CN110611630B - 一种调谐射频架构的2-fsk唤醒接收器及其解调方法 - Google Patents

一种调谐射频架构的2-fsk唤醒接收器及其解调方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种调谐射频架构的2‑FSK唤醒接收器及其解调方法，所述解调方法包括：获取2‑FSK射频信号；根据所述2‑FSK射频信号，得到包络信号；在一个符号时间内对所述包络信号进行均匀采样，得到具有N个样本的向量；对所述向量分别进行第一频率滤波处理和第二频率滤波处理，得到第一频率滤波值和第二频率滤波值；比较所述第一频率滤波值和所述第二频率滤波值的大小，根据比较结果输出解调信号。本实施例的解调方法运算简便，且与相位误差无关，本实施例的2‑FSK唤醒接收器避免了耗电的本机振荡器，降低了唤醒接收器的功耗，采用窄带FSK调制可以使接收器获得更高的灵敏度。

Description

一种调谐射频架构的2-FSK唤醒接收器及其解调方法
技术领域
本发明属于唤醒接收器技术领域，具体涉及一种调谐射频架构的2-FSK唤醒接收器及其解调方法。
背景技术
近年来，唤醒接收器(WuR)已成为事件驱动的物联网传感应用的新兴技术。它能够在有限的功耗下连续监控无线信道，并在预期的流量到达时立即唤醒主接收器。因此，节省了物联网中的大量空闲聆听功率，从而使得物联网设备可能在几年内无需维护。
功耗和RF(射频，Radio Frequency)功率灵敏度是WuR设计的关键要求，与设计传统接收器时关注数据速率和每比特的能量效率明显不同。目前与WuR相关的工作可以主要分为两类：RF接收机架构设计以及比特级采样。在第一类工作中，通过消除或改变传统接收器中耗电的元件，新的低功耗接收器架构进行了精心设计，这种类型的WuR具有小于-70dbm的功率灵敏度。在第二类工作中将符号级采样技术用于功耗的降低，它是间歇性的而非连续地操作RF前端电路以节省功率，在没有实质上修改传统架构的情况下，该方法通常具有与其相应的传统接收器几乎相同的灵敏度。因此，这种类型的WuR的灵敏度通常高于第一类型。但是此类型的研究工作主要集中在OOK(二进制启闭键控，On-Off Keying)调制上，其灵敏度通常小于-90dBm。
为了进一步提高灵敏度(达到-100dBm以下)，提出一种新型架构的唤醒接收器及其解调方式是非常必要的。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种调谐射频架构的2-FSK唤醒接收器及其解调方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明提供了一种应用于调谐射频架构的2-FSK唤醒接收器的解调方法，包括：
S1：获取2-FSK射频信号X(t)，
X(t)＝Acos(2πfRFt)cos(2πfIFt+θ),0＜t＜T，
其中，A表示射频信号的幅度，fRF表示射频信号的频率，fIF表示中频信号的频率，θ表示相位误差，T表示一个符号时间；
S2：根据所述2-FSK射频信号X(t)，得到包络信号Y(t)；
S3：在一个符号时间内对所述包络信号Y(t)进行均匀采样，得到具有N个样本的向量X；
S4：对所述向量X分别进行第一频率滤波处理和第二频率滤波处理，得到第一频率滤波值和第二频率滤波值；
S5：比较所述第一频率滤波值和所述第二频率滤波值的大小，根据比较结果输出解调信号。
在本发明的一个实施例中，所述S2包括：
对所述2-FSK射频信号X(t)进行带通滤波处理，得到滤波信号；
对所述滤波信号进行包络检波，得到包络信号Y(t)，
Y(t)＝A|cos(2πfIFt+θ)|,0＜t＜T；
对所述包络信号Y(t)进行傅里叶级数展开，得到傅里叶级数展开式，
Figure BDA0002162051170000031
获得所述傅里叶级数展开式中的频率分量的集合Ω(fIF)，
Ω(fIF)＝[2fIF，4fIF，8fIF,…,∞]。
在本发明的一个实施例中，所述S3包括：
设f1和f2分别为所述2-FSK射频信号的频率，则在一个符号时间T内得到的包络信号Y(t)为，
Y(t)＝A|cos(2πf1t+θ)|，0＜t＜T，或者
Y(t)＝A|cos(2πf2t+θ)|，0＜t＜T
其中，f1＝k1/T，f2＝k2/T，T表示一个符号时间，k1和k2为任意自然数，且
Figure BDA0002162051170000032
在一个符号时间T内对所述包络信号Y(t)进行N次均匀采样，得到具有N个样本的向量X，
X＝[Y(t1),Y(t2),...,Y(tN)]T，
其中，T表示转置，N表示样本个数。
在本发明的一个实施例中，所述4包括：
S41：对所述向量X进行所述第一频率滤波处理，得到第一频率滤波值m1，
Figure BDA0002162051170000033
Figure BDA0002162051170000041
其中，T表示转置，N表示样本个数；
S42：对所述向量X进行第二频率滤波处理，得到第二频率滤波值m2，
Figure BDA0002162051170000042
Figure BDA0002162051170000043
其中，T表示转置，N表示样本个数。
在本发明的一个实施例中，所述S5包括：
比较所述第一频率滤波值m1和所述第二频率滤波值m2的大小，
若m1>m2，则输出的解调信号为频率为f1的信号，
若m1<m2，则输出的解调信号为频率为f2的信号。
本发明提还供了一种调谐射频架构的2-FSK唤醒接收器，包括：依次连接的天线、带通滤波器、包络检波器和控制模块，其中，
所述天线，用于获取2-FSK射频信号X(t)；
所述带通滤波器，用于对所述2-FSK射频信号X(t)进行带通滤波处理，得到滤波信号；
所述包络检波器，用于对所述滤波信号进行包络检波，得到包络信号Y(t)；
所述控制模块，用于对所述包络信号Y(t)进行采样，并对其解调得到解调信号。
在本发明的一个实施例中，所述控制模块包括采样单元、第一频率滤波器、第二频率滤波器和判决器，其中，
所述采样单元用于在一个符号时间内对所述包络信号Y(t)进行均匀采样，得到具有N个样本的向量X；
所述第一频率滤波器用于对所述向量X进行第一频率滤波处理，得到第一频率滤波值m1；、
所述第二频率滤波器用于对所述向量X进行第二频率滤波处理，得到第二频率滤波值m2；
所述判决器用于比较所述第一频率滤波值m1和所述第二频率滤波值m2的大小，并根据比较结果输出解调信号。
在本发明的一个实施例中，所述控制模块还包括使能信号单元，所述使能信号单元连接所述包络检波器的输入端，用于产生使能信号，所述包络检波器根据所述使能信号在采样时间启用以及在非采样时间禁用。
在本发明的一个实施例中，所述控制模块为单片机。
在本发明的一个实施例中，所述采样单元为模数转换器。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明提供了一种调谐射频架构的2-FSK唤醒接收器，与传统的超外差FSK唤醒接收器相比，未设置耗电的本机振荡器，降低了唤醒接收器的功耗；跟传统的调谐射频架构的OOK调制唤醒接收机相比，本发明采用窄带FSK调制，可以使接收器获得更高的接收灵敏度。而且针对本发明的2-FSK唤醒接收器提出了一种新的解调方法，该方法运算简便，且解调方法与相位误差无关。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种应用于调谐射频架构的2-FSK唤醒接收器的解调方法流程图；
图2是本发明实施例提供的一种2-FSK射频信号的示意图；
图3是本发明实施例提供的一种包络信号的示意图；
图4是本发明实施例提供的一种包络信号频谱的示意图。
图5是本发明实施例提供的一种调谐射频架构的2-FSK唤醒接收器的结构框图。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种调谐射频架构的2-FSK唤醒接收器及其解调方法进行详细说明。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
实施例一
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种应用于调谐射频架构的2-FSK唤醒接收器的解调方法流程图，应用于调谐射频架构的2-FSK唤醒接收器，如图所示，所述解调方法包括：
S1：获取2-FSK射频信号X(t)，
X(t)＝Acos(2πfRFt)cos(2πfIFt+θ),0＜t＜T (1)，
其中，A表示射频信号的幅度，fRF表示射频信号的频率，fIF表示中频信号的频率，θ表示相位误差，T表示一个符号时间；
请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种2-FSK射频信号的示意图，2-FSK调制，即二进数字频率调制，是用二进制数字基带信号去控制正弦载波的频率，图中一个符号时间T＝0.2s，fIF＝10Hz。
S2：根据所述2-FSK射频信号X(t)，得到包络信号Y(t)，
具体地，包括：
对所述2-FSK射频信号X(t)进行带通滤波处理，得到滤波信号；
对所述滤波信号进行包络检波，得到包络信号Y(t)，
Y(t)＝A|cos(2πfIFt+θ)|,0＜t＜T (2)；
请参见图3，图3是本发明实施例提供的一种包络信号的示意图，从图中可以看出图3中的2-FSK调制后的射频(RF)信号的包络近似于中频(IF)信号的绝对值。
对公式(2)进行傅里叶级数展开，得到傅里叶级数展开式，
Figure BDA0002162051170000071
获得所述傅里叶级数展开式中的频率分量的集合Ω(fIF)，
Ω(fIF)＝[2fIF，4fIF，8fIF,…,∞] (4)，
从公式(3)中可以看出，所述包络信号Y(t)实际上是恒定值和一系列正弦信号的组合，其频率在Ω(fIF)内。
值得说明的是，若fIF是1/T的倍数，T表示一个符号时间，则Y(t)与具有频率f的正弦信号正交，频率f等于K/T，但不属于Ω(fIF)，其中K为任意自然数。
请参见图4，图4是本发明实施例提供的一种包络信号频谱的示意图，如图所示，图中一个符号时间T＝0.2s，fIF＝10Hz，5Hz即1/T的倍数频率的值都是零，即5Hz、10Hz、15Hz、25Hz、30Hz等的振幅都为0，除了包含于Ω(fIF)也就是Ω(10)的频率，如20Hz的振幅不为0。
S3：在一个符号时间内对所述包络信号Y(t)进行均匀采样，得到具有N个样本的向量X；
具体地，包括：
设f1和f2分别为所述2-FSK射频信号的频率，则在一个符号时间T内得到的包络信号Y(t)为，
Y(t)＝A|cos(2πf1t+θ)|，0＜t＜T，或者
Y(t)＝A|cos(2πf2t+θ)|，0＜t＜T (5)
其中，f1＝k1/T，f2＝k2/T，T表示一个符号时间，k1和k2为任意自然数，且
Figure BDA0002162051170000081
在一个符号时间T内对所述包络信号Y(t)进行N次均匀采样，得到具有N个样本的向量X，
X＝[Y(t1),Y(t2),...,Y(tN)]T (6)，
其中，T表示转置，N表示样本个数。
S4：对所述向量X分别进行第一频率滤波处理和第二频率滤波处理，得到第一频率滤波值和第二频率滤波值；
具体地，包括：
S41：对所述向量X进行所述第一频率滤波处理，得到第一频率滤波值m1，
Figure BDA0002162051170000091
Figure BDA0002162051170000092
其中，T表示转置，N表示样本个数；
S42：对所述向量X进行第二频率滤波处理，得到第二频率滤波值m2，
Figure BDA0002162051170000093
Figure BDA0002162051170000094
其中，T表示转置，N表示样本个数。
S5：比较所述第一频率滤波值和所述第二频率滤波值的大小，根据比较结果输出解调信号。
具体地，包括：
比较所述第一频率滤波值m1和所述第二频率滤波值m2的大小，
若m1>m2，则输出的解调信号为频率为f1的信号，
若m1<m2，则输出的解调信号为频率为f2的信号。
若在一个符号时间T内得到的包络信号Y(t)为A|cos(2πf1t+θ)|，其频率分量的集合Ω(f1)＝[2f1，4f1，8f1,…,∞]，将在一个符号时间T内对包络信号Y(t)均匀采样得到的向量X通过公式(7)的滤波处理，只有频率分量为2f1的信号被保留，其余频率分量信号均与
Figure BDA0002162051170000101
正交为零；将在一个符号时间T内对包络信号Y(t)均匀采样得到的向量X通过公式(9)的滤波处理，由于f1＝k1/T，f2＝k2/T，且
Figure BDA0002162051170000102
那么频率分量的集合Ω(f1)均与
Figure BDA0002162051170000103
正交为零，即第二频率滤波值m2为零，也就是m1>m2，则输出的解调信号为频率为f1的信号。
同理，若在一个符号时间T内得到的包络信号Y(t)为A|cos(2πf2t+θ)|，其频率分量的集合Ω(f2)＝[2f2，4f2，8f2,…,∞]，将在一个符号时间T内对包络信号Y(t)均匀采样得到的向量X通过公式(7)的滤波处理，由于f1＝k1/T，f2＝k2/T，且
Figure BDA0002162051170000104
那么频率分量的集合Ω(f2)均与
Figure BDA0002162051170000105
正交为零，即第一频率滤波值m1为零；将在一个符号时间T内对包络信号Y(t)均匀采样得到的向量X通过公式(9)的滤波处理，只有频率分量为2f2的信号被保留，其余频率分量信号均与
Figure BDA0002162051170000106
正交为零，也就是m1<m2，则输出的解调信号为频率为f2的信号。
本实施例的解调方法应用于调谐射频架构的2-FSK唤醒接收器，该解调方法运算简便，且与相位误差θ无关。
实施例二，
请结合参见图5，图5是本发明实施例提供的一种调谐射频架构的2-FSK唤醒接收器的结构框图。如图所示，本实施例的调谐射频架构的2-FSK唤醒接收器包括：依次连接的天线1、带通滤波器2、包络检波器3和控制模块4，其中，天线1用于接收2-FSK射频信号X(t)；带通滤波器2用于对所述2-FSK射频信号X(t)进行带通滤波处理，得到滤波信号；包络检波器3用于对所述滤波信号进行包络检波，得到包络信号Y(t)；控制模块4用于对所述包络信号Y(t)进行采样，并对其解调得到解调信号。
具体地，控制模块4包括采样单元41、第一频率滤波器42、第二频率滤波器43和判决器44，其中，采样单元41用于在一个符号时间内对所述包络信号Y(t)进行均匀采样，得到具有N个样本的向量X；第一频率滤波器42用于对所述向量X进行第一频率滤波处理，得到第一频率滤波值m1；第二频率滤波器43用于对所述向量X进行第二频率滤波处理，得到第二频率滤波值m2；判决器44用于比较所述第一频率滤波值m1和所述第二频率滤波值m2的大小，并根据比较结果输出解调信号，若m1>m2，则输出的解调信号为频率为f1的信号，若m1<m2，则输出的解调信号为频率为f2的信号。
进一步地，控制模块4还包括使能信号单元45，使能信号单元45连接包络检波器2的输入端，用于产生使能信号，包络检波器2根据所述使能信号在采样时间启用以及在非采样时间禁用。
在本实施例中，带通滤波器2可以是SAW射频带通滤波器，包络检波器3可以是型号为AD8309的功率检波器，控制模块4为单片机，型号为MSP430RF5969，采样单元41为模数转换器(ADC)。
本实施例的调谐射频架构的2-FSK唤醒接收器，设置有使能信号单元45，包络检波器2根据使能信号单元45产生的所述使能信号在采样时间内启用以及在非采样时间内禁用，从而使得本实施例的2-FSK唤醒接收器的功耗较低。另一方面本实施例的调谐射频架构的2-FSK唤醒接收器与传统的超外差FSK唤醒接收器相比，未设置耗电的本机振荡器，进一步地降低了唤醒接收器的功耗，而且，与传统的调谐射频架构的OOK调制唤醒接收机相比，采用窄带FSK调制可以使接收器可以获得更高的灵敏度。
实施例三
本实施例是对上述实施例的调谐射频架构的2-FSK唤醒接收器的性能进行评估，在本实施例中，选用型号为MSP430RF5969的单片机作为控制模块，型号为AD8309的功率检波器作为包络检波器，对调谐射频架构的2-FSK唤醒接收器的性能进行评估。MSP430RF5969和AD8309的性能参数请参见表1。
表1.MSP430RF5969和AD8309的性能参数
Figure BDA0002162051170000121
在调谐射频架构的2-FSK唤醒接收器中，第一频率滤波器和第二频率滤波器与ADC的采样时间相比可以忽略不计。
设PD,a和PD,s为包络检波器的工作功率和休眠功率，PM,a和PM,s为单片机的工作功率和休眠功率，R为接收器的比特率，Tsa为单片机的ADC的采样转换时间，那么，调谐射频架构的2-FSK唤醒接收器的平均功耗如下，
Pave＝RNTsa(PD,a-PD,s+PM,a-PM,s)+PD,s+PM,s (11)，
其中，N表示采样数。
根据表1中的参数值，公式(11)化简为，
Pave＝0.144896RN+0.41(μW) (12)，
从公式(12)可以看出，调谐射频架构的2-FSK唤醒接收器的平均功率与比特率R和每比特的采样数N成比例。假设把误码率为10-2时的SNR(信噪比)设置为MD SNR(最小可检测信噪比)。
本实施例的调谐射频架构的2-FSK唤醒接收器的误码率如下，
Figure BDA0002162051170000131
根据公式(13)可以得到，
Figure BDA0002162051170000132
合并公式(12)和公式(14)，得到，
Figure BDA0002162051170000133
从公式(15)可以看出，本实施例的2-FSK唤醒接收器的功率，比特率和MD SNR都是相关的，对于给定的功率预算，可以通过降低比特率来改善MD SNR，此外，通过增加功率，可以在比特率和MD SNR中获得整体更好的性能。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种应用于调谐射频架构的2-FSK唤醒接收器的解调方法，其特征在于，包括：
S1：获取2-FSK射频信号X(t)，
X(t)＝Acos(2πfRFt)cos(2πfIFt+θ),0＜t＜T，
其中，A表示射频信号的幅度，fRF表示射频信号的频率，fIF表示中频信号的频率，θ表示相位误差，T表示一个符号时间；
S2：根据所述2-FSK射频信号X(t)，得到包络信号Y(t)；
S3：在一个符号时间内对所述包络信号Y(t)进行均匀采样，得到具有N个样本的向量X，包括：
设f1和f2分别为所述2-FSK射频信号的频率，则在一个符号时间T内得到的包络信号Y(t)为，
Y(t)＝A|cos(2πf1t+θ)|，0＜t＜T，或者
Y(t)＝A|cos(2πf2t+θ)|，0＜t＜T
其中，f1＝k1/T，f2＝k2/T，T表示一个符号时间，k1和k2为任意自然数，且
Figure FDA0002469862170000011
Ω(fIF)表示包络信号Y(t)傅里叶级数展开式中的频率分量的集合；
在一个符号时间T内对所述包络信号Y(t)进行N次均匀采样，得到具有N个样本的向量X，
X＝[Y(t1),Y(t2),...,Y(tN)]T，
其中，T表示转置，N表示样本个数；
S4：对所述向量X分别进行第一频率滤波处理和第二频率滤波处理，得到第一频率滤波值和第二频率滤波值，包括：
对所述向量X进行所述第一频率滤波处理，得到第一频率滤波值m1，
Figure FDA0002469862170000021
Figure FDA0002469862170000022
其中，T表示转置，N表示样本个数；
对所述向量X进行第二频率滤波处理，得到第二频率滤波值m2，
Figure FDA0002469862170000023
Figure FDA0002469862170000024
其中，T表示转置，N表示样本个数；
S5：比较所述第一频率滤波值和所述第二频率滤波值的大小，根据比较结果输出解调信号。
2.根据权利要求1所述的解调方法，其特征在于，所述S2包括：
对所述2-FSK射频信号X(t)进行带通滤波处理，得到滤波信号；
对所述滤波信号进行包络检波，得到包络信号Y(t)，
Y(t)＝A|cos(2πfIFt+θ)|,0＜t＜T；
对所述包络信号Y(t)进行傅里叶级数展开，得到傅里叶级数展开式，
Figure FDA0002469862170000025
获得所述傅里叶级数展开式中的频率分量的集合Ω(fIF)：
Ω(fIF)＝[2fIF，4fIF，8fIF,…,∞]。
3.根据权利要求1所述的解调方法，其特征在于，所述S5包括：
比较所述第一频率滤波值m1和所述第二频率滤波值m2的大小，
若m1>m2，则输出的解调信号为频率为f1的信号，
若m1<m2，则输出的解调信号为频率为f2的信号。
4.一种调谐射频架构的2-FSK唤醒接收器，其特征在于，包括：依次连接的天线(1)、带通滤波器(2)、包络检波器(3)和控制模块(4)，其中，
所述天线(1)，用于获取2-FSK射频信号X(t)；
所述带通滤波器(2)，用于对所述2-FSK射频信号X(t)进行带通滤波处理，得到滤波信号；
所述包络检波器(3)，用于对所述滤波信号进行包络检波，得到包络信号Y(t)；
所述控制模块(4)，用于对所述包络信号Y(t)进行采样，并对其解调得到解调信号；
所述控制模块(4)包括采样单元(41)、第一频率滤波器(42)、第二频率滤波器(43)和判决器(44)，其中，所述采样单元(41)用于在一个符号时间内对所述包络信号Y(t)进行均匀采样，得到具有N个样本的向量X；所述第一频率滤波器(42)用于对所述向量X进行第一频率滤波处理，得到第一频率滤波值m1；所述第二频率滤波器(43)用于对所述向量X进行第二频率滤波处理，得到第二频率滤波值m2；所述判决器(44)用于比较所述第一频率滤波值m1和所述第二频率滤波值m2的大小，并根据比较结果输出解调信号。
5.根据权利要求4所述的调谐射频架构的2-FSK唤醒接收器，其特征在于，所述控制模块(4)还包括使能信号单元(45)，所述使能信号单元(45)连接所述包络检波器(2)的输入端，用于产生使能信号，所述包络检波器(2)根据所述使能信号在采样时间启用以及在非采样时间禁用。
6.根据权利要求4所述的调谐射频架构的2-FSK唤醒接收器，其特征在于，所述控制模块(4)为单片机。
7.根据权利要求4所述的调谐射频架构的2-FSK唤醒接收器，其特征在于，所述采样单元(41)为模数转换器。
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