CN109120564A - 一种数字信号解调方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种数字信号解调装置，包括：比较模块，用于接收原始信号，并对原始信号做过零比较，得到与原始信号频率和相位均相同的方波信号；捕获模块，用于接收来自比较模块的方波信号，并捕获所述方波信号的上升沿和下降沿；定时模块，用于记录捕获模块捕获到所述方波信号的上升沿和下降沿的时间，得到所述方波的高电平和低电平的脉冲宽度；数据处理模块，由于对所述方波的高电平和低电平的脉冲宽度进行计算，得到原始信号的频率和相位信息。本发明所述装置通过直接利用集成在处理器内部的定时器来捕捉信号上升沿和下降沿，进而对信号进行解调，对OOK、FSK及PSK信号解调具有普遍适用性且电路体积小，功耗低，节省了资源。

Description

一种数字信号解调方法与装置
技术领域
本发明涉及地质勘探技术领域，尤其涉及一种数字信号解调方法与装置。
背景技术
为了提高传输精度，在以地质勘探为代表的，对通信质量要求较高的技术领域中通常采用数字通信。数字通信通常直接采用数字形式传输信息，或是通过数字形式对载波信号进行调制后再传输信息。现有技术中，常用的数字调制方式有振幅键控(AmplitudeShift Keying，ASK)、频移键控(Frequency Shift Keying，FSK)和相移键控(Phase ShiftKeying，PSK)三种，分别根据数据信息对载波的幅度、频率和相位进行调制。
振幅键控(ASK)用数字调制信号来控制载波的通断，例如ASK中的一种极端情况，在二进制中,发0时不发送载波,发1时发送载波，这种调制方式称为二进制启闭键控(On-Off Keying，OOK)。
移频键控(FSK)用数字调制信号的正负控制载波的频率。当数字信号的振幅为正时载波频率为f1，当数字信号的振幅为负时载波频率为f2。移频键控能区分通路，但抗干扰能力不如移相键控和差分移相键控。
移相键控(PSK)用数字调制信号的正负控制载波的相位。例如，当数字信号的振幅为正时，载波起始相位取0；当数字信号的振幅为负时,载波起始相位取180°，这种调制方式称为BPSK。移相键控抗干扰能力强，但在解调时需要有一个正确的参考相位，即需要相干解调。
上述三种调制方式应用非常广泛，现有技术中常见的调制解调方法为使用 A/D转换将信号转换成数字信号后再行解调，或使用直接包络检波或者相干解调，这些解调方式均对资源消耗较大。在地质勘探领域，尤其是深地探测领域，设备集成度高、体积小，电路资源紧张，因此上述解调方式均难以直接应用在深地探测装备上。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例提供了一种数字信号解调装置，包括：
比较模块，用于接收原始信号，并对原始信号做过零比较，得到与原始信号频率和相位均相同的方波信号；捕获模块，用于接收来自比较模块的方波信号，并捕获所述方波信号的上升沿和下降沿定时模块，用于记录捕获模块捕获到所述方波信号的上升沿和下降沿的时间，得到所述方波的高电平和低电平的脉冲宽度；数据处理模块，由于对所述方波的高电平和低电平的脉冲宽度进行计算，得到原始信号的频率和相位信息。
优选的，所述数字信号解调装置还包括存储模块，用于存储所述方波的脉冲宽度信息。
优选的，所述数据处理模块能够直接接收来自定时模块的脉冲宽度信息进行计算，也可提取存储在存储模块中的脉冲宽度信息进行计算。
优选的，所述捕获模块、定时模块和数据处理模块通过集成有定时器的处理器实现。
优选的，所述处理器为arm处理器。
本申请的实施例还提供了一种数字信号解调方法，包括：
接收原始信号并对所述原始信号做过零比较得到方波；捕获所述方波的上升沿和下降沿，并记录所述上升沿和下降沿的捕获时间，得到方波的高电平和低电平的脉冲宽度；对所述方波的高电平和低电平的脉冲宽度进行计算，得到原始信号的频率和相位信息。
优选的，所述经过零比较得到方波的高低电平恒定。
优选的，所述步骤捕获所述方波的上升沿和下降沿，并记录所述上升沿和下降沿的捕获时间，得到方波的高电平和低电平的脉冲宽度通过集成在微处理器中的定时器来实现。
优选的，所述通过集成在微处理器中的定时器来实现步骤捕获所述方波的上升沿和下降沿，并记录所述上升沿和下降沿的捕获时间，得到方波的高电平和低电平的脉冲宽度包括：配置定时器，打开定时器捕获边沿中断；记录每次捕获到边沿时的时间，并计算出时间间隔，得到脉冲宽度；存储所述脉冲宽度。
优选的，对所述方波的高电平和低电平的脉冲宽度进行计算，得到原始信号的频率和相位信息包括：查询所述存储器中存储是否为空；如果为空则持续查询；如果不为空，则提取脉冲宽度信息；对提取出的脉冲宽度信息进行计算。
本发明所述装置和方法通过直接利用集成在处理器内部的定时器(Timer) 来捕捉信号上升沿和下降沿，进而对信号进行解调，对OOK、FSK及PSK解调具有普遍适用性。由于仅需要一个集成有定时器的嵌入式微处理和比较器即可完成数字信号解调，电路体积小，功耗低，节省了资源。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种数字信号解调装置示意图；
图2为本发明另一实施例提供的一种数字信号解调装置示意图；
图3为本发明实施例提供的一种数字信号解调方法示意图；
图4为本发明另一实施例提供的一种数字信号解调方法示意图；
图5为通过本发明实施例提供的数字信号解调方法解调OOK信号的过程示意图；
图6为通过本发明实施例提供的数字信号解调方法解调FSK信号的过程示意图；
图7为通过本发明实施例提供的数字信号解调方法解调PSK信号的过程示意图；
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“耦合”、“连接”应做广义理解，例如，“连接”可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
在进行深地探测时，用于随钻石油测井通信的设备，信号传输速率较低，并且对功耗要求严格，如果选用A/D转换后再行数字解调的解调方式，会给处理器单元带来很大的压力，甚至导致丢包影响整个系统的通信性能。而如果采用包络检波或者相干解调，地下的高温高压环境会对电路提出非常高的要求，不易实现，且误码率较高。
因此，本发明的一个实施例，提供了一种能够直接在集成有定时器(Timer) 的处理器上，进行数字信号解调的装置，如图1所示，所述装置包括：
比较模块1，用于接收原始信号，并对原始信号做过零比较，得到与原始信号频率和相位均相同的方波信号。
在本发明的一个实施例中，比较模块1对原始信号做过零比较时，待解调信号大于零的时段对应所述方波的高电平，待解调信号小于等于零的时段对应所述方波的低电平。优选的，所述方波的高低电平均恒定。
捕获模块2，用于接收来自比较模块1的方波信号，并捕获所述方波信号的上升沿和下降沿。
定时模块3，用于记录捕获模块2捕获到所述方波信号的上升沿和下降沿的时间，得到所述方波的高电平和低电平的脉冲宽度。
在本发明的一个实施例中，捕获模块捕获到边沿时即触发进入中断服务程序，所述中断服务程序能够记录下计时模块当前时间，并在记录完成后再打开边沿触发中断，等下一次的中断触发发生后再记录下计时模块的时间，即可获得一次高电平/低电平的脉冲宽度。
在本发明的一个实施例中，所述数字信号解调装置还包括一个存储模块5，如图2所示，在得到所述方波的脉冲宽度后，将其存储在存储模块中5，所述存储模块在存储脉冲宽度时，按照时间顺序，存储每个脉冲的电平类型和对应的脉冲宽度值。
数据处理模块4，对所述方波的高电平和低电平的脉冲宽度进行计算，得到原始信号的频率和相位信息。
在本发明的一个实施例中，数据处理模块4直接对来自定时模块3的方波高/低电平脉冲宽度信息进行实时处理，在另一个实施例中，数据处理模块4 先从存储模块中提取方波的高/低电平脉冲宽度信息，然后再进行处理。采用存储模块能够记录下所述方波脉冲宽度的所有信息，而采用数据处理模块4直接对来自定时模块3的方波高/低电平脉冲宽度信息进行实时处理的方式能够节省存储空间，减小对资源的损耗。
在本发明的一个实施例中，上述数字信号解调的装置可在任意集成有定时器(Timer)的处理器上实现，优选的所述处理器为arm处理器。
根据本发明实施例的另一个方面，提供了一种数字信号解调方法，如图3 所示，包括：
S1，接收原始信号并对所述原始信号做过零比较得到方波。
在本发明的一个实施例中，待解调信号大于零的时段对应所述方波的高电平，待解调信号小于零的时段对应所述方波的低电平，所述方波的高低电平均恒定。
S2，捕获所述方波的上升沿和下降沿，并记录所述上升沿和下降沿的捕获时间，得到方波的高电平和低电平的脉冲宽度。
在本发明的一个实施例中，通过集成在微处理器中的定时器来实现步骤S2，优选的，如图4所示，具体包括以下步骤：
S21，配置定时器，打开定时器捕获边沿中断。
在本发明的一个实施例中，根据待解调信号的参数来配置定时器的工作频率、分频基数、计数模式，将定时器的工作模式配置为捕获，并打开定时器的捕获边沿中断使能。
在本发明的一个实施例中，定时器的捕获工作模式，可以配置为上升沿触发、下降沿触发或者边沿触发。优选的，在捕捉方波的上升沿和下降沿时，首次设置为上升沿触发，被触发后改为下降沿触发，依次在两种边沿触发模式之间改变。
S22，记录每次捕获到边沿时的时间，并计算出时间间隔，得到脉冲宽度。
S23，存储所述脉冲宽度。
优选的，在存储所述脉冲宽度信息时，要先初始化脉冲宽度存储器。储存在存储器中的脉冲宽度按时间顺序形成脉冲宽度序列。
S3，对所述方波的高电平和低电平的脉冲宽度进行计算，得到原始信号的频率和相位信息。
在本发明的一个实施例中，通过数据处理器来对所述方波的高低电平脉冲宽度信息进行实时处理，在另一个实施例中，数据处理器先从存储器中提取方波高低电平脉冲宽度信息，然后进行处理，优选的，在提取信息前，先要查询所述存储器中存储是否为空，如果为空则持续查询，如果不为空，则提取信息进行处理。处理完毕后，继续重复提取。
当原始信号为ASK调制信号中的OOK信号时，如图5所示，其信号可用下式表示
Vref和0分别为信号幅度，f0为载波信号，s为调制信号。当s＝1时，f＝Vref×f0；当s＝0时，f＝0。
载波信号的半周期长度为Δt，捕获到的脉冲宽度序列为ti，i＝1,2,3,……N。载波信号与调制信号的周期比为K:1，即一位调制信号长度等于K个载波信号周期。
数据处理模块将脉冲宽度ti与半周期长度Δt对比，
若ti≤Δt，则累计相加ti得到T，T/(K×2×Δt)值(上取整)即为s＝1 的个数ns＝1。
若ti＞Δt，ti/(K×2×Δt)(下取整)值为s＝0的个数ns＝0。
在本发明的一个实施例中，K＝2，第一个高信号个数为 (t1+t2+t3+t4+t5+t6+t7)/4Δt＝1.75，上取整得2；第一个低信号个数为t8/4Δt＝ 2.25,下取整得2；第二个高电平信号个数为(t9+t10+t11+t12+……+t24)/4Δ t＝4，上取整得4。
在本发明的一个实施例中，得到高电平，对应二进制信号1；得到低电平对应二进制信号0。高电平个数即为1的个数；低电平个数即为0的个数。在本实施例中解调所得信号为：11001111。
当原始信号为FSK信号时，如图6所示，其信号可用下式表示
其中Vref为信号幅度，f1和f2分别为两个载波信号，信号频率不同，s为调制信号。当s＝1时，f＝f1×vref；当s＝0时，f＝f2×vref。
两个载波信号半周期长度为Δt1和Δt2，捕获到的脉冲宽度序列为ti， i＝1,2,3,……N。两个载波信号与调制信号的周期比分别为为K1:1和K2:1。
数据处理模块将脉冲宽度ti与两个半周期长度Δt1和Δt2对比，
若ti＝Δt1，则累计相加得到T1，T1/(K1×2×Δt1)值(上取整)即为s＝1 的个数ns＝1。
若ti＝Δt2，则累计相加得到T2，T2/(K2×2×Δt2)值(上取整)即为s＝0 的个数ns＝0。
在本发明的一个实施例中，K1＝2,K2＝4，第一个高信号个数为 (t1+t2+t3+t4+t5+t6+t7+t8)/4Δt＝2；第一个低信号个数(t9+t10+t11......+t23+t24)/8 Δt＝2。
当原始信号为PSK信号时，如图7所示，其信号可用下式表示
其中Vref为信号幅度，2πft中的f为载波信号频率，s为调制信号。当s＝1时，信号相位为0；当s＝0时，信号相位为
载波信号半周期长度为Δt，捕获到的脉冲宽度序列为ti，i＝1,2,3,……N。载波信号与调制信号的周期比为K:1。N的取值决定了两个信号之间的相位差，进而决定了两个信号衔接处经过比较模块之后的脉冲宽度值tp。
数据处理模块将脉冲宽度ti与半周期长度Δt和两个信号衔接处经过过零比较器之后的脉冲宽度值tp对比，
若ti＝Δt，则累计相加得到T，T/(K×2×Δt)值(上取整)即为s＝1或s＝0 的个数ns＝1/s＝0。
若ti＝tp，则表示信号相位改变，如果ti为低电平脉冲宽度则接下来解调处理的为s＝0，反之如果ti为高电平脉冲宽度则接下来解调处理的为s＝1。
在本发明的一个实施例中，K＝2，N＝4,即两个信号的相位差为180°，tp＝2 Δt第一个高信号个数为(t1+t2+t3+t4+t5+t6+t7)/4Δt＝1.75，上取整得2；第一个低信号个数为(t9+t10+t11......+t13+t14)/4Δt＝1.5，上取整得2。
本发明所述方法通过直接利用集成在处理器内部的定时器(Timer)来捕捉信号上升沿和下降沿，进而对信号进行解调，对OOK、FSK及PSK解调具有普遍适用性。由于仅需要一个集成有定时器的嵌入式微处理和比较器即可完成数字信号解调，电路体积小，功耗低，节省了资源。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种数字信号解调装置，其特征在于，包括：
比较模块，用于接收原始信号，并对原始信号做过零比较，得到与原始信号频率和相位均相同的方波信号；
捕获模块，用于接收来自比较模块的方波信号，并捕获所述方波信号的上升沿和下降沿；
定时模块，用于记录捕获模块捕获到所述方波信号的上升沿和下降沿的时间，得到所述方波的高电平和低电平的脉冲宽度；
数据处理模块，用于对所述方波的高电平和低电平的脉冲宽度进行计算，得到原始信号的频率和相位信息。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数字信号解调装置还包括存储模块，用于存储所述方波的脉冲宽度信息。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述数据处理模块能够直接接收来自定时模块的脉冲宽度信息进行计算，也可提取存储在存储模块中的脉冲宽度信息进行计算。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述捕获模块、定时模块和数据处理模块通过集成有定时器的处理器实现。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述处理器为的arm处理器。
6.一种数字信号解调方法，其特征在于，包括：
接收原始信号并对所述原始信号做过零比较得到方波；
捕获所述方波的上升沿和下降沿，并记录所述上升沿和下降沿的捕获时间，得到方波的高电平和低电平的脉冲宽度；
对所述方波的高电平和低电平的脉冲宽度进行计算，得到原始信号的频率和相位信息。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述经过零比较得到方波的高低电平恒定。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，捕获所述方波的上升沿和下降沿，并记录所述上升沿和下降沿的捕获时间，得到方波的高电平和低电平的脉冲宽度通过集成在微处理器中的定时器来实现。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述通过集成在微处理器中的定时器来实现捕获所述方波的上升沿和下降沿，并记录所述上升沿和下降沿的捕获时间，得到方波的高电平和低电平的脉冲宽度包括：
配置定时器，打开定时器捕获边沿中断；
记录每次捕获到边沿时的时间，并计算出时间间隔，得到脉冲宽度；
存储所述脉冲宽度。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，对所述方波的高电平和低电平的脉冲宽度进行计算，得到原始信号的频率和相位信息包括：
查询所述存储器中存储是否为空；
如果为空则持续查询；
如果不为空，则提取脉冲宽度信息；
对提取出的脉冲宽度信息进行计算。
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