CN111212006B - 一种信号解调系统及解调方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例涉及通信领域，公开了一种信号解调系统及解调方法，包括：信号同步器，用于根据输入的调频信号与本地信号计算频偏移量估计值及帧同步估计结果；频偏消除器，用于根据频偏移量估计值，消除调频信号中估计的残留频偏，得到第一信号；自适应调制系数相干解调器，用于根据第一信号和帧同步估计结果，输出调频信号的解调结果；其中，信号同步器的调制系数和自适应调制系数相干解调器的调制系数预设为同一系数值，不同的系数值对应不同的解调架构。本发明通过对信号同步器的调制系数和自适应调制系数相干解调器的调制系数预设为同一系数值，且不同的系数值对应不同的解调架构，实现了相干解调，消除了变化的调制系数带来的影响。

Description

一种信号解调系统及解调方法
技术领域
本发明实施例涉及通信领域，特别涉及一种信号解调系统及解调方法。
背景技术
FSK(频移键控)信号是一种用于进行高速数据传输的信号。FSK调制信号的发射端通常会对FSK的调制系数设定一个范围，例如BT架构的FSK的调制系数通常设置为0.28～0.35，BLE架构的FSK的调制系数通常设置为0.45～0.55。通常的接收端无法针对变化的调制系数进行相干解调，调频信号在解调过程中，需要考虑调频信号中的残留频偏，这些残留频偏的存在使得调频信号的解调过程不是相干解调，从而影响调频信号的解调结果。现有的方案中，多采取非相干解调的方法，如分路滤波包络检波法、过零点检测法等，但这些方法频带利用率低、精确检测比较困难。
发明内容
本发明实施方式的目的在于提供一种信号解调系统及解调方法，使得本发明可根据不同的解调架构适用不同的调制系数，实现相干解调，消除变化的调制系数带来的影响。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种信号解调系统，包括：信号同步器、频偏消除器和自适应调制系数相干解调器，信号同步器连接于频偏消除器的输入端，频偏消除器的输出端连接于自适应调制系数相干解调器；信号同步器，用于根据输入的调频信号与本地信号计算频偏移量估计值及帧同步估计结果；频偏消除器，用于根据频偏移量估计值，消除调频信号中估计的残留频偏，得到第一信号；自适应调制系数相干解调器，用于根据第一信号和帧同步估计结果，输出调频信号的解调结果；其中，信号同步器的调制系数和自适应调制系数相干解调器的调制系数预设为同一系数值，不同的系数值对应不同的解调架构。
本发明的实施方式还提供了一种信号解调方法，包括：根据输入的调频信号与本地信号计算频偏移量估计值以及帧同步估计结果；根据频偏移量估计值，消除调频信号中估计的残留频偏，得到第一信号；根据第一信号和帧同步估计结果，输出调频信号的解调结果；其中，信号同步器的调制系数和自适应调制系数相干解调器的调制系数预设为同一系数值，不同的系数值对应不同的解调架构。
本发明实施方式相对于现有技术而言，在调频信号的解调过程中，通过频偏消除器消除接收信号中的残留频偏。另外，通过对信号同步器的调制系数和自适应调制系数相干解调器的调制系数预设为同一系数值，且可以根据不同的解调架构适用不同的调制系数，实现了相干解调，消除了变化的调制系数带来的影响，保证了环路的稳定性。
另外，还包括数字振荡器，信号同步器的输出端与数字振荡器的输入端连接，数字振荡器的输出端与频偏消除器的输入端连接，数字振荡器用于对频偏移量估计值进行累加，生成频偏补偿信号，通过频偏消除器消除调频信号中的残留频偏。
另外，还包括低通滤波器；频偏消除器的输出端与低通滤波器的输入端连接，低通滤波器的输出端与自适应调制系数相干解调器的输入端连接，低通滤波器用于滤除调频信号的更多的带外噪声，提高了相干解调器的输入信噪比。
另外，自适应调制系数相干解调器在解调过程中，根据预设的调制系数和解调结果，获取解调结果对应的调制系数。
另外，帧同步估计结果用于获取自适应调制系数相干解调器的信号起始点及初始相位估计的起始点。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定。
图1是根据本发明第一实施方式的信号解调系统结构示意图；
图2是根据本发明第二实施方式的信号解调系统结构示意图；
图3是根据本发明第三实施方式的信号解调系统结构示意图；
图4是根据本发明第四实施方式的自适应调制系数相干解调器的结构示意图；
图5是根据本发明第五实施方式的信号解调方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本发明的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。
本发明的第一实施方式涉及一种信号解调系统。如图1所示，该解调架构包括信号同步器100、频偏消除器200及自适应调制系数相干解调器300。
信号同步器100用于接收输入的调频信号(FSK信号，即图中的r(n))，并以一预设的采样时间间隔采集调频信号，并计算采集到的相隔的调频信号的相位差。根据得到的相位差，获取该调频信号的差分序列。
另外，同步信号器100还根据本地信号和调制系数的预设值hIdxSet，计算得到本地信号的差分序列。同步信号器计算得到调频信号的差分序列和本地信号的差分序列后，对两种差分序列进行相关运算(即求调频信号的差分序列与本地信号的差分序列的卷积)，根据相关运算的结果y′(n)，获取帧同步点idx，其中，该帧同步点
Figure BDA0002335933550000031
其中，n为序列索引。获取帧同步点idx后，可根据idx获取频偏移量fEst。其中，频偏移量
Figure BDA0002335933550000032
其中，fs为采样频率。另外，又可根据idx获取帧同步的估计结果hPos，其中，hPos＝offsetBase+idx,其中，offsetBase为一固定常数。
通过以上计算方法获取帧同步的估计结果hPos和频率偏移估计值fEst，其中，帧同步的估计结果hPos，输入至自适应调制系数相干解调器300，用以决定自适应调制系数相干解调器的信号起始点，以及解调器中初始相位估计的起始点。
信号同步器100的另一输出为调频信号的频率偏移估计值fEst，该频率偏移估计值输出至频偏消除器200。频偏消除器由乘法器实现，频偏消除器将接收到的原始调频信号和频率偏移估计值进行混频处理，以此消除调频信号中的残留频偏，得到第一信号。
自适应调制系数相干解调器接收第一信号和帧同步估计结果hPos，输出调频信号的解调结果，其中，自适应调制系数相干解调器300的调制系数预设为与同步信号器100的调制系数一样的系数值，且可以根据不同的解调架构采用不同的调制系数，例如，解调架构可以通过修改调制系数为0.33，使之适用于经典蓝牙BT接收架构，或者修改为0.5，使之适用于低功耗蓝牙BLE接收架构。
本发明实施方式在调频信号的解调过程中，通过频偏消除器消除接收信号中的残留频偏，使得解调结果更加准确，另外，通过将信号同步器的调制系数和自适应调制系数相干解调器的调制系数预设为同一系数值hIdxSet，且可以根据不同的解调架构采用不同的调制系数，实现了相干解调，消除了变化的调制系数带来的影响，以此保证了环路的稳定性。
本发明的第二实施方式涉及一种信号解调系统。第二实施方式是在第一实施方式的基础上做的进一步改进，主要改进之处在于，第二实施方式进一步提供了一种修正频偏移量估计值的装置。
如图2所示，本实施方式中的信号解调系统还包括数字振荡器101。通过信号同步器获100取帧同步的估计结果hPos和频率偏移估计值fEst，通过信号同步器100获取的频率偏移估计值fEst输出至数字振荡器101，数字振荡器101接收频率偏移估计值，并对频偏移量估计值进行累加，生成频偏补偿信号Nco(n)，具体地，
NcoPhase(n)＝NcoPhase(n-1)+fEst
Nco(n)＝exp(j*NcoPhase(n))
其中，NcoPhase(n)与NcoPhase(n-1)分别为此刻和前一时刻的频率值，fEst为频率偏移估计值。
经数字振荡器频率补偿后，可以修正频偏移量估计值，使其更接近实际的频偏移量，再通过频偏消除器200对调频信号进行混频处理，消除调频信号中的残留频偏，得到第一信号，最后将去除残留频偏后的第一信号输出至自适应调制系数相干解调器300进行解调，获取更加准确的解调结果。
本发明的第三实施方式涉及一种信号解调系统。第三实施方式是在第一实施方式或者第二实施方式的基础上做的进一步改进，主要改进之处在于，第三实施方式进一步提供了一种滤除调频信号更多带外噪声的装置。
如图3所示，通过信号同步器获100获取帧同步的估计结果hPos和频率偏移估计值fEst，数字振荡器101接收频率偏移估计值，对频偏移量估计值进行修正后，通过频偏消除器200对调频信号进行混频处理，消除调频信号中的残留频偏，得到第一信号，第一信号再输入至本实施方式中新增的低通滤波器201，经过更窄带的低通滤波器滤除更多的带外噪声。
本实施方式中的信号解调系统经过低通滤波器，作为相干解调器的输入，移除了频率偏移之后，通过更窄带的低通滤波器滤除更多的带外噪声，提高相干解调器的输入信噪比。
本发明的第四实施方式涉及一种信号解调系统。第四实施方式是在第一实施方式至第三实施方式的基础上做的进一步改进，第四实施方式具体提供了一种自适应调制系数相干解调器的实现装置。
如图4所示，该实现装置具体包括前向滤波器10、乘法器11、数字振荡器12、加法器13、自适应判决器14、鉴相器15、环路增益控制器16、还包括本地矢量产生器17、反馈滤波器18和初始相位估计器19。
前向滤波器接收通过低通滤波器后的调频信号y(n)，并根据该调频信号，获取携带有调频信号的最小相位信息的第二信号。前向滤波器10将第二信号输出至乘法器11，乘法器11还接收来自数字振荡器12的补偿信号。乘法器在接收到第一信号及补偿信号后，就可根据该补偿信号来消除第二信号中的残留频偏，生成第三信号。具体地说，
yrt(n)＝ytd(n)×ej(nco(n)×β)；
其中，yrt(n)为第三信号，ytd(n)为第二信号，nco(n)为补偿信号，β为补偿系数，n为序列索引。
乘法器11将第三信号输出至加法器13，加法器13在接收到第三信号时，根据反馈信号，消除第三信号的码间干扰，得到第四信号。
加法器13将第四信号输出至自适应判决器14，自适应判决器14在接收到第四信号时，根据该第四信号进行自适应判决，输出调频信号的解调结果。
鉴相器15可根据反馈信号及第三信号，检测本地信号与调频信号的相位差，输出第五信号。具体地说，
pdOut(n)＝yti(n)*conj(yrt(n))；
其中，pdOut(n)为鉴相器输出的第五信号，yti(n)为反馈信号，yrt(n)为第三信号。
鉴相器15将第五信号输出至环路增益控制器16。环路增益控制器16根据该第五信号环路的参数进行更新，获取相位控制字。具体地，
Figure BDA0002335933550000051
Figure BDA0002335933550000052
其中，a取1、2……n，phyVec(n)为相位控制字，freqVec(n)为频率控制字，Kp为比便系数，Ki为积分系数。
环路增益控制器16将相位控制字输出至数字振荡器12。数字振荡器还接收来自信号同步器的帧同步的估计结果hPos，由该帧同步估计结果通过初始相位估计器19获取初始相位的估计结果iniPhy。具体地，
iniphy＝angle(y(hPos))
数字振荡器12根据接收到的相位控制字及FSK信号初始相位的估计结果，生成补偿信号。具体地，
nco(n)＝iniPhy+nco(n-1)+phyVec(n)
其中，iniphy即为FSK信号初始相位的估计结果。
本实施方式中，自适应调制系数相干解调器还包括本地矢量产生器17及反馈滤波器18。本地矢量产生器17可根据自适应判决器14输出的调制系数及判决结果，产生的预估的本地信号。具体地，
Figure BDA0002335933550000061
其中，symVec(n)为预估出的本地信号，dOut(i)为判决结果，hIdxT(i)为调制系数。
本实施方式中的反馈滤波器18及前向滤波器10是相对于成型滤波器的最小相位系统。将预估的本地信号输入反馈滤波器18，反馈滤波器即可根据该本地信号，获取反馈信号。
自适应判决器进行自适应判决后输出的判决结果为：
Figure BDA0002335933550000062
其中，ysd(n)为第四信号，hIdx(m)为调制系数，k为解调结果，可取1与-1，Re()表示取实，ArgMaxf(x)，表示当f(x)取最大值时，x的取值。
将
Figure BDA0002335933550000063
代入，可得：
Figure BDA0002335933550000064
分别计算出k＝-1及k＝1时dOut(n)的值，在计算出所有的dOut(n)后，可获取最大的dOut(n)对应的k值，并根据该最大的dOut(n)对应的k值，计算调制系数，具体地，
Figure BDA0002335933550000065
本式中的k为即为最大的dOut(n)对应的k。
其中，hIdx(m)由hIdxSet的取值决定：
Figure BDA0002335933550000066
其中A为hIdx序列的步长，M为hIdx序列的长度。
由于第一实施方式至第三实施方式与本实施方式相互对应，因此本实施方式可与第第一实施方式至第三实施方式互相配合实施。本实施方式中提到的相关技术细节在第一实施方式至第三实施方式中依然有效，在第一实施方式至第三实施方式中所能达到的技术效果在本实施方式中也同样可以实现，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式至第三实施方式中。
本发明的第五实施方式涉及一种信号解调方法，该方法包括：根据输入的调频信号与本地信号计算频偏移量估计值以及帧同步估计结果；根据频偏移量估计值，消除调频信号中估计的残留频偏，得到第一信号；根据第一信号和帧同步估计结果，输出调频信号的解调结果；其中，信号同步器的调制系数和自适应调制系数相干解调器的调制系数预设为同一系数值，不同的系数值对应不同的解调架构。
如图5所示，该信号解调方法具体包括以下步骤：
步骤501：根据输入的调频信号与本地信号计算频偏移量估计值以及帧同步估计结果。
具体地说，同步信号器计算得到调频信号的差分序列和本地信号的差分序列后，对两种差分序列进行相关运算，该相关运算为求解调频信号的差分序列与本地信号的差分序列的卷积。根据相关运算的结果，可获取帧同步的估计结果hPos和频率偏移估计值fEst，其中，帧同步的估计结果，输入至自适应调制系数相干解调器，用以决定自适应调制系数相干解调器的信号起始点，以及解调器中初始相位估计的起始点。
步骤502：根据频偏移量估计值，消除调频信号中估计的残留频偏，得到第一信号。
具体地说，信号同步器的另一输出为接收信号的频率偏移估计值，将接收到的频率偏移估计值输出至频偏消除器，频偏消除器可以由乘法器实现。频偏消除器将接收到的原始调频信号和频率偏移估计值进行混频处理，以此消除调频信号中的残留频偏，得到第一信号。
步骤503：根据第一信号和帧同步估计结果，输出调频信号的解调结果。
自适应调制系数相干解调器接收第一信号和帧同步估计结果hPos，输出调频信号的解调结果，其中，自适应调制系数相干解调器的调制系数预设为与同步信号器的调制系数一样的系数值，且可以根据不同的解调架构适用不同的调制系数，例如，解调架构可以通过设置调制系数为0.33，使之适用于经典蓝牙BT接收机，或者设置调制系数为0.5，使之适用于低功耗蓝牙BLE接收机。
上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包括相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。
不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的方法实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (9)

1.一种信号解调系统，其特征在于，包括：信号同步器、频偏消除器和自适应调制系数相干解调器，所述信号同步器连接于所述频偏消除器的输入端，所述频偏消除器的输出端连接于所述自适应调制系数相干解调器；
所述信号同步器，用于根据输入的调频信号与本地信号计算频偏移量估计值及帧同步估计结果；
所述频偏消除器，用于根据所述频偏移量估计值，消除所述调频信号中估计的残留频偏，得到第一信号；
所述自适应调制系数相干解调器，用于根据所述第一信号和所述帧同步估计结果，输出所述调频信号的解调结果；
其中，所述信号同步器的调制系数和所述自适应调制系数相干解调器的调制系数预设为同一系数值，所述不同的系数值对应不同的解调架构；
其中，所述自适应调制系数相干解调器还用于在解调过程中，根据预设的调制系数和所述解调结果，获取所述解调结果对应的调制系数。
2.根据权利要求1所述的信号解调系统，其特征在于，还包括数字振荡器；所述信号同步器的输出端与所述数字振荡器的输入端连接，所述数字振荡器的输出端与所述频偏消除器的输入端连接，所述数字振荡器用于对所述频偏移量估计值进行累加，生成频偏补偿信号，所述频偏补偿信号用于修正频偏移量估计值。
3.根据权利要求1或2所述的信号解调系统，其特征在于，还包括低通滤波器；所述低通滤波器的输入端与所述频偏消除器的输出端连接，所述低通滤波器的输出端与所述自适应调制系数相干解调器的输入端连接，所述低通滤波器用于滤除所述调频信号的带外噪声。
4.根据权利要求1所述的信号解调系统，其特征在于，所述信号同步器，具体用于对输入的所述调频信号的差分序列与所述本地信号的差分序列进行相关运算，根据所述相关运算的结果，计算频偏移量估计值及帧同步估计结果。
5.根据权利要求4所述的信号解调系统，其特征在于，所述信号同步器在同步过程中，根据预设的调制系数和本地信号，获取所述本地信号的差分序列。
6.根据权利要求1所述的信号解调系统，其特征在于，所述帧同步估计结果用于获取所述自适应调制系数相干解调器的信号起始点及初始相位估计的起始点。
7.一种信号解调方法，其特征在于，包括：
信号同步器根据输入的调频信号与本地信号计算频偏移量估计值以及帧同步估计结果；
频偏消除器根据所述频偏移量估计值，消除所述调频信号中估计的残留频偏，得到第一信号；
自适应调制系数相干解调器根据所述第一信号和所述帧同步估计结果，输出所述调频信号的解调结果，并在解调过程中，根据预设的调制系数和所述解调结果，获取所述解调结果对应的调制系数；
其中，所述信号同步器连接于所述频偏消除器的输入端，所述频偏消除器的输出端连接于所述自适应调制系数相干解调器；所述信号同步器的调制系数和所述自适应调制系数相干解调器的调制系数预设为同一系数值，所述不同的系数值对应不同的解调架构。
8.根据权利要求7所述的信号解调方法，其特征在于，
所述根据所述频偏移量估计值，消除所述调频信号中估计的残留频偏，得到第一信号前，还包括：对所述频偏移量估计值进行累加，生成频偏补偿信号；
所述根据所述频偏移量估计值，消除所述调频信号中估计的残留频偏，得到第一信号，包括：根据频偏补偿信号，消除所述调频信号中估计的残留频偏，得到第一信号。
9.根据权利要求7或8所述的信号解调方法，其特征在于，
所述根据所述第一信号和所述帧同步估计结果，输出所述调频信号的解调结果前，还包括：滤除所述第一信号中的带外噪声，获取第二信号；
所述根据所述第一信号和所述帧同步估计结果，输出所述调频信号的解调结果，包括：
根据所述帧同步估计结果，获取所述自适应调制系数相干解调器的信号起始点及初始相位估计的起始点；
根据所述第二信号和所述自适应调制系数相干解调器的信号起始点及初始相位估计的起始点，输出所述调频信号的解调结果。
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