CN110071732B - 一种低功耗无线接收方法及其接收系统 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种低功耗无线接收方法及其接收系统，其接收信息的步骤包括：接收模块接收数据帧；采用limit信号处理模块统计数据帧中I、Q两路的翻转次数；通过CIC梳状滤波器成型接收信号；计算接收信号对应中频的中间值，并通过中频去除模块反馈中间值，在前期无小频偏环境中去除中频；寻找信号中的最大值和最小值并求平均，通过小频偏去除模块反馈所得平均值去除微小频偏；通过数据恢复模块调整信号格式，并通过解调模块解码得到信号数据。应用本发明的无线接收方法及其接收系统，对传统GFSK去中频和去频偏的算法进行改进，解放了混频器的使用需求，在实现所需性能的无线接收同时减少了电路资源要求、系统的集成规模及功耗。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种无存储去频偏的低功耗无线接收方法及其接收系统。
背景技术
随着无线芯片技术的飞速发展，消费市场对于通信的需求也随之飞速提升。通信技术的发展趋势也逐渐从之前的以技术为导向转向为以市场为导向。市场为导向就需要通信系统更加低成本更加低功耗，从而在一定程度上减少芯片成本和增加无线工作时间。
就无线通信的原理来看，在发送端，信息数据经过常规的数据调制，变成窄带信号；窄带信号经高斯滤波调制，形成功率谱密度比较集中的调制信号。在接收端，利用GFSK调制特性，以及特定中频以及小频偏去除算法，经过相应的解调，恢复成常规的窄带信号。
现有的无线GFSK调制技术，更多地采用有存储的混频参数或者其它硬件产生混频参数来去除中频或者频偏，这种技术解决方案会使用较多RAM或者更多的电路资源。而使用RAM势必会产生更多的静态电流，增加了系统功耗和资源。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的旨在提出一种无线接收方法及其接收系统，以解决在无存储的低电路资源、低功耗情况下去除中频和系统频偏并正常解调接收信号的问题。
本发明实现上述第一个目的的技术解决方案是，一种低功耗无线接收方法，其特征在于包括：
S1、接收模块接收发出自无线发送机的数据帧；
S2、采用limit信号处理模块统计数据帧中I、Q两路的翻转次数；
S3、通过CIC梳状滤波器利用GFSK调制特性成型接收信号；
S4、计算所成型的接收信号对应中频的中间值，并通过中频去除模块利用GFSK调制方式、反馈中间值，在前期无小频偏环境中去除中频；
S5、寻找信号中的最大值和最小值并求平均值，通过小频偏去除模块利用GFSK调制方式得到小频偏补偿的反馈值；
S6、通过数据恢复模块调整信号格式，并通过解调模块解码得到信号数据。
进一步地，步骤S1中所述数据帧的结构依次为：前导码、地址、包信息、数据包和校验信息。
更进一步地，所述前导码采用1、0交叉复用且保持均衡的开头格式。
进一步地，步骤S2中统计翻转次数是通过将数据帧输入过零比较器测量所得。
进一步地，在步骤S4和S5之间，还包括经半带FIR滤波器对去除中频的信号进行滤除带外噪声，利用包头检测模块对前导码进行包头检测、通过比较阀值的方式确定包头同步。
进一步地，步骤S5中通过设置阀值的方式筛选、鉴别最大值和最小值。
进一步地，步骤S5中在得到反馈值前还包括对平均值进行平滑滤波处理。
本发明实现上述第二个目的的技术解决方案是，一种低功耗无线接收系统，其特征在于：硬件构成包括随信号流相连的接收模块、limit信号处理模块、CIC梳状滤波器、中频去除模块、半带FIR滤波、包头检测模块、小频偏去除模块、数据恢复模块和解调模块。
应用本发明的无线接收方法及其接收系统，具备突出的实质性特点和显著的进步性：该方案对传统GFSK去中频和去频偏的算法进行改进，解放了混频器的使用需求，在实现所需性能的无线接收同时减少了电路资源要求、系统的集成规模及功耗。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明无线接收方法的信号流示意图。
图2是本发明无线接收方法中所涉及数据帧的结构示意图。
具体实施方式
以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握，从而对本发明的保护范围做出更为清晰的界定。
本发明设计者仰赖于长期的研发经验，针对现有的诸多不足，致力于开发并创新提出了一种无存储去频偏的低功耗无线接收方法及其接收系统，能根据GFSK调制的特性去除中频和频偏，在减少资源的情况下达到较好的无线接收通信效果。
从技术概述来看，该低功耗无线接收方法如图1所示的特征步骤包括：S1、接收模块接收发出自无线发送机的数据帧；S2、采用limit信号处理模块处理数据帧，即将数据帧输入并采用过零比较器来统计I、Q两路的翻转次数，在GFSK解调系统中，高频率段为解调信息符号1，低频率段为解调信息符号0，输入的limit信号0和1的翻转次数代表接收频率的高低；S3、通过CIC梳状滤波器利用GFSK调制特性成型接收信号；S4、计算所成型的接收信号对应中频的中间值，并通过中频去除模块利用GFSK调制方式、反馈中间值，在前期无小频偏环境中去除中频；S5、寻找信号中的最大值和最小值并求平均，通过小频偏去除模块利用GFSK调制方式、反馈所得平均值去除微小频偏；S6、通过数据恢复模块调整信号格式，并通过解调模块解码得到信号数据。
作为该无线接收方法的核心，在低资源投入的前提下实现去中频、去频偏的实现方法具体包括如下说明。
对于接收系统而言，中频是射频提前确定的固定值，利用GFSK的高斯成型特性，设计前期通过matlab数据导入仅有中频的数据，通过CIC梳状滤波器的GFSK调制特性成型接收信号，可以求得成型信号的中间值，这个值就是中频，由此通过反馈到成型信号来去除接收信息中的中频。即将经过CIC滤波器后的成型接收信号减去这个中间值，即可以得到一个正负值对称的高斯信号，以此来去除接收信号的中频。
同理对于小频偏去除（或小频偏跟踪）而言，也是利用GFSK的成型特性，动态求取最大值和最小值，并把最大值和最小值的平均值反馈到接收信号中，从而去除系统频偏。
本申请需要说明的是，所谓中频和小频偏为概念性指代，相比而言中频为大频偏，为系统固定所加的频偏，小频偏为采样偏差或者时钟未同步造成的系统偏差。故两者没有严格的数值范围定义。
在去除小频偏过程中，有可能出现假的最大值和最小值，可以通过设置阈值的方式筛选、鉴别，以消除这个现象，对最大值设置最小阈值，小于这个最小阈值就无效，对最小值设置最大阈值，大于这个阈值就无效。常规可接收状态下，理论上去除中频后的成型信号中，最大值不会小于零、最小值不会大于零。
由于有无线信号传输易受干扰可能出现毛刺，为避免毛刺影响接受的准确性，在步骤S4和S5之间，还包括经半带FIR滤波器对去除中频的信号进行滤波，来减小毛刺干扰，并利用包头检测模块对前导码进行包头检测、通过比较阀值的方式确定包头同步；直到找到包头才打开小频偏跟踪，即可以解调有效信号。
如图2所示，该低功耗无线接收方法中接收帧结构包括前导码（Preamble）、地址（addr）、包信息（signal）、数据包（payload）、校验信息（crc）。
其中前导码优选采用24bit信号来进行相关寻找，前导码前段采用多0多1，本设计中采用710f（0111 0001 0000 1111），这样可以精确找到包头。后半段采用间隔0和1，且尽量保持0和1均衡，本设计中采用55（0101 0101），这样可以精准位同步，同时有利于小频偏去除模块的初始值寻找。
包信息包含包长度、确认字符（Ack）和包标识符（PID）。
数据包为通信真正需要传送的信息。
CRC为校验信息，用于接收端校验接收到的信息是否正确。
综上关于本发明无线接收方法及其系统介绍及实施例详述可见，现有的GFSK调制的接收部分去除中频和频偏采用的大多是混频器，混频器的参数要么由存储模块存储、要么由逻辑电路产生，无论何种方式都会增加芯片成本，同时增加了芯片功耗。而本发明利用GFSK的成型特性，对常见GFSK去频偏和中频的改进，使其在极少的电路资源、不影响系统集成的基础上，通过特殊中频和频偏去除方式来减少功耗。
除上述实施例外，本发明还可以有其它实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求保护的范围之内。
Claims (8)
1.一种低功耗无线接收方法，其特征在于包括：
S1、接收模块接收发出自无线发送机的数据帧；
S2、采用limit信号处理模块统计数据帧中I、Q两路的翻转次数；
S3、通过CIC梳状滤波器，利用GFSK调制特性使接收信号成型；
S4、计算所成型的接收信号对应中频的中间值，并通过中频去除模块利用GFSK调制方式和反馈的中间值，在前期无小频偏环境中去除中频；
S5、寻找信号中的最大值和最小值并求平均值，通过小频偏去除模块利用GFSK调制方式得到小频偏补偿的反馈值；
S6、通过数据恢复模块调整信号格式，并通过解调模块解码得到信号数据。
2.根据权利要求1所述低功耗无线接收方法，其特征在于：步骤S1中所述数据帧的结构依次为：前导码、地址、包信息、数据包和校验信息。
3.根据权利要求2所述低功耗无线接收方法，其特征在于：所述前导码采用1、0交叉复用且保持均衡的开头格式。
4.根据权利要求1所述低功耗无线接收方法，其特征在于：步骤S2中统计翻转次数是通过将数据帧输入过零比较器测量所得。
5.根据权利要求1所述低功耗无线接收方法，其特征在于：在步骤S4和S5之间，还包括经半带FIR滤波器对去除中频的信号进行滤除带外噪声，利用包头检测模块对前导码进行包头检测，并通过比较阈值的方式确定包头同步。
6.根据权利要求1所述低功耗无线接收方法，其特征在于：步骤S5中通过设置阈值的方式筛选鉴别最大值和最小值。
7.根据权利要求1所述低功耗无线接收方法，其特征在于：步骤S5中在得到反馈值前还包括对平均值进行平滑滤波处理。
8.一种低功耗无线接收系统，其特征在于包括依次相连的：
接收模块，用于接收发出自无线发送机的数据帧，
limit信号处理模块，用于统计数据帧中I、Q两路的翻转次数，
CIC梳状滤波器，利用GFSK调制特性使接收信号成型，
中频去除模块，利用GFSK调制特性和反馈的中间值，在前期无小频偏环境中去除中频，
半带FIR滤波器，用于滤除带外噪声，
包头检测模块，用于对前导码进行包头检测，并通过比较阈值的方式确定包头同步，
小频偏去除模块，利用GFSK调制特性得到小频偏补偿的反馈值，
数据恢复模块，用于调整信号格式，
和解调模块，用于解码得到信号数据。
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