CN111384985B - 一种无线通信接收机及接收方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无线通信接收机及接收方法，包括接收模块、第一级滤波模块、混频模块、第二级滤波模块、包头检测和频偏估计模块、地址检测模块和解调模块，接收模块接收无线发送机发送来的数据帧；所述数据帧包括前导码、地址信息、包信息、数据包和校验信息；前导码包括第一频率线性递减chirp信号、频率线性递增chirp信号和第二频率线性递减chirp信号；第二频率线性递减chirp信号的长度可配置；包头检测和频偏估计模块对前导码进行包头检测和频偏估计，并使频偏估计值与地址信息同步进入混频模块。本发明的无线通信接收机及接收方法基于特定的帧结构保证了频偏校正的正常进行，节省了电路资源和系统功耗，实现了低成本低功耗的目标。

Description

一种无线通信接收机及接收方法

技术领域

本发明涉及无线通信的技术领域，特别是涉及一种无线通信接收机及接收方法。

背景技术

随着物联网的飞速发展，无线通信的需求也随之迅速增长。在物联网时代，低成本和低功耗成为无线通信的重要指标。

如图1所示，现有技术中的无线通信接收机的基本流程包括以下步骤：

(1)基于RF接收数据帧；

(2)对数据帧进行第一级滤波；

(3)将第一级滤波后的数据帧存储至RAM；

(4)将RAM中的数据输入混频器；

(5)对混频器输出的数据进行第二级滤波；

(6)包头同步和频偏估计模块对第二级滤波后的数据进行包头同步和频偏估计，并能将RAM中数据帧的地址信息的起始地址反馈给RAM；

(7)在混频器中基于频偏估计结果对RAM中读出的数据进行频偏校正；

(8)对频偏校正后的数据进行第二级滤波、地址检测和解调，从而完成无线数据接收。

其中，由于在频偏校正采用RAM存储帧数据中尚未进行校正频偏的部分数据，待频偏估计完成以后读出RAM中的数据进行频偏校正，造成了电路资源和功耗的增加，无法满足低成本和低功耗的需求。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种无线通信接收机及接收方法，基于特定的帧结构保证了频偏校正的正常进行，节省了电路资源和系统功耗，实现了低成本低功耗的目标。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种无线通信接收机，包括接收模块、第一级滤波模块、混频模块、第二级滤波模块、包头检测和频偏估计模块、地址检测模块和解调模块；所述接收模块用于接收无线发送机发送来的数据帧；所述数据帧包括前导码、地址信息、包信息、数据包和校验信息；所述前导码包括第一频率线性递减chirp信号、频率线性递增chirp信号和第二频率线性递减chirp信号；所述第一频率线性递减chirp信号和所述频率线性递增chirp信号等长度设置；所述第二频率线性递减chirp信号的长度可配置；所述第一级滤波模块用于对所述数据帧进行第一级滤波；所述混频模块用于对第一级滤波后的前导码进行下变频处理；基于所述地址信息、所述包信息、所述数据包、所述校验信息和频偏估计值对所述数据包进行频偏校正和下变频处理；所述第二级滤波模块用于对下变频处理后的数据帧进行第二级滤波；所述包头检测和频偏估计模块用于对第二级滤波后的前导码进行包头检测和频偏估计，并通过配置所述第二频率线性递减chirp信号的长度使得到的所述频偏估计值与所述地址信息同步进入所述混频模块；所述地址检测模块用于对第二级滤波后的数据帧进行地址检测；所述解调模块用于对通过地址检测的数据帧进行解调。

于本发明一实施例中，所述地址信息、所述包信息、所述数据包和所述校验信息采用扩频调制传输。

于本发明一实施例中，所述数据帧采用GFSK调制。

于本发明一实施例中，所述第一频率线性递减chirp信号和所述频率线性递增chirp信号互为共轭。

于本发明一实施例中，所述包头检测和频偏估计模块通过以下步骤得到所述频偏估计值：

令所述包头检测和频偏估计模块接收到的数据与预存的第一频率线性递减chirp信号进行相关运算，当相关运算结果大于预设阈值时记录第一数据位置信息；

令所述包头检测和频偏估计模块接收到的数据与预存的第一频率线性递减chirp信号进行共轭相关运算，当共轭相关运算结果大于所述预设阈值时记录第二数据位置信息；

计算频偏估计值[(pos2-pos1-L)/2/L]xBW，其中pos2为第二数据位置信息，pos1为第一数据位置信息，L为所述第一频率线性递减chirp信号的长度，BW为数据包的带宽。

于本发明一实施例中，所述第一频率线性递减chirp信号和所述频率线性递增chirp信号的长度均为129个符号。

对应地，本发明提供一种无线通信接收方法，包括以下步骤：

基于接收模块接收无线发送机发送来的数据帧；所述数据帧包括前导码、地址信息、包信息、数据包和校验信息；所述前导码包括第一频率线性递减chirp信号、频率线性递增chirp信号和第二频率线性递减chirp信号；所述第一频率线性递减chirp信号和所述频率线性递增chirp信号等长度设置；所述第二频率线性递减chirp信号的长度可配置；

基于第一级滤波模块对所述数据帧进行第一级滤波；

基于混频模块对第一级滤波后的前导码进行下变频处理；

基于第二级滤波模块对下变频处理后的前导码进行第二级滤波；

基于包头检测和频偏估计模块对第二级滤波后的前导码进行包头检测和频偏估计，并通过配置所述第二频率线性递减chirp信号的长度使得到的频偏估计值与所述地址信息同步进入所述混频模块；

根据所述地址信息、所述包信息、所述数据包、所述校验信息和所述频偏估计值，基于所述混频模块对所述数据包进行频偏校正和下变频处理；

基于所述第二级滤波模块对所述混频模块处理后的数据帧进行第二级滤波；

基于地址检测模块对第二级滤波后的数据帧进行地址检测；

基于解调模块对通过地址检测的数据帧进行解调。

于本发明一实施例中，所述地址信息、所述包信息、所述数据包和所述校验信息采用扩频调制传输；所述数据帧采用GFSK调制。

于本发明一实施例中，所述第一频率线性递减chirp信号和所述频率线性递增chirp信号互为共轭。

于本发明一实施例中，所述包头检测和频偏估计模块通过以下步骤得到所述频偏估计值：

令所述包头检测和频偏估计模块接收到的数据与预存的第一频率线性递减chirp信号进行相关运算，当相关运算结果大于预设阈值时记录第一数据位置信息；

令所述包头检测和频偏估计模块接收到的数据与预存的第一频率线性递减chirp信号进行共轭相关运算，当共轭相关运算结果大于所述预设阈值时记录第二数据位置信息；

计算频偏估计值[(pos2-pos1-L)/2/L]xBW，其中pos2为第二数据位置信息，pos1为第一数据位置信息，L为所述第一频率线性递减chirp信号的长度，BW为数据包的带宽。

如上所述，本发明所述的无线通信接收机及接收方法，具有以下有益效果：

(1)基于特定的帧结构保证了频偏校正的正常进行，无需专门的数据存储电路，从而节省了电路资源和系统功耗，实现了低成本低功耗的目标；

(2)适用于物联网的应用场景，便于在物联网产业中机进行商业化推广。

附图说明

图1显示为现有技术中无线通信接收机的数据处理流程示意图；

图2显示为本发明的无线通信接收机于一实施例中的结构示意图；

图3显示为本发明的帧结构于一实施例中的结构示意图；

图4显示为本发明的无线通信接收方法于一实施例中的流程图。

元件标号说明

1 接收模块

2 第一级滤波模块

3 混频模块

4 第二级滤波模块

5 包头检测和频偏估计模块

6 地址检测模块

7 解调模块

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明的无线通信接收机及接收方法基于特定的帧结构和频偏估计电路保证了频偏校正的正常进行，无需专门的RAM存储数据，从而节省了电路资源和系统功耗，实现了低成本低功耗的目标。

如图2所示，于一实施例中，本发明的无线通信接收机包括接收模块1、第一级滤波模块2、混频模块3、第二级滤波模块4、包头检测和频偏估计模块5、地址检测模块6和解调模块7。

所述接收模块1用于接收无线发送机发送来的数据帧；所述数据帧包括前导码、地址信息、包信息、数据包和校验信息。

优选地，所述接收模块1采用射频接收模块。

于一实施例中，如图3所示，所述数据帧采用特定的结构，包括前导码、地址信息、包信息、数据包和校验信息。其中，所述前导码包括三段，第一段和第二段用于包头同步和频偏估计，第三段用于延时，以在不存储数据的前提下实现频偏校正。

于本发明一实施例中，所述前导码采用线性调频信号(chirp信号)。chirp信号有良好的自相关特性，可以精确定位包头位置且与扩频的前导码相比节省大量帧长度。具体地，所述前导码包括第一频率线性递减chirp信号(Down-chirp)、频率线性递增chirp信号(Up-chirp)和第二频率线性递减chirp信号(Down-chirp)；所述第一频率线性递减chirp信号和所述频率线性递增chirp信号等长度设置；所述第二频率线性递减chirp信号的长度可调，从而实现调整延时。

优选地，所述第一频率线性递减chirp信号和所述频率线性递增chirp信号互为共轭，从而节省后续的数据存储空间。

优选地，所述第一频率线性递减chirp信号和所述频率线性递增chirp信号的长度均为129个符号。

于本发明一实施例中，所述地址信息、所述包信息、所述数据包和所述校验信息采用扩频调制传输。其中，扩频因子为1至64，从而使得信号具有良好的抗干扰能力。

于本发明一实施例中，所述数据帧采用高斯频移键控(Gauss frequency ShiftKeying，GFSK)调制。GFSK是在调制之前通过一个高斯低通滤波器来限制信号的频谱宽度。也就是说，对前导码、地址信息、包信息、数据包和校验信息进行GFSK调制。

所述第一级滤波模块2与所述接收模块1相连，用于对所述数据帧进行第一级滤波。

于本发明一实施例中，设定数据带宽为1M，采样率为48M/S，中频为1MHz。接收模块1在接收数据帧并处理为数据din[23:0]，其中din[23:0]表示ADC采样处理以后的数据，包含din_i[11:0]和din_q[11:0]两路信号。将数据din[23:0]送入第一级滤波器2进行滤波和4倍降采样。

所述混频模块3与所述第一级滤波模块2和所述包头检测和频偏估计模块5相连，用于对第一级滤波后的前导码进行下变频处理；基于所述地址信息、所述包信息、所述数据包、所述校验信息和频偏估计值对所述数据包进行频偏校正和下变频处理。

具体地，将第一级滤波后的数据输入所述混频模块3中，所述混频模块3对第一级滤波后的前导码进行下变频处理，将数据从中频搬移至基带。同时，基于所述包头检测和频偏估计模块5所得到的频偏估计值，所述混频模块3对所述数据包进行频偏校正，以纠正其频率偏移，再进行下变频处理。

所述第二级滤波模块4与所述混频模块3相连，用于对下变频处理后的数据帧进行第二级滤波。

具体地，所述第二滤波模块4对下变频后的前导码进行第二级滤波，滤除高频分量，并将第二滤波后的结果输入所述包头检测和频偏估计模块5中。

同时，当所述混频模块3基于所述地址信息、所述包信息、所述数据包、所述校验信息和频偏估计值对所述数据包进行频偏校正和下变频处理后，将所述地址信息、所述包信息、所述数据包、所述校验信息输入所述第二滤波模块4进行第二级滤波，滤除高频分量，并将第二滤波后的结果输入所述地址检测模块6中。

所述包头检测和频偏估计模块5与所述第二滤波模块4和所述混频模块相连，用于对第二级滤波后的前导码进行包头检测和频偏估计，并通过配置所述第二频率线性递减chirp信号的长度使得到的所述频偏估计值与所述地址信息同步进入所述混频模块。

具体地，所述包头检测和频偏估计模块通过预设算法对所述前导码进行包头检测和频偏估计，得到频偏估计值。于本发明一实施例中，所述包头检测和频偏估计模块通过以下步骤得到所述频偏估计值：

51)令所述包头检测和频偏估计模块接收到的数据与预存的第一频率线性递减chirp信号进行相关运算，当相关运算结果大于预设阈值时记录第一数据位置信息。

具体地，所述包头检测和频偏估计模块将接收到的数据与自身ROM中存储的第一频率线性递减chirp信号进行相关计算，计算二者的相关性。若不相关，则表明当前数据帧不是所要接收的数据，可直接丢弃。若相关，则当相关运算结果大于预设值时，记录当前的数据位置pos1，即数据位置计数器的值。

52)令所述包头检测和频偏估计模块接收到的数据与预存的第一频率线性递减chirp信号进行共轭相关运算，当共轭相关运算结果大于所述预设阈值时记录第二数据位置信息。

具体地，由于所述第一频率线性递减chirp信号和所述频率线性递增chirp信号互为共轭，故所述包头检测和频偏估计模块直接将接收到的数据与自身ROM中存储的第一频率线性递减chirp信号进行共轭相关计算，计算二者的共轭相关性。若不相关，则表明当前数据帧不是所要接收的数据，可直接丢弃。若相关，则当共轭相关运算结果大于预设值时，记录当前的数据位置pos2，即数据位置计数器的值。其中，需要说明的是，若所述第一频率线性递减chirp信号和所述频率线性递增chirp信号不互为共轭，则需同时在ROM中存储第一频率线性递减chirp信号和所述频率线性递增chirp信号，会增加系统存储压力。

53)计算频偏估计值[(pos2-pos1-L)/2/L]xBW，其中pos2为第二数据位置信息，pos1为第一数据位置信息，L为所述第一频率线性递减chirp信号的长度,BW为数据包的带宽。

具体地，在不存在频偏的时候，pos2和pos1的差值为所述第一频率线性递减chirp信号的长度。优选地，差值为129。当存在正频偏时，差值小于所述长度；当存在负频偏时，差值大于所述长度。其中，所述频偏估计值为[(pos2-pos1-L)/2/L]xBW。

需要说明的是，在计算出频偏估计值的同时，所述频偏估计值与所述地址信息的起始位同步进入所述混频模块，从而使得所述混频模块能够基于所述地址信息、所述包信息、所述数据包、所述校验信息和频偏估计值对所述数据包进行频偏校正，而无需预先在RAM中存储数据，节省了系统资源和功耗。其中，如何实现所述频偏估计值与所述地址信息的起始位同步进入所述混频模块，则是由长度可调的第二频率线性递减chirp信号决定的。所述第二频率线性递减chirp信号长度可调，实现调整延时的功能，以保证所述频偏估计值与所述地址信息的起始位同步进入所述混频模块。

所述地址检测模块6与所述第二级滤波模块4相连，用于对第二级滤波后的数据帧进行地址检测。

具体地，通过地址检测判断当前数据帧是否是所需的数据帧；如果不是，则丢弃；如果是，则进行解调。

所述解调模块7与所述地址检测模块6相连，用于对通过地址检测的数据帧进行解调。

具体地，所述解调模块7根据预设解调算法对通过地址检测的数据帧进行解调，从而完成了无线通信的数据接收。

下面简单说明一下本发明的无线通信接收方法。如图4所示，于一实施例中，本发明的无线通信接收方法包括以下步骤：

步骤S1、基于接收模块接收无线发送机发送来的数据帧；所述数据帧包括前导码、地址信息、包信息、数据包和校验信息。

于本发明一实施例中，所述前导码包括第一频率线性递减chirp信号、频率线性递增chirp信号和第二频率线性递减chirp信号；所述第一频率线性递减chirp信号和所述频率线性递增chirp信号等长度设置；所述第二频率线性递减chirp信号的长度可调，以使得到的频偏估计值与所述地址信息同步进入所述混频模块。优选地，所述第一频率线性递减chirp信号和所述频率线性递增chirp信号互为共轭。

步骤S2、基于第一级滤波模块对所述数据帧进行第一级滤波。

步骤S3、基于混频模块对第一级滤波后的前导码进行下变频处理。

步骤S4、基于第二级滤波模块对下变频处理后的前导码进行第二级滤波。

步骤S5、基于包头检测和频偏估计模块对第二级滤波后的前导码进行包头检测和频偏估计，并通过配置所述第二频率线性递减chirp信号的长度使得到的频偏估计值与所述地址信息同步进入所述混频模块。

于本发明一实施例中，所述包头检测和频偏估计模块通过以下步骤得到所述频偏估计值：

51)令所述包头检测和频偏估计模块接收到的数据与预存的第一频率线性递减chirp信号进行相关运算，当相关运算结果大于预设阈值时记录第一数据位置信息；

52)令所述包头检测和频偏估计模块接收到的数据与预存的第一频率线性递减chirp信号进行共轭相关运算，当共轭相关运算结果大于所述预设阈值时记录第二数据位置信息；

53)计算频偏估计值[(pos2-pos1-L)/2/L]xBW，其中pos2为第二数据位置信息，pos1为第一数据位置信息，L为所述第一频率线性递减chirp信号的长度,BW为数据包的带宽。

步骤S6、根据所述地址信息、所述包信息、所述数据包、所述校验信息和所述频偏估计值，基于所述混频模块对所述数据包进行频偏校正和下变频处理。

步骤S7、基于所述第二级滤波模块对所述混频模块处理后的数据帧进行第二级滤波。

步骤S8、基于地址检测模块对第二级滤波后的数据帧进行地址检测。

步骤S9、基于解调模块对通过地址检测的数据帧进行解调。

综上所述，本发明的无线通信接收机及接收方法基于特定的帧结构保证了频偏校正的正常进行，无需专门的数据存储电路，从而节省了电路资源和系统功耗，实现了低成本低功耗的目标；适用于物联网的应用场景，便于在物联网产业中机进行商业化推广。因此，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种无线通信接收机，其特征在于：包括接收模块、第一级滤波模块、混频模块、第二级滤波模块、包头检测和频偏估计模块、地址检测模块和解调模块；

所述接收模块用于接收无线发送机发送来的数据帧；所述数据帧包括前导码、地址信息、包信息、数据包和校验信息；所述前导码包括第一频率线性递减chirp信号、频率线性递增chirp信号和第二频率线性递减chirp信号；所述第一频率线性递减chirp信号和所述频率线性递增chirp信号等长度设置；所述第二频率线性递减chirp信号的长度可配置；

所述第一级滤波模块用于对所述数据帧进行第一级滤波；

所述混频模块用于对第一级滤波后的前导码进行下变频处理；基于所述地址信息、所述包信息、所述数据包、所述校验信息和频偏估计值对所述数据帧进行频偏校正和下变频处理；

所述第二级滤波模块用于对下变频处理后的数据帧进行第二级滤波；

所述包头检测和频偏估计模块用于对第二级滤波后的前导码进行包头检测和频偏估计，并通过配置所述第二频率线性递减chirp信号的长度使得到的所述频偏估计值与所述地址信息同步进入所述混频模块；

所述地址检测模块用于对第二级滤波后的数据帧进行地址检测；

所述解调模块用于对通过地址检测的数据帧进行解调。

2.根据权利要求1所述的无线通信接收机，其特征在于：所述地址信息、所述包信息、所述数据包和所述校验信息采用扩频调制传输。

3.根据权利要求1所述的无线通信接收机，其特征在于：所述数据帧采用GFSK调制。

4.根据权利要求1所述的无线通信接收机，其特征在于：所述第一频率线性递减chirp信号和所述频率线性递增chirp信号互为共轭。

5.根据权利要求4所述的无线通信接收机，其特征在于：所述包头检测和频偏估计模块通过以下步骤得到所述频偏估计值：

令所述包头检测和频偏估计模块接收到的数据与预存的第一频率线性递减chirp信号进行相关运算，当相关运算结果大于预设阈值时记录第一数据位置信息；

令所述包头检测和频偏估计模块接收到的数据与预存的第一频率线性递减chirp信号进行共轭相关运算，当共轭相关运算结果大于所述预设阈值时记录第二数据位置信息；

计算频偏估计值[(pos2-pos1-L)/2/L]×BW，其中pos2为第二数据位置信息，pos1为第一数据位置信息，L为所述第一频率线性递减chirp信号的长度，BW为数据包的带宽。

6.根据权利要求1所述的无线通信接收机，其特征在于：所述第一频率线性递减chirp信号和所述频率线性递增chirp信号的长度均为129个符号。

7.一种无线通信接收方法，其特征在于：包括以下步骤：

基于接收模块接收无线发送机发送来的数据帧；所述数据帧包括前导码、地址信息、包信息、数据包和校验信息；所述前导码包括第一频率线性递减chirp信号、频率线性递增chirp信号和第二频率线性递减chirp信号；所述第一频率线性递减chirp信号和所述频率线性递增chirp信号等长度设置；所述第二频率线性递减chirp信号的长度可配置；

基于第一级滤波模块对所述数据帧进行第一级滤波；

基于混频模块对第一级滤波后的前导码进行下变频处理；

基于第二级滤波模块对下变频处理后的前导码进行第二级滤波；

基于包头检测和频偏估计模块对第二级滤波后的前导码进行包头检测和频偏估计，并通过配置所述第二频率线性递减chirp信号的长度使得到的频偏估计值与所述地址信息同步进入所述混频模块；

根据所述地址信息、所述包信息、所述数据包、所述校验信息和所述频偏估计值，基于所述混频模块对所述数据帧进行频偏校正和下变频处理；

基于所述第二级滤波模块对所述混频模块处理后的数据帧进行第二级滤波；

基于地址检测模块对第二级滤波后的数据帧进行地址检测；

基于解调模块对通过地址检测的数据帧进行解调。

8.根据权利要求7所述的无线通信接收方法，其特征在于：所述地址信息、所述包信息、所述数据包和所述校验信息采用扩频调制传输；所述数据帧采用GFSK调制。

9.根据权利要求7所述的无线通信接收方法，其特征在于：所述第一频率线性递减chirp信号和所述频率线性递增chirp信号互为共轭。

10.根据权利要求9所述的无线通信接收方法，其特征在于：所述包头检测和频偏估计模块通过以下步骤得到所述频偏估计值：

令所述包头检测和频偏估计模块接收到的数据与预存的第一频率线性递减chirp信号进行相关运算，当相关运算结果大于预设阈值时记录第一数据位置信息；

令所述包头检测和频偏估计模块接收到的数据与预存的第一频率线性递减chirp信号进行共轭相关运算，当共轭相关运算结果大于所述预设阈值时记录第二数据位置信息；

计算频偏估计值[(pos2-pos1-L)/2/L]×BW，其中pos2为第二数据位置信息，pos1为第一数据位置信息，L为所述第一频率线性递减chirp信号的长度，BW为数据包的带宽。

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