CN110383784A - 用于调制解调器的频率估计、校正和噪声抑制 - Google Patents

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Abstract

一种频移键控(FSK)解调器，包括:基于数字锁相环(DPLL)的频率估计器，用于将相位信号转换成频率信号；频偏估计器，用于估计和跟踪频率信号的直流(DC)分量；以及平均滤波器，通信耦合到频偏估计器，用于执行累加和转储操作，以提高频率信号的符号级信噪比(SNR)。

Description

用于调制解调器的频率估计、校正和噪声抑制
相关申请的交叉引用
本申请是于2017年6月22日提交的第15/630,106号的美国申请的国际申请，该美国申请依据35U.S.C.§119(e)要求于2017年1月13日提交的第62/446,085号美国临时专利申请的权益，全部上述申请通过引用以其整体并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及通信设备领域，尤其涉及通信设备中使用的频率调制方案。
背景
调制解调器(调制器-解调器)是一种网络设备，它调制和解调信号以促进信息传输。调制解调器可以采用某种类型的频率调制方案来实现调制和解调。例如，诸如蓝牙调制解调器、ZigBee调制解调器、蓝牙低能耗(BLE)调制解调器等调制解调器可以采用称为频移键控(FSK)调制的特定类型的频率调制方案。FSK调制可以被配置为通过离散频率变化来促进数字信息的传输。然而，要注意的是，当前可用的FSK解调技术可能无法满足某些性能要求。
概述
本公开的实施例针对频移键控(FSK)解调器，其具有：基于数字锁相环(DPLL)的频率估计器，以将相位信号转换成频率信号；频偏估计器，以估计和跟踪频率信号的直流(DC)分量；以及平均滤波器，其通信地耦合到频偏估计器以执行累加和转储(accumulate-and-dump)操作，从而提高频率信号的符号级信噪比(SNR)。
应当理解，前面的一般描述和下面的详细描述都只是示例性和解释性的，不一定限制本公开。并入说明书并构成说明书一部分的附图说明了本公开的主题。说明书和附图一起用于解释本公开的原理。
附图简述
通过参考附图，本领域技术人员可以更好地理解本公开的许多优点，其中:
图1是描述BLE解调器的简化框图；
图2是描述根据本公开实施例配置的BLE解调器的简化框图；
图3是描绘了配备有根据本公开的实施例配置的FSK解调器的调制解调器的框图；和
图4是描绘实验数据的图，该实验数据示出了根据本公开的实施例配置的FSK解调器的有效性。
详细描述
现在将详细参考所公开的主题，其在附图中示出。
总体参考图1，示出了描述BLE解调器100的简化框图。注意，由于本领域技术人员很好地理解了BLE解调器，所以图1中描述的BLE解调器100的每个组件的详细描述在本公开中不再重复。通常，BLE解调器100可以包括笛卡尔坐标到相位转换器102，其被配置为将过采样IQ数据转换成相位。频率估计器104然后可以将相位信号转换成频率信号。频偏估计器106可用于估计和跟踪由于载波频偏和时钟漂移引起的频率信号的直流(DC)分量。然后，平均滤波器108和下采样器110可以联合执行累加和转储操作，以从过采样信号中收集更多能量，并抑制噪声，以提高符号级信噪比(SNR)。在一些实施例中，同步器112可用于搜索BLE分组的访问码，并为下采样器找到最佳定时。均衡器114可以被配置为移除有效载荷数据的频域符号间干扰(ISI)。限幅器116可以将均衡的符号转换成比特，以完成解调过程。
注意，BLE解调器的当前实现呈现出几个问题。例如，因为频率估计器104通常被实现为相位微分器，所以它们对相位估计误差敏感。此外，频偏估计器106的当前可用实现的精度是有限的。此外，平均滤波器108的当前实现可能引入不能从BLE分组的前导码和访问地址中移除的ISI。这种额外的ISI可能恶化前导码和访问码的检测性能，对BLE解调器100的性能产生负面影响。
图2是描述根据本公开的一些实施例配置的BLE解调器200的简化框图。如图2所示，频率估计器可以实现为基于数字锁相环(DPLL)的频率估计器204。在一些实施例中，DPLL的传递函数可以定义为以这种方式，基于DPLL的频率估计器204可以被配置为通过设置K＝1(即，将传递函数设置为1-z-1)来充当相位微分器。或者，基于DPLL的频率估计器204可以被配置为通过微调(调整)变量K的值来为DPLL带宽提供一些灵活性，从而提高频率估计精度。
此外，如图2所示，频偏估计器可以利用包络跟踪器206来实现，包络跟踪器206帮助跟踪频率信号的正包络和负包络。包络跟踪器206可以实现为以高频信号作为输入并提供作为原始信号包络的输出的电路。包络可以用来促进频偏的估计。在一些实施例中，包络跟踪器206可以被配置为至少支持采集模式和跟踪模式。在一些实施例中，包络可以在采集模式中被轻度滤波，而在跟踪模式中被重度滤波。在一些实施例中，频偏可以被估计为：
其中w1和w2分别是采集模式和跟踪模式的权重，以及其中w1+w2＝1。在一些实施例中，接收器可以最初对w1设置较高的权重。同步完成后，接收器可以降低w1的权重并增加w2的权重(即，更多地依赖于跟踪模式结果)。预期以这种方式配置包络跟踪器206可以允许滤波过程更直接地应用于频率极值，这可以更有效地抑制噪声。
此外，如图2所示，可以利用两个独立的平均滤波器208A和208B来促进数据解调和同步。可以设想，使用两个独立的平均滤波器208A和208B可以帮助降低ISI。例如，在一些实施例中，第一平均滤波器208A可以被专门配置用于数据解调。该平均滤波器208A可以以类似于传统BLE解调器中使用的平均滤波器108的方式实现，这意味着该平均滤波器208A的累积长度(accumulation length)可以被配置为与符号持续时间相同。
第二平均滤波器208B可以被配置成具有更短的累积长度，并因此具有降低的ISI。第二平均滤波器208B可以专门用于同步。在一些实施例中，第二平均滤波器208B可以具体对接收到的分组的前导码和访问地址进行操作，以完成同步。一旦同步完成，第一平均滤波器208A可以用于执行数据均衡和解调。
设想，可以基于各种因素选择第二平均滤波器208B的累积长度。例如，如果累积长度被设置为1，则第二平均滤波器208B可以具有最小的ISI，但是潜在地具有更差的SNR。增加累积长度可能会增加ISI，但会降低SNR。因此，预期第二平均滤波器208B的累积长度可以选择为SNR和ISI之间的折衷。应当理解，第二平均滤波器208B的累积长度可以变化，而不脱离本公开的精神和范围。
在一些实施例中，延迟匹配块208C用于对准两个平均滤波器的定时。以这种方式，由第二平均滤波器208B获取的定时可以直接应用于由第一平均滤波器208A执行的数据解调。
从上面可以理解，根据本公开的实施例配置的基于DPLL的频率估计器204可以提供调整DPLL带宽的灵活性，以提高频率估计的精度。此外，使用包络跟踪器206作为频偏估计器允许滤波直接应用于频率极值，使得频偏估计器在抑制噪声方面更有效。此外，使用两个独立的平均滤波器208A和208B进行数据解调和同步有助于降低对BLE解调器200的性能产生负面影响的ISI。
应当理解，虽然BLE解调器200被示出已经实现了基于DPLL的频率估计器204、包络跟踪器206以及两个独立的平均滤波器208A和208B的组合，但是这种组合不是必需的。预期根据本公开配置的BLE解调器可以实现上述基于DPLL的频率估计器204、包络跟踪器206和两个独立的平均滤波器208A和208B中的任何一个或任何组合，而不脱离本公开的精神和范围。
还应当理解，虽然上面的描述具体提到了BLE解调器，但是这种提及仅仅是为了说明的目的，而不是为了限制。可以设想，上述基于DPLL的频率估计器204、包络跟踪器206和两个独立的平均滤波器208A和208B可以用在各种类型的FSK解调器中，而不脱离本公开的精神和范围。
现在参考图3，示出了描绘了配备有根据本公开实施例配置的FSK解调器的调制解调器300的框图。更具体地，调制解调器300可以包括FSK调制器302和FSK解调器304。FSK调制器302和FSK解调器304都可以实现为调制解调器300的硬件组件。在一些实施例中，调制解调器300可以实现为专用集成电路(ASIC)，其一部分可以包括图2所示的形成FSK解调器304的各种组件。注意，由于本领域技术人员很好地理解了FSK调制器，所以在本公开中不再重复FSK调制器的详细描述。
也如图3所示的是与调制解调器300通信耦合的射频(RF)收发器306。RF收发器306可以包括发射器308和接收器310。发射器308可以被配置为将由FSK调制器302提供的信号发送到外部设备。另一方面，接收器310可以被配置成从外部设备接收信号，并将接收到的信号提供给FSK解调器304进行处理。预期FSK解调器304可以被配置成如上所述处理接收的信号。
图4是描述说明FSK解调器304的有效性的实验数据的图。与使用传统实现建立的基线相比，对于37字节的有效载荷长度，根据本公开配置的FSK解调器在30％分组错误率(PER)下实现了约1.7dB的改善以及在10％分组错误率(PER)下实现了约3.3dB的改善。
相信本文公开的系统和设备及其许多伴随的优点将通过前面的描述被理解，并且很明显，在不脱离本公开的广泛范围或不牺牲它们所有的实质性优点的情况下，可以对其部件的形式、结构和布置进行各种改变。在本文之前描述的形式仅仅是其说明性实施例，本发明权利要求旨在涵盖和包含这些变化。
以上描述旨在是例证性而不是限制性的。例如，上述实施例(或其一个或更多个方面)可以彼此结合使用。在阅读并且理解以上描述之后，其他实施例对于本领域的技术人员将是明显的。在本文档中，术语“一个”或“一个”，如专利文档中常见的那样，用于包括一个或多于一个。在本文档中，术语“或”用于指非排他性的或，因此“A或B”包括“A但不包括B”、“B但不包括A”和“A和B”，除非另有说明。如果本文档和以引用方式并入的文档之间的用法不一致，则并入的文献中的用法应被认为是对本文档用法的补充；对于不可调和的不一致，本文档中的用法将取代任何引用文献中的用法。
虽然参考具体的实施例描述了所要保护的主题，但显然地，在不脱离所要保护的更广泛的精神和范围的情况下，可以对这些实施例作出各种修改和变化。因此，说明书和附图被认为是说明性的而不是限制性的意义。权利要求的范围应参考所附权利要求连同这些权利要求有权要求的等效物的整个范围来确定。在所附权利要求中，术语“包含(including)”和“其中(in which)”被用作相应术语“包括(comprising)”和“其中(wherein)”的纯英语等效词。此外，在权利要求中，术语“包括”和“包含”是开放式的；包括除了权利要求中的系统、设备、物品或过程之后列出的那些元素之外的元素的这样的系统、设备、物品或过程仍然被认为落入该权利要求的范围内。此外，在权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标签，并不打算对其对象强加数字要求。
本公开的摘要被提供以符合37C.F.R§1.72(b)，要求摘要能让读者快速确定技术公开的性质。应当理解的是，它被提交但将不用于解释或限制权利要求的范围或意义。

Claims (20)

1.一种频移键控(FSK)解调器，包括:
基于数字锁相环(DPLL)的频率估计器，其被配置为将相位信号转换成频率信号；
频偏估计器，其通信耦合到所述基于DPLL的频率估计器，所述频偏估计器被配置为估计和跟踪所述频率信号的直流(DC)分量；和
平均滤波器，其通信耦合到所述频偏估计器，所述平均滤波器被配置为执行累加和转储操作，以提高所述频率信号的符号级信噪比(SNR)。
2.根据权利要求1所述的FSK解调器，其中，所述频偏估计器包括包络检测器。
3.根据权利要求2所述的FSK解调器，其中所述包络检测器被配置为至少支持采集模式和跟踪模式。
4.根据权利要求3所述的FSK解调器，其中所述采集模式被分配第一权重，并且所述跟踪模式被分配第二权重，其中所述第一权重最初被设置为大于所述第二权重，并且其中在同步完成时，所述第一权重被降低为低于所述第二权重。
5.根据权利要求1所述的FSK解调器，其中，所述平均滤波器包括第一平均滤波器和与所述第一平均滤波器分离的第二平均滤波器。
6.根据权利要求5所述的FSK解调器，其中，所述第一平均滤波器具有与被解调数据的符号持续时间相匹配的第一累积长度。
7.根据权利要求6所述的FSK解调器，其中所述第二平均滤波器具有比所述第一平均滤波器的第一累积长度短的第二累积长度。
8.根据权利要求7所述的FSK解调器，其中所述第二平均滤波器被配置为对接收到的分组的前导码和访问地址进行操作以完成同步，并且其中在同步完成时，所述第一平均滤波器被配置为用于执行数据均衡和解调。
9.根据权利要求1所述的FSK解调器，其中所述基于DPLL的频率估计器定义传递函数，所述传递函数能够被配置为用作相位微分器。
10.根据权利要求9所述的FSK解调器，其中，所述传递函数能够被配置为通过调整所述传递函数中的变量来为DPLL的带宽提供灵活性。
11.根据权利要求1所述的FSK解调器，其中，所述FSK解调器是蓝牙解调器或蓝牙低能耗(BLE)解调器。
12.一种频移键控(FSK)解调器，包括:
基于数字锁相环(DPLL)的频率估计器，其被配置为将相位信号转换成频率信号；
频偏估计器，其通信耦合到所述基于DPLL的频率估计器，所述频偏估计器包括包络检测器，所述包络检测器被配置为估计和跟踪所述频率信号的直流(DC)分量；和
平均滤波器，其通信耦合到所述频偏估计器，所述平均滤波器被配置为执行累加和转储操作，以提高所述频率信号的符号级信噪比(SNR)。
13.根据权利要求12所述的FSK解调器，其中所述包络检测器被配置为至少支持采集模式和跟踪模式。
14.根据权利要求13所述的FSK解调器，其中所述采集模式被分配第一权重，并且所述跟踪模式被分配第二权重，其中所述第一权重最初被设置为大于所述第二权重，并且其中在同步完成时，所述第一权重被降低为低于所述第二权重。
15.根据权利要求12所述的FSK解调器，其中，所述平均滤波器包括第一平均滤波器和与所述第一平均滤波器分离的第二平均滤波器，其中，所述第一平均滤波器具有与被解调数据的符号持续时间匹配的第一累积长度，并且其中，所述第二平均滤波器具有比所述第一平均滤波器的第一累积长度短的第二累积长度。
16.根据权利要求15所述的FSK解调器，其中所述第二平均滤波器被配置为对接收到的分组的前导码和访问地址进行操作以完成同步，并且其中在同步完成时，所述第一平均滤波器被配置为用于执行数据均衡和解调。
17.根据权利要求12所述的FSK解调器，其中所述基于DPLL的频率估计器定义传递函数，所述传递函数能够被配置为用作相位微分器，并且其中所述传递函数能够被配置为通过调整所述传递函数中的变量来为DPLL的带宽提供灵活性。
18.一种频移键控(FSK)调制解调器，包括:
FSK调制器；和
FSK解调器，其中所述FSK解调器还包括:
基于数字锁相环(DPLL)的频率估计器，其被配置为将相位信号转换成频率信号；
频偏估计器，其通信耦合到所述基于DPLL的频率估计器，所述频偏估计器被配置为估计和跟踪所述频率信号的直流(DC)分量；和
平均滤波器，其通信耦合到所述频偏估计器，所述平均滤波器被配置为执行累加和转储操作，以提高所述频率信号的符号级信噪比(SNR)。
19.根据权利要求18所述的FSK调制解调器，其中，所述频偏估计器包括包络检测器，并且其中，所述包络检测器被配置为至少支持采集模式和跟踪模式。
20.根据权利要求18所述的FSK调制解调器，其中，所述平均滤波器包括第一平均滤波器和与所述第一平均滤波器分离的第二平均滤波器，其中，所述第一平均滤波器具有与被解调数据的符号持续时间匹配的第一累积长度，并且其中，所述第二平均滤波器具有比所述第一平均滤波器的第一累积长度短的第二累积长度。
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