CN116545456A - 一种调幅数字基带信号识别方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于集成电路设计技术领域，也涉及数字信号处理领域，具体为一种调幅基带信号处理及识别方法及其装置，用于解决调幅传输的数字信号识别的问题。处理过程包括：正交信号均衡、正交信号合并、归一化相关检测、信号峰值搜索、信号强度筛选、信号判决。本方法及装置可对无线电设备中经过射频模拟电路解调后，通过模拟‑数字转换后的基带信号进行处理，最终识别出调幅信号的数字编码内容。主要应用于调幅无线电设备以及近场通信领域，负责数字信号的解码。通过此种方法及装置，可以高效、准确地识别出编码内容；具有较强的抗干扰能力、抗信号变形失真能力；对于微小信号具有灵敏的识别能力，对于低速信号具有一定的信噪比增益。
Description
技术领域
本发明属于集成电路设计技术领域、也涉及数字信号处理领域，具体为一种调幅数字基带信号识别方法及装置，尤其涉及一种数字信号检测方法、数字信号处理方法。
背景技术
在调幅无线电(AM)、近场通信(NFC)领域，接收机的设计是整个系统的关键一环。对于非100％幅度调制的开关键控(OOK)信号，相干解调的性能优于包络检波等其他方法。典型的相干解调架构中，模拟射频前端电路负责将天线信号经过混频、放大、滤波、模拟-数字转换后，送给数字电路I-Q两路正交的多比特采样深度的较高采样率的基带信号；数字电路根据这两路信号来还原出原始基带信号，并根据通信协议进一步解码出通信内容。
北京工业大学申请的专利“一种非接触式智能卡解调系统中自适应阈值调节方法”(申请号：CN201310586002.9，公开号：CN103606001A)以及湖南迈克森伟电子科技有限公司申请的专利“一种OOK解调电路”(申请号：CN202110980205.0，公开号：CN113691475A)分别公开了一种射频通信信号识别的方法。上述两种方法都使用阈值比较的方法进行硬判决，该方法存在的不足之处是对模拟电路的转换精度要求较高，也容易受到直流偏置、通信噪声、接收天线阻抗失配的影响，性能有限且稳定性和适应性不佳。
深圳市汇顶科技有限公司申请的专利“用于射频收发器中峰值自适应采样解调的系统和方法”(申请号：CN201980001676.3，公开号：CN110521127B)公开了一种基于载波瞬时峰值的解调识别方法。该方法存在的不足之处是，输入信号需要多相位模拟信号的处理，对模拟设计要求较高，且容易受到集成电路制造工艺的影响。
目前采用基于相关探测的判决技术解决射频调幅基带信号解调的方案较少，且缺乏完整的系统方案。
发明内容
本发明提供一种调幅数字基带信号识别方法及装置，以解决接收机系统中调幅传输的数字信号识别的问题。本发明所采用的技术整体方案是，首先对输入的I-Q两路数字信号进行正交均衡，然后合并为一路数字信号，一方面计算合并后的信号的强度，一方面将合并后的信号与待识别波形进行相关计算获得相关系数，最后综合信号强度、相关系数的峰值位置以及相关系数的数值，判决出是否识别到接收信号为目标符号，以及接收到目标符号的时刻。
本发明提供的方法及装置，其内部结构包括：一个正交均衡器(101)，一个正交合并器(102)，一个相关检测器(104)，一个信号强度筛选器(103)，一个峰值搜索器(105)，一个信号判决器(106)。
正交均衡器(101)的作用是矫正I-Q两路信号的正交性。当无线电接收机的模拟射频电路对天线信号进行检波解调时，I-Q两路采样时刻相对于载波常常不是准确的90度，若不进行均衡将降低输出结果的正确性。正交均衡器(101)采用一阶线性矫正，设两路信号的输入值为I、Q，设均衡参数为a,b,c,d,则均衡后的输出为I2＝I×a+Q×b；Q2＝I×c+Q×d；其中均衡参数a,b,c,d可通过寄存器配置。
正交合并器(102)的作用是将两路正交信号合并成一路，方便后续统一进行处理。其内部包括并列实施的多个合并器以及一个选择器，在使用时可根据应用环境选择一种合并器的合并结果输出；所实施的合并器的数量及组合不限。为了适应普遍的应用场景，这里以正交合并器(102)包含三个合并器和一个选择器为例，可根据需要进行切换，分别为：
二选一合并器(201)，周期性地选择I路或Q路信号直接输出，选择原则是在一段时间内分别计算I、Q两路输入信号的交流能量，选择交流能量较大的一路输出。
线性合并器(202)，输出幅值为I、Q两路输入分别乘以系数m,n，相加后再除以两个系数的和，即输出F＝(I2×m+Q2×n)/(m+n)；其中两个系数m,n周期性地动态更新。更新方法是，新系数等于输入信号的交流能量与输入信号的噪声之比。
平方根合并器(203)，输出幅值为I、Q两路输入分别乘以系数m,n，再分别平方后相加再取平方根，然后除以两个系数之和，即输出F＝(I2 2×m2+Q2 2×n2)1/2/(m+n)；m,n周期性地动态更新。更新方法是，新系数等于输入信号的交流能量与输入信号的噪声之比。
二选一合并器(201)最简单，实现起来的面积和功耗最小；线性合并器(202)具有抑制单路毛刺的能力，可以结合两路信号得到更可靠的结果；平方根合并器(203)面积及功耗较大，可以适应正交解调中两路相位分别位于载波±45度的特殊相位，此时I-Q两路信号的幅值大小相等方向相反，线性合并器(202)将失效。
在相关检测器(104)中，通过相关运算，可以实时得到当前输入信号R1～Rn与模板波形M1～Mn的相关系数，表明输入波形与模板模型的相似度。相关检测器(104)采用归一化的相关计算，不受输入信号幅值大小的影响，而只探测输入波形的形状是否与模板相似，因此可以检测非常微小的信号，探测灵敏度很高。相关系数C＝Σ(Ri×Mi)/((Σ(Ri-ΣRi/n)2)1/2×(ΣMi 2)1/2)；其中运算规模与n有关，相关检测器的n值可以根据模板长度、输入信号速率进行选择，以平衡功耗与性能。n值越大，诠释一个通信符号的信息越多，抗干扰能力越强。理论上符号长度n每增大一倍，可以额外获得1.5dB的处理增益，因此对于高采样率的低速信号，处理过程具有信噪比增益。
峰值搜索器(105)通过保存最近数次的相关系数值，搜索出局部极大值，并输出指示信号。对于连续输入的信号，相关系数的局部极大值通常代表发送对应符号的最准确的时刻，因此峰值搜索器(105)可以提高通信符号接收的相位准确度，便于后续通信协议处理模块的进一步处理。
信号强度筛选器(103)会记录一段时间内的输入信号的交流幅值之和。通过与预设阈值进行比较，信号强度筛选器(103)可避免在没有信号时，偶然将微小幅度的噪声及干扰识别成有效信号。
信号判决器(106)会在峰值搜索器(105)搜索到相关系数峰值，且强度筛选器(103)确认信号强度超过阈值，且相关检测器(104)计算的相关系数超过阈值时，给出识别标志，表明识别出模板波形。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
第一，由于本发明采用正交信号输入，相比于单端输入，不受前端模拟电路混频相位的影响，总可以获得足够的信号幅值。由于相关检测的电路规模大、成本高，本发明采用两路合并后再进行一次相关检测，可显著降低电路成本。
第二，由于本发明采用相关检测进行调幅信号的识别，相比于单纯将信号幅值与阈值做比较的传统方法，本发明具有更好的识别准确性与适应性。特别的，本发明使用的相关检测是归一化的，即重点比较输入信号的形状与目标波形的形状的相似度，可不受输入波形幅值大小、直流偏置的影响，因此对微小信号的识别灵敏度与大信号相近。
第三，由于本发明的最终判决条件是多维度的，即需要信号形状相似、信号强度达到预设值、信号波形相似度达峰值，相比于单纯计算相关数值即做判决的方法，可以有效过滤掉噪声和干扰并在恰当的时机给出判决，为后续的协议处理提供了较好的信源。
附图说明
图1为本装置的结构图及本方法的流程图。
图2为本装置中的正交合并器(102)的结构图。
图3为本装置及方法的输入/输出仿真结果图，纵向为幅值，横向为时间。
具体实施方式
图1为本发明提供的方法及装置，其内部结构包括以下模块：一个正交均衡器(101)，一个正交合并器(102)，一个相关检测器(104)，一个信号强度筛选器(103)，一个峰值搜索器(105)，一个信号判决器(106)。输入的两路正交信号首先进入正交均衡器(101)进行均衡后，送入正交合并器(102)合并成一路信号，合并的信号分别送给相关检测器(104)和信号强度筛选器(103)，相关检测器(104)计算出相关系数，信号强度筛选器(103)计算出信号的幅值强度；所计算的相关系数送入峰值搜索器(105)，计算出相关系数的峰值时刻并给出标志信号；信号判决器(106)结合相关系数、幅值强度、峰值标志判断是否识别为目标符号。
对于正交合并器(102)，如图2所示提供了一个采用3种合并方式的实施例，分别是二选一方式、线性方式、平方根方式。但在具体实施中可以不限于这3种方式，也可以只实现其中的1种或2种方式。
正交均衡器(101)的实施方法是，设两路信号的输入值为I、Q，设均衡参数为a,b,c,d,则均衡后的输出为I2＝I×a+Q×b；Q2＝I×c+Q×d；其中均衡参数a,b,c,d可通过寄存器配置。
正交合并器(102)中的二选一合并器(201)是周期性的切换到I-Q两路输入中，交流幅值较大的一路信号。交流幅值的一种计算方法是输入数值减去直流偏置的和，即交流幅值为W＝(∑(Xi-XM)2)1/2。例如I路输入序列为X1～X4，其平均值XM＝(X1+X2+X3+X4)/4，交流幅值为W＝((X1-XM)2+(X2-XM)2+(X3-XM)2+(X4-XM)2)1/2.
正交合并器(102)中的线性合并器(202)是周期性地计算I-Q两路输入中的交流幅值与噪声的比例(例如m、n)，即输出F＝(I2×m+Q2×n)/(m+n)。其中交流幅值的计算方法可与二选一合并器(201)相同；噪声的一种计算方法为奇偶输入数值的和之差,例如I路输入序列为X1～X4，则噪声N＝X2+X4-X1-X3。
正交合并器(102)中的平方根合并器(203)是周期性地计算I-Q两路输入中的交流幅值与噪声的比例(例如m、n)，即输出F＝(I2 2×m2+Q2 2×n2)1/2/(m+n)。其中噪声及交流幅值的计算同线性合并器(202)计算方法相同，电路可以复用。
强度筛选器(103)的实施方法是，计算一段时间内的信号的均方差,即P＝∑(Ai-AM)2。例如每4个周期进行一次计算，在A1～A4这4个信号的平均值为AM，则信号幅值强度P＝(A1-AM)2+(A2-AM)2+(A3-AM)2+(A4-AM)2。
相关检测器(104)的实施方法是,计算相关系数C＝Σ(Ri×Mi)/((Σ(Ri-ΣRi/n)2)1/2×(ΣMi 2)1/2)，其中R为输入波形的滑动历史值，M为模板波形，R与M具有相同数量长度。特别的，如果模板波形是一个方波的上升边沿，则M1～Mn/2为-1，Mn/2+1～Mn/2为1，上述公式可简化为相关系数C＝(Σn n/2+1Ri-Σ1 n/2Ri)/((Σ(Ri-ΣRi/n)2)1/2×(n)1/2)；由此可消除大量乘法运算，可降低数字电路的成本和功耗。特别的，如果模板波形是一个方波的下降边沿，则M1～Mn/2为1，Mn/2+1～Mn/2为-1，上公式可简化为相关系数C＝(Σ1 n/2Ri-Σn n/2+1Ri)/((Σ(Ri-ΣRi/n)2)1/2×(n)1/2)。
例如，使用一个模板长度为4的相关检测器(104)检测一个标准方波上升沿的计算方法为：设输入信号为R1～R4,模板波形是上升沿，即M1～M4为{-1，-1，1，1}，则输入值的平均值RM＝(R1+R2+R3+R4)/4,相关系数C＝(R3+R4-R1-R2)/((R1-RM)2+(R2-RM)2+(R3-RM)2+(R4-RM)2)1/2/2。
相关检测器(104)的实施可包含多组模板波形，同时比较。优选的两个通用模板是方波上升沿和方波下降沿，通过这两个模板，可以有效将信号还原成单比特的电平值，实现接收波形的整形。
峰值搜索器(105)的实施方法是,对于滑动记录的输入值，如S1，S2，S3，当满足S2≥S1且S2≥S3，则判定搜索到最大值；当满足S2≤S1且S2≤S3，则判定搜索到最小值。应当说明，峰值的搜索长度包括但不限于3个历史值的比较，也可以是更多得历史值的比较。
信号判决器(106)的实施方法是,峰值搜索器(105)搜索到相关系数峰值，且强度筛选器(103)计算的信号强度超过阈值，且相关检测器(104)计算的相关系数超过阈值时，给出识别标志，表明识别出模板波形。上述阈值可以分别通过寄存器进行设置。
为进一步说明，此处给出一个对与曼彻斯特编码的信号进行解码的整体实施例，其中正交合并器(102)实施了上述三种方法，相关检测器(104)中的模板长度与历史记录长度均为64点，模板波形为32个0和32个1(即0000000000000000000000000000000011111111111111111111111111111111)。使用此实施例对NFC协议中的TYF协议在424K速率下的输入进行解码仿真，结果如图3。可以从图3中看出，解码正确，波形规整稳定，对输入毛刺不敏感。
上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (7)
1.一种信号处理和识别装置，其特征在于，包括：
一个正交均衡器(101)，用于补偿I路和Q路两路输入信号的正交失衡，产生两路正交信号；
一个正交合并器(102)，用于将所述正交均衡器(101)均衡后的两路正交信号合并成一路数字信号；
一个信号强度筛选器(103)，用于计算所述正交合并器(102)生成的一路数字信号的摆幅强度；
一个相关检测器(104)，用于计算所述正交合并器(102)生成的一路数字信号与目标模板的相关系数；
一个峰值搜索器(105)，用于检测相关检测器(104)所输出的相关系数的局部极大值或极小值；
一个信号判决器(106)，用于综合信号强度筛选器(103)、相关检测器(104)、峰值搜索器(105)的结果，给出当前信号的电平判决或符号分类。
2.根据权利要求1所述的一种信号处理和识别装置，其特征在于，所述正交均衡器(101)采用线性比例交叉合并，I路输入信号均衡后的幅值I2为I、Q两路的幅值分别乘以系数a,b，I2＝I×a+Q×b；Q路输入信号均衡后的幅值Q2为I、Q两路的幅值分别乘以系数c,d,Q2＝I×c+Q×d。
3.根据权利要求1所述的一种信号处理和识别装置，其特征在于，所述正交合并器(102)负责将I、Q两路正交信号合并成一路信号，其内部包括并列实施的N个合并器以及一个选择器，在使用时可根据应用环境选择一种合并器的合并结果输出；所实施的合并器的数量及组合不限，可包含但不限于如下三种：
二选一合并器，其特征在于周期性地选择I路或Q路信号直接输出，选择依据是在一段时间内分别计算I、Q两路输入信号的交流能量，选择交流能量较大的一路输出；
线性合并器，其特征在于输出幅值为I、Q两路输入分别乘以系数m,n，相加后再除以两个系数的和，即输出F＝(I2×m+Q2×n)/(m+n)；其中两个系数周期性地更新，更新方法是，新系数等于输入信号的交流能量与输入信号的差分噪声之比；
平方根合并器，其特征在于输出幅值为I、Q两路输入分别乘以系数m,n，分别平方后相加再取平方根，然后除以两个系数的和，即输出F＝(I2 2×m2+Q2 2×n2)1/2/(m+n)；其中两个系数周期性地更新，更新方法是，新系数等于输入信号的交流能量与输入信号的差分噪声之比。
4.根据权利要求1所述的一种信号处理和识别装置，其特征在于，所述信号强度筛选器(103)实时滑动记录一段时间内的输入信号的交流幅值，并实时求和计算出信号的摆幅强度。
5.根据权利要求1所述的一种信号处理和识别装置，其特征在于，所述相关检测器(104)实时滑动记录长度为n的输入信号数据R1～Rn，与目标模板序列M1～Mn进行卷积运算获得相关值；计算模板的自相关值与信号的自相关值的积的平方根，两者相除之后即可得到信号的相关系数C，C＝Σ(Ri×Mi)/((Σ(Ri-ΣRi/n)2)1/2×(ΣMi 2)1/2)；上述目标模板序列可以是多个，可以同时分别计算各自的相关系数。
6.根据权利要求1所述的一种信号处理和识别装置，其特征在于，所述峰值搜索器(105)通过保存最近数次的相关系数值，搜索出局部极大值或极小值。
7.根据权利要求1所述的一种信号处理和识别装置，其特征在于，当所述峰值搜索器(105)搜索到相关系数峰值，且所述强度筛选器(103)计算的信号强度超过阈值，且所述相关检测器(104)计算的相关系数超过阈值时，所述信号判决器(106)给出识别标志，表明识别出模板波形。
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