CN107404450A - 解调信号的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及无线通信技术领域，尤其涉及如何解调FSK和/或GFSK信号。本申请提供解调信号的方法及装置。本申请实施例中，频偏估计是在频域进行的，频偏补偿是对DSTFT变换后的信号进行补偿的(也即在频域实现频偏补偿)。相对于基于时域的非相干解调在时域进行频偏补偿，在频域进行的频偏补偿更具有抗干扰能力。由于本申请实施例无需在本地恢复出与信号发送端同频同相的载波，因此本申请解调方法简单，对硬件要求也不高。
Description
技术领域
本申请涉及无线通信技术领域，尤其涉及解调信号的方法及装置。
背景技术
FSK(Frequency-shift keying，频移键控)、GFSK(Gauss frequency ShiftKeying，高斯频移键控)是数字通信中常见的调制方式。由于其解调延时短、易于实现，且具有较强的抗干扰和衰落能力，因而广泛的应用在中低速数据通信领域中。
近年来，随着低速低功耗广域网络在水电计量、智能家居、市政管理、智能灌溉等各方面的广泛应用，FSK/GFSK调制获得了广泛的关注。
传统的FSK/GFSK的解调方法主要有相干解调和时域的非相干解调方法，其中：
相干解调方法是FSK/GFSK信号在高斯白噪声信道下的最优解调方案，具有最好的解调效果。但是相干解调方法需要在本地恢复出与信号发送端同频同相的载波，因此相干解调方法的设计复杂，对硬件的要求高。
时域的非相干解调方法主要有鉴频法、过零检测法、正交自延时法等。时域的非相干解调实现方式一般比相干解调简单、对硬件要求低。但时域的非相干解调在低信噪比(SNR)条件下性能比相干解调方法效果差，故此时域非相干解调方法的抗干扰性较差。
综上所述，现有的针对FSK和/或GFSK信号的解调方法，要么对硬件要求高，要么抗干扰性差。故此，需要一种比相干解调的降低硬件要求低、同时能够比时域的非相干解调抗干扰性好的信号解调方法。
发明内容
本申请实施例提供解调信号的方法及装置，用以解决现有技术中存在的要么对硬件要求高，要么抗干扰性差等的问题。
第一方面，本申请实施例提供一种解调信号的方法，应用于FSK，和/或，GFSK，所述方法包括：
在实时接收信号的过程中，实时对接收到的信号依次进行下变频、模数采样和低通滤波处理后得到零中频数字信号；
对所述零中频数字信号进行DSTFT(Discrete Short Time Fourier Transfor，离散短时傅里叶变换)，得到变换后的数字信号；
每得到一个码元长度的变换后的数字信号，计算该码元长度的数字信号的能量，作为一个码元的能量；
若连续指定数量的码元的能量超过能量阈值，则从超过能量阈值的指定码元开始确定出指定个数的码元，在频域根据该指定个数的码元进行频偏估计，并对频偏估计后接收到的信号的DSTFT变换后的数字信号进行频偏补偿；
对频偏补偿后的信号进行码元同步，并确定码元同步后接收到的码元的起始位置；
从起始位置开始，对每个码元根据该码元经过所述DSTFT变换后的信号在指定频点处的谱峰分布，以及预设的谱峰分布和解调结果的对应关系，确定该码元的解调结果。
进一步的，所述方法还包括：
根据以下方法确定所述能量阈值：
确定当前更新周期内码元的能量的最小值；
根据以下能量阈值更新公式，更新能量阈值；
Thadj(i+1)＝λ(Thadj(i)+Emin(i)*C)
其中，Thadj(i+1)表示更新后的能量阈值；Thadj(i)表示更新前的能量阈值；Emin(i)表示当前更新周期内码元的能量的最小值；λ小于1、为预设比例系数；C为预设更新系数。
进一步的，若接收到的信号为信号发送端发送的有效信号，则接收到的信号的前导码中包括用于码元同步的第一子前导码；其中，所述第一子前导码由全0码元和全1码元交替排列组成；
所述对频偏补偿后的信号进行码元同步，具体包括：
频偏补偿后，从所述第一子前导码中确定开始进行码元同步的初步起始位置；并将该初步起始位置所在的码元作为当前同步码元，并将该初步起始位置作为该当前同步码元的起始位置；
将该当前同步码元的起始位置向前、向后各移动当前同步步长，得到移动步长后的两个码元；
对移动步长后的两个码元分别进行DSTFT变换；
比较当前同步码元和其移动步长后的两个码元在对应频点处的能量大小；其中，当前同步码元的对应频点指用于表示该码元为全0码元或全1码元的频点；
在当前同步码元及其移动步长后的两个码元中，选择能量最大的码元的起始位置作为下一个码元的起点位置；
判断当前的码元同步次数是否达到指定同步次数；
若是，则结束码元同步；
若否，则按照指数递减规律更新当前同步步长；并，将下一个码元作为当前同步码元后返回执行将该当前同步码元的起始位置向前、向后各移动当前同步步长，得到移动步长后的两个码元的步骤。
进一步的，所述前导码中还包括用于频偏估计的第二子前导码，在所述前导码中第一子前导码位于第二子前导码之后；所述第二子前导码为全0码元或全1码元；
在频域根据指定个数的码元进行频偏估计，具体包括：
对该指定个数的码元进行FFT(Fast Fourier Transformation，快速傅里叶变换)；
在FFT变换结果的频谱中，检测谱峰位置对应的频点；
根据谱峰位置对应的频点和相应标准频点，确定出频偏结果；其中，若第二子前导码为全0码元，则相应标准频点为用于表示全0码元采用的频点；若第二子前导码为全1码元，则相应标准频点为用于表示全1码元采用的频点。
进一步的，对频偏补偿后的信号进行码元同步之前，所述方法还包括：
根据第一个能量大于能量阈值的码元位置、第二子前导码中的第一预设码元数量以及第一子前导码中的第二预设码元数量，确定出用于码元同步的第二子前导码。
进一步的，在当前同步码元及其移动步长后的两个码元中，选择能量最大的码元的起始位置作为下一个码元的起点位置之后，所述方法还包括：
记录该能量最大的码元的起点位置相对于初步起始位置的偏移；
确定码元同步后接收到的码元的起始位置，具体包括：
对码元同步过程中得到的多个偏移进行统计，选择出现次数最多的偏移作为最终的偏移；
根据最终的偏移，确定码元同步后接收到的码元的起始位置。
进一步的，初始同步步长为一个码元长度的二分之一；
所述按照指数递减规律更新当前同步步长，具体包括：
根据以下公式更新当前同步步长；
λn+1＝max(λn/2，1)
其中，λn+1表示更新后的当前同步步长；λn表示更新前的当前同步步长；表示。
进一步的，所述方法还包括：
根据以下方法确定用于频偏估计的所述指定个数的码元：
根据频偏估计的分辨率，确定所述指定个数，其中频偏估计的分辨率越高，所述指定个数越多。
第二方面，本申请实施例还提供一种解调信号的装置，应用于FSK和/或GFSK，所述装置包括：
预处理模块，用于在实时接收信号的过程中，实时对接收到的信号依次进行下变频、模数采样和低通滤波处理后得到零中频数字信号；
DSTFT变换模块，用于对所述零中频数字信号进行DSTFT变换，得到变换后的数字信号；
能量计算模块，用于每得到一个码元长度的变换后的数字信号，计算该码元长度的数字信号的能量，作为一个码元的能量；
频偏补偿模块，用于若连续指定数量的码元的能量超过能量阈值，则从超过能量阈值的指定码元开始确定出指定个数的码元，在频域根据该指定个数的码元进行频偏估计，并对频偏估计后接收到的信号的DSTFT变换后的数字信号进行频偏补偿；
码元同步模块，用于对频偏补偿后的信号进行码元同步，并确定码元同步后接收到的码元的起始位置；
解调模块706，用于从起始位置开始，对每个码元根据该码元经过所述DSTFT变换后的信号在指定频点处的谱峰分布，以及预设的谱峰分布和解调结果的对应关系，确定该码元的解调结果。
进一步的，所述装置还包括：
自适应能量阈值确定模块，用于根据以下方法确定所述能量阈值：
确定当前更新周期内码元的能量的最小值；
根据以下能量阈值更新公式，更新能量阈值；
Thadj(i+1)＝λ(Thadj(i)+Emin(i)*C)
其中，Thadj(i+1)表示更新后的能量阈值；Thadj(i)表示更新前的能量阈值；Emin(i)表示当前更新周期内码元的能量的最小值；λ小于1、为预设比例系数；C为预设更新系数。
进一步的，若接收到的信号为信号发送端发送的有效信号，则接收到的信号的前导码中包括用于码元同步的第一子前导码；其中，所述第一子前导码由全0码元和全1码元交替排列组成；
所述码元同步模块，具体包括：
初始同步单元，用于频偏补偿后，从所述第一子前导码中确定开始进行码元同步的初步起始位置；并将该初步起始位置所在的码元作为当前同步码元，并将该初步起始位置作为该当前同步码元的起始位置；
移动单元，用于将该当前同步码元的起始位置向前、向后各移动当前同步步长，得到移动步长后的两个码元；
DSTFT变换单元，用于对移动步长后的两个码元分别进行DSTFT变换；
比较单元，用于比较当前同步码元和其移动步长后的两个码元在对应频点处的能量大小；其中，当前同步码元的对应频点指用于表示该码元为全0码元或全1码元的频点；
选择单元，用于在当前同步码元及其移动步长后的两个码元中，选择能量最大的码元的起始位置作为下一个码元的起点位置；
判断单元，用于判断当前的码元同步次数是否达到指定同步次数；
处理单元，用于若达到指定同步次数，则结束码元同步；若未达到指定同步次数，则按照指数递减规律更新当前同步步长；并，将下一个码元作为当前同步码元后返回执行将该当前同步码元的起始位置向前、向后各移动当前同步步长，得到移动步长后的两个码元的步骤。
进一步的，所述前导码中还包括用于频偏估计的第二子前导码，在所述前导码中第一子前导码位于第二子前导码之后；所述第二子前导码为全0码元或全1码元；
频偏补偿模块，具体包括：
FFT变换单元，用于对该指定个数的码元进行FFT变换；
检测单元，用于在FFT变换结果的频谱中，检测谱峰位置对应的频点；
频偏结果确定单元，用于根据谱峰位置对应的频点和相应标准频点，确定出频偏结果；其中，若第二子前导码为全0码元，则相应标准频点为用于表示全0码元采用的频点；若第二子前导码为全1码元，则相应标准频点为用于表示全1码元采用的频点。
进一步的，所述装置还包括：
子前导码识别模块，用于在码元同步模块对频偏补偿后的信号进行码元同步之前，根据第一个能量大于能量阈值的码元位置、第二子前导码中的第一预设码元数量以及第一子前导码中的第二预设码元数量，确定出用于码元同步的第二子前导码。
进一步的，所述装置还包括：
偏移记录模块，用于在选择单元在当前同步码元及其移动步长后的两个码元中，选择能量最大的码元的起始位置作为下一个码元的起点位置之后，记录该能量最大的码元的起点位置相对于初步起始位置的偏移；
码元同步模块，具体包括：
偏移选择单元，用于对码元同步过程中得到的多个偏移进行统计，选择出现次数最多的偏移作为最终的偏移；
码元起始位置确定单元，用于根据最终的偏移，确定码元同步后接收到的码元的起始位置。
进一步的，初始同步步长为一个码元长度的二分之一；
所述处理单元，具体用于根据以下公式更新当前同步步长；
λn+1＝max(λn/2，1)
其中，λn+1表示更新后的当前同步步长；λn表示更新前的当前同步步长；表示。
进一步的，所述装置还包括：
指定个数的码元确定模块，用于根据以下方法确定用于频偏估计的所述指定个数的码元：
根据频偏估计的分辨率，确定所述指定个数，其中频偏估计的分辨率越高，所述指定个数越多。
第三方面，本申请另一实施例还提供了一种计算设备，其包括存储器和处理器，其中，所述存储器用于存储程序指令，所述处理器用于调用所述存储器中存储的程序指令，按照获得的程序指令执行本申请实施例中的任一解调信号的方法。
第四方面，本申请另一实施例还提供了一种计算机存储介质，其中，所述计算机存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使所述计算机执行本申请实施例中的任一解调信号的方法。
本申请实施例中，频偏估计是在频域进行的，频偏补偿是对DSTFT变换后的信号进行补偿的(也即在频域实现频偏补偿)。相对于基于时域的非相干解调在时域进行频偏补偿，在频域进行的频偏补偿更具有抗干扰能力。由于本申请实施例无需在本地恢复出与信号发送端同频同相的载波，因此本申请解调方法简单，对硬件要求也不高。
附图说明
图1所示为本申请实施例提供的解调信号的方法的应用场景示意图；
图2所示为本申请实施例提供的解调信号的方法的流程示意图。
图3所示为本申请实施例提供更新能量阈值的流程示意图；
图4所示为本申请实施例提供的码元同步的流程示意图；
图5所示为本申请实施例提供的前导码的示意图；
图6所示为本申请实施例提供的频偏估计和补偿的流程示意图；
图7所示为本申请实施例提供的解调信号的装置的结构示意图；
图8所示为本申请实施例提供计算设备的结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本申请实施例提供的技术方案，下面结合说明书附图对本申请实施例作进一步详细描述。
发明人发现，对FSK/GFSK信号进行下变频、模数采样和低通滤波处理后得到零中频数字信号。对于接收到信号中的每一个码元的零中频数字信号若进行DSTFT变换，变换结果会在相应的频点处有一个谱峰，根据该谱峰即可以解调该码元。例如对于，2FSK信号，如果该码元表示的基带二进制数字为1，其在-fd+Δf(其中，fd为2FSK调制的载波偏移，Δf为发送载波相对于本地时钟的频率偏移)的频率点处有一个谱峰；如果该码元表示的基带二进制数字为0，则DSTFT变换结果会在fd+Δf的频点有一个谱峰。那么，通过比较码元DSTFT结果中-fd+Δf和fd+Δf频点处谱峰的大小，即可对FSK/GFSK信号进行解调。有鉴于此，本申请实施例中，采用DSTFT变换结果实现信号解调。
为便于理解本申请实施例提供的技术方案，首先参考图1，为本申请实施例提供的解调信号的方法适用的应用场景的结构示意图。在该应用场景中，包括终端101、基站102和服务器103。所述终端101可以为物联网应用的各种设备，如：监测环境状况或跟踪物体的传感器，用于计量水、电、气的计量器等。所述基站与所述终端间可通过无线方式进行通信。
具体实施时，终端可以作为信号发送端要求基站将信号发送给服务器103，基站可以作为信号接收端将终端发送的信号解调后发送给服务器103。
终端101和基站102。两端按照约定进行信号的发送和接收。基站102按照约定对接收到的信号进行解调。
其中，由于噪声的存在，基站102不知道什么时候接收的信号为噪声还是终端101发送的有效信号。故此，在本申请实施例中，基站102实时接收信号，在确定接收到有效信号之前，实时检测接收到的信号的能量，并根据能量来确定是否接收到有效信息。例如假设连续接收到的多个码元长度内能码元长度的能量都大于能量阈值则确定接收到有效信号，然后进行解调处理。具体的，在实时接收信号的过程中，实时进行以下处理：
对接收到的信号依次进行下变频、模数采样和低通滤波处理后得到零中频数字信号；
对所述零中频数字信号进行DSTFT变换，得到变换后的数字信号；
每得到一个码元长度的变换后的数字信号，计算该码元长度的数字信号的能量，作为一个码元的能量；
若连续指定数量的码元的能量超过能量阈值，则从超过能量阈值的指定码元开始确定出指定个数的码元，在频域根据该指定个数的码元进行频偏估计，并对频偏估计后接收到的信号的DSTFT变换后的数字信号进行频偏补偿；
对频偏补偿后的信号进行码元同步，并确定码元同步后接收到的码元的起始位置；
从起始位置开始，对每个码元根据该码元经过所述DSTFT变换后的信号在指定频点处的谱峰分布，以及预设的谱峰分布和解调结果的对应关系，确定该码元的解调结果。
这样，本申请实施例中，频偏估计是在频域进行的，频偏补偿是对DSTFT变换后的信号进行补偿的(也即在频域实现频偏补偿)。相对于基于时域的非相干解调在时域进行频偏补偿，在频域进行的频偏补偿更具有抗干扰能力。由于本申请实施例无需在本地恢复出与信号发送端同频同相的载波，因此本申请解调方法简单，对硬件要求也不高。
为便于更加深入的理解本申请实施例提供的方案，下面对此进行进一步说明。
实施例一
参照图2，为本申请实施例一提供的解调信号的方法流程图，该方法应用于FSK和/或GFSK的信号解调，该方法包括以下步骤：
步骤201：在实时接收信号的过程中，实时对接收到的信号依次进行下变频、模数采样和低通滤波处理后得到零中频数字信号。
步骤202：对所述零中频数字信号进行离散短时傅里叶DSTFT变换，得到变换后的数字信号。
其中，针对每个采样点(即每个零中频数字信号)，DSTFT变换结果可用如下公式(1)来表示：
其中，m为求和变量，该公式表示对每一个采样点进行一次计算，然后累加计算结果。x(m)表示时刻m的信号值，w(n-m)表示n-m时刻的窗函数值。
其中x()为输入信号序列，w()为移动窗函数，N为窗函数宽度，可以设置为一个码元的长度，X(n,k)中n表示当前时刻，k表示离散频率点，X(n,k)表示信号在时刻n、频点k处的频谱。从上式可以看出，DSTFT实际上是加了移动窗函数的离散傅里叶变换，X(n,k)反映了所考察时刻的频率分布情况。
步骤203：每得到一个码元长度的变换后的数字信号，计算该码元长度的数字信号的能量，作为一个码元的能量。
步骤204：若连续指定数量的码元的能量超过能量阈值，则从超过能量阈值的指定码元开始确定出指定个数的码元，在频域根据该指定个数的码元进行频偏估计，并对频偏估计后接收到的信号的DSTFT变换后的数字信号进行频偏补偿。
步骤205：对频偏补偿后的信号进行码元同步，并确定码元同步后接收到的码元的起始位置。
步骤206：从起始位置开始，对每个码元根据该码元经过所述DSTFT变换后的信号在指定频点处的谱峰分布，以及预设的谱峰分布和解调结果的对应关系，确定该码元的解调结果。
其中，2进制信号具有2个频点作为指定频点(如前述-fd和fd频点)，4进制的信号具有4个频点，依次类推。
其中，以4进制信号为例，对预设的谱峰分布和解调结果的对应关系进行说明。假设其指定频点分别fd、2fd、3fd、4fd，则4进制信号的预设的谱峰分布和解调结果的对应关系可如表1所示。需要说明的是，表1仅用于说明本申请实施例并不对此进行限定。
表1
| 谱峰频点 | 解调结果 |
| fd | 00 |
| 2fd | 01 |
| 3fd | 10 |
| 4fd | 11 |
进一步的，能量阈值可以为预先配置的一设定值。但，考虑接收机热噪声、射频器件和其他无线通信系统的干扰，不同的接收机带宽和工作温度，不同的射频器件，其他无线通信系统的干扰会导致接收机的底噪不同，如果将能量阈值设定为一个不变的值显然不能满足所有复杂的环境。故此，本申请实施例中，考虑到不同环境不同工作条件，甚至不同时间的接收机的底噪不同，采用自适应能量阈值。实施时，可以根据以下方法确定所述能量阈值，具体的：
确定当前更新周期内码元的能量的最小值；
根据以下能量阈值更新公式(2)，更新能量阈值；
Thadj(i+1)＝λ(Thadj(i)+Emin(i)*C) (2)
其中，Thadj(i+1)表示更新后的能量阈值；Thadj(i)表示更新前的能量阈值；Emin(i)表示当前更新周期内码元的能量的最小值，所设置的更新周期大于有效信号的持续时间，以确保该最小值可以反映出噪声的大小；λ小于1、为预设比例系数；C为预设更新系数。具体实施时，更新周期可以根据实际情况确定，本申请实施例对此不作限定。
具体实施时λ的取值可以为0.5，当然也可以根据实际需求实验确定，本申请实施例对此不作限定。
以图3为例，对本申请实施例中能量阈值的自动更新做进一步说明，包括以下步骤：
步骤301：设置初始能量阈值和更新系数。
步骤302：通过定时器对当前更新周期进行计时，并针对每个码元计算该码元的能量。
步骤303：确定该码元的能量是否大于能量阈值，若是，则执行步骤304；若否，则执行步骤306。
步骤304：确定连续大于能量阈值的码元的数量是否大于指定数量，若否，则返回执行步骤302；若是，则执行步骤305。
步骤305：将接收到的信号的帧标志置为1，用于表示接收的信号为有效信号。
步骤306：确定连续小于或等于能量阈值的码元的数量是否大于预设量，若否，则返回执行步骤302；若是，则执行步骤307。
步骤307：将接收到的信号的帧标志置0，用于表示接收的信号为无效信号。
步骤308：判断计时器计时的当前更新周期是否到期，若否，返回步骤302；若是，则执行步骤309。
其中，步骤308的执行顺序不受限。
步骤309：获取当前更新周期内码元的能量最小值，并根据能量阈值更新公式更新能量阈值。
进一步的，为了能够更好的实现码元同步，本申请实施例中，信号发送端约定发送带有特定序列的前导码。具体的，若接收到的信号为信号发送端发送的有效信号，则接收到的信号的前导码中包括用于码元同步的第一子前导码；其中，所述第一子前导码由全0码元和全1码元交替排列组成；
所述对频偏补偿后的信号进行码元同步，具体包括以下步骤A1-步骤A：
步骤A1：频偏补偿后，从所述第一子前导码中确定开始进行码元同步的初步起始位置；并将该初步起始位置所在的码元作为当前同步码元，并将该初步起始位置作为该当前同步码元的起始位置。
其中，在第一个进行码元同步的码元中，该初步起始位置在相应码元中是随机的。具体实施时，可以将频偏补偿后接收到的信号的位置作为第一子前导码中确定开始进行码元同步的初步起始位置，当然，亦可以从将频偏补偿后接收到的信号的位置之后，随机选择一个位置作为初步起始位置。较佳的，该随机选择的位置，为在频偏补偿后接收的一个码元长度内随机选择的。具体实施时，可以根据实际需求确定，本申请对此不作限定。
具体实施时，初始同步步长为一个码元长度的二分之一即N/2(N为一个码元长度)；
步骤A2：将该当前同步码元的起始位置向前、向后各移动当前同步步长，得到移动步长后的两个码元。
步骤A3：对移动步长后的两个码元分别进行DSTFT变换。
步骤A4：比较当前同步码元和其移动步长后的两个码元在对应频点处的能量大小；其中，当前同步码元的对应频点指用于表示该码元为全0码元或全1码元的频点。
例如，对于2FSK信号，全0码元对应的频点为-fd，全1码元对应的频点为fd。
步骤A5：在当前同步码元及其移动步长后的两个码元中，选择能量最大的码元的起始位置作为下一个码元的起点位置。
步骤A6：判断当前的码元同步次数是否达到指定同步次数。
具体实施时，指定同步次数可以根据实际需求确定。
为了能够完成码元同步，第一子前导码中的码元的数量大于指定同步次数。这样，即使码元的接收或接收后的处理出现失误，也能够有足够数量的码元完成码元同步。
步骤A7：若是，则结束码元同步。
当然，具体实施时，为了更加准确的确定出各个码元的交界点，即各个码元的实际起始问题，本申请实施例中，在步骤A6之后，还可以记录该能量最大的码元的起点位置相对于初步起始位置的偏移。则，后续解调时，确定码元同步后接收到的码元的起始位置，可具体包括：对码元同步过程中得到的多个偏移进行统计，选择出现次数最多的偏移作为最终的偏移；根据最终的偏移，确定码元同步后接收到的码元的起始位置。
由于信号的偏移是固定的，码元的长度也是固定的，所以确定出偏移后，根据码元的长度即可确定出后续各个码元的起始位置。
这样，起始位置是根据出现次数最多的偏移确定的，那么确定的起始位置更加准确可靠。
步骤A8：若否，则按照指数递减规律更新当前同步步长；并将下一个码元作为当前同步码元后返回执行步骤A2。
其中，具体实施时，若初始同步步长为N/2，所述按照指数递减规律更新当前同步步长，具体包括：
根据以下公式(3)更新当前同步步长；
λn+1＝max(λn/2，1) (3)
其中，λn+1表示更新后的当前同步步长；λn表示更新前的当前同步步长；表示。
以2FSK信号为例，如图4所示，为本申请实施例提供的码元同步以及准确确定码元的起始位置的流程示意图，包括以下步骤：
步骤401：初始化同步步长、设置码元同步的最大次数、设置用于码元同步的最大同步次数、设置用于码元同步的第一子前导码。
其中，2FSK的第一前导码为“0”和“1”交替。
以此类推，4进制FSK的第一前导码为“00”和“11”交替。
其中，初始化的同步步长λinit，如公式(4)：
λinit＝N/2 (4)
其中，N为一个码元长度。
步骤402：频偏补偿后，从所述第一子前导码中确定开始进行码元同步的初步起始位置；并将该初步起始位置所在的码元作为当前同步码元码元序号为n，并将该初步起始位置作为该当前同步码元的起始位置。
步骤403：将该当前同步码元的起始位置向前、向后各移动当前同步步长，得到移动步长后的两个码元。
步骤404：对移动步长后的两个码元分别进行DSTFT变换。
得到变换结果为X(n-λn,k)，X(n+λn,k)，其中λn为当前同步步长。
步骤405：判断当前同步码元在频点fd处的能量是否大于频点-fd处的能量，若是执行步骤406，若否执行步骤407。
步骤406：在当前同步码元及其移动步长后的两个码元中选择fd处能量最大的位置，作为下一个码元的起始位置，之后执行步骤408。
步骤407：在当前同步码元及其移动步长后的两个码元中选择-fd处能量最大的位置，作为下一个码元的起始位置，之后执行步骤408。
步骤408：按照指数递减规律更新当前同步步长，并记录当前同步码元与初步起始位置的偏移。
步骤409：判断当前的码元同步次数是否达到指定同步次数，若是，执行步骤411，若否，将执行步骤410。
步骤410：将下一个码元作为当前同步码元后返回执行步骤403。
步骤411：对码元同步过程中得到的多个偏移进行统计，选择出现次数最多的偏移作为最终的偏移；根据最终的偏移，确定码元同步后接收到的码元的起始位置。
根据本申请实施例提供的码元同步方法，同步步长是可变步长，而该同步步长越变越小，所以同步精度越来越高、后续码元的起始位置确定的也更加准确。此外，对于一个码元，仅对其本身和移动步长后的2个码元进行DSTFT变换，也即对于同一个码元，仅执行3次DSTFT即可实现一次码元同步。运算量小。
进一步的，本申请实施例中，频域的频偏估计可以采用现有技术实现。而本申请实施例中，为了能够更好的进行频偏估计和码元同步，所述前导码中还包括用于频偏估计的第二子前导码，在所述前导码中第一子前导码位于第二子前导码之后；所述第二子前导码为全0码元或全1码元。
如图5所示，为本申请实施例中提供的前导码的结构示意图。其中，a表示第二子前导码(即用于频偏估计的前导码)、L1表示第二子前导码的长度、b表示第一子前导码(即用于码元同步的前导码)、L2表示第二子前导码的长度。
具体实施时，对频偏补偿后的信号进行码元同步之前，所述方法还包括：根据第一个能量大于能量阈值的码元位置、第二子前导码中的第一预设码元数量以及第一子前导码中的第二预设码元数量，确定出用于码元同步的第二子前导码。例如，前导码中共有24个码元，则可以约定前8个码元用于频偏估计，后16个码元为用于码元同步。
进一步的，在频域根据指定个数的码元进行频偏估计，可具体包括以下步骤B1-步骤B2：
步骤B1：对该指定个数的码元进行FFT变换。
具体实施时，可以根据频偏估计的分辨率，确定所述指定个数，其中频偏估计的分辨率越高，所述指定个数越多。
例如，指定个数N1＝数据速率/频偏估计的分辨率对应的最小频率间隔。
步骤B2：在FFT变换结果的频谱中，检测谱峰位置对应的频点。
步骤B3：根据谱峰位置对应的频点和相应标准频点，确定出频偏结果；其中，若第二子前导码为全0码元，则相应标准频点为用于表示全0码元采用的频点；若第二子前导码为全1码元，则相应标准频点为用于表示全1码元采用的频点。
为便于理解本申请实施例提供的频偏估计方法，仍然以2FSK信号为例，频偏估计的方法流程图如图6所示，包括以下步骤：
步骤601：初始化频偏估计的分辨率、设置第二子前导码。
其中，第二子前导码为全0码元或全1码元。
步骤602：根据频偏估计的分辨率，确定频偏估计所需的码元数量。
步骤603：从超过能量阈值的指定码元开始确定出指定个数的码元，对该指定个数的码元进行FFT变换。
步骤604：在FFT变换结果的频谱中，检测谱峰位置对应的频点。
由于前导码为全0，FFT变换结果会在频谱上有一个最大值(即谱峰)，搜寻该最大值的频点位置fmax。在频率偏移为0的情况下，最大点对应的频点应当为-fd(其为信号发送端和信号接收端双方约定好的频点)，如果频率偏移不为0，则最大值点对应的频率会相应的发生偏移，故此可以求得频偏结果Δf，如公式(5)所示：
Δf＝fmax-fi (5)
其中，fmax表示谱峰位置对应的频点；若第二子前导码为全0码元，fi表示-fd；若第二子前导码为全1码元，fi表示fd。
步骤605：依据频偏结果对后续码元的DSTFT变换结果进行频偏补偿。
综上所述，本申请实施例中，根据特定序列的前导码实现频偏估计、补偿以及码元同步。其中频偏估计和补偿均在频域中进行，相对于现有技术频域的非相关解调方法，抗干扰性更好，能够提高解调结果的准确性。相对于现有技术中相干解调方法，设计简单，对硬件资源的要求低。
此外，本申请实施例中，能量阈值能够根据实际情况进行更新，即采用自适应能量阈值对信号进行能量检测，相对于固定能量阈值能够适应多变的复杂环境。
其中，基于特定序列的前导码结构(即包含第一子前导码和第二子前导码)、结合变步长的码元同步、实现了低运算量的、实时性强的码元同步方法。
实施例二
基于相同的发明构思，本申请实施例还提供一种解调信号的装置，应用于频移键控信号FSK，和/或，高斯频移键控信号GFSK。该装置的原理和有益效果与实施例一中所述方法的原理和有益效果相同，这里不再赘述。
参见图7，为该装置的结构示意图，包括
预处理模块701，用于在实时接收信号的过程中，实时对接收到的信号依次进行下变频、模数采样和低通滤波处理后得到零中频数字信号；
DSTFT变换模块702，用于对所述零中频数字信号进行离散短时傅里叶DSTFT变换，得到变换后的数字信号；
能量计算模块703，用于每得到一个码元长度的变换后的数字信号，计算该码元长度的数字信号的能量，作为一个码元的能量；
频偏补偿模块704，用于若连续指定数量的码元的能量超过能量阈值，则从超过能量阈值的指定码元开始确定出指定个数的码元，在频域根据该指定个数的码元进行频偏估计，并对频偏估计后接收到的信号的DSTFT变换后的数字信号进行频偏补偿；
码元同步模块705，用于对频偏补偿后的信号进行码元同步，并确定码元同步后接收到的码元的起始位置；
解调模块706，用于从起始位置开始，对每个码元根据该码元经过所述DSTFT变换后的信号在指定频点处的谱峰分布，以及预设的谱峰分布和解调结果的对应关系，确定该码元的解调结果。
进一步的，所述装置还包括：
自适应能量阈值确定模块，用于根据以下方法确定所述能量阈值：
确定当前更新周期内码元的能量的最小值；
根据以下能量阈值更新公式，更新能量阈值；
Thadj(i+1)＝λ(Thadj(i)+Emin(i)*C)
其中，Thadj(i+1)表示更新后的能量阈值；Thadj(i)表示更新前的能量阈值；Emin(i)表示当前更新周期内码元的能量的最小值；λ小于1、为预设比例系数；C为预设更新系数。
进一步的，若接收到的信号为信号发送端发送的有效信号，则接收到的信号的前导码中包括用于码元同步的第一子前导码；其中，所述第一子前导码由全0码元和全1码元交替排列组成；
所述码元同步模块，具体包括：
初始同步单元，用于频偏补偿后，从所述第一子前导码中确定开始进行码元同步的初步起始位置；并将该初步起始位置所在的码元作为当前同步码元，并将该初步起始位置作为该当前同步码元的起始位置；
移动单元，用于将该当前同步码元的起始位置向前、向后各移动当前同步步长，得到移动步长后的两个码元；
DSTFT变换单元，用于对移动步长后的两个码元分别进行DSTFT变换；
比较单元，用于比较当前同步码元和其移动步长后的两个码元在对应频点处的能量大小；其中，当前同步码元的对应频点指用于表示该码元为全0码元或全1码元的频点；
选择单元，用于在当前同步码元及其移动步长后的两个码元中，选择能量最大的码元的起始位置作为下一个码元的起点位置；
判断单元，用于判断当前的码元同步次数是否达到指定同步次数；
处理单元，用于若达到指定同步次数，则结束码元同步；若未达到指定同步次数，则按照指数递减规律更新当前同步步长；并，将下一个码元作为当前同步码元后返回执行将该当前同步码元的起始位置向前、向后各移动当前同步步长，得到移动步长后的两个码元的步骤。
进一步的，所述前导码中还包括用于频偏估计的第二子前导码，在所述前导码中第一子前导码位于第二子前导码之后；所述第二子前导码为全0码元或全1码元；
频偏补偿模块，具体包括：
FFT变换单元，用于对该指定个数的码元进行快速傅里叶变换FFT；
检测单元，用于在FFT变换结果的频谱中，检测谱峰位置对应的频点；
频偏结果确定单元，用于根据谱峰位置对应的频点和相应标准频点，确定出频偏结果；其中，若第二子前导码为全0码元，则相应标准频点为用于表示全0码元采用的频点；若第二子前导码为全1码元，则相应标准频点为用于表示全1码元采用的频点。
进一步的，所述装置还包括：
子前导码识别模块，用于在码元同步模块对频偏补偿后的信号进行码元同步之前，根据第一个能量大于能量阈值的码元位置、第二子前导码中的第一预设码元数量以及第一子前导码中的第二预设码元数量，确定出用于码元同步的第二子前导码。
进一步的，所述装置还包括：
偏移记录模块，用于在选择单元在当前同步码元及其移动步长后的两个码元中，选择能量最大的码元的起始位置作为下一个码元的起点位置之后，记录该能量最大的码元的起点位置相对于初步起始位置的偏移；
码元同步模块，具体包括：
偏移选择单元，用于对码元同步过程中得到的多个偏移进行统计，选择出现次数最多的偏移作为最终的偏移；
码元起始位置确定单元，用于根据最终的偏移，确定码元同步后接收到的码元的起始位置。
进一步的，初始同步步长为一个码元长度的二分之一；
所述处理单元，具体用于根据以下公式更新当前同步步长；
λn+1＝max(λn/2，1)
其中，λn+1表示更新后的当前同步步长；λn表示更新前的当前同步步长；表示。
进一步的，所述装置还包括：
指定个数的码元确定模块，用于根据以下方法确定用于频偏估计的所述指定个数的码元：
根据频偏估计的分辨率，确定所述指定个数，其中频偏估计的分辨率越高，所述指定个数越多。
实施例三
本申请实施例三还提供了一种计算设备，该计算设备具体可以为桌面计算机、便携式计算机、智能手机、平板电脑、个人数字助理(Personal Digital Assistant，PDA)、服务器、基站等。如图8所示，该计算设备可以包括中央处理器(Center Processing Unit，CPU)801、存储器802、输入设备803，输出设备804等，输入设备可以包括键盘、鼠标、触摸屏等，输出设备可以包括显示设备，如液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)、阴极射线管(Cathode Ray Tube，CRT)等。
存储器可以包括只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)，并向处理器提供存储器中存储的程序指令和数据。在本申请实施例中，存储器可以用于存储解调信号的方法的程序指令。处理器通过调用存储器存储的程序指令，处理器用于按照获得的程序指令执行：在实时接收信号的过程中，实时对接收到的信号依次进行下变频、模数采样和低通滤波处理后得到零中频数字信号；
对所述零中频数字信号进行离散短时傅里叶DSTFT变换，得到变换后的数字信号；
每得到一个码元长度的变换后的数字信号，计算该码元长度的数字信号的能量，作为一个码元的能量；
若连续指定数量的码元的能量超过能量阈值，则从超过能量阈值的指定码元开始确定出指定个数的码元，在频域根据该指定个数的码元进行频偏估计，并对频偏估计后接收到的信号的DSTFT变换后的数字信号进行频偏补偿；
对频偏补偿后的信号进行码元同步，并确定码元同步后接收到的码元的起始位置；
从起始位置开始，对每个码元根据该码元经过所述DSTFT变换后的信号在指定频点处的谱峰分布，以及预设的谱峰分布和解调结果的对应关系，确定该码元的解调结果。
实施例四
本申请实施例四提供了一种计算机存储介质，用于储存为上述计算设备所用的计算机程序指令，其包含用于执行上述解调信号的方法的程序。
所述计算机存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或数据存储设备，包括但不限于磁性存储器(例如软盘、硬盘、磁带、磁光盘(MO)等)、光学存储器(例如CD、DVD、BD、HVD等)、以及半导体存储器(例如ROM、EPROM、EEPROM、非易失性存储器(NAND FLASH)、固态硬盘(SSD))等。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (16)
1.一种解调信号的方法，其特征在于，应用于频移键控信号FSK，和/或，高斯频移键控信号GFSK，所述方法包括：
在实时接收信号的过程中，实时对接收到的信号依次进行下变频、模数采样和低通滤波处理后得到零中频数字信号；
对所述零中频数字信号进行离散短时傅里叶DSTFT变换，得到变换后的数字信号；
每得到一个码元长度的变换后的数字信号，计算该码元长度的数字信号的能量，作为一个码元的能量；
若连续指定数量的码元的能量超过能量阈值，则从超过能量阈值的指定码元开始确定出指定个数的码元，在频域根据该指定个数的码元进行频偏估计，并对频偏估计后接收到的信号的DSTFT变换后的数字信号进行频偏补偿；
对频偏补偿后的信号进行码元同步，并确定码元同步后接收到的码元的起始位置；
从起始位置开始，对每个码元根据该码元经过所述DSTFT变换后的信号在指定频点处的谱峰分布，以及预设的谱峰分布和解调结果的对应关系，确定该码元的解调结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据以下方法确定所述能量阈值：
确定当前更新周期内码元的能量的最小值；
根据以下能量阈值更新公式，更新能量阈值；
Thadj(i+1)＝λ(Thadj(i)+Emin(i)*C)
其中，Thadj(i+1)表示更新后的能量阈值；Thadj(i)表示更新前的能量阈值；Emin(i)表示当前更新周期内码元的能量的最小值；λ小于1、为预设比例系数；C为预设更新系数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，若接收到的信号为信号发送端发送的有效信号，则接收到的信号的前导码中包括用于码元同步的第一子前导码；其中，所述第一子前导码由全0码元和全1码元交替排列组成；
所述对频偏补偿后的信号进行码元同步，具体包括：
频偏补偿后，从所述第一子前导码中确定开始进行码元同步的初步起始位置；并将该初步起始位置所在的码元作为当前同步码元，并将该初步起始位置作为该当前同步码元的起始位置；
将该当前同步码元的起始位置向前、向后各移动当前同步步长，得到移动步长后的两个码元；
对移动步长后的两个码元分别进行DSTFT变换；
比较当前同步码元和其移动步长后的两个码元在对应频点处的能量大小；其中，当前同步码元的对应频点指用于表示该码元为全0码元或全1码元的频点；
在当前同步码元及其移动步长后的两个码元中，选择能量最大的码元的起始位置作为下一个码元的起点位置；
判断当前的码元同步次数是否达到指定同步次数；
若是，则结束码元同步；
若否，则按照指数递减规律更新当前同步步长；并，将下一个码元作为当前同步码元后返回执行将该当前同步码元的起始位置向前、向后各移动当前同步步长，得到移动步长后的两个码元的步骤。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述前导码中还包括用于频偏估计的第二子前导码，在所述前导码中第一子前导码位于第二子前导码之后；所述第二子前导码为全0码元或全1码元；
所述在频域根据指定个数的码元进行频偏估计，具体包括：
对该指定个数的码元进行快速傅里叶变换FFT；
在FFT变换结果的频谱中，检测谱峰位置对应的频点；
根据谱峰位置对应的频点和相应标准频点，确定出频偏结果；其中，若第二子前导码为全0码元，则相应标准频点为用于表示全0码元采用的频点；若第二子前导码为全1码元，则相应标准频点为用于表示全1码元采用的频点。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，对频偏补偿后的信号进行码元同步之前，所述方法还包括：
根据第一个能量大于能量阈值的码元位置、第二子前导码中的第一预设码元数量以及第一子前导码中的第二预设码元数量，确定出用于码元同步的第二子前导码。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在当前同步码元及其移动步长后的两个码元中，选择能量最大的码元的起始位置作为下一个码元的起点位置之后，所述方法还包括：
记录该能量最大的码元的起点位置相对于初步起始位置的偏移；
确定码元同步后接收到的码元的起始位置，具体包括：
对码元同步过程中得到的多个偏移进行统计，选择出现次数最多的偏移作为最终的偏移；
根据最终的偏移，确定码元同步后接收到的码元的起始位置。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，初始同步步长为一个码元长度的二分之一；
所述按照指数递减规律更新当前同步步长，具体包括：
根据以下公式更新当前同步步长；
λn+1＝max(λn/2，1)
其中，λn+1表示更新后的当前同步步长；λn表示更新前的当前同步步长；表示。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据以下方法确定用于频偏估计的所述指定个数的码元：
根据频偏估计的分辨率，确定所述指定个数，其中频偏估计的分辨率越高，所述指定个数越多。
9.一种解调信号的装置，其特征在于，应用于频移键控信号FSK，和/或，高斯频移键控信号GFSK，所述装置包括：
预处理模块，用于在实时接收信号的过程中，实时对接收到的信号依次进行下变频、模数采样和低通滤波处理后得到零中频数字信号；
DSTFT变换模块，用于对所述零中频数字信号进行离散短时傅里叶DSTFT变换，得到变换后的数字信号；
能量计算模块，用于每得到一个码元长度的变换后的数字信号，计算该码元长度的数字信号的能量，作为一个码元的能量；
频偏补偿模块，用于若连续指定数量的码元的能量超过能量阈值，则从超过能量阈值的指定码元开始确定出指定个数的码元，在频域根据该指定个数的码元进行频偏估计，并对频偏估计后接收到的信号的DSTFT变换后的数字信号进行频偏补偿；
码元同步模块，用于对频偏补偿后的信号进行码元同步，并确定码元同步后接收到的码元的起始位置；
解调模块，用于从起始位置开始，对每个码元根据该码元经过所述DSTFT变换后的信号在指定频点处的谱峰分布，以及预设的谱峰分布和解调结果的对应关系，确定该码元的解调结果。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
自适应能量阈值确定模块，用于根据以下方法确定所述能量阈值：
确定当前更新周期内码元的能量的最小值；
根据以下能量阈值更新公式，更新能量阈值；
Thadj(i+1)＝λ(Thadj(i)+Emin(i)*C)
其中，Thadj(i+1)表示更新后的能量阈值；Thadj(i)表示更新前的能量阈值；Emin(i)表示当前更新周期内码元的能量的最小值；λ小于1、为预设比例系数；C为预设更新系数。
11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，若接收到的信号为信号发送端发送的有效信号，则接收到的信号的前导码中包括用于码元同步的第一子前导码；其中，所述第一子前导码由全0码元和全1码元交替排列组成；
所述码元同步模块，具体包括：
初始同步单元，用于频偏补偿后，从所述第一子前导码中确定开始进行码元同步的初步起始位置；并将该初步起始位置所在的码元作为当前同步码元，并将该初步起始位置作为该当前同步码元的起始位置；
移动单元，用于将该当前同步码元的起始位置向前、向后各移动当前同步步长，得到移动步长后的两个码元；
DSTFT变换单元，用于对移动步长后的两个码元分别进行DSTFT变换；
比较单元，用于比较当前同步码元和其移动步长后的两个码元在对应频点处的能量大小；其中，当前同步码元的对应频点指用于表示该码元为全0码元或全1码元的频点；
选择单元，用于在当前同步码元及其移动步长后的两个码元中，选择能量最大的码元的起始位置作为下一个码元的起点位置；
判断单元，用于判断当前的码元同步次数是否达到指定同步次数；
处理单元，用于若达到指定同步次数，则结束码元同步；若未达到指定同步次数，则按照指数递减规律更新当前同步步长；并，将下一个码元作为当前同步码元后返回执行将该当前同步码元的起始位置向前、向后各移动当前同步步长，得到移动步长后的两个码元的步骤。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述前导码中还包括用于频偏估计的第二子前导码，在所述前导码中第一子前导码位于第二子前导码之后；所述第二子前导码为全0码元或全1码元；
频偏补偿模块，具体包括：
FFT变换单元，用于对该指定个数的码元进行快速傅里叶变换FFT；
检测单元，用于在FFT变换结果的频谱中，检测谱峰位置对应的频点；
频偏结果确定单元，用于根据谱峰位置对应的频点和相应标准频点，确定出频偏结果；其中，若第二子前导码为全0码元，则相应标准频点为用于表示全0码元采用的频点；若第二子前导码为全1码元，则相应标准频点为用于表示全1码元采用的频点。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
子前导码识别模块，用于在码元同步模块对频偏补偿后的信号进行码元同步之前，根据第一个能量大于能量阈值的码元位置、第二子前导码中的第一预设码元数量以及第一子前导码中的第二预设码元数量，确定出用于码元同步的第二子前导码。
14.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，，所述装置还包括：
偏移记录模块，用于在选择单元在当前同步码元及其移动步长后的两个码元中，选择能量最大的码元的起始位置作为下一个码元的起点位置之后，记录该能量最大的码元的起点位置相对于初步起始位置的偏移；
码元同步模块，具体包括：
偏移选择单元，用于对码元同步过程中得到的多个偏移进行统计，选择出现次数最多的偏移作为最终的偏移；
码元起始位置确定单元，用于根据最终的偏移，确定码元同步后接收到的码元的起始位置。
15.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，初始同步步长为一个码元长度的二分之一；
所述处理单元，具体用于根据以下公式更新当前同步步长；
λn+1＝max(λn/2，1)
其中，λn+1表示更新后的当前同步步长；λn表示更新前的当前同步步长；表示。
16.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
指定个数的码元确定模块，用于根据以下方法确定用于频偏估计的所述指定个数的码元：
根据频偏估计的分辨率，确定所述指定个数，其中频偏估计的分辨率越高，所述指定个数越多。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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