专利名称：Fsk解调器中一种码片定时恢复联合载波频偏消除的方法
技术领域：
本发明涉及一种FSK解调器中码片定时恢复和载波频偏消除的方法，属于无线通信技术领域。
背景技术：
ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术。ZigBee 的基础是 IEEE 802.15.4,这是 IEEE无线个人局域网(Personal Area Network,PAN)工作组的一项标准，被称作IEEE 802.15.4 (ZigBee)技术标准。ZigBee联盟在制定ZigBee标准时，采用了 IEEE802.15.4作为其物理层和媒体接入层规范。在其基础之上，ZigBee联盟制定了数据链路层(DLL)、网络层(NWK)和应用编程接口(API)规范，并负责高层应用、测试和市场推广等方面的工作。ZigBee技术主要嵌入在消费性电子设备、家庭和建筑物自动化设备、工业控制装置、电脑外设、医用传感器、玩具和游戏机等设备中，支持小范围的基于无线通信的控制和自动化等领域中的应用，同时还支持地理定位功能。ZigBee具有很广阔的应用前景。现有技术中对802.15.42450MHz PHY中规定的half-sine OQPSK信号的码片定时恢复和频偏消除是通过以下的方法实现的:首先使用一个较高采样率的模数转换器(ADC)对射频接收模块的低中频或者零中频输出信号进行采样，该采样率通常需要等于N倍的OQPSK信号码片速率，其中N为大于等于4的整数。将采样数据流分成N个不同相位的低速数据流，每个数据流的速率等于I倍OQPSK信号码片速率。在前导符号(preamble)的码片序列到来期间分别使用N个并行相关器(每个相关器长度为32个码片 )同时用N个低速数据流分别于本地存储的前导符号进行相关运算，然后比较N个相关器输出结果的峰值，动态选择其中相关度最高的那个采样相位低速数据流送入频偏消除模块。在前导符号的码片序列结束后，停止该比较过程，之后都固定使用最后一次确定的采样相位对应的低速采样数据流。频偏消除模块在前导符号码片序列器件，将上一级送入的数据流分别乘以M+1个不同频率的复正弦信号，产生M+1个不同频偏的数据流，其中，这M+1个复正弦信号的频率通常为{-MAf，-(M-1) Af，…，-Af，0，Af,...(M-1) Af, MAfj0 然后使用 M+1 个低速数据流分别于本地存储的码片序列进行相关运算，这个过程又需要使用M+1个长度为32个码片的相关器进行运算。在M+1个相关结果中选择峰值最大的数据路径作为最终使用的数据路径。在前导符号的码片序列结束后，停止该比较过程，之后都固定使用最后一次确定的采样相位对应的低速采样数据流。现有的码片定时方法通过使用远大于奈奎斯特速率的过采样，并使用多个并行相关器来得到一个最接近正确的采样相位起始值，且该采样相位在前导符号的码片序列结束后无法自动跟踪正确的采样相位，这样不仅增加了设备的复杂度(需要更高速率的ADC和更多的相关器)，而且会导致设备的采样时钟精度要求非常高，大大增加了设备的成本。如果使用普通晶振，则会产生过高的传输错误率，使得设备性能很难达到标准的要求(当信噪比 SNR 为 5-6dB 时 PER < I % )。现有的频偏消除方法同样在增加了设备的复杂度的同时对设备使用的采样时钟精度要求非常高，而且在前导符号的码片序列结束后无法自使用跟踪正确的频偏。这对设备的性能和稳定性都有较大的负作用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:提供一种用于FSK解调器的捕获和跟踪片定时的定时误差检测器，该定时误差检测器使得使用最低2倍码片速率的采样时钟成为可能，而且不受信号载波频偏对码片定时恢复的影响。提供一种用于FSK相位差分解调器的非常简单的载波频偏消除方法。该方法可以无需搬移信号中心频率而达到消除频偏对性能的影响。为解决上述技术问题，本发明提供一种解调器中码片定时恢复和载波频偏消除的方法，一种解调器中码片定时恢复和载波频偏消除的方法，其特征是，包含一用于FSK物理层解调器的捕获和跟踪片定时的定时误差检测器，该定时误差检测器使用最低2倍码片速率的采样时钟进行采样。所述定时误差检测器采用2倍码片速率以上的任意采样率对接收到的中频或者基带信号进行采样，通过控制内插滤波器的内插相位得到均匀采样间隔为Tc/2的采样序列，{r(n)，
r (n+1/2)，r (η+1)，r (n+1+1/2)......}，该序列中第奇数个采样点对应为码片中心采样时刻
样值，且该序列中第偶数个采样点对应为相邻码片中间点采样时刻样值；定时误差检测器计算相邻两个1/2码片间隔内信号转过的相位改变量的差值作为采样定时误差信号Te(n)，Ph_dif I (η) = imag (r (n) *conj (r (η-1/2))) (I)Ph_dif2 (η) = imag (r (n_l/2) *conj (r (n_l))) (2)Te (n) = abs (Ph_dif I (n)) -abs (Ph_dif2 (n)) (3)其中，Ph_difl(n)和Ph_dif2(n)为两个1/2码片间隔内信号转过的相位差，r(n)为内插滤波器输出的第η个码片估计值，Te (η)为一个码片中前一半的相位改变量和后一半时间的相位改变量。将采样定时误差信号Te (η)送入环路滤波器推动整个定时环路，内插滤波器根据前一级产生的定时偏差估计在适当的位置产生重建的采样数据并作为所述定时误差检测器的输入反馈回定时误差检测器，形成码片定时误差闭环反馈控制。数据含有载波频偏时，估计并消除频偏的步骤为:将Ph_dif I (η)和Ph_dif2 (η)相加得到一个码片相位的改变量作为差分译码的软信息输入ph_dif (η)，Ph_dif (η) = Ph_dif I (η) +Ph_dif2 (η)；设频偏为Λ f， 相邻码片间的相位变化量为/2+ Δ f*Tc和-π /2+ Δ f*Tc，式中，Tc为码片周期；
设两种相位变化发生的概率相同，从Ph_dif(n)中提取直流分量估计频偏Δ f*Tc,然后从Ph_dif (η)中减去Δ f*Tc消除频偏的影响，Ph_dif，(n) = Ph_dif (n) -E (Ph_dif (η))其中，E(Ph_dif(n))= Af*Tc。本发明所达到的有益效果:本发明使用反馈环路控制捕获和跟踪码片定时恢复，其反馈环路控制的核心部分为码片定时定时误差检测器，本发明提出了一种定时误差检测器的实现方法，该方法使用同一码片中前一半时间和后一半时间信号相位的改变量来控制环路的调整，该定时误差检测器的性能不受信号中的载波频偏影响，对噪声不敏感，而且使用该定时误差检测器的码片定时恢复对采样时钟的频率和精度要求很低，仅为大于等于2倍的码片速率的任意速率，可使用普通低成本晶振作为时钟源。本发明所使用的码片定时恢复方法有着较低的实现复杂度和计算复杂度。本发明使用的载波频偏消除方法是一种基于相位差分解调的非常简单的方法，有着较低的实现复杂度和计算复杂度。本发明 无需搬移信号中心频率而达到消除频偏对性能的影响，使得相位差分解调器能在一定的频偏下的性能和没有频偏时的性能保持一致。
图1是用于FSK解调器的原理框图；图2是图1中的码片定时恢复和载波频偏消除模块的模块框图；图3是图2中定时误差检测器内部结构示意图；图4是图2中的载波频偏消除模块的内部结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。本发明使用一个“定时误差检测器+反馈控制环路+内插器滤波器”结构的电路来捕获和跟踪最接近理想的码片采样相位，同时捕获和跟踪频偏，通过使用一个新的定时误差检测器，使频偏的影响在不移动频谱的前提和使用差分相位解调方法的条件下达到最小化。以802.15.42450MHz PHY标准中规定的half-sine OQPSK信号为例，本发明提出的解调器的顶层模块框图如图1所示，分别包括了射频模拟前端的数字解调器。其中“码片定时恢复和载波频偏消除”模块中包含了本发明的定时误差检测器和载波频偏消除模块，该模块框图如图2所示，本发明的主要构思是利用信号本身定义的特性，即half-sine OQPSK信号前后两个码片的相位差只有η /2和-π /2两种可能，如果采用2倍码片速率以上的任意采样率对接收到的中频或者基带信号进行采样，可以通过控制内插滤波器的内插相位得
到均勻采样间隔为Tc/2的采样序列，{r (n), r (n+1/2), r (n+1), r (n+1+1/2)......}，该序列
中第奇数个采样点对应为码片中心采样时刻样值，且该序列中第偶数个采样点对应为相邻码片中间点采样时刻样值。定时误差检测器据此可以计算相邻两个1/2码片间隔内信号转过的相位改变量的差值作为采样定时误差信号Te (η)，Ph_dif I (η) = imag (r (n) *conj (r (η-1/2))) (I)
Ph_dif2 (η) = imag (r (n_l/2) *conj (r (n_l))) (2)Te (n) = abs (Ph_dif I (n)) -abs (Ph_dif2 (n)) (3)其中Ph_difl (n)和Ph_dif2(n)为两个1/2码片间隔内信号转过的相位差，r(n)为内插滤波器输出的第η个码片估计值。Te(n) —个码片中前一半的相位改变量和后一半时间的相位改变量。将该差值送入环路滤波器推动整个定时环路，内插滤波器根据前一级产生的定时偏差估计来在适当的位置产生重建的采样数据并作为定时误差检测器的输入反馈回定时误差检测器，形成码片定时误差闭环反馈控制。将Ph_dif I (η)和Ph_dif2 (η)相加得到一个码片相位的改变量作为差分译码的软信息输入Ph_dif(n)Ph_dif (η) = Ph_dif I (n) +Ph_dif2 (η) ； (4)当ADC之后的数据含有载波频偏时，虽然解调使用相位差分解调的方式可以容忍频偏的存在，但是频偏依然会对解调器性能造成一定影响，为了使解调器在一定频偏范围内性能一致必须有效的 估计并消除频偏的影响。根据信号定义如果频偏为Af，相邻码片间的相位变化量变成η /2+ Δ f*Tc和-Ji /2+ Δ f*Tc，假设两种相位变化发生的概率是相同的(实际中也是如此)，就可以从Ph_dif(n)中提取直流分量来估计频偏Af*Tc，然后从Ph_dif(n)中减去Af*Tc以消除频偏的影响。Ph_dif，(n) = Ph_dif (n) -E (Ph_dif (η)) ； (5)其中E(Ph_dif(n)) = Λ f*Tc，上式中，Tc为码片周期。频偏消除既可以使用前馈结构，亦可以使用反馈环路控制结构。本实施例中使用的反馈式结构，图3、图4分别描述了图2中的定时误差检测器内部结构和载波频偏消除模块的内部结构。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种FSK解调器中码片定时恢复和载波频偏消除的方法，其特征是，包含一用于FSK解调器码片定时恢复的定时误差检测器，该定时误差检测器基于最低2倍码片速率的任意速率采样时钟进行码片定时恢复。
2.根据权利要求1所述的解调器中码片定时恢复和载波频偏消除的方法，其特征是，所述定时误差检测器采用2倍码片速率以上的任意采样率对接收到的中频或者基带信号进行采样， 通过控制内插滤波器的内插相位得到均匀采样间隔为Tc/2的采样序列(Tc为信号码片周期，下同)，{r(n), r(n+l/2), r(n+l), r(n+l+l/2)……}，该序列中第奇数个采样点对应为码片中心采样时刻样值，且该序列中第偶数个采样点对应为相邻码片中间点采样时刻样值； 定时误差检测器计算相邻两个1/2码片间隔内信号转过的相位改变量的差值作为采样定时误差信号Te (η)， Ph_difI(η) = imag(r(n)*conj(r(η_1/2))) (I)Ph_dif2(η) = imag(r(η-1/2)*conj(r(η_1))) (2)Te (η) = abs (Ph_difI(η))-abs(Ph_dif2(η)) (3) 其中，imag()表示取复数的虚部，con j O表示复数取共轭操作，Ph_dif I (η)和Ph_dif2(n)代表两个1/2码片间隔内信号转过的相位，r(n)为内插滤波器输出的第η个码片估计值，Te (η)为一个码片中前一半的相位改变量和后一半时间的相位改变量。
3.根据权利要求2所述的解调器中码片定时恢复和载波频偏消除的方法，其特征是，将采样定时误差信号Te (η)送入环路滤波器推动整个定时环路，内插滤波器根据前一级产生的定时偏差估计在适当的位置产生重建的采 样数据并作为所述定时误差检测器的输入反馈回定时误差检测器，形成码片定时误差闭环反馈控制。
4.根据权利要求3所述的解调器中码片定时恢复和载波频偏消除的方法，其特征是，数据含有载波频偏时，估计并消除频偏的步骤为: 将Ph_difl (η)和Ph_dif2(n)相加得到一个码片相位的改变量作为差分译码的软信息输入 ph_dif (η),Ph_dif(η) = Ph_difI(n)+Ph_dif2(η)； 设频偏为Λ f，相邻码片间的相位变化量为码片周期； 设两种相位变化发生的概率相同，从Ph_dif(n)中提取直流分量估计频偏Af*Tc，然后从Ph_dif(n)中减去Δ f*Tc消除频偏的影响，Ph_dif，(n) = Ph_dif (n) -E (Ph_dif (η)) 其中，E(Ph_dif (η)) = Af*Tc。
5.根据权利要求4所述的解调器中码片定时恢复和载波频偏消除的方法，其特征是，所述消除频偏的结构或为前馈结构，或为反馈环路控制结构。
全文摘要
本发明公开了一种FSK解调器中进行码片定时恢复并联合进行载波频偏消除的方法，包含一个用于FSK解调器的码片定时恢复的定时误差产生器，该定时误差产生器应用于最低采样速率为2倍码片速率的任意速率采样输入，定时恢复不受信号载波频偏的影响，对噪声不敏感，可使用普通低成本晶振作为时钟源，使用的码片定时恢复方法复杂度较低。本发明使用的载波频偏消除方法是一种基于相位差分解调的低复杂度方法。本发明无需通过对接收信号进行频谱搬移就能达到消除载波频偏对性能的影响，使得相位差分解调器能在一定的频偏下的性能和没有频偏时的性能保持一致。
文档编号H04L27/14GK103220246SQ20121054445
公开日2013年7月24日 申请日期2012年12月14日 优先权日2012年12月14日
发明者李革, 李宏 申请人:西安英菲泰尔电子科技有限公司