CN117240674B - 一种fsk解调码元宽度调整方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及列车通信技术领域，特别涉及一种FSK解调码元宽度调整方法及装置。对FSK解调后的码元进行采样；对每次采样的数据持续时间同时进行计时；在采样发现码元跳变时，根据当前持续时间进行分段判断是否需要扩宽以及扩宽方式，并延时后输出扩宽结果。本发明把小于1比特位宽的、形状不好的波形向理想码元形状进行整形。本发明扩宽偏窄信号，使得生成时钟时出现错误的概率降低，解决了现有技术中FSK码元信号的宽度抖动后引起信号错误的问题。

Description

一种FSK解调码元宽度调整方法及装置

技术领域

本发明涉及列车通信技术领域，特别涉及一种FSK解调码元宽度调整方法及装置。

背景技术

BTM是应答器系统的重要组成部分。当列车通过应答器时，由BTM天线向应答器供能，然后应答器将信息调制成FSK信号向列车发送，BTM将接收到的FSK信号进行解调之后译码得到信息，再传输给车载主控单元。

现有BTM内部的接收单元负责把应答器发送的FSK信号解调，获得以1023位为周期的循环比特流，由于传播过程中受到各种干扰，FSK码元信号的宽度可能会发生抖动，一部分只有一比特位宽的信号在受到干扰后，由于自身变窄，会导致其本身和前后的信号在生成时钟时会发生翻转错误、多余或丢失。

现有的技术没有对这种信号进行处理的方案。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种FSK解调码元宽度调整方法及装置，应用于BTM接收单元的FSK解调码元宽度调整。

第一方面，本发明提供了一种FSK解调码元宽度调整方法，包括：

对FSK解调后的码元进行采样；

对每次采样的数据持续时间同时进行计时；

在采样发现码元跳变时，根据当前持续时间进行分段判断是否需要扩宽以及扩宽方式，并延时后输出扩宽结果。

进一步的，对每次采样的数据持续时间同时进行计时，包括：

统计码元信号的高电平和/或低电平的持续时间。

进一步的，码元跳变，包括：

码元信号短时间从高电平转换为低电平或从低电平转换为高电平。

进一步的，延时后输出扩宽结果，包括：

延迟T(n)输出扩宽结果，T(n)为可动态调整的码元周期数。

进一步的，分段判断是否需要扩宽以及扩宽方式，包括：

判断当前电平持续时间cnt是否超过延迟时间T(n)，当超过时继续采样累积下一个电平持续时间，进入下一个电平的判断。

进一步的，分段判断是否需要扩宽以及扩宽方式，还包括：

若当前电平持续时间cnt不超过延迟时间T(n)，则依次判断当前电平持续时间cnt是否超过B(n)、B(n-1)、B(n-2)...B(0)；当超过时选择扩宽方式；

其中，B(n)为需要扩宽的最大原始电平宽度线；B(1),B(2)……B(n-1)为B(0)到B(n)的n等分点。

进一步的，选择扩宽方式，包括：

若前一比特已经扩宽，则前一比特向后扩展清除，当前比特向后扩展TM(n)-cnt，其中TM(n)为冲突延时。

进一步的，选择扩宽方式，包括：

若前一比特未扩宽，则当前比特向前扩展T(n)-cnt，向后扩展T(n)-cnt。

第二方面，本发明提供了一种FSK解调码元宽度调整装置，包括：采样单元、计时器和扩展单元；

采样单元，用于对FSK解调后的码元进行采样；

计时器，用于对每次采样的数据持续时间同时进行计时；

扩展单元，用于在采样发现码元跳变时，根据当前持续时间进行分段判断是否需要扩宽以及扩宽方式，并延时后输出扩宽结果。

第三方面，本发明提供了一种电子设备，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器、通信接口和存储器通过通信总线完成相互间的通信；

存储器，存储有计算机程序；

处理器，用于执行存储器上所存储的计算机程序，实现上述的FSK解调码元宽度调整方法。

第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的FSK解调码元宽度调整方法。

本发明至少具备以下有益效果：

本发明扩宽偏窄信号，使得生成时钟时出现错误的概率降低，解决了现有技术中FSK码元信号的宽度抖动后引起信号错误的问题。本发明把小于1比特位宽的、形状不好的波形向理想码元形状进行整形，体现的作用主要是在后续如何利用这个码元波形上。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例调整方法流程图；

图2为本发明实施例调整装置结构示意图；

图3为本发明实施例电子设备结构示意图；

图4为本发明调整方法详细原理图；

图5为本发明扩展效果示意图。

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、完整地说明，显然，所描述的实施例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。

BTM接收单元在进行应答器信号FSK解调时，使用数字滤波技术将调制信号还原成比特流，获得码元信号，由于FSK信号在传播过程中会受到干扰，导致码元周期发生抖动，有一些单比特的码元受到影响而周期变小时，很容易导致该位前后的数据出现翻转错误、多余或丢失。

为此，本发明提出了一种FSK解调码元宽度调整方法及装置，包括一种FSK解调码元宽度调整方法、一种FSK解调码元宽度调整装置、一种电子设备和一种计算机可读存储介质。

本发明对数据流中的单比特码元进行适当扩宽，以降低前后位发生错误的概率。

如图1所示，一种FSK解调码元宽度调整方法，包括：

S101，对FSK解调后的码元进行采样；

S102，对每次采样的数据持续时间同时进行计时；

S103，在采样发现码元跳变时，根据当前持续时间进行分段判断是否需要扩宽以及扩宽方式，并延时后输出扩宽结果。

具体实施时，FSK解调后的码元进行采样之后，统计输入信号的高/低电平的持续时间，当遇到码元值翻转变化时，进入多层判断；

根据多层判断的不同情况，对码元信号分段进行扩宽处理；

扩宽处理后，将输入信号延时。

举例来说，输入的是一串0/1比特流，0和1分别会持续一段时间，图中的计数器值是使用本地的固定频率时钟对0/1的持续时间进行统计的结果，当前比特的值是指当前正在统计的0/1的持续时间对应的值是0还是1，和前后相邻两个比特的值一定是相反的。比如采样序列是111100011，则中间0持续的时间是3个周期，这个“值”翻转的话意味着000这三个值都翻转为1，即111，整体输出则为1111 111 11。

采用扩宽的方法是因为对于持续时间为1比特通信周期的信号，如果偏窄而又超过0.5比特通信周期，会被判定为一个有效位，而这种判定带来的误差会对前后位的结果判定造成困难，所以根据目前的判定方法，既然这一位会被判定为1个有效位周期，将这个周期扩宽为接近1个有效位周期可以减少对前后位判断的影响。

扩宽范围最理想的可以是类似模拟信号的处理，比如理想情况下1个通信码元周期如果为160个时钟，这样如果检测到79个时钟（小于160的1/2）的信号，就将其持续时间归0，即上一条中提到的翻转其值为相邻位的比特值；检测到86个时钟的信号，就将它前后各扩展37个时钟到160；如果检测到100个时钟的信号，就将它前后各扩展30个时钟到160，但这样做对于硬件来说实现较困难。目前采用的方法是对于一定范围内的信号，比如计时cnt为80~88个时钟的信号，都固定前后各扩展到120-cnt个时钟；计时cnt为96~104个时钟的信号，都固定前后各扩展到136-cnt个时钟。本方法硬件开销小一些，而从最终实现的效果上来看差距不大。

一实施例中，对每次采样的数据持续时间同时进行计时，包括：

统计码元信号的高电平和/或低电平的持续时间。

一实施例中，码元跳变，包括：

码元信号短时间从高电平转换为低电平或从低电平转换为高电平。

一实施例中，延时后输出扩宽结果，包括：

延迟T(n)输出扩宽结果，T(n)为可动态调整的码元周期数。

具体实施时，T表示可动态调整的码元周期数，其默认值为F/564480，F为接收单元的系统采样时钟频率。T(n)是信号整体延时的时间，也是需要扩展的最大原始电平对应的扩展电平宽度，根据实际情况设置。TM(n)为冲突延时，参照T(n)根据实际情况设置，TM(n)是为了解决实际操作过程中遇到的冲突。比如在操作一个序列之后，将其前后分别进行了扩宽，而在对下一个序列进行判断的时候，发现这个序列也需要扩宽，这时如果继续按照之前的方式扩宽就会导致当前已经偏窄序列被前面序列的向后扩宽进一步压窄，导致处理变得混乱，所以为了不影响当前序列，这时的处理会和常规处理方法略有不同，即只向后面扩宽TM(x)-cnt，同时前面扩宽序列向当前序列的扩宽消除，x与当前序列的cnt范围对应。其中，T(x)为T(1),T(2)……T(n-1)，即T(0)到T(n)的n等分点，与B(1),B(2)……B(n-1)，即B(0)到B(n)的n等分点相对应，TM(x)为TM(1),TM(2)……TM(n-1)，即TM(0)到TM(n)的n等分点。

比如同样计时cnt为80~88个时钟的信号，当没有发生冲突的时候，会向前后各扩展到120-cnt个时钟，如果前面的计数序列已经扩宽过，此处就只向后扩展150-cnt个时钟，这里的TM(x)就是150，T(x)就是120，B[x]就是80。

一实施例中，分段判断是否需要扩宽以及扩宽方式，包括：

判断当前电平持续时间cnt是否超过延迟时间T(n)，当超过时继续采样累积下一个电平持续时间，进入下一个电平的判断。

一实施例中，分段判断是否需要扩宽以及扩宽方式，还包括：

若当前电平持续时间cnt不超过延迟时间T(n)，则依次判断当前电平持续时间cnt是否超过B(n)、B(n-1)、B(n-2)...B(0)；当超过时选择扩宽方式；

其中，B(n)为需要扩宽的最大原始电平宽度线；B(1),B(2)……B(n-1)为B(0)到B(n)的n等分点。B(0)=T/2，T(0)=3/4T，T(n)-B(n)=1/4T，T(n)=0.85T，所有取值有±10%的裕量。

具体实施时，判断当前电平持续时间cnt是否超过延迟时间T(n)，当超过时继续累积下一个电平持续时间，进入下一个电平的判断；

B(n)为需要扩宽的最大原始电平宽度线，将B(n)划分为若干个区间段，B(1),B(2)……B(n-1)为B(0)到B(n)的n等分点；

若当前电平持续时间cnt不超过延迟时间T(n)，则判断当前电平持续时间cnt是否超过B(n)，若超过B(n)对码元信号进行扩宽处理；

若cnt不超过B(n)，则继续判断cnt是否超过B(n-1),若超过B(n-1)对码元信号进行扩宽处理;

若cnt不超过B(n-1),则继续判断cnt是否超过B(n-2)，以此类推直至B(0)；

判断当前电平持续时间cnt是否超过B(0)，若超过B(0)则对码元信号进行扩宽处理；若不超过则当前比特翻转为两侧相邻比特值。举例来说，输入的是一串0/1比特流，0和1分别会持续一段时间，图中的计数器值是使用本地的固定频率时钟对0/1的持续时间进行统计的结果，当前比特的值是指当前正在统计的0/1的持续时间对应的值是0还是1，和前后相邻两个比特的值一定是相反的。比如采样序列是111100011，则中间0持续的时间是3个周期，这个“值”翻转的话意味着000这三个值都翻转为1，即111，整体输出则为1111 111 11。

一实施例中，选择扩宽方式，包括：

若前一比特已经扩宽，则前一比特向后扩展清除，当前比特向后扩展TM(n)-cnt，其中TM(n)为冲突延时。

具体实施时，对其中高电平部分进行扩宽，正常前后扩宽时会前后都加宽，达到T(x)行的效果，而如果前一段为低电平的码元已经进行了扩宽，则会对这部分高电平只向后扩宽，扩宽长度略有增加，同时前面一段低电平码元向后扩宽的操作取消，即TM(x)行的效果。TM(x)为TM(1),TM(2)……TM(n-1)，即TM(0)到TM(n)的n等分点。实际操作中，根据实验测算出T(n)，再根据T(n)确定TM(n)，再等分确定TM(x)。

一实施例中，选择扩宽方式，包括：

若前一比特未扩宽，则当前比特向前扩展T(n)-cnt，向后扩展T(n)-cnt。

具体实施时，在每个区间段内，分别向前、向后扩宽T(n)-cnt，向前扩宽直接把已接收到的未来信号进行翻转，向后加入标记信号来标记扩宽时间；

如果遇到前面一次的电平已经向后扩宽，而当前电平又满足扩宽条件，就改当前位为只向后扩宽TM(x)-cnt，同时将前一次向后扩宽的信号清除。

其中，T(x)为T(1),T(2)……T(n-1)，即T(0)到T(n)的n等分点，与B(1),B(2)……B(n-1)，即B(0)到B(n)的n等分点相对应，TM(x)为TM(1),TM(2)……TM(n-1)，即TM(0)到TM(n)的n等分点。

如图2所示，一种FSK解调码元宽度调整装置，包括：采样单元201、计时器202和扩展单元203；

采样单元201，用于对FSK解调后的码元进行采样；

计时器202，用于对每次采样的数据持续时间同时进行计时；

扩展单元203，用于在采样发现码元跳变时，根据当前持续时间进行分段判断是否需要扩宽以及扩宽方式，并延时后输出扩宽结果。

具体实施时，一种FSK解调码元宽度调整装置和一种FSK解调码元宽度调整方法的实现过程一一对应，在此就不赘述。

如图3所示，本发明提供了一种电子设备，包括处理器301、通信接口302、存储器303和通信总线304，其中，处理器301、通信接口302和存储器303通过通信总线304完成相互间的通信；

存储器303，存储有计算机程序；

处理器301，用于执行存储器303上所存储的计算机程序，实现上述的FSK解调码元宽度调整方法。

一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的FSK解调码元宽度调整方法。

该计算机可读存储介质可以是上述实施例中描述的设备/装置中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该设备/装置中。上述计算机可读存储介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被执行时，实现根据本公开实施例的方法。

根据本公开的实施例，计算机可读存储介质可以是非易失性的计算机可读存储介质，例如可以包括但不限于：便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦式可编程只读存储器（EPROM或闪存）、便携式紧凑磁盘只读存储器（CD-ROM）、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本公开中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。

为使本领域的技术人员能更好的理解本发明，结合附图对本发明的原理阐述如下：

BTM内部的接收单元负责把应答器发送的FSK信号解调，获得以1023位为周期的循环比特流，由于传播过程中受到各种干扰，FSK码元信号的宽度可能会发生抖动，一部分只有一比特位宽的信号在受到干扰后，由于自身变窄，会导致其本身和前后的信号在生成时钟时会发生翻转错误、多余或丢失。现有技术中尚没有对这种信号进行处理的方案。如果该一比特位受干扰变宽，其宽度就超过一比特位宽，不在本方法的讨论范围之内。

本发明第一步是对输入码元进行采样，第二步对每次采样的数据持续时间进行计时（0、1各保持多长时间），第三步在采样发现码元跳变时，根据当前持续时间进行分段判断是否需要扩宽以及扩宽方式，第四步延时T(n)输出目标结果。

如图4所示，T(n)示可动态调整的码元周期数，其默认值为F/564480，F为接收单元的系统采样时钟频率。

同时需要满足下列条件：B(0)=T/2，T(0)=3/4T，T(n)-B(n)=1/4T，T(n)=0.85T，TM(n)=1.05T，所有取值有±10%的裕量。

B(n)为需要扩宽的最大原始电平宽度线，超过B(n)而不超过T(n)的原始电平按照统一标准扩宽。B(1),B(2)……B(n-1)和T(1),T(2)……T(n-1)为B(0)到B(n)和T(0)到T(n)的n等分点。

扩展效果示意图如图5所示，为了便于理解，里面的宽度参数和文中可能不对应，只表示一下趋势，同时需要注意，为了更清晰看出效果，这个图中处理之后的信号没有进行延时，拉到了和原始信号对齐的位置，实际操作之后，处理的信号都会相对原信号有一定的延时。图5中CLK 信号为时钟信号，org为原始码元，需要对其中高电平部分进行扩宽，正常前后扩宽时会前后都加宽，达到T(x)行的效果，而如果前一段为低电平的码元已经进行了扩宽，则会对这部分高电平只向后扩宽，扩宽长度略有增加，同时前面一段低电平码元向后扩宽的操作取消，即TM(x)行的效果。

解调后输入的码元进行采样之后，使用本地时钟采样来统计当前高/低电平（即码元值为1/0）的持续时间，当遇到码元值翻转变化时（即从1变到0或从0变到1，如111111000，则在中间1到0的时候），进入多层判断，如何对当前电平进行处理。由于对传输中的信号只能处理过去已经得到的值，而实际需求要实时输出，所以需要对整个码元进行延时输出，使当前输出时已经获得足够的信息进行信号处理，延时时间为T(n)。

由于硬件的限制，码元信号的扩宽方法适合根据不同的情况，分段进行处理。在每个区间段内，分别向前、向后扩宽T(x)-cnt，向前扩宽可以直接把已接收到的未来信号进行翻转，向后可以加入标记信号来标记扩宽时间。如果遇到前面一次的电平已经向后扩宽，而当前电平又满足扩宽条件，就改当前位为只向后扩宽TM(x)-cnt，同时将前一次向后扩宽的信号清除。分段数量根据需求精度和资源情况进行权衡调整，分段数记为n。对于采样频率在100MHz左右的系统，n为4~5比较合适。n越大，消耗的资源越多，但是精度越好，n根据系统适配选择。

采用扩宽的方法是因为对于持续时间为1比特通信周期的信号，如果偏窄而又超过0.5比特通信周期，会被判定为一个有效位，而这种判定带来的误差会对前后位的结果判定造成困难，所以根据目前的判定方法，既然这一位会被判定为1个有效位周期，将这个周期扩宽为接近1个有效位周期可以减少对前后位判断的影响。

扩宽范围最理想的可以是类似模拟信号的处理，比如理想情况下1个通信码元周期如果为160个时钟，这样如果检测到79个时钟（小于160的1/2）的信号，就将其持续时间归0，即上一条中提到的翻转其值为相邻位的比特值；检测到86个时钟的信号，就将它前后各扩展37个时钟到160；如果检测到100个时钟的信号，就将它前后各扩展30个时钟到160，但这样做对于硬件来说实现较困难。目前采用的方法是对于一定范围内的信号，比如计时cnt为80~88个时钟的信号，都固定前后各扩展到120-cnt个时钟；计时cnt为96~104个时钟的信号，都固定前后各扩展到136-cnt个时钟。本方法硬件开销小一些，而从最终实现的效果上来看差距不大。

本发明对偏窄的码元信号进行扩宽的方法，方法中提到的参数适用范围为±10%。

本发明把小于1比特位宽的、形状不好的波形向理想码元形状进行整形，体现的作用主要是在后续如何利用这个码元波形上，扩宽偏窄信号，使得生成时钟时出现错误的概率降低。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种FSK解调码元宽度调整方法，其特征在于，包括：

对FSK解调后的码元进行采样；

对每次采样的数据持续时间同时进行计时；

在采样发现码元跳变时，根据当前持续时间进行分段判断是否需要扩宽以及扩宽方式，并延时后输出扩宽结果；

分段判断是否需要扩宽以及扩宽方式，包括：

判断当前电平持续时间cnt是否超过延迟时间T(n)，当超过时继续采样累积下一个电平持续时间，进入下一个电平的判断；

若当前电平持续时间cnt不超过延迟时间T(n)，则依次判断当前电平持续时间cnt是否超过B(n)、B(n-1)、B(n-2)...B(0)；当超过时选择扩宽方式；

其中，B(n)为需要扩宽的最大原始电平宽度线；B(1),B(2)……B(n-1)为B(0)到B(n)的n等分点；

选择扩宽方式，包括：

若前一比特已经扩宽，则前一比特向后扩展清除，当前比特向后扩展TM(n)-cnt，其中TM(n)为冲突延时；

若前一比特未扩宽，则当前比特向前扩展T(n)-cnt，向后扩展T(n)-cnt。

2.根据权利要求1所述的FSK解调码元宽度调整方法，其特征在于，

对每次采样的数据持续时间同时进行计时，包括：

统计码元信号的高电平和/或低电平的持续时间。

3.根据权利要求1所述的FSK解调码元宽度调整方法，其特征在于，

码元跳变，包括：

码元信号短时间从高电平转换为低电平或从低电平转换为高电平。

4.根据权利要求1所述的FSK解调码元宽度调整方法，其特征在于，

延时后输出扩宽结果，包括：

延迟T(n)输出扩宽结果，T(n)为可动态调整的码元周期数。

5.一种FSK解调码元宽度调整装置，其特征在于，包括：采样单元、计时器和扩展单元；

采样单元，用于对FSK解调后的码元进行采样；

计时器，用于对每次采样的数据持续时间同时进行计时；

扩展单元，用于在采样发现码元跳变时，根据当前持续时间进行分段判断是否需要扩宽以及扩宽方式，并延时后输出扩宽结果；

分段判断是否需要扩宽以及扩宽方式，包括：

判断当前电平持续时间cnt是否超过延迟时间T(n)，当超过时继续采样累积下一个电平持续时间，进入下一个电平的判断；

若当前电平持续时间cnt不超过延迟时间T(n)，则依次判断当前电平持续时间cnt是否超过B(n)、B(n-1)、B(n-2)...B(0)；当超过时选择扩宽方式；

其中，B(n)为需要扩宽的最大原始电平宽度线；B(1),B(2)……B(n-1)为B(0)到B(n)的n等分点；

选择扩宽方式，包括：

若前一比特已经扩宽，则前一比特向后扩展清除，当前比特向后扩展TM(n)-cnt，其中TM(n)为冲突延时；

若前一比特未扩宽，则当前比特向前扩展T(n)-cnt，向后扩展T(n)-cnt。

6.一种电子设备，其特征在于，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器、通信接口和存储器通过通信总线完成相互间的通信；

存储器，存储有计算机程序；

处理器，用于执行存储器上所存储的计算机程序，实现权利要求1-4中任一项所述的FSK解调码元宽度调整方法。

7.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-4中任一项所述的FSK解调码元宽度调整方法。