CN107135182B - 调频信号的频偏计算方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例提供一种调频信号的频偏计算方法及装置，该方法包括：采集调频信号的相位信息中在前导信号的窗口的起始位置对应的第一相位值、以及结束位置对应的第二相位值，根据所述第一相位值和所述第二相位值，计算所述前导信号的窗口内的相位变化量；根据所述相位变化量、以及所述调频信号的总相位偏移值确定所述前导信号的窗口内的相位偏移值；采用所述前导信号的窗口内的相位偏移值和所述前导信号的窗口宽度，计算所述调频信号的频偏。实现了根据相位信息采样获取前导信号的窗口内的相位变化量，再结合前导信号的窗口宽度计算频偏，无需统计大量样本，计算效率高，且计算的频偏结果更为准确。

Description

调频信号的频偏计算方法及装置
技术领域
本申请涉及信号处理技术，尤其涉及一种调频信号的频偏计算方法及装置。
背景技术
研究调频信号的过程中，经常需要计算频偏。具体地，频偏是调频波里的特有现像，是指固定的调频波频率向两侧的偏移，即调频波频率摆动的幅度，一般提到的频偏指的是最大频偏，它影响调频波的频谱带宽。
现有技术中计算频偏，通常是采用鉴相器直接鉴相获取频偏。但是，由于是调频信号的信号载波本身有频偏，并且也有调制内容引入的频偏，鉴频器直接鉴频的话，很多时候同步头并不是一段未被调制的原始载波，而是经过调制的信号，那么同步头码元本身的特征就会影响鉴频器计算出的频偏。另外，也存在信道本身的噪声影响。因此，采用现有技术得到的频偏结果并不准确。
发明内容
本申请提供一种调频信号的频偏计算方法及装置，用于提高计算频偏的准确性。
本申请第一方面提供一种调频信号的频偏计算方法，包括：
采集调频信号的相位信息中在前导信号的窗口的起始位置对应的第一相位值、以及结束位置对应的第二相位值，其中，所述前导信号是所述调频信号中已确定的码字；
根据所述第一相位值和所述第二相位值，计算所述前导信号的窗口内的相位变化量；
根据所述相位变化量以及所述调频信号的总相位偏移值确定所述前导信号的窗口内的相位偏移值；
采用所述前导信号的窗口内的相位偏移值和所述前导信号的窗口宽度，计算所述调频信号的频偏。
可选地，所述方法还包括：
根据所述调频信号的预设信号采样率、所述前导信号的长度和所述调频信号的预设数据率计算所述前导信号的窗口宽度。
可选地，所述方法还包括：通过以下步骤获取所述调频信号的相位信息：
将所述调频信号下变频到基带信号，并将所述基带信号鉴相处理，获取所述调频信号的相位信息。
可选地，所述调频信号为采用高斯频移键控调制后的信号。
可选地，所述方法还包括：
采用公式Φpre＝∑(c*φb)计算所述调频信号的总相位偏移值，其中，φb表示所述调频信号被调制过程中每个码元引起的相位偏移，c为正负参数。
本申请第二方面提供一种调频信号的频偏计算装置，包括：
相位采样模块，用于采集调频信号的相位信息中在前导信号的窗口起始位置对应的第一相位值、以及结束位置对应的第二相位值，其中，所述前导信号是所述调频信号中已确定的码字；根据所述第一相位值和所述第二相位值，计算所述前导信号的窗口内的相位变化量；
前导相位统计模块，用于根据所述相位变化量以及所述调频信号的总相位偏移值确定所述前导信号的窗口内的相位偏移值；
频偏估计模块，采用所述前导信号的窗口内的相位偏移值和所述窗口宽度，计算所述调频信号的频偏。
可选地，所述前导相位统计模块，还用于根据所述调频信号的预设信号采样率、所述前导信号的长度和所述调频信号的预设数据率计算所述前导信号的窗口宽度。
可选地，所述装置还包括：鉴相器，用于将所述调频信号下变频到基带信号，并对所述基带信号进行鉴相处理，以得到所述调频信号的相位信息。
可选地，所述调频信号为采用高斯频移键控调制后的信号。
可选地，所述装置还包括：
计算模块，用于采用公式Φpre＝∑(c*φb)计算所述调频信号的总相位偏移值，其中，φb表示所述调频信号被调制过程中每个码元引起的相位偏移，c为正负参数。
本申请提供的调频信号的频偏计算方法及装置中，采集调频信号的相位信息中在前导信号的窗口起始位置对应的第一相位值、以及结束位置对应的第二相位值，根据第一相位值和第二相位值，计算前导信号的窗口内的相位变化量，进而根据前导信号的窗口内的相位变化量、以及调频信号的总相位偏移值确定前导信号的窗口内的相位偏移值，最后采用前导信号的窗口内的相位偏移值和前导信号的窗口宽度，计算调频信号的频偏，实现了根据相位信息采样获取前导信号的窗口内的相位偏移值，再结合前导信号的窗口宽度计算频偏，无需统计大量样本，计算效率高，且通过前导信号的窗口内的相位偏移值和前导信号的窗口宽度计算的频偏结果更为准确。
附图说明
图1为本申请一实施例提供的调频信号的频偏计算方法；
图2为本申请一实施例提供的调频信号的频偏计算装置结构示意图；
图3为本申请另一实施例提供的调频信号的频偏计算装置结构示意图；
图4为本申请再一实施例提供的调频信号的频偏计算装置结构示意图。
具体实施方式
针对鉴相器直接鉴相获取频偏，需要大量统计样本，且本身得到的频偏结果准确性不高的问题。本申请提出一种新的计算频偏的方法。
图1为本申请一实施例提供的调频信号的频偏计算方法，如图1所示，该方法包括：
S101、采集调频信号的相位信息中在前导信号的窗口的起始位置对应的第一相位值、以及结束位置对应的第二相位值。
其中，第一相位值可以记为φ1，第二相位值可以记为φ2。
此处，前导信号可以指调频信号中已经确定的码字。可选地，获取调频信号的相位信息之前，先确定上述调频信号中已确定的码字为上述前导信号。进而也就可以确定出前导信号的长度。
可选地，S101之前将调频信号鉴相处理，获取调频信号的相位信息。
其中，调频信号具体指将原始信号经过调制后的信号。例如可以是采用高斯频移键控(Gauss frequency Shift Keying，简称GFSK)调制的方式进行调制后的信号。
GFSK调制具体指的是把输入信号经高斯低通滤波器预调制滤波后，再进行频移键控(Frequency-shift keying，简称FSK)调制的数字调制方式。但不以此为限，只要调制中单个码元引起的相移是固定的，那么调制的信号都适用于本申请。
具体解调时，先将调频信号输入鉴相器，经过鉴相器处理得到相位信息。
鉴相器解出相位信息后，可以在前导信号的窗口起始位置和结束位置分别采集鉴相器的输出。具体可以由帧同步模块来确定前导信号时间段的起始位置和结束位置。可选地，可以利用先入先出结构进行相位采样，抓取前导信号起始码字和结束码字对应的鉴相器输出相位。
S102、根据第一相位值和第二相位值，计算前导信号的窗口内的相位变化量。
其中，前导信号的窗口内的相位变化量可以表示为Φr＝φ2-φ1。
S103、根据前导信号的窗口内的相位变化量、以及调频信号的总相位偏移值确定前导信号的窗口内的相位偏移值。
具体地，上述调频信号被调制过程中每个码元引起的相位偏移大小相同，都为φb。正负参数c的值可以由码元为1或0确定，对应码元值为1时，c＝+1，对应码元为0时，c＝-1，进而可以得到上述调频信号的总相位偏移值Φpre＝∑(c*φb)。
那么可以确定前导信号的窗口内的相位偏移值Φd＝Φr-Φpre。
前导信号的窗口宽度，可以是已知的或者根据已知值计算出来的，在此不具体限制。
S104、采用前导信号的窗口内的相位偏移值和前导信号的窗口宽度，计算调频信号的频偏。
前导信号的窗口宽度，就是指前导信号对应的时间长度值。
在得到前导信号的窗口内的相位偏移值和前导信号的窗口宽度后，就可以根据相位偏移值除以时间等于频率的原理，得到调频信号的频偏。
本实施例中，采集调频信号的相位信息中在前导信号的窗口起始位置对应的第一相位值、以及结束位置对应的第二相位值，根据第一相位值和第二相位值，计算前导信号的窗口内的相位变化量，进而根据前导信号的窗口内的相位变化量、以及调频信号的总相位偏移值确定前导信号的窗口内的相位偏移值，最后采用前导信号的窗口内的相位偏移值和前导信号的窗口宽度，计算调频信号的频偏，实现了根据相位信息采样获取前导信号的窗口内的相位偏移值，再结合前导信号的窗口宽度计算频偏，无需统计大量样本，计算效率高，且通过前导信号的窗口内的相位偏移值和前导信号的窗口宽度计算的频偏结果更为准确。
可选地，根据调频信号的预设信号采样率、前导信号的长度和调频信号的预设数据率计算前导信号的窗口宽度。可见，本申请中，调频信号的预设信号采样率、前导信号的长度和调频信号的预设数据率均为已知值。
具体地，可以根据公式Win＝M*Fs/N计算前导信号的窗口宽度Win，其中，M表示前导信号的长度(单位可以记为bit)，N表示调频信号的预设数据率(单位可记为M bps)，Fs表示调频信号的预设信号采样率(单位可以记为MHz)。
进一步地，频偏的具体计算也可以表示为Fd＝Φd/(2*π*M/N)。
可选地，S101之前可以通过以下步骤获取调频信号的相位信息：先将调频信号下变频到基带信号，并对该基带信号进行鉴相处理，以得到调频信号的相位信息。
具体地，解调过程中，先把收到的调频信号进行下变频处理，得到对应的基带信号。其中，下变频具体指将接收的调频信号与本地振荡器产生的本振信号相乘，然后通过低通滤波器获得变频后的信号。
得到对应的基带信号后输入鉴相器，经过鉴相处理，输出对应的相位信息。
可选地，上述调频信号的预设信号采样率可以具体指下变频到基带信号后，针对基带信号的预设信号采样率。
以蓝牙4.2为例说明上述实施例，假设调频信号的预设信号采样率Fs＝16MHz，调频信号的预设数据率N＝1M bps，调频信号下变频得到基带信号，该基带信号的每个数据bit经过积分调相后均产生π/2的相位偏移，比特值为“1”引起π/2相位偏移，比特值为“0”引起-π/2相位偏移。使用调频信号中确定的码字，例如接收地址(access address)作为前导信号，其前导信号的长度M＝32bit。帧同步模块同步到接收地址后，通知相位采样，具体地，前导信号的窗口宽度为Win＝M*Fs/N，利用一个一个先入先出(fifo)结构，抓取接收地址起始码字和结束码字对应的鉴相器输出相位，计算前导信号的窗口内的相位偏移值。最后利用公式Fd＝Φd/(2*π*M/N)计算出频偏。
图2为本申请一实施例提供的调频信号的频偏计算装置结构示意图，如图2所示，该装置包括：相位采样模块201、前导相位统计模块202、频偏估计模块203，其中，
相位采样模块201，用于采集调频信号的相位信息中在前导信号的窗口起始位置对应的第一相位值、以及结束位置对应的第二相位值，其中，所述前导信号是所述调频信号中已确定的码字；根据所述第一相位值和所述第二相位值，计算所述前导信号的窗口内的相位变化量。
前导相位统计模块202，用于根据所述相位变化量、以及所述调频信号的总相位偏移值确定所述前导信号的窗口内的相位偏移值。
频偏估计模块203，采用所述前导信号的窗口内的相位偏移值和所述前导信号的窗口宽度，计算所述调频信号的频偏。
本实施例中，采集调频信号的相位信息中在前导信号的窗口起始位置对应的第一相位值、以及结束位置对应的第二相位值，根据第一相位值和第二相位值，计算前导信号的窗口内的相位变化量，进而根据前导信号的窗口内的相位变化量、以及调频信号的总相位偏移值确定前导信号的窗口内的相位偏移值，最后采用前导信号的窗口内的相位偏移值和前导信号的窗口宽度，计算调频信号的频偏，实现了根据相位信息采样获取前导信号的窗口内的相位偏移值，再结合前导信号的窗口宽度计算频偏，无需统计大量样本，计算效率高，且通过前导信号的窗口内的相位偏移值和前导信号的窗口宽度计算的频偏结果更为准确。
可选地，前导相位统计模块202，还用于根据所述调频信号的预设信号采样率、所述前导信号的长度和所述调频信号的预设数据率计算所述前导信号的窗口宽度。
图3为本申请另一实施例提供的调频信号的频偏计算装置结构示意图，如图3所示，在图2的基础上，该装置还可以包括：鉴相器301，用于将所述调频信号下变频到基带信号，并对所述基带信号进行鉴相处理，以得到所述调频信号的相位信息。
可选地，上述调频信号为采用高斯频移键控调制后的信号。当然，不以此为限。
图4为本申请再一实施例提供的调频信号的频偏计算装置结构示意图，如图4所示，在图3的基础上，该装置还可以包括：计算模块401，用于采用公式Φpre＝∑(c*φb)计算所述调频信号的总相位偏移值，其中，φb表示所述调频信号被调制过程中每个码元引起的相位偏移，c为正负参数。
该装置用于执行前述方法实施例，其实现原理和技术效果类似，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(英文：processor)执行本申请各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(英文：Read-Only Memory，简称：ROM)、随机存取存储器(英文：Random Access Memory，简称：RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

Claims (18)

1.一种调频信号的频偏计算方法，其特征在于，所述调频信号是调制过程中单个码元引起的相移是固定的调频信号，所述方法包括：
采集调频信号的相位信息中在前导信号的窗口的起始位置对应的第一相位值以及结束位置对应的第二相位值，其中，所述前导信号是所述调频信号中已确定的码字；
根据所述第一相位值和所述第二相位值，计算所述前导信号的窗口内的相位变化量；
根据所述相位变化量以及所述调频信号的总相位偏移值确定所述前导信号的窗口内的相位偏移值；
采用所述前导信号的窗口内的相位偏移值和所述前导信号的窗口宽度，计算所述调频信号的频偏。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述调频信号的预设信号采样率、所述前导信号的长度和所述调频信号的预设数据率计算所述前导信号的窗口宽度。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过以下步骤获取所述调频信号的相位信息：
将所述调频信号下变频到基带信号，并对所述基带信号进行鉴相处理，以得到所述调频信号的相位信息。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述调频信号为采用高斯频移键控调制后的信号。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述调频信号为采用高斯频移键控调制后的信号。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
采用公式Φpre＝∑(c*φb)计算所述调频信号的总相位偏移值，其中，φb表示所述调频信号被调制过程中每个码元引起的相位偏移，c为正负参数。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
采用公式Φpre＝∑(c*φb)计算所述调频信号的总相位偏移值，其中，φb表示所述调频信号被调制过程中每个码元引起的相位偏移，c为正负参数。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
采用公式Φpre＝∑(c*φb)计算所述调频信号的总相位偏移值，其中，φb表示所述调频信号被调制过程中每个码元引起的相位偏移，c为正负参数。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
采用公式Φpre＝∑(c*φb)计算所述调频信号的总相位偏移值，其中，φb表示所述调频信号被调制过程中每个码元引起的相位偏移，c为正负参数。
10.一种调频信号的频偏计算装置，其特征在于，所述调频信号是调制过程中单个码元引起的相移是固定的调频信号，所述装置包括：
相位采样模块，用于采集调频信号的相位信息中在前导信号的窗口起始位置对应的第一相位值、以及结束位置对应的第二相位值，其中，所述前导信号是所述调频信号中已确定的码字；根据所述第一相位值和所述第二相位值，计算所述前导信号的窗口内的相位变化量；
前导相位统计模块，用于根据所述相位变化量以及所述调频信号的总相位偏移值确定所述前导信号的窗口内的相位偏移值；
频偏估计模块，采用所述前导信号的窗口内的相位偏移值和所述窗口宽度，计算所述调频信号的频偏。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述前导相位统计模块，还用于根据所述调频信号的预设信号采样率、所述前导信号的长度和所述调频信号的预设数据率计算所述前导信号的窗口宽度。
12.根据权利要求10或11所述的装置，其特征在于，还包括：
鉴相器，用于将所述调频信号下变频到基带信号，并对所述基带信号进行鉴相处理，以得到所述调频信号的相位信息。
13.根据权利要求10或11所述的装置，其特征在于，所述调频信号为采用高斯频移键控调制后的信号。
14.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述调频信号为采用高斯频移键控调制后的信号。
15.根据权利要求10或11所述的装置，其特征在于，还包括：
计算模块，用于采用公式Φpre＝∑(c*φb)计算所述调频信号的总相位偏移值，其中，φb表示所述调频信号被调制过程中每个码元引起的相位偏移，c为正负参数。
16.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，还包括：
计算模块，用于采用公式Φpre＝∑(c*φb)计算所述调频信号的总相位偏移值，其中，φb表示所述调频信号被调制过程中每个码元引起的相位偏移，c为正负参数。
17.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，还包括：
计算模块，用于采用公式Φpre＝∑(c*φb)计算所述调频信号的总相位偏移值，其中，φb表示所述调频信号被调制过程中每个码元引起的相位偏移，c为正负参数。
18.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，还包括：
计算模块，用于采用公式Φpre＝∑(c*φb)计算所述调频信号的总相位偏移值，其中，φb表示所述调频信号被调制过程中每个码元引起的相位偏移，c为正负参数。
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