CN108933748A - 实现锁定频率变化的调频信号的解调方法及系统 - Google Patents

实现锁定频率变化的调频信号的解调方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种实现锁定频率变化的调频信号的解调方法及系统，包括以下步骤：(1)采集数据并处理周期点数；(2)根据周期点数和的变化提取频率变化，并对调频信号进行解调；(3)对调频信号进行解码并输出数据。采用该实现锁定频率变化的调频信号的解调方法及系统，在解调部分不需要复杂的模拟电路，其数字部分可以用较低的时钟频率进行信号的初步采样与简单处理，继而在更低的频率下进行较为复杂的运算，相比于现有的FSK解码方法，本方法的实现更加契合Qi标准的FSK信号的同时，能够更准确的锁定频率变化，大大简化了信号解调部分的工作，成本低，解调速度快，对Fop是否固定没有要求，且精度较高，具有广泛的应用范围。

Description

实现锁定频率变化的调频信号的解调方法及系统
技术领域
本发明涉及无线充电技术领域，尤其涉及调频信号解调技术领域，具体是指一种实现锁定频率变化的调频信号的解调方法及系统。
背景技术
在Qi标准的无线充电设备中，能量发射端发射到的能量接收端的通信信号，是通过2FSK(二进制频移键控)的方式传输的，而与传统2FSK信号不同的是：依Qi标准的通讯协议，同一系统的不同阶段，通信载波频率Fop与调制频率Fmod并不固定，且Fop与Fmod之间的频率差较小。
其在正常工作过程中通过不同频率的能量信号来传输不同的功率，而2FSK信号通讯有可能发生在任何能量信号频率点，且Qi标准中为保证传输能量稳定性规定了载波频率Fop与调制频率Fmod的周期差的最大值为282ns，最小值仅为32ns。同时，由于无线充电系统中能量接收端所收到的信号为电感耦合过来的信号，从而导致其接收到的信号并非单频正弦信号，而是可能掺杂有大量高频噪声，传统的2FSK解调方法主要是相干解调、滤波非相干解调与正交相乘非相干解调三种方式。
由于Qi标准通信协议的限制，其载波频率Fop与调制频率Fmod差异较小，如果使用传统方法进行解调，整个系统就需要非常高的精度来分辨不同的频率，无论用模拟或者数字方式时间都将增加整个电路的开销。同时，在同一系统的不同通信阶段载波频率Fop有可能是110～205KHz之间的任意值，更大大增加了整个解调系统的开销。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种能够实现锁定频率变化的调频信号的解调方法及系统。
为了实现上述目的，本发明具有如下构成：
该实现锁定频率变化的调频信号的解调方法，包括以下步骤：
(1)以频率Fs1采集数据并处理周期点数；
(2)根据周期点数和的变化提取频率变化，并对调频信号进行解调；
(3)对解调得到的信号进行解码并输出数据。
较佳地，所述的步骤(1)包括：
(1-1)接收输入信号；
(1-2)将所述的输入信号通过比较器与零电平进行比较；
(1-3)以频率Fs1读取比较器的输出值，并对输出值进行计数。
更佳地，所述的步骤(1-3)包括：
(1-3-1)通过第一低通滤波器对所述的比较器的输出值进行滤波；
(1-3-2)以频率Fs1读取比较器的输出值，并通过周期计数器对输出值进行计数。
较佳地，所述的步骤(2)包括：
(2-1)接收并存储最后输出的N个周期的输出值，其中，N为预设周期数；
(2-2)计算所述的最后输出的N个周期的输出值之和，并存储所述的输出值之和；
(2-3)通过去直流滤波器滤除所述的输出值之和的正向直流分量；
(2-4)向所述的输出值之和添加负直流，并通过乘以一预设增益常量将信号放大；
(2-5)通过第二低通滤波器对所述的输出值之和的上下波动部分进行平滑处理；
(2-6)通过所述的去直流滤波器滤除负向直流分量；
(2-7)去除频率抖动。
更佳地，所述的步骤(2-7)包括：
(2-7-1)判断所述的输出值之和的绝对值是否小于或等于一预设常数，如果是，则继续步骤(2-7-2)，否则，继续步骤(2-7-3)；
(2-7-2)将所述的输出值之和清零；
(2-7-3)输出所述的输出值之和。
较佳地，所述的步骤(3)包括：
(3-1)按bit输出数据；
(3-2)对输出的数据进行拼接并校验；
(3-3)输出校验后的数据。
还包括一种实现锁定频率变化的调频信号的解调系统，包括：
数据采集模块，用于采集数据并处理周期点数；
解调模块，用于根据周期点数和的变化提取频率变化，并对调频信号进行解调，所述的解调模块的输入端与所述的数据采集模块的输出端相连接；
解码模块，用于对调频信号进行解码并输出数据，所述的解码模块的输入端与所述的解调模块的输出端相连接。
较佳地，所述的数据采集模块包括：
线圈，用于接收输入信号；
比较器，用于将所述的输入信号与零电平进行比较，所述的比较器与所述的线圈相连接；
周期计数器，用于对输出值进行计数，所述的周期计数器与所述的比较器相连接；
第一低通滤波器，用于对比较器的输出值进行滤波，所述的第一低通滤波器与所述的比较器相连接。
较佳地，所述的解调模块包括：
直流滤波器，用于滤除输出值之和的正向直流分量或负向直流分量；
第二低通滤波器，用于对所述的输出值之和的上下波动部分进行平滑处理，所述的第二低通滤波器与所述的直流滤波器相连接。
采用了该发明中的实现锁定频率变化的调频信号的解调方法及系统，在解调部分不需要复杂的模拟电路，其数字电路部分所要的最高频率也仅有Fs1，且在该频率下只有简单的加法操作，主要工作频率在系统输入信号的最大频率以下，相比于现有的FSK解码方法，本方法的实现更加契合Qi标准的FSK信号的同时，能够更准确的锁定频率变化，大大简化了信号解调部分的工作，成本低，解调速度快，对Fop是否固定没有要求，且精度较高，具有广泛的应用范围。
附图说明
图1为本发明的实现锁定频率变化的调频信号的解调方法及系统的示意图。
图2为本发明的实现锁定频率变化的调频信号的解调方法及系统的数据采集过程的示意图。
图3为本发明的实现锁定频率变化的调频信号的解调方法及系统的解调和解码过程的示意图。
图4为本发明的实现锁定频率变化的调频信号的解调方法及系统的消除频率抖动的示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
该实现锁定频率变化的调频信号的解调方法，包括以下步骤：
(1)以频率Fs1采集数据并处理周期点数；
(2)根据周期点数和的变化提取频率变化，并对调频信号进行解调；
(3)对解调得到的信号进行解码并输出数据。
在一种较佳的实施方式中，所述的步骤(1)包括：
(1-1)接收输入信号；
(1-2)将所述的输入信号通过比较器与零电平进行比较；
(1-3)以频率Fs1读取比较器的输出值，并对输出值进行计数。
在一种更佳的实施方式中，所述的步骤(1-3)包括：
(1-3-1)通过第一低通滤波器对所述的比较器的输出值进行滤波；
(1-3-2)以频率Fs1读取比较器的输出值，并通过周期计数器对输出值进行计数。
在一种较佳的实施方式中，所述的步骤(2)包括：
(2-1)接收并存储最后输出的N个周期的输出值，其中，N为预设周期数；
(2-2)计算所述的最后输出的N个周期的输出值之和，并存储所述的输出值之和；
(2-3)通过去直流滤波器滤除所述的输出值之和的正向直流分量；
(2-4)向所述的输出值之和添加负直流，并通过乘以一预设增益常量将信号放大；
(2-5)通过第二低通滤波器对所述的输出值之和的上下波动部分进行平滑处理；
(2-6)通过所述的去直流滤波器滤除负向直流分量；
(2-7)去除频率抖动。
在一种更佳的实施方式中，所述的步骤(2-7)包括：
(2-7-1)判断所述的输出值之和的绝对值是否小于或等于一预设常数，如果是，则继续步骤(2-7-2)，否则，继续步骤(2-7-3)；
(2-7-2)将所述的输出值之和清零；
(2-7-3)输出所述的输出值之和。
在一种较佳的实施方式中，所述的步骤(3)包括：
(3-1)按bit输出数据；
(3-2)对输出的数据进行拼接并校验；
(3-3)输出校验后的数据。
还包括一种实现锁定频率变化的调频信号的解调系统，包括：
数据采集模块，用于采集数据并处理周期点数；
解调模块，用于根据周期点数和的变化提取频率变化，并对调频信号进行解调，所述的解调模块的输入端与所述的数据采集模块的输出端相连接；
解码模块，用于对调频信号进行解码并输出数据，所述的解码模块的输入端与所述的解调模块的输出端相连接。
在一种较佳的实施方式中，所述的数据采集模块包括：
线圈，用于接收输入信号；
比较器，用于将所述的输入信号与零电平进行比较，所述的比较器与所述的线圈相连接；
周期计数器，用于对输出值进行计数，所述的周期计数器与所述的比较器相连接；
第一低通滤波器，用于对比较器的输出值进行滤波，所述的第一低通滤波器与所述的比较器相连接。
在一种较佳的实施方式中，所述的解调模块包括：
直流滤波器，用于滤除输出值之和的正向直流分量或负向直流分量；
第二低通滤波器，用于对所述的输出值之和的上下波动部分进行平滑处理，所述的第二低通滤波器与所述的直流滤波器相连接。
本发明抛弃了传统2FSK相干解调与非相干解调的一贯做法，根据Qi标准中2FSK信号的特性，模拟电路部分仅用一个比较器代替ADC采样电路，同时数字部分最高仅用Fs1的时钟频率即可实现对该FSK信号的解调，其中，Fs1——比较器数据读取频率；在其他系统中时钟频率的具体数值根据实际情况的不同进行调整，针对Qi标准的FSK信号，可以将计数频率设为4MHz，其实现过程如图1所示。
中功率无线充接收端及通讯协议中，由于发射端产生正弦波的方式是通过PWM控制，此方式可以更加容易的控制输出信号的频率与占空比，同时也导致了信号频谱复杂，不能通过一般的FSK方式进行解调。由于PWM调制方式其占空比是变化的，但其周期是固定不变的，因此本设计通过检测信号周期点数，并以该点数为信号进行处理，从而得到编码数据。本算法固定N个周期之和为处理对象，每检测到一个周期结束，输出一次最近的N个周期计数之和。而后根据该和值的变化趋势进行数据判断，在以4MHz为时钟频率的实施例中，可以选择对128个周期的值求和。
数据采集与周期点数处理：
线圈上的信号进入芯片在经过比较器与0电平比较之后，通过Fs1频率读取比较器输出值，则该值可视为Fs1的1bit采样数据，为保证输入信号的波形其抖动不至于影响后面的解码算法，将此数据先过一个低通滤波器，滤除其频率较高的抖动波形，然后再进行解调与解码处理。数据采集过程如图2所示。
以下为解码过程中变量名及其所代表的意义：
T_counter——周期计数器，长度为6bit，通过固定的频率计数，每次遇到上升沿输出数据并清零重新计数，在计数过程中无需考虑溢出问题；
N——周期计数buffer的深度，即保存的周期计数个数，且N与Fs1的值并不固定可根据不同系统进行调整，两者之间的关系为：此处Fop与Fmod为系统的载波频率与调制频率；
依据周期点数和的变化提取频率变化：
如图3所示，参数说明如下：
ConstA、ConstB——算法中涉及的常数；
Tbuffer——周期计数buffer，用于保存T_counter的输出值深度为N，先入先出；
SumTbuff——周期计数buffer成员之和，15bit，初始值为0；
Fs2——低通滤波器2的系数设计过程中所需的采样频率；
如果计数器T_counter有输出，首先计算最近的N个周期的点数之和，然后将该输出值存入周期计数buffer中，在此以后以周期计数buffer成员之和——SumTbuff为对象进行后续处理。
SumTbuff即为N个周期点数之和。由于采样及干扰等原因，即便是在单频信号的情况下，SumTbuff数据也必然会出现一定的波动。此处我们以SumTbuff作为一个输入信号，其点数和的上下波动可视为频率较高处的噪声，同时，由于SumTbuff为和值，因此其天然存在一个正向的直流分量。
因此在整个处理过程中，首先通过DC Blocking(去直流滤波器)滤除正向直流分量，然后给其添加一个负直流并将信号放大，这样使信号整体为负，再低通滤波器LPF2将SumTbuff中的上下波动部分进行平滑处理，然后再次通过DC Blocking(去直流滤波器)滤除负向直流分量(前后两个DC Blocking参数一样)。在去直流过程中由于DC Blocking滤波器的特性，导致最后的输出信号会有一定幅度的倾斜，因此在这里进行两次DC Blocking，且在两次DC Blocking去直流操作过程中添加一个与初始直流相反的反向直流；为去除频率抖动的过程如图4所示。
最后将输出信号中接近零的部分全部归零。此时信号在0附近的高低变化，反映了整体频率的高低变化。
采用了该发明中的实现锁定频率变化的调频信号的解调方法及系统，若进行Qi标准的FSK信号的解调解码，在解调部分不需要复杂的模拟电路，其数字电路部分所要的最高频率也仅有4MHz，且在该频率下只有简单的加法操作，主要工作频率在210KHz以下，相比于现有的FSK解码方法，本方法的实现更加契合Qi标准的FSK信号的同时，能够更准确的锁定频率变化，大大简化了信号解调部分的工作，成本低，解调速度快，对Fop是否固定没有要求，且精度较高，具有广泛的应用范围。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (9)

1.一种实现锁定频率变化的调频信号的解调方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：
(1)以频率Fs1采集数据并处理周期点数，其中，Fs1为预设频率；
(2)根据周期点数和的变化提取频率变化，并对调频信号进行解调；
(3)对解调得到的信号进行解码并输出数据。
2.根据权利要求1所述的实现锁定频率变化的调频信号的解调方法，其特征在于，所述的步骤(1)包括：
(1-1)接收输入信号；
(1-2)将所述的输入信号通过比较器与零电平进行比较；
(1-3)以频率Fs1读取比较器的输出值，并对输出值进行计数。
3.根据权利要求2所述的实现锁定频率变化的调频信号的解调方法，其特征在于，所述的步骤(1-3)包括：
(1-3-1)通过第一低通滤波器对所述的比较器的输出值进行滤波；
(1-3-2)以频率Fs1读取比较器的输出值，并通过周期计数器对输出值进行计数。
4.根据权利要求1所述的实现锁定频率变化的调频信号的解调方法，其特征在于，所述的步骤(2)包括：
(2-1)接收并存储最后输出的N个周期的输出值，其中，N为预设周期数；
(2-2)计算所述的最后输出的N个周期的输出值之和，并存储所述的输出值之和；
(2-3)通过去直流滤波器滤除所述的输出值之和的正向直流分量；
(2-4)向所述的输出值之和添加负直流，并通过乘以一预设增益常量将信号放大；
(2-5)通过第二低通滤波器对所述的输出值之和的上下波动部分进行平滑处理；
(2-6)通过所述的去直流滤波器滤除负向直流分量；
(2-7)去除频率抖动。
5.根据权利要求4所述的实现锁定频率变化的调频信号的解调方法，其特征在于，所述的步骤(2-7)包括：
(2-7-1)判断所述的输出值之和的绝对值是否小于或等于一预设常数，如果是，则继续步骤(2-7-2)，否则，继续步骤(2-7-3)；
(2-7-2)将所述的输出值之和清零；
(2-7-3)输出所述的输出值之和。
6.根据权利要求1所述的实现锁定频率变化的调频信号的解调方法，其特征在于，所述的步骤(3)包括：
(3-1)按bit输出数据；
(3-2)对输出的数据进行拼接并校验；
(3-3)输出校验后的数据。
7.一种实现锁定频率变化的调频信号的解调系统，其特征在于，所述的系统包括：
数据采集模块，用于采集数据并处理周期点数；
解调模块，用于根据周期点数和的变化提取频率变化，并对调频信号进行解调，所述的解调模块的输入端与所述的数据采集模块的输出端相连接；
解码模块，用于对调频信号进行解码并输出数据，所述的解码模块的输入端与所述的解调模块的输出端相连接。
8.根据权利要求7所述的实现锁定频率变化的调频信号的解调系统，其特征在于，所述的数据采集模块包括：
线圈，用于接收输入信号；
比较器，用于将所述的输入信号与零电平进行比较，所述的比较器与所述的线圈相连接；
周期计数器，用于对输出值进行计数，所述的周期计数器与所述的比较器相连接；
第一低通滤波器，用于对比较器的输出值进行滤波，所述的第一低通滤波器与所述的比较器相连接。
9.根据权利要求7所述的实现锁定频率变化的调频信号的解调系统，其特征在于，所述的解调模块包括：
直流滤波器，用于滤除输出值之和的正向直流分量或负向直流分量；
第二低通滤波器，用于对所述的输出值之和的上下波动部分进行平滑处理，所述的第二低通滤波器与所述的直流滤波器相连接。
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