CN110995634B - Gmsk相干解调下的快速频偏估计和补偿系统及方法 - Google Patents

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Abstract

基带本发明公开了一种GMSK相干解调下的快速频偏估计和补偿系统及方法，该系统在信道滤波器之后增加了过零检测模块和频率偏差控制模块，过零检测模块对前导码的零点进行计数，并与期望的频率阈值作比较，在满足条件后得到初始的相位信息直接输出给频率偏差控制模块，用于反馈链路进行混频，这就提早了环路建立的时间，使接收机时钟更快的跟踪上发射机，增强接收机的纠偏能力，从而提升系统传输的性能。

Description

GMSK相干解调下的快速频偏估计和补偿系统及方法
技术领域
本发明涉及数字无线通讯信号处理技术领域，更具体的说是涉及一种GMSK相干解调下的快速频偏估计和补偿系统及方法。
背景技术
目前，在无线通讯领域中，由于接收机和发送机之间的晶振偏差会引起载波频率不一致，导致数据解调的准确性降低，导传输性能随之下降。在性能指标要求比较高的场合，需要采用相干解调模式，在接收侧恢复同步发送方的时钟。这样的反馈闭环架构实现比非相干解调复杂，但是解调时钟更精准，性能更好，通常环路部分结构如图1所示。
在无线网络中，协议以帧的形式进行通讯。物理层规范中对帧的结构的规定是事先已约定，帧头是由前导码01字符串、前定界符和帧长度组成。前导码用于信号识别、频偏估计、位定时等信号调理处理。如果物理头长就会降低有效数据的带宽，因此要求在一定的前导码长度的要求下要快速的进行载波频率估计并完成频偏校正。
GMSK(Gaussian Filtered Minimum Shift Keyin)高斯滤波最小移频键控通常在解调过程中，开始的前导码经过模数转换产生的数据流在混频滤波之后会进行对模数转换增益的调整，之后的前导码才被用于正常相位解码，这就导致前导码没有被充分利用，这样从模数转换模块输出前导到载波同步环路真正开始工作需要较长的建立时间，拖延了载波环路同步过程，使载波频率纠偏范围减小，特别是在系统信噪比低频偏较大的情况下有可能导致同步失败。对提升系统带宽、降低功耗、减少冲突提升网络效率造成负面影响。
因此，如何提供一种能够充分利用无线传输的前导码、载波同步环路建立时间短的GMSK相干解调下的快速频偏估计和补偿方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种GMSK相干解调下的快速频偏估计和补偿系统及方法，该系统在信道滤波器之后增加了过零检测模块和频率偏差控制模块，过零检测模块对前导码的零点进行计数，并与期望的频率阈值作比较，在满足条件后得到初始的相位信息直接输出给频率偏差控制模块，用于反馈链路进行混频，这就提早了环路建立的时间，解决了现有的GMSK相干解调过程模数转换模块输出前导到载波同步环路真正开始工作需要较长的建立时间，使载波频率偏差减小速度降低，对提升系统带宽、降低功耗、减少冲突提升网络效率造成负面影响的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一方面，本发明提供了一种GMSK相干解调下的快速频偏估计和补偿系统，该系统包括：
自动增益调整模块，用于对输入信号进行检测，并计算信号的强度和幅度，得到检测结果；
模数转换模块，用于接收所述自动增益调整模块反馈的检测结果，对输入信号的增益进行调整；
抽取滤波器，用于对所述模数转换模块增益调整后的信号进行抽取滤波处理；
混频器，用于对所述抽取滤波器抽取滤波后的信号进行混频，得到基带信号；
信道滤波器，用于对基带信号做进一步滤波处理，抑制带外信号；
过零检测模块，用于对所述信道滤波器处理后信号前导码的零点进行计数，并与期望的频率阈值作比较，在零点数值满足期望频率阈值时，将得到的初始相位信息输出；
频率偏差控制模块，用于接收所述过零检测模块输出的初始相位信息，并对频率偏差进行控制；
自动频率调整模块，用于接收所述频率偏差控制模块的频率偏差控制信号，对频率信息进行自动调整并输出；
数字控制振荡器，用于接收所述自动频率调整模块自动调整后的频率信息，产生振荡波，并输出至所述混频器；
相位解码检测单元，所述相位解码检测单元的输入端与所述信道滤波器连接，所述相位解码检测单元的输出端与所述自动频率调整模块连接，所述相位解码检测单元的输出参与自动频率调整。
进一步地，相位解码检测单元包括相位解码器、相位滤波器、频率检测模块和解码模块；
所述相位解码器的输入端与所述信道滤波器连接，其输出端与所述相位滤波器连接，所述相位滤波器与所述频率检测模块连接，所述频率检测模块分别与所述频率偏差控制模块和所述解码模块连接，所述频率偏差控制模块还与所述解码模块连接。
进一步地，所述频率偏差控制模块包括相位计数器和状态机；
所述相位计数器用于累计模数转换模块增益调整之后的数据在链路上的延时，并触发所述频率检测模块开始工作，捕获频率偏差，频率偏差捕获成功后输出频偏估计值至所述解码模块，所述解码模块根据所述频偏估计值进行频偏补偿；
所述状态机用于对输出相位进程进行控制。
进一步地，所述延时包括数据流水线上的延时以及信号处理的群延时。
另一方面，本发明还提供了一种GMSK相干解调下的快速频偏估计和补偿方法，该方法包括：
对输入信号进行检测，并计算信号的强度和幅度，得到初始检测结果；
对输入信号的增益进行调整，并信号进行滤波和混频处理；
对信号中前导码的零点进行计数，并与期望的频率阈值作比较，在零点数值满足期望频率阈值时，将得到的初始相位信息输出；
累计增益调整之后的数据在链路上的延时，并对频率偏差进行捕获，频率偏差捕获成功后，输出频偏估计值，根据所述频偏估计值进行频偏补偿。
进一步地，判定频率偏差捕获成功的所依据的条件包括同步头识别成功、频率偏差值在预设范围内以及频偏抖动在预设范围内。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种GMSK相干解调下的快速频偏估计和补偿系统及方法，该系统在信道滤波器之后增加了过零检测模块和频率偏差控制模块，过零检测模块对前导码的零点进行计数，并与期望的频率阈值作比较，在满足条件后得到初始的相位信息直接输出给频率偏差控制模块，用于反馈链路进行混频，这就提早了环路建立的时间，使接收机时钟更快的跟踪上发射机，增强接收机的纠偏能力，从而提升系统传输的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为通常情况下相干解调过程中信号反馈回路结构架构示意图；
图2附图为本发明提供的一种GMSK相干解调下的快速频偏估计和补偿系统的结构架构示意图；
图3附图为本发明实施例中频率偏差控制模块中状态机与其他功能模块配合实现频偏估计与补偿过程的流程示意图；
图4附图为本发明实施例中一种GMSK相干解调下的快速频偏估计和补偿方法的流程示意图。
具体实施方式
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、完整地描述，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。
一方面，参见附图2，本发明实施例公开了一种GMSK相干解调下的快速频偏估计和补偿系统，该系统包括：
自动增益调整模块1，用于对输入信号进行检测，并计算信号的强度和幅度，得到检测结果；
模数转换模块2，用于接收自动增益调整模块1反馈的检测结果，对输入信号的增益进行调整；
抽取滤波器3，用于对模数转换模块2增益调整后的信号进行抽取滤波处理；
混频器4，用于对抽取滤波器3抽取滤波后的信号进行混频，得到基带信号；
信道滤波器5，用于对基带信号做进一步滤波处理，抑制带外信号；
过零检测模块6，用于对信道滤波器6处理后信号前导码的零点进行计数，并与期望的频率阈值作比较，在零点数值满足期望频率阈值时，将得到的初始相位信息输出；
频率偏差控制模块7，用于接收过零检测模块6输出的初始相位信息，并对频率偏差进行控制；
自动频率调整模块9，用于接收频率偏差控制模块7的频率偏差控制信号，对频率信号进行自动调整并输出；
数字控制振荡器10，用于接收自动频率调整模块9自动调整后的频率信号，根据接收到的频率产生振荡波，并输出至混频器；
相位解码检测单元8，相位解码检测单元8的输入端与信道滤波器5连接，相位解码检测单元8的输出端与自动频率调整模块9连接，所述相位解码检测单元8的输出参与自动频率调整。
在一个具体的实施例中，相位解码检测单元8包括相位解码器81、相位滤波器82、频率检测模块83和解码模块84；
相位解码器81的输入端与信道滤波器5连接，其输出端与相位滤波器82连接，相位滤波器82与频率检测模块83连接，频率检测模块83分别与频率偏差控制模块7和解码模块84块连接，频率偏差控制模块7还与解码模块84连接。
如图1所示，通常自动增益调整模块会对信号进行检测，计算信号的强度和幅度，并且把结果反馈给前级的模数转换模块，对输入信号的增益进行调整之后输给相位解码检测模块，输出载波时钟偏差信号反馈给数字控制振荡器，从而产生混频时钟信号。这样从模数转换模块输出前导到载波同步环路真正开始工作需要较长的建立时间。
本实施例采用图2所示系统，对现有架构进行改进，在信道滤波器之后增加了过零检测和频率偏差控制两个模块，并且把环路同步分解粗调和细调两步。通常一开始接收机处于信号检测状态，为了有效接收所有可能信号，通常自动增益调整模块的增益会很大，导致模数转换模块输出信号处于溢出状态，这样的信号混频之后没法给相位解码器使用，不能得到理想的相位信息。过零检测模块主要的作用是对这时候前导码的零点进行计数，并与期望的频率阈值作比较，在满足条件后得到初始的相位信息直接输出给频率偏差控制模块，用于反馈链路进行混频，这就提早了环路建立的时间。期望的频率阈值范围和基带调制信号的频率相关，可以根据实际情况通过软件配置。
在一个具体的实施例中，频率偏差控制模块7包括相位计数器和状态机；
相位计数器用于累计模数转换模块增益调整之后的数据在链路上的延时，并触发频率检测模块开始工作，捕获频率偏差，频率偏差捕获成功后输出频偏估计值至解码模块，解码模块根据频偏估计值进行频偏补偿；
状态机用于对输出相位进程进行控制。
在本实施例中，频率偏差控制模块内部有状态机，用于输出相位进程控制，状态机控制信号处理过程如图3所示。相位计数器用于累计模数转换模块的增益调整之后的数据在链路上的延时，包括到数据流水线上的延时以及信号处理的群延时，用于触发频率检测模块开始工作。频偏捕获成功则需要满足以下条件：同步头识别成功；频偏值在一定范围内；频偏抖动也不能太大，具体的范围和基带信号以及环境相关，可以通过软件灵活配置优化。频偏捕获之后会输出频偏估计值给解码模块用于频偏补偿，以恢复基带数据。
综上所述，本发明实施例公开的GMSK相干解调下的快速频偏估计和补偿系统，与现有技术相比，具有如下优点：
该系统在信道滤波器之后增加了过零检测模块和频率偏差控制模块，过零检测模块对前导码的零点进行计数，并与期望的频率阈值作比较，在满足条件后得到初始的相位信息直接输出给频率偏差控制模块，用于反馈链路进行混频，这就提早了环路建立的时间，使接收机时钟更快的跟踪上发射机，从而提升系统传输的性能。
另一方面，参见附图4，本发明还提供了一种GMSK相干解调下的快速频偏估计和补偿方法，该方法包括：
S1：对输入信号进行检测，并计算信号的强度和幅度，得到初始检测结果；
S2：对输入信号的增益进行调整，并信号进行滤波和混频处理；
S3：对信号中前导码的零点进行计数，并与期望的频率阈值作比较，在零点数值满足期望频率阈值时，将得到的初始相位信息输出；
S4：累计增益调整之后的数据在链路上的延时，并对频率偏差进行捕获，频率偏差捕获成功后，输出频偏估计值，根据频偏估计值进行频偏补偿。
具体地，判定频率偏差捕获成功的所依据的条件包括同步头识别成功、频率偏差值在预设范围内以及频偏抖动在预设范围内。频偏抖动不能太大，具体的范围和基带信号以及环境相关，可以通过软件灵活配置优化。
综上所述，本发明实施例公开的GMSK相干解调下的快速频偏估计和补偿方法，与现有技术相比，具有如下优点：
本方法对无线传输的前导码充分利用，结合数字信号处理链路状态控制，在逻辑增加有限的情况下实现快速对载波偏差进行估计，缩短载波同步环路建立时间，以提升通讯系统性能。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种GMSK相干解调下的快速频偏估计和补偿系统，其特征在于，包括：
自动增益调整模块，用于对输入信号进行检测，并计算信号的强度和幅度，得到检测结果；
模数转换模块，用于接收所述自动增益调整模块反馈的检测结果，对输入信号的增益进行调整；
抽取滤波器，用于对所述模数转换模块增益调整后的信号进行抽取滤波处理；
混频器，用于对所述抽取滤波器抽取滤波后的信号进行混频，得到基带信号；
信道滤波器，用于对基带信号做进一步滤波处理，抑制带外信号；
过零检测模块，用于对所述信道滤波器处理后信号前导码的零点进行计数，并与期望的频率阈值作比较，在零点数值满足期望频率阈值时，将得到的初始相位信息输出；
频率偏差控制模块，用于接收所述过零检测模块输出的初始相位信息，并对频率偏差进行控制；
自动频率调整模块，用于接收所述频率偏差控制模块的频率偏差控制信号，对频率进行自动调整并输出；
数字控制振荡器，用于接收自动频率调整模块自动调整后的频率信息，根据接收到的频率信息产生振荡波，并输出至所述混频器；
相位解码检测单元，所述相位解码检测单元的输入端与所述信道滤波器连接，所述相位解码检测单元的输出参与自动频率调整；所述相位解码检测单元包括相位解码器、相位滤波器、频率检测模块和解码模块；所述相位解码器的输入端与所述信道滤波器连接，其输出端与所述相位滤波器连接，所述相位滤波器与所述频率检测模块连接，所述频率检测模块分别与所述频率偏差控制模块和所述解码模块连接，所述频率偏差控制模块还与所述解码模块连接；
所述频率偏差控制模块包括相位计数器和状态机；所述相位计数器用于累计模数转换模块增益调整之后的数据在链路上的延时，并触发频率检测模块开始工作，捕获频率偏差，频率偏差捕获成功后输出频偏估计值至解码模块，解码模块根据所述频偏估计值进行频偏补偿；所述状态机用于对输出相位进程进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种GMSK相干解调下的快速频偏估计和补偿系统，其特征在于，所述延时包括数据流水线上的延时以及信号处理的群延时。
3.一种GMSK相干解调下的快速频偏估计和补偿方法，其特征在于，适用于权利要求1所述的一种GMSK相干解调下的快速频偏估计和补偿系统，包括：
对输入信号进行检测，并计算信号的强度和幅度，得到初始检测结果；
接收所述初始检测结果，对输入信号的增益进行调整，并信号进行滤波和混频处理；
对信号中前导码的零点进行计数，并与期望的频率阈值作比较，在零点数值满足期望频率阈值时，将得到的初始相位信息输出；
累计增益调整之后的数据在链路上的延时，并对频率偏差进行捕获，频率偏差捕获成功后，输出频偏估计值，根据所述频偏估计值进行频偏补偿。
4.根据权利要求3所述的一种GMSK相干解调下的快速频偏估计和补偿方法，其特征在于，判定频率偏差捕获成功的所依据的条件包括同步头识别成功、频率偏差值在预设范围内以及频偏抖动在预设范围内。
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