CN105610745B - 一种用于fsk信号的快速载波频偏估计及校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于FSK信号的快速载波频偏估计及校正的方法。该方法通过输入经过射频模块产生的低中频I/Q两路信号，与DDS产生的信号进行相关运算及滤波处理，再进行均值运算，在事先存入的均值‑频偏查找表中进行对应查询即可对频率偏差估计估计值，再把这个值反馈给前面的DDS就可以进行频偏消除完成频偏校正过程。本发明载波频偏估计速度快，在进行频偏校正后可以提高接收机的整体性能。

Description

一种用于FSK信号的快速载波频偏估计及校正方法

技术领域

本发明涉及数字无线通讯领域，尤其是信号处理领域，是一种在频移键控(Frequency Shift Keying,一下简称FSK)解调时载波频率偏移估计及纠正的方法。

背景技术

在无线通讯中，由于接收机和发送机之间的晶振偏差引起载波频率不一致，就降低了解调的准确性，造成解调误码率上升，甚至不能正确解调。并且在近距离无线网络中，通讯的方式采用帧的形式进行通讯。在物理层规范中对帧的结构的规定是事先约定好的，其中物理头是由前导码01字符串、前定界符和帧长度组成。前导码用于信号识别，频偏估计，位定时等信号调理处理，前定界用于帧的起始同步。如果物理头过长就降低有效数据的吞吐量。这就要求在一定的前导码长度的要求下要快速的进行载波频率估计并完成频偏校正。

现有的方法通常通过估算差分延时相乘的角度，从中得到频率偏差，如专利[201210144850.X],但是这种方法需要进行IQ两路数据相除进行角度计算，在现有的数字电路中或者专用数字信号处理器DSP中，除法运算都及其消耗硬件资源并且需要相对长的延时才能到这个角度值。本方法在前导码期间可以快速对载波偏差进行估计进而完成频差校正。

发明内容

本发明针对现有技术上存在的问题，提出了一种可以在连续0101，或者1010前导码期间可以快速进行载波频率估计的方法并进行校正。

本发明采用的技术方案是：一种用于FSK信号的快速载波频偏估计及校正的方法，包括以下步骤：

射频信号经过射频模块进行下变频到低中频信号，输出I/Q两路至直接数字频率合成器进行相关运算得到一路基带信号；

经数字滤波器滤除高频分量，再通过均值滤波器进行均值滤波得到直流分量；

将直流分量输入至均值-频偏查找表得到频偏,并反馈至直接数字频率合成器修正，抵消直接数字频率合成器与I/Q两路的频率偏差。

所述均值-频偏查找表包括频偏与直流的映射关系，其建立包括以下步骤：

1)产生一串0101或1010的前导码基带信号；设置直接数字频率合成器产生的低中频频率，产生低中频FSK两个频点的正余弦信号；

2)设置载波频率偏差，根据前导码基带信号产生低中频FSK的I/Q两路信号；

3)对I/Q两路信号和直接数字频率合成器内产生的信号进行相关运算；对输出后的信号进行滤波，去除信号中的高频分量，产生滤波后的信号；通过均值滤波器得到直流分量；

4)记录设置的频率偏差值与此时的直流值；返回步骤2)直到载波频率偏差到达范围限值为止，得到频率偏差与其对应的直流值。

所述载波频率偏差范围为f_H、f_L分别为低中频FSK的两个频点，h为调制指数。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明与现有的技术相比，未出现除法单元，在载波频偏估计时对处理后的前导码信号只进行均值处理，未有除法等大的延时单元，通过查表就可以得到载波的频率偏差。

2.具有速度快，结构简单，性能稳定的特点。

3.本发明的查找表可以根据通信中信噪比的要求，存入相适应的数据，满足不同环境下频率偏差的估计。

附图说明

图1载波频率偏差估计及校正结构图；

图2频偏与直流对应关系图；

图3直流值与频率偏差查找表产生过程流程图；

图4有较大频偏与频偏纠正后的信号示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。

该方法是射频前端接收到信号后把信号下变频的低中频，得到IQ两路输出。数字电路部分对FSK下变频后的两个频率进行相关运算，再滤波去除高频分离。对处理后的前导码信号进行均值滤波处理，可以得到近似直流的值。这个值与载波频率的偏差有相关性。整个系统通过建模仿真，可以得到这个直流值与载波频率偏差的关系，在一定范围内具有单调性，再把这个关系存入表中。通过信号处理后的均值滤波器的值就可以从表中查出对应的频率偏差值，再把这个偏差值反馈给前面的DDS中，就可以把载波频偏进行纠正。

本发明采用的技术方案是：

步骤1，射频前端接收到信号后把信号下变频的低中频，再IQ两路输出。

步骤2，数字电路部分对FSK下变频到低中频的两个频率采用DDS技术进行相关运算，再滤波去除高频成分。

步骤3，对经过数字信号处理后的前导码信号进行均值滤波处理，得到近似直流的值。

步骤4，在事先经过系统仿真得到的直流值与频偏关系的表中进行查表得到频率偏差值。

步骤5，把从表中得到的频率偏差估计值反馈给前面的DDS，消除频率偏差。

一种用于FSK信号的快速载波频偏估计及校正的方法，通过系统建模得到均值与频率偏差在一定范围内存在单调的一一对应关系，通过存储表值就可以完成通过均值得到的直流进行频偏估计，估计出的频偏值可以直接返回给DDS，完成频偏校正。

本发明包括以下步骤：

1)射频信号经过射频部分进行下变频到低中频信号，采用I/Q两路给出数据。低中频范围通常会选择小于10MHz。

2)采用直接数字频率合成器DDS，与输入的I/Q两路信号进行相关运算，经过数字滤波滤除高频成分。DDS的输出频率要与I/Q两路信号低中频频率一致，这里不考虑频率偏差的影响。

3)对数字滤波器输出的信号进行求均值，得到直流分量。

4)在预先存好的均值－频偏查找表中得到估计出的频率偏差。

5)把频率偏差反馈回DDS，进行频偏纠正。

图1为载波频率偏差估计及校正的结构框图。射频信号接收到接收机后经过射频模块把射频信号下变频到低中频信号，并且给出正交的I/Q两路数据。由DDS在本地产生下变频后的FSK的两个频率的正余弦信号，再把I/Q两路数据与DDS产生的正余弦信号进行相关运算。数字滤波器接在相关运算后，对相关运算后产生的高频分量进行滤波处理。数字滤波器处理后的信号分成两路，一路可用于后续的位同步等相应处理，另一路则进行频率估算处理。均值滤波器对数字滤波器处理后的信号进行均值运算，选取合适的做信号均值的窗，进行均值运算。这个窗适合选择2的N次乘方，这样求和后取均值运算只需要把结果右移N位即可。再根据这个值在均值-频偏查找表就可以查出对应的频偏。把频偏值反馈给DDS就可以消除载波频率偏差。

图2为频偏与直流对应关系图。图中以一个调制指数为1，符号速率为100kbps的FSK进行举例。由于前导码为0101或者1010的连续码流。在无频偏干扰的情况下经过相关运算后数字滤波器输出的波形是正弦或者余弦的信号。经过一段时间求均值，理论上输出为0。而当载波中存在频率偏差，经过相关运算后数字滤波器输出的波形正余弦波形就被破坏，再经过均值运算的表现就是有近似直流的输出。频偏不同这个表现的直流也不同。从图中可以看出在一定的范围内频偏与直流存在单调关系。在均值－频偏查找表中即存如这个单调关系的对应表。通过直流值就可以查出对应的频率偏差值。

图3直流值与频率偏差查找表产生过程流程图。在产生这个查找表时需要采用诸如matlab、simulink、labview等系统建模工具对其进行系统建模，流程如图3所示。

1)设置码片时间Tb及调制指数h；

调制指数h、码片时间Tb的关系如下

f_H、f_L分别为FSK的两个频点。

2)产生一串0101或者是1010的前导码基带信号m(n)；

3)设置接收模块产生的低中频频率，产生低中频FSK两个频点的正余弦信号d(t)；DDS输出频率数学表达示如下

其中f为输出频率，K为DDS步长，f_s为采样频率，2^N为DDS深度。

4)预置载波频率偏差，根据前导码基带信号m(n),产生低中频FSK的I/Q两路信号s(t)，s(t)的数学表达示如下

其中，f₀为低中频频率，h为调制指数，m(n)为基带前导码码流。n为序列索引。

5)对低中频FSK信号s(t)和DDS产生的d(t)信号进行相关运算，产生信号sd(τ)；相关运算的数学表达式如下

6)对sd(τ)信号进行滤波处理，去除sd(τ)信号中的高频成分，产生信号sn(τ)；Tb为一个符号的持续时间。

7)通过均值滤波器，求信号sn(τ)的直流分量dc；

8)记录预置的频率偏差值fd与此时的直流dc值

9)返回步骤4)重新预置新的频率偏差值，再通过上面的步骤得到新的频率偏差与其对应的直流值。

最后绘制直流dc与频率偏差fd的关系，再进行曲线拟合就可以得到直流-频偏的对应关系，直流—频偏查找表中只存入直流dc与频偏fd单调部分，完成查找表。值得注意的是，直流dc与频偏fd的值都是一个有符号数。在直流—频偏查找表的制作过程中要把直流dc进行扩位量化后直接作为查找表的索引地址，而索引地址对应的值就是其直流的频偏。。这个查找表的输入端为索引地址，查找表的内容是直流对应的频偏，查找表的输出为频偏值。这样通过这个直流－频偏查找表就可以很方便容易的给出一个直流dc就可以知道系统对应的频率偏差fd。

图4有较大频偏与频偏纠正后的信号示意图。在接收物理头时，前导码与前定界符经过数字信号处理，从数据滤波器输出的信号，在存在较大频率偏差时和经过频率估计及纠正后的信号波形图。虚线左边为前导码在未进行频偏纠正时输出的波形。当经过频偏估计后，将估计的频偏值反馈到图1中的DDS中进行频偏消除。虚线右边为进行频偏消除后的波形图。从图4中可以看出，在载波频率得到补偿后输出的波形更便于后续相关的处理。

Claims (2)

1.一种用于FSK信号的快速载波频偏估计及校正的方法，其特征在于包括以下步骤：

射频信号经过射频模块进行下变频到低中频信号，输出I/Q两路至直接数字频率合成器进行相关运算得到一路基带信号；

经数字滤波器滤除高频分量，再通过均值滤波器进行均值滤波得到直流分量；

将直流分量输入至均值-频偏查找表得到频偏，并反馈至直接数字频率合成器修正，抵消直接数字频率合成器与I/Q两路的频率偏差；

所述均值-频偏查找表包括频偏与直流的映射关系，其建立包括以下步骤：

1)产生一串0101或1010的前导码基带信号；设置直接数字频率合成器产生的低中频频率，产生低中频FSK两个频点的正余弦信号；

2)设置载波频率偏差，根据前导码基带信号产生低中频FSK的I/Q两路信号；

3)对I/Q两路信号和直接数字频率合成器内产生的信号进行相关运算；对输出后的信号进行滤波，去除信号中的高频分量，产生滤波后的信号；通过均值滤波器得到直流分量；

4)记录设置的频率偏差值与此时的直流值；返回步骤2)直到载波频率偏差到达范围限值为止，得到频率偏差与其对应的直流值。

2.根据权利要求1所述的一种用于FSK信号的快速载波频偏估计及校正的方法，其特征在于所述载波频率偏差范围为f_H、f_L分别为低中频FSK的两个频点，h为调制指数。