用较大的值减去较小的值；
一第二存储单元，存储一比特基带“1”信号对应的FSK信号表达式，也就是存储N1个{111…000…}；{111..，000…}中，1和0的个数都为[Fs/2f1]；
一第二按位同或运算单元，分别与第二存储单元和M滑动窗相连，将M个移位寄存器中的值跟N1个{111…000…}按位做同或运算；{111..，000…}中，1和0的个数都为[Fs/2f1]；
一第二计数单元，与第二按位同或运算单元相连，计算出第二按位同或运算单元的结果为1的个数；
一第二比较减法器，与第二计数单元相连，由一个比较器和减法器组成，比较第二计数单元输出结果跟M/2的大小，并且用较大的值减去较小的值；
一减法器，分别与第一比较减法器和第二比较减法器相连，第二比较减法器的输出减去第一比较减法器的输出；
一加法器，与减法器相连，将减法器输出结果跟M/2相加；
一均值滤波器，与加法器相连，窗口宽度为Mf，由Mf-1个延迟单元组成，其滑动受采样时钟控制，频率为Fs，将第一加法器的结果输入到均值滤波器，每Mf个值求平均值后输出；
一判决器，与均值滤波器相连，主要由比较器构成，如果均值滤波器输出结果大于M/2的，则输出基带“1”信号，否则为基带“0”信号。
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| CN102325109A (zh) | 2012-01-18 |
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