CN109286589B - 一种用于gfsk解调器中的频率偏移估计器及其方法 - Google Patents

一种用于gfsk解调器中的频率偏移估计器及其方法 Download PDF

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本发明公开一种用于GFSK解调器中的频率偏移估计器及其方法。在所述频率偏移估计器中，经数字差分鉴相器得到的信号首先传送到具有频率偏移估计快速收敛特性的反馈频率偏移估计器，利用一个均值计算器来计算信号的初始频率偏移，并反馈到前端的数字下变频模块中完成初始频偏恢复，再利用中值选择器和卡尔曼滤波器周期性地估计频率漂移值，当频漂累加值达到调节阈值时，则将估计值前馈到可调阈值判决器中来改变其判定阈值。本发明具有在接收起始阶段收敛速度快，以及接收过程中的频漂跟踪功能，而且该结构在减少了频偏估计时间的同时兼具低功耗的特性。

Description

一种用于GFSK解调器中的频率偏移估计器及其方法
技术领域
本发明涉及无线通信的频率偏移估计电路，尤其涉及一种用于GFSK解调器中的频率偏移估计器及其频率偏移估计方法。
背景技术
GFSK(高斯频移键控)作为一种适用于低速率短距离无线通信的调制方式，具有调制解调器结构简单，抗干扰能力强，功耗低等特点，因此是最适合物联网设备的调制方式之一。而GFSK作为一种以调频作为调制方式的调制信号，有效地估计和跟踪频率偏移，对提高整个解调器的性能具有关键性的作用。
传统的GFSK的频偏估计方案是采用反馈的方式，利用判决器前后的数据信息来估计频率偏移量，之后再反馈到用来控制数字下变频的数字频率综合器，进而达到消除频率偏移和频漂跟踪的功能，文献Ye Zhang,Jan Henning Mueller,Bastian Mohr,and StefanHeinen,“A Low-Power Low-Complexity Multi-Standard Digital Receiver for JointClock Recovery and Carrier Frequency Offset Calibration”,IEEE TCASI:RegularPapers,vol:61,pp.3478-3486,2014,Issue:12中利用了判决器前后的数据来进行频率偏移估计，每次完成估计后，将估计值反馈到前面的数字频率综合器中，利用查找表的方式完成频率综合器输出频率的调整，这一方案存在两个主要缺点，第一是反馈回路较长，在存在频漂的情况下不能做到实时的频偏恢复，进而影响系统解调性能，第二是对初始频偏估计和后续频漂跟踪采用了同一种电路结构，没有考虑低功耗的设计。
发明内容
为了满足高效率以及低功耗的需求，本发明提供一种用于GFSK解调器中的频率偏移估计器及其频率偏移估计方法，其能在GFSK解调过程中快速估计频率偏移。
本发明采用以下技术方案实现，一种用于GFSK解调器中的频率偏移估计器，其包括：
频率偏移补偿模块，低中频GFSK接收机的低中频信号经频率偏移补偿模块下变频后得到存有频率偏移量的基带信号即GFSK调制信号；
差分鉴相器，差分鉴相器从所述GFSK调制信号中获取其频率信号波形，进而将所述频率偏移量转换为所述频率信号中的直流偏移量；
频偏估计切换器；
反馈粗频偏估计器，频偏估计切换器在差分鉴相后的GFSK调制信号的数据帧头到来时切换至反馈粗频偏估计器，所述直流偏移量经由反馈粗频偏估计器的初始粗频偏估计后反馈至频率偏移补偿模块中；
前馈细频偏跟踪器，频偏估计切换器在初始粗频偏估计完成后再切换到前馈细频偏跟踪器；
卡尔曼滤波器，所述直流偏移量经由前馈细频偏跟踪器细频偏估计后，再由卡尔曼滤波器消除白噪声影响；
可调阈值判决器，可调阈值判决器用于对差分鉴相器差分鉴相后的GFSK调制信号完成消除细频偏以及码元判决，消除白噪声影响的直流偏移量调节可调阈值判决器判决时的判定阈值。
作为上述方案的进一步改进，频率偏移补偿模块采用两级查找表用来将粗频偏估计值从接收的低中频信号中消除。
作为上述方案的进一步改进，反馈粗频偏估计器对52*8个采用数据累加并计算均值来获得，其中52表示每个码元符号内有52个采样点，用于计算均值的前缀码共有8个码元。
作为上述方案的进一步改进，前馈细频偏跟踪器是通过选择码元序列为10或者01的两符号的中间采样值，并将其存入移位寄存器中，其中有效中值的选取是依据预先设定好的阈值Vth与被选取的采样值Vmid在比较器中满足|Vmid|＜Vth。
作为上述方案的进一步改进，卡尔曼滤波器采用常数0.9作为滤波系数。
作为上述方案的进一步改进，可调阈值判决器的阈值调节的最小分辨率对应的频率值为200Hz。
作为上述方案的进一步改进，在传输数据率为1Mbps时，细频偏估计工作频率为粗频偏估计频率的四分之一。
本发明还提供一种用于GFSK解调器中的频率偏移估计方法，其包括以下步骤：
低中频GFSK接收机的低中频信号经下变频后得到存有频率偏移量的基带信号即GFSK调制信号；
从所述GFSK调制信号中获取其频率信号波形，进而将所述频率偏移量转换为所述频率信号中的直流偏移量；
在差分鉴相后的GFSK调制信号的数据帧头到来时，所述直流偏移量经初始粗频偏估计后反馈至下变频步骤中；
所述直流偏移量在初始粗频偏估计完成后再细频偏估计；
对细频偏估计后的直流偏移量消除白噪声影响；
对差分鉴相后的GFSK调制信号完成消除细频偏以及码元判决，消除白噪声影响的直流偏移量调节判决时的判定阈值。
作为上述方案的进一步改进，所述频率偏移估计方法应用于上述任意用于GFSK解调器中的频率偏移估计器中。
作为上述方案的进一步改进，差分鉴相时，利用所述GFSK调制信号的I/Q两路信号经由延迟微分后，再做乘法运算，在利用得到的两路乘法运算结果做减法，得到基带信号的相位信息，进而获得频率信息，也就是GFSK的调制信号频率与频率偏移量的叠加信号，即所述直流偏移量。
本发明结合前馈和反馈两种频偏恢复方式的可快速收敛和跟踪的用于GFSK解调器中的频偏估计及同步器，其反馈环路短，初始频偏恢复快，可实时跟踪频漂变化。本发明与现有技术相比的优点和积极效果为：
1、本发明的反馈粗频偏估计电路可以实现利用数据包的前缀码快速完成初始大频偏的估计，并且粗频偏恢复采用查找表的方式可以节省可观的硬件资源消耗；
2、本发明提出的基于中值卡尔曼滤波的细频偏估计器可以有效而精确地估计出残留频偏和传输过程中的频漂。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。
图1为本发明实施例提供的一种用于GFSK解调器中的频率偏移估计器的结构图；
图2为图1中卡尔曼滤波器的工作示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的频率偏移估计器用于GFSK解调器中，频率偏移估计器结合前馈和反馈两种频偏恢复方式的可快速收敛和跟踪的用于GFSK解调器中的频偏估计及同步器，其反馈环路短，初始频偏恢复快，可实时跟踪频漂变化。
请参阅图1，频率偏移估计器包括频率偏移补偿模块1、差分鉴相器2、频偏估计切换器3、反馈粗频偏估计器4、前馈细频偏跟踪器5、卡尔曼滤波器6、可调阈值判决器7。
频率偏移补偿模块1用于恢复初始粗频偏估计值，差分鉴相器2用于从GFSK调制信号中将频率转化为电压，频偏估计切换器3用于切换粗频偏估计与细频偏估计，反馈粗频偏估计器4用于实现粗频偏估计，前馈细频偏跟踪器5用于通过从GFSK相位信号中实现细频偏估计，卡尔曼滤波器6用于消除白噪声对细频偏估计值影响，可调阈值判决器7用于完成消除细频偏以及码元判决。
本发明的频率偏移估计器是基于低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy，BLE)的帧结构实现的，应用于低中频接收机。
本发明所述的频率同步电路基本工作原理如下：当帧头到达后，先由图1中的反馈粗频偏估计器得到粗频偏估计值，并且反馈到前端的频率偏移补偿模块中完成粗频偏估计；之后利用前馈细频偏跟踪器跟踪数据帧接受过程中产生的频率偏移，并且前馈到可调阈值的可调阈值判决器中，改变判决器的判定阈值。
在本实施例中，低中频GFSK接收机的低中频信号经频率偏移补偿模块1下变频后得到存有频率偏移量的基带信号即GFSK调制信号。差分鉴相器2从所述GFSK调制信号中获取其频率信号波形，进而将所述频率偏移量转换为所述频率信号中的。频偏估计切换器3在差分鉴相后的GFSK调制信号的数据帧头到来时切换至反馈粗频偏估计器4，所述直流偏移量经由反馈粗频偏估计器4的初始粗频偏估计后反馈至频率偏移补偿模块1中。频偏估计切换器3在初始粗频偏估计完成后再切换到前馈细频偏跟踪器5，所述直流偏移量经由前馈细频偏跟踪器5细频偏估计后，再由卡尔曼滤波器6消除白噪声影响。可调阈值判决器7对差分鉴相器2差分鉴相后的GFSK调制信号完成消除细频偏以及码元判决，消除白噪声影响的直流偏移量调节可调阈值判决器7判决时的判定阈值。
低中频GFSK接收机的低中频信号经由带有下变频功能的频率偏移补偿模块1，得到基带信号，此时信号包含初始频率偏移Δf，如公式(1)所示。
SIF＝A·exp[2π(fIF-Δf)t-θ(t)-θo] (1)
其中A为信号初始幅度，fIF为中频载频，Δf为初始频偏，θ(t)为数据经GFSK调制后的连续相位信号，数学表达为
Figure BDA0001829939510000051
其中h为GFSK调制指数，θ0是初始相位偏移。
基带信号如公式(2)所示。
SBB＝A·exp[-2πΔft-θ(t)-θo] (2)
频率偏移补偿模块1可由两级查找表(Look Up Table)实现，用来将粗频偏估计值从接收的GFSK信号中消除。
在接收数据帧的初始阶段，频率偏移量未得到恢复，所以此时的频率偏移量存在于基带信号中，公式(2)中的复信号经由I/Q两路传输到差分鉴相器2中，进行差分鉴相，将频率转化为电压的差分鉴相器是从GFSK调制信号中获取其频率信号波形，进而实现将频率偏移量转换为信号中的直流偏移量。本实施例中的差分鉴相是利用I/Q两路信号经由延迟微分器后，再做乘法运算，在利用得到的两路乘法运算结果做减法，可以得到基带信号的相位信息，进而获得频率信息，也就是GFSK的调制信号频率与频率偏移量的叠加信号，公式表达如公式(3)所示，其中Ibase/Qbase分别为I/Q两路信号。
Figure BDA0001829939510000061
定义A'2＝A2·ts公式表达见公式(4)。
Figure BDA0001829939510000062
其中θ′(t)即GFSK调制后的连续相位信号，根据低功耗蓝牙协议中的定义，数据帧的前缀码为10101010/01010101，因此在这8个前缀码的符号周期内，GFSK频率信号的积分为零，基于此，反馈粗频偏估计器4采用累加器进行8位前缀码累加，结果中不为零的部分即为频率偏移的累加值，之后计算均值得到频偏量。这里码元速率为1MHz，采样信号频率为码元速率的52倍，即52MHz。
故，频偏估计切换器在数据帧头到来切换至粗频偏估计器，来估计初始的大频偏值，当初始粗频偏估计完成后，再切换到前馈细频偏跟踪器。反馈粗频偏估计器4对52*8个采用数据累加并计算均值来获得，其中52表示每个码元符号内有52个采样点，用于计算均值的前缀码共有8个码元。
利用公式(5)可以快速获得GFSK信号的初始频率偏移量，并将其反馈到前端的频率偏移补偿模块1，完成粗频偏估计与恢复。因为此处只需要完成粗频偏估计，所以频率偏移补偿模块1只需要采用计算量低，硬件复杂度低的查找表(Look Up Table)来实现即可。
Figure BDA0001829939510000071
为了保证数据包传输过程中的误码率不会被恶化，本发明在完成反馈的粗频偏估计后继续实施前馈的细频偏估计、跟踪以及恢复功能，主要由前馈细频偏估计器5、卡尔曼滤波器6以及可调阈值判决器7来完成。
在传输数据率为1Mbps时，为了降低功耗，细频偏估计工作频率为粗频偏估计频率的四分之一，即13MHz，每个码元符号内有13个采样点，当两个相邻的符号为10/01时，此时在理想状态下，两个符号中间位置采样点的电压值应该为0，但是由公式(4)可知，频率偏移导致了一个直流分量漂移的存在，因此首先通过选择两个符号中间的采样值并利用移位寄存器存储，为了避免无效值被选取，发明中设定阈值电压(Threshold Line，Vth)，其中Vth＝0.1，只有当|Vmid(n)|＜Vth时，认定此时的中值为01或10序列的中值。
故，前馈细频偏跟踪器5是通过选择码元序列为10或者01的两符号的中间采样值，并将其存入移位寄存器中，其中有效中值的选取是依据预先设定好的阈值Vth与被选取的采样值Vmid在比较器中满足|Vmid|＜Vth。所述移位寄存器中储存的有效中值采样点被送往卡尔曼滤波器6，其中卡尔曼滤波器6采用常数0.9作为滤波系数。经由卡尔曼滤波器得到的消除了白噪声影响的细频偏估计量被传送至可调阈值判决器中，并调节判决器的判定阈值，其中判决器阈值调节的最小分辨率对应的频率值为200Hz。
为了消除白噪声对频偏估计结果的影响，本发明中使用卡尔曼滤波器电路来提高估计值的可靠性，其中卡尔曼滤波器结构如图2所示，移位寄存器中的有效中值被依次送入卡尔曼滤波器中(6)。
Figure BDA0001829939510000081
细频偏估计值被送至可调阈值判决器7内，来消除残留频偏带来的直流漂移，进而达到降低误码率的目的。
本发明同时具有频偏估计快速收敛和频率漂移跟踪的特性。经数字差分鉴相器得到的信号首先传送到具有频率偏移估计快速收敛特性的反馈频率偏移估计器，利用一个均值计算器来计算信号的初始频率偏移，并反馈到前端的数字下变频模块中完成初始频偏恢复，再利用中值选择器和卡尔曼滤波器周期性地估计频率漂移值，当频漂累加值达到调节阈值时，则将估计值前馈到可调阈值判决器中来改变其判定阈值；其中反馈估计器是利用前缀码为01010101/10101010的均值为零的特性来估计初始频偏。该电路具有在接收起始阶段收敛速度快，以及接收过程中的频漂跟踪功能，而且该结构在减少了频偏估计时间的同时兼具低功耗的特性。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种用于GFSK解调器中的频率偏移估计器，其特征在于，其包括：
频率偏移补偿模块(1)，低中频GFSK接收机的低中频信号经频率偏移补偿模块(1)下变频后得到存有频率偏移量的基带信号即GFSK调制信号；
差分鉴相器(2)，差分鉴相器(2)从所述GFSK调制信号中获取其频率信号波形，进而将所述频率偏移量转换为所述频率信号中的直流偏移量；
频偏估计切换器(3)；
反馈粗频偏估计器(4)，频偏估计切换器(3)在差分鉴相后的GFSK调制信号的数据帧头到来时切换至反馈粗频偏估计器(4)，所述直流偏移量经由反馈粗频偏估计器(4)的初始粗频偏估计后反馈至频率偏移补偿模块(1)中；
前馈细频偏跟踪器(5)，频偏估计切换器(3)在初始粗频偏估计完成后再切换到前馈细频偏跟踪器(5)；
卡尔曼滤波器(6)，所述直流偏移量经由前馈细频偏跟踪器(5)细频偏估计后，再由卡尔曼滤波器(6)消除白噪声影响；
可调阈值判决器(7)，可调阈值判决器(7)用于对差分鉴相器(2)差分鉴相后的GFSK调制信号完成消除细频偏以及码元判决，消除白噪声影响的直流偏移量调节可调阈值判决器(7)判决时的判定阈值。
2.如权利要求1所述的用于GFSK解调器中的频率偏移估计器，其特征在于，频率偏移补偿模块(1)采用两级查找表用来将粗频偏估计值从接收的低中频信号中消除。
3.如权利要求1所述的用于GFSK解调器中的频率偏移估计器，其特征在于，反馈粗频偏估计器(4)对52*8个采用数据累加并计算均值来获得，其中52表示每个码元符号内有52个采样点，用于计算均值的前缀码共有8个码元。
4.如权利要求1所述的用于GFSK解调器中的频率偏移估计器，其特征在于，前馈细频偏跟踪器(5)是通过选择码元序列为10或者01的两符号的中间采样值，并将其存入移位寄存器中，其中有效中值的选取是依据预先设定好的阈值Vth与被选取的采样值Vmid在比较器中满足|Vmid|＜Vth。
5.如权利要求1所述的用于GFSK解调器中的频率偏移估计器，其特征在于，卡尔曼滤波器(6)采用常数0.9作为滤波系数。
6.如权利要求1所述的用于GFSK解调器中的频率偏移估计器，其特征在于，可调阈值判决器(7)的阈值调节的最小分辨率对应的频率值为200Hz。
7.如权利要求1所述的用于GFSK解调器中的频率偏移估计器，其特征在于，在传输数据率为1Mbps时，细频偏估计工作频率为粗频偏估计频率的四分之一。
8.一种用于GFSK解调器中的频率偏移估计方法，其特征在于，其包括以下步骤：
低中频GFSK接收机的低中频信号经下变频后得到存有频率偏移量的基带信号即GFSK调制信号；
从所述GFSK调制信号中获取其频率信号波形，进而将所述频率偏移量转换为所述频率信号中的直流偏移量；
在差分鉴相后的GFSK调制信号的数据帧头到来时，所述直流偏移量经初始粗频偏估计后反馈至下变频步骤中；
所述直流偏移量在初始粗频偏估计完成后再细频偏估计；
对细频偏估计后的直流偏移量消除白噪声影响；
对差分鉴相后的GFSK调制信号完成消除细频偏以及码元判决，消除白噪声影响的直流偏移量调节判决时的判定阈值。
9.如权利要求8所述的用于GFSK解调器中的频率偏移估计方法，其特征在于，所述频率偏移估计方法应用于如权利要求1至6中任意一项所述的用于GFSK解调器中的频率偏移估计器中。
10.如权利要求8所述的用于GFSK解调器中的频率偏移估计方法，其特征在于，差分鉴相时，利用所述GFSK调制信号的I/Q两路信号经由延迟微分后，再做乘法运算，在利用得到的两路乘法运算结果做减法，得到基带信号的相位信息，进而获得频率信息，也就是GFSK的调制信号频率与频率偏移量的叠加信号，即所述直流偏移量。
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