預解調、鑑頻和解調方法，及預解調器、鑑頻器和解調器的製作方法

2024-01-22 05:11:15 2

專利名稱：預解調、鑑頻和解調方法，及預解調器、鑑頻器和解調器的製作方法
技術領域：
本發明涉及信號處理技術領域，更具體地說，涉及移頻鍵控預解調、鑑頻和解調方 法，及預解調器、鑑頻器和解調器。
背景技術：
移頻鍵控(Frequency shift keying, FSK)是利用二進位或多進位基帶數位訊號 的離散取值特點去鍵控載波(載波為正弦波)頻率以傳遞信息的一種調製方式。由FSK調製方式生成的FSK信號中包含多個不同的載頻，其載頻的數量與基帶數 字信號對應的進位基數相同，例如當基帶數位訊號為二進位時，相應的二進位FSK信號(記 為2FSK)所包含的載頻的數量為2。請參見圖1，圖1中，表示頻率為的載波(正弦 波)，f2表示頻率為f2的載波(正弦波)，S(t)表示二進位基帶數位訊號，2FSK表示2FSK 信號。在一個碼率周期T內，當S(t)符號為0時，該周期內2FSK信號對應的頻率為，而 當S(t)符號為1時，FSK信號對應的頻率為f2。同理，當基帶數位訊號為四進位數位訊號 時，相應的FSK信號所包含的載頻的數量為4。FSK信號有多種解調方式，其中一種為首先對FSK信號進行預解調處理以得到多 個比較信號，其中，每一比較信號與某一載頻相對應。然後，實施鑑頻一比較上述多個比較 信號的大小，即可判定待解調信號在某一碼率周期內對應的載頻。最後根據鑑定出的載頻 與基帶數位訊號中符號的對應關係對基帶數位訊號進行還原，以最終實現FSK的解調。仍 以圖1所示的信號為例，在一個碼率周期T內，當對應頻率&的比較信號大於對應頻率f2 的比較信號時，鑑別出2FSK信號對應的載頻為f1;進而可判定該周期內S(t)的符號為0， 而當對應頻率的比較信號小於對應頻率f2的比較信號時，鑑別出2FSK信號對應的載頻 為4，並進而判定S(t)的符號為1，如此可實現對S(t)信號的還原。然而在實施本發明創造時，發明人發現，傳統FSK的預解調、鑑頻和解調方式由於 大量採用模擬元器件而存在溫漂、可靠性受限等缺點，因此，使用數字器件對FSK信號進行 預解調、鑑頻和解調是一種趨勢。而如何找到適於數字器件的預解調、鑑頻和解調方式成為 亟需要解決的問題。

發明內容
有鑑於此，本發明實施例目的在於提供適於數字器件的移頻鍵控預解調、鑑頻和 解調方法，以及實施上述預解調的預解調器、實施上述鑑頻方法的鑑頻器和實施上述解調 方法的解調器。根據本發明的一個方面，提供一種移頻鍵控FSK預解調方法，該預解調方法包括對FSK信號進行預處理得到待解調數位訊號，所述待解調數位訊號中的數值為無 符號數值；使用具有不同頻率的本地生成數位訊號分別對所述待解調數位訊號進行預解調 處理以得到多個比較信號，所述本地生成數位訊號包括頻率和初始相位均相同的本地生成
5正弦數位訊號和本地生成餘弦數位訊號，所述本地生成正弦數位訊號和本地生成餘弦數字 信號中的數值均為無符號數值，並且，所述本地生成正弦數位訊號和本地生成餘弦數字信 號的頻率與所述基帶數位訊號鍵控的載頻一一對應；所述預解調處理包括在預定積分區間內對由所述本地生成正弦數位訊號與所述待解調數位訊號相乘 所得的信號進行積分處理，生成正弦解調積分信號，所述預定積分區間的上限與下限的差 值為T，所述T為基帶數位訊號的一個碼率周期；在所述預定積分區間內對由本地生成餘弦數位訊號與所述待解調數位訊號相乘 所得的信號進行積分處理，生成餘弦解調積分信號；利用所述正弦解調積分信號和餘弦解調積分信號得到比較信號。根據本發明的另一個方面，提供一種移頻鍵控FSK鑑頻方法，用於鑑別由基帶數 字信號鍵控載波頻率而生成的FSK信號所對應的載頻，該鑑頻方法包括對所述FSK信號進行預處理得到待解調數位訊號，所述待解調數位訊號中的數值 為無符號數值；使用具有不同頻率的本地生成數位訊號分別對所述待解調數位訊號進行預解調 處理以得到多個比較信號，所述本地生成數位訊號包括頻率和初始相位均相同的本地生成 正弦數位訊號和本地生成餘弦數位訊號，所述本地生成正弦數位訊號和本地生成餘弦數字 信號中的數值均為無符號數值，並且，所述本地生成正弦數位訊號和本地生成餘弦數字信 號的頻率與所述基帶數位訊號鍵控的載頻一一對應；從所述多個比較信號中選出最大比較信號，並根據所述最大比較信號所對應的本 地生成數位訊號的頻率得到所述FSK信號對應的載頻；所述預解調處理包括在預定積分區間內對由所述本地生成正弦數位訊號與所述待解調數位訊號相乘 所得的信號進行積分處理，生成正弦解調積分信號，所述預定積分區間的上限與下限的差 值為T，所述T為基帶數位訊號的一個碼率周期；在所述預定積分區間內對由本地生成餘弦數位訊號與所述待解調數位訊號相乘 所得的信號進行積分處理，生成餘弦解調積分信號；利用所述正弦解調積分信號和餘弦解調積分信號得到比較信號。根據本發明的再一個方面，提供一種移頻鍵控FSK解調方法，用於對由基帶數字 信號鍵控載波頻率而生成的FSK信號進行解調，該解調方法包括對所述FSK信號進行預處理得到待解調數位訊號，所述待解調數位訊號中的數值 為無符號數值；使用具有不同頻率的本地生成數位訊號分別對所述待解調數位訊號進行預解調 處理以得到多個比較信號，所述本地生成數位訊號包括頻率和初始相位均相同的本地生成 正弦數位訊號和本地生成餘弦數位訊號，所述本地生成正弦數位訊號和本地生成餘弦數字 信號中的數值均為無符號數值，並且，所述本地生成正弦數位訊號和本地生成餘弦數字信 號的頻率與所述基帶數位訊號鍵控的載頻一一對應；從所述多個比較信號中選出最大比較信號，並根據所述最大比較信號所對應的本 地生成數位訊號的頻率得到所述FSK信號對應的載頻；
根據所述FSK信號對應的載頻與基帶數位訊號中符號的對應關係對所述基帶數 字信號進行還原；所述預解調處理包括在預定積分區間內對由所述本地生成正弦數位訊號與所述待解調數位訊號相乘 所得的信號進行積分處理，生成正弦解調積分信號，所述預定積分區間的上限與下限的差 值為T，所述T為基帶數位訊號的一個碼率周期；在所述預定積分區間內對由本地生成餘弦數位訊號與所述待解調數位訊號相乘 所得的信號進行積分處理，生成餘弦解調積分信號；利用所述正弦解調積分信號和餘弦解調積分信號得到比較信號。根據本發明的再一個方面，提供一種移頻鍵控預解調器，該預解調器包括預處理 單元和預解調單元，其中，預處理單元，用於對所述FSK信號進行預處理得到待解調數位訊號，所述待解調 數位訊號中的數值為無符號數值；預解調單元，用於使用具有不同頻率的本地生成數位訊號分別對所述待解調數字 信號進行預解調處理以得到多個比較信號，所述本地生成數位訊號包括頻率和初始相位均 相同的本地生成正弦數位訊號和本地生成餘弦數位訊號，所述本地生成正弦數位訊號和本 地生成餘弦數位訊號中的數值均為無符號數值，並且，所述本地生成正弦數位訊號和本地 生成餘弦數位訊號的頻率與所述基帶數位訊號鍵控的載頻一一對應；所述預解調處理包括在預定積分區間內對由所述本地生成正弦數位訊號與所述待解調數位訊號相乘 所得的信號進行積分處理，生成正弦解調積分信號，所述預定積分區間的上限與下限的差 值為T;在所述預定積分區間內對由本地生成餘弦數位訊號與所述待解調數位訊號相乘 所得的信號進行積分處理，生成餘弦解調積分信號；利用所述正弦解調積分信號和餘弦解調積分信號得到比較信號。根據本發明的再一個方面，提供一種移頻鍵控鑑頻器，該鑑頻器包括判決單元以 及上述預解調器，所述判決單元用於從所述多個比較信號中選出最大比較信號，並根據所 述最大比較信號所對應的本地生成數位訊號的頻率得到所述FSK信號對應的載頻。根據本發明的再一個方面，提供一種移頻鍵控解調器，該解調器包括包括解碼單 元以及上所述的鑑頻器，所述解碼單元用於根據所述FSK信號對應的載頻與基帶數位訊號 中符號的對應關係對所述基帶數位訊號進行還原。可見，在本發明實施例所提供的預解調、鑑頻和解調方法中，主要是利用本地生成 數位訊號和待解調數位訊號進行鑑頻，由於本地生成數位訊號和待解調數位訊號中的數值 均為無符號數值，因此其相互間的乘法、積分運算均為無符號運算，這種無符號運算對數字 器件的性能要求較低，適於使用數字器件加以實現。相應的，本發明實施例還提供了實施上 述預解調方法的預解調器、實施上述鑑頻方法的鑑頻器和實施上述解調方法的解調器。


為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現
7有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以 根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1為二進位基帶信號、載波以及2FSK信號波形示意圖；圖2a為本發明實施例提供的FSK預解調器結構示意圖；圖2b為本發明實施例提供的FSK鑑頻器結構示意圖；圖3為本發明實施例提供的公式12的運算流程示意圖；圖4為本發明實施例提供的預解調子單元結構示意圖；圖5為本發明實施例提供的FSK解調器的結構示意圖；圖6為本發明實施例提供的應答器系統結構示意圖；圖7為本發明實施例提供的接收板結構示意圖；圖8為本發明實施例提供的上邊頻解調器模塊結構示意圖；圖9為本發明實施例提供的下邊頻解調器模塊結構示意圖。
具體實施例方式為了引用和清楚起見，下文中使用的技術名詞、簡寫或縮寫總結如下TCC =Train Control Center,車站列控中心；FPGA Field-Programmable Gate Array，即現場可編程門陣列；BTM =Balise Transmission Module，應答器傳輸單元；FSK =Frequency Shift Keying，移頻鍵控；信號信號常可表示為時間函數(或序列)，該函數的圖像稱為信號的波形；模擬信號時間和幅值均連續的信號稱為模擬信號；數位訊號時間和幅值均離散的信號，稱為數位訊號。下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於 本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬於本發明保護的範圍。傳統FSK預解調、鑑頻和解調方式由於大量採用模擬元器件而存在溫漂、可靠性 受限等缺點。有鑑於此，本發明提供了適於數字器件的移頻鍵控預解調、鑑頻及解調方法，以及 預解調器、鑑頻器和解調器。為便於描述，本發明將以2FSK信號的預解調、鑑頻和解調為例進行說明。參見圖1及背景技術中的描述可知，在一個碼率周期T內，2FSK信號對應的頻率為 固定數值，並且該頻率與基帶數位訊號的符號有固定的對應關係，因此，只要分別對每一碼 率周期內的2FSK信號進行預解調和鑑頻，再根據所鑑別出的載頻與二進位基帶信號的符 號的關係，就可對二進位基帶信號進行還原，以達到解調的目的。因此，如何實現對2FSK信 號的預解調成為關鍵。本發明的預解調原理/方法如下在一個T內，設2FSK信號經預處理後得到的待解調信號為X1 (t)，本地生成正弦信號為Xsin(t)，對二者進行積分處理得到的正弦解調積分信號為ysin(t)，則X1 (t)、xsin(t)和 ysin (t)可用公式1表示 設本地生成餘弦信號為Xcos⑴，餘弦解調積分信號為y。。s (t)，則x。。s (t)和y。。s (t) 可用公式2表示其中，A為2FSK信號的幅值，ω為信號角頻率，ρ為信號初始相位，腳標1表示輸 入，腳標sin表示本地生成正弦信號頻率，腳標cos表示本地生成餘弦信號頻率,Ii1和k2為 直流偏置因子。h和k2的取值可以相同，也可以不同，但均大於等於1。由上可知，Xl(t)、xsin(t)、x。。s(t)、ysin(t)禾Py。。s(t)均大於等於0。另外，需指出 的是，X1 (t)可視為對2FSK信號(Asin (2 JI lt+Pl))添加了直流分量Ak115以ysin(t)作為分析對象，將Xl(t)和xsin(t)代入可得公式3: 一般二進位碼率周期T遠大於本地生成正弦信號的周期，並且通常為其整數倍， 因此式3中sin (2 π ω ^+P1)和sin (2 π osint+psin)在周期T內的積分值為0。ysin(t)可化 為公式4: 同樣因為在周期T內包含多個載波周期，因此式4中cos (2 π t ( ω 1+ ω sin) +Pl_psin) 的積分值為0，ysin (t)可化為公式5 弓丨入本地生成餘弦信號x。。s(t) (xcos(t)的角頻率ω。。s與本地生成正弦信號Xsin⑴ 的角頻率《sin相等)，令其取代Xsin(t)進行上述式3至式4相同的計算步驟，可得出餘弦 解調積分信號y。。s(t)，ycos (t)可用公式6表示
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由於正、餘弦的取值範圍為[1，-1]，並且1^和1^均大於等於1，因此，ysin(t)和 y。。s(t)的取值不小於ATk^/2，大於0。對式5中的ysin(t)和式6中的y。。s(t)去掉直流分量ATk1Ic2可得到ysin『 (t)和
Ycos'⑴。ysin 『 (t)可用公式7表示 ycos 『 (t)可用公式8表示
( 8 )在式7和8中，若且唯若Co1 = Cosin= (0_時(即本地生成正弦信號和本地生成 餘弦信號的頻率與待解調信號對應的載頻相等時)，ysin' (t)與y。。s' (t)的絕對值可取 到最大。ysin' (t)可用公式9表示
(9)而y。。s' (t)可用公式10表示
(10)本領域技術人員可以理解的是，定積分的結果實際上為一具體數值，因此，在一個 T內，上述ysin(t)禾Py。。s(t)分別是一個具體的數值，同理，ysin『 (t)與y。。s' (t)本身也分 別是一個具體的數值。式9表明如果單使用一路待解調信號與本地生成正弦信號相乘，其結果將受P1與 Psin的相位差的影響，只有當P1 = Psin時，即本地生成正弦信號與待解調信號無相位差時， ysin' (t)的取值最大。同理，如果單使用一路待解調信號與本地生成餘弦信號相乘，其結 果也將受P1與P。。s的相位差的影響。使用ysin『 (t)和y。。s' (t)得到比較信號y (t)，y⑴可用公式11表示 公式11中，如果Psin = p。。s，則y(t)取到最大值i^T2，該數值與P1的取值無關，
從而不受P1與Psin的相位差或P1與？。。3的相位差的影響。由於xsin(t)和X。。s(t)信號皆為 本地生成，Psin = Pcos這一條件很容易達到。也即，本發明的預解調原理/方法中，並不要求 本地生成正弦信號以及本地生成餘弦信號的初始相位與待解調信號的初始相位相同，這與 傳統相干解調方式不同。可將上述本地生成餘弦信號和本地生成正弦信號統稱為本地生成信號。由於2FSK是利用二進位基帶數位訊號去鍵控兩種載波頻率(以第一載頻和第二載頻相稱)而成，在 鑑頻時，可利用頻率與第一載頻相同的本地生成信號進行公式1-11的運算以得到一個比 較信號，同時利用頻率與第二載頻相同的本地生成信號進行公式1-11的運算得到另一比 較信號。如前所述，若且唯若Q1 = Cosin= 時，ysin『 (t)與y。。s' (t)的絕對值可取到 最大，y(t)亦可取到最大值。因此，比較兩比較信號的大小，即可判定待解調信號在某一二 進位碼率周期內對應的載頻，從而達到鑑頻的目的，並進而根據鑑別出的載頻與二進位基 帶信號符號的對應關係最終實現對2FSK信號的解調。需要說明的是，上述介紹的雖然是2FSK信號的預解調、鑑頻及解調原理/方法，本 領域普通技術人員可以理解的是，上述預解調、鑑頻及解調原理/方法對於非二進位的多 進位FSK信號而言同樣適用。例如在對四進位FSK信號(以4FSK表示)進行鑑頻時，由 於用於調製4FSK信號的載波的頻率有4種(以ω 1(11至ω 1(14表示)，因此可將ω 101分別作 為xsin(t)和x。。s(t)的角頻率，進行式1至11的計算步驟，並最終得到其對應的比較信號 y1Q1(t)，同理將《1(12至《1(14分別作為Xsin(t)禾Px。。s(t)的角頻率代入公式1-11，並最終得 到各自對應的比較信號y1Q2(t)至y1Q4(t)，找出y1(ll(t) My104W中的最大值(即最大比較 信號)，該最大比較信號對應的Xsin(t)的頻率即為FSK信號對應的載頻，同樣可達到預解調 及鑑頻的作用，並進而可依據鑑頻結果進行解調。也即，本發明所提供的上述預解調、鑑頻 和解調原理/方法為FSK通用預解調、鑑頻和解調原理/方法。由上可見，本發明實施例所提供的預解調、鑑頻及解調原理/方法不易受到本地 生成信號初始相位的影響，對使用模擬器件的預解調器/鑑頻器/解調器和使用數字器件 的預解調器/鑑頻器/解調器均適用。對於使用數字器件的預解調器/鑑頻器/解調器而 言，由於公式6以前的運算均為非負運算，因此，本發明實施例所提供的預解調、鑑頻及解 調方法去除或減少了符號運算，並且無開平方、除法等複雜數學運算，適合數字器件對其進 行實施。下面將以使用數字器件的預解調器為應用場景，對預解調方法進行描述。在本實施例中，FSK預解調方法至少包括如下步驟步驟一、對FSK信號進行預處理得到待解調數位訊號，所述待解調數位訊號中的 數值為無符號數值；由於FSK信號為模擬信號，因此需要將FSK信號進行預處理，使之轉化為數字信 號。上述預處理可有多種實現方式，現舉兩種方式加以說明。方式一對FSK信號(Asin (2 π lt+Pl))疊加直流分量Ak1得到上述待解調信號 X1⑴，使X1⑴的最小值不小於0，即成為直流信號；對疊加直流分量Ak1後的FSK信號(即待解調信號)進行採樣得到待解調數字信 號。需要注意的是，上述A在FSK信號無直流分量時，與FSK信號的幅值相等，在FSK 信號本身已具有直流分量時，A等於FSK信號的最大值與最小值的差值的二分之一，但本領 域普通技術人員可以理解的是，幅值也是最大值與最小值的差值的二分之一。方式二，在FSK信號本身就具有直流分量，並且該直流分量遠大於FSK信號的最大 值與最小值的差值的二分之一的情況下，可先對FSK信號進行去直流分量處理，然後再疊 加符合需要的直流分量，比如A、l. 1A、1. 2A等，再進行採樣。
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無論採取何種方式，均要保證經預處理後的待解調數位訊號的頻率不發生變化， 而其採樣值均不小於零，即為無符號數值。步驟二、使用具有不同頻率的本地生成數位訊號分別對上述待解調數位訊號進行 預解調處理以得到多個比較信號，該本地生成數位訊號包括頻率和初始相位均相同的本地 生成正弦數位訊號和本地生成餘弦數位訊號，上述本地生成正弦數位訊號和本地生成餘弦 數位訊號中的數值均為無符號數值，並且，本地生成正弦數位訊號和本地生成餘弦數字信 號的頻率與基帶數位訊號鍵控的載頻一一對應；步驟二中的預解調處理包括在預定積分區間內對由所述本地生成正弦數位訊號與所述待解調數位訊號相乘 所得的信號進行積分處理，生成正弦解調積分信號ysin(t)，所述預定積分區間的上限與下 限的差值為T，所述T為基帶數位訊號的一個碼率周期；在上述預定積分區間內對由本地生成餘弦數位訊號與所述待解調數位訊號相乘 所得的信號進行積分處理，生成餘弦解調積分信號ycos(t)；利用上述ysin(t)和yc。s(t)得到比較信號y(t)；比較信號y(t)可通過由去掉直流分量的正弦解調積分信號經平方處理後，與去 掉直流分量的餘弦解調積分信號經平方處理後疊加而成。也可以其他方式獲得。在本發明其他實施例中，上述預解調方法在步驟一之前還可包括生成本地數字信 號的步驟。本地生成正弦數位訊號和餘弦數位訊號可經對上述Xsin(t)和x。。s(t)採樣而獲 得，其採樣頻率與待解調信號的採樣頻率相同。另外，由於數位訊號均由一系列離散數值組 成，因此，上述本地生成正弦數位訊號和餘弦數位訊號也可以是事先存儲的正弦值和餘弦 值。本發明以後的實施例將對此作出詳細介紹。與之相對應，本發明還提供了 FSK預解調器，圖2a示出了其一種結構，包括預處 理單元201和預解調單元202，其中，預處理單元201用於實施上述步驟一，預解調單元202 用於實施上述步驟二。需要說明的是，在步驟二後加入步驟三從多個比較信號中選出最大比較信號 (所述最大比較信號的數值大於其他比較信號的數值)，並根據上述最大比較信號所對應 的本地生成數位訊號的頻率得到FSK信號對應的載頻，則為FSK鑑頻方法。上述鑑頻方法， 也在本發明的保護範圍之列。與之相對應，本發明實施例還提供了 FSK鑑頻器，圖2b示出了上述鑑頻器100的 一種結構，包括預處理單元1和數字處理單元2，數字處理單元2又包括預解調單元21和判決單 元22，其中，預處理單元1用於實施上述步驟一，預解調單元21用於實施上述步驟二，而判 決單元22用於實施上述步驟三。在具體實現時，預處理單元1的功能可由前置處理單元和模數(AD)轉換單元加以 實現，其中，前置處理單元用於對FSK信號進行前置處理(例如放大、疊加直流分量等)以 獲得直流信號，AD轉換單元用於對該直流信號進行採樣，獲得待解調數位訊號。在本發明其他實施例中，上述預解調單元21或預解調單元202可包括多個預解調 子單元，其中任一預解調子單元所採用的本地生成正弦數位訊號的頻率不同於其他預解調子單元所採用的本地生成正弦數位訊號的頻率，並且與所述基帶數位訊號鍵控的某一載頻 相對應。也即預解調子單元的數量與基帶數位訊號的基數相同，每一預解調子單元最後輸 出一個比較信號。用於後續判決單元進行載頻判決。由於公式7和10中的ysin『⑴和(t)的取值範圍為[_1，1]，為進一步減 少數字器件的符號運算，在本發明其他實施例，可使用ysin(t)和y。。s(t)) (ysin(t)和y。。s(t) 均大於零)代替以上實施例中的ysin' (t)和y。。s' (t)進行預解調或鑑頻。由公式6、9和 11可得比較信號y(t)的另一表達式12 y(t) =ycos 『 2 (t)+ysin『 2(t) = [ycos(t)-AT^k2] 2+[ysin(t)-AT^k2]2(12)= ysin2 (t) +ycos2 (t) "2ATk1k2 [ysin (t) +ycos (t) ] +A2T2I^k22式12 中 ysin2(t)、ycos2(t) JATk1Ic2[ysin(t)+yc。s(t)]和 A2T\2k22 均大於等於 0，因 此，相對於使用ysin' (t)和y。。s' (t)進行運算而言，仍為無符號運算。由於在公式12中只有一次減法運算，可將減法運算放在最後執行，從而可確保運 算過程中全部為無符號運算，進而去除了符號運算對數字器件的性能要求，並降低了系統 的構建複雜度。參見圖3，在本發明其他實施例中，對應於公式12，步驟二中利用正弦解調積分信 號和餘弦解調積分信號得到比較信號的具體方式可為對上述正弦解調積分信號進行平方處理，得到第一平方信號ypl(t)；對上述餘弦解調積分信號進行平方處理，得到第二平方信號yp2(t)；將上述第一平方信號、第二平方信號和直流分量A2T2W進行疊加，得到第一疊 加信號yD1(t)；將由正弦解調積分信號ysin(t)和餘弦解調積分信號y。。s(t)疊加後所得的信號 yDffl(t)放大得到第二疊加信號yD2(t)，所述第二疊加信號的放大增益為2ATkik2 ；將yD1(t)與yD2(t)相減，得到比較信號y (t)。與之相應的，參見圖4，以上所有實施例中的任一預解調子單元包括生成正弦解 調積分信號ysin(t)的積分器201、生成餘弦解調積分信號y。。s(t)的積分器202和比較信號 生成器，比較信號生成器又包括第一疊加單元203、第二疊加單元204和減法器205，其中第一疊加單元203用於生成上述第一疊加信號yD1 (t)，第二疊加單元204用於生成 上述第二疊加信號yD2(t)，而減法器205用於將yD1(t)與yD2(t)相減，得到比較信號y (t)。上述所有實施例中的數字處理單元或預解調單元的功能具體可採用FPGA加以實 現。需要說明的，以上所有實施例中的鑑頻方法可用於FSK信號的解調過程中對載頻 的鑑定，在鑑定出一個碼率周期T內FSK信號對應的載頻後，還可通過如下步驟最終實現 FSK信號的解調步驟四、根據FSK信號對應的載頻與基帶數位訊號中符號的對應關係對所述基帶 數位訊號進行還原。相應的，上述所有實施例中的預解調器或鑑頻器也可用於FSK解調器中進行預解 調或載頻鑑定，圖5給出了 FSK解調器的一種結構，包括鑑頻器100和解碼單元200，鑑頻器 100包括預處理單元1和數字處理單元2，而數字處理單元2又包括預解調單元21和判決
13單元22，其中，預處理單元1用於實施上述步驟一，預解調單元21用於實施上述步驟二，判 決單元22用於實施上述步驟三，而解碼單元200用於實施上述步驟四。FSK信號具有抗幹擾能力強、傳輸距離遠等優點，鐵路系統也廣泛使用2FSK調製 方式來傳送各種控制信息。下面將以鐵路系統為應用場景對本發明的技術方案進行更為詳 細的介紹。在鐵路系統中，列控中心TCC系統的應答器系統的結構可參見圖6，主要包括地面 應答器61、車載天線62和BTM63，而BTM63主要又包括功放板631、接收板632和解碼控制 板633。其中車載天線62是一種雙工天線，能夠向地面應答器61發送27. 095MHz的能量信號， 並接收由地面應答器61返回的中心頻率為4. 234MHz的2FSK信號。地面應答器61發送的 2FSK信號採用的上邊頻的頻率為3. 951MHz，而下邊頻的頻率為4. 516Hz ；功放板631主要用於對車載天線62接收的2FSK信號進行放大並輸出；接收板632主要用於對經放大的FSK信號進行處理，並最終得到該2FSK信號的頻 率為上邊頻還是下邊頻的判決結果；解碼控制板633主要用於根據接收板632判定的2FSK對應的頻率與二進位基帶 數位訊號的關係，還原出上述二進位基帶信號。接收板632即為鑑頻器，而接收板632與解碼控制板633則組成了解調器。圖7-9示出了上述接收板的一種具體結構，包括AD採樣晶片71和FPGA晶片72。 其工作原理如下2FSK信號在輸入AD採樣晶片71前，已疊加直流分量成為直流信號。AD採樣晶片 71對上述直流信號處理後，生成8位(23)精度的二進位數值(即前述待解調數位訊號，在 本實施例中，也可稱其為2FSK數據)輸入FPGA晶片72，供後續算法運算使用。另外，AD採 樣晶片71受控於FPGA晶片72的本地發生器模塊，以達到協調運行的目的。本地頻率發生器模塊分為上邊頻頻率發生器模塊73和下邊頻頻率發生器模塊 74，分別根據2FSK信號的上、下邊頻頻率定時輸出以下信號AD採樣觸發信號；經過正餘弦 數據表生成的正弦、餘弦值(即前述本地生成正弦數位訊號和本地生成餘弦數位訊號)。上 邊頻頻率發生器模塊73同時負責輸出清零信號給上邊頻解調器模塊710以及下邊頻解調 器模塊711中的積分器。清零時間為預設的一位數據位傳送時間，即為二進位基帶信號一 個碼率周期。以564. 48Kbit/s為例，清零時間固定為1. 772 μ S。正餘弦數據表模塊75，用於存儲正餘弦數值。由於本發明所提供的鑑頻方法不受 正、本地生成餘弦數位訊號初始相位的影響，只要求兩信號初始相位相同，因此，正弦數值 的初始相位可以任意設置。在一個周期T內，頻率為上邊頻的正弦波的波數為8，而頻率為下邊頻的正弦波的 波數為7。對於上邊頻的正弦波，一個波形至少需要採樣4次，所以在一個周期T內，對2FSK 信號的最少採樣點數為32。對2FSK信號的採樣點數可用8Κ來表示，其中K大於等於4。因此，在使用具有上邊頻的正餘弦數值對2FSK數據進行預解調時，只需要4個正 弦數據和4個相應的餘弦數據即可，並且上述餘弦數據可通過與正弦數據的相應關係獲 得，也即只需要4個正弦數據即可。而頻率為下邊頻的正弦波由於在一個碼率周期T內具有7個波形，每一波形無法
14分配到固定的採樣點數，因此，在使用具有下邊頻的正餘弦數值對2FSK數據進行預解調 時，需要32個正弦數據。由於本發明提供的技術方案對初始相位不作要求，所以可以將正弦周期等分，每 隔固定角度取值一次。乘法器76可用於實現與上邊頻對應的正弦數值與2FSK數據的相乘，而乘法器77 則用於實現與上邊頻對應的餘弦數值與2FSK數據的相乘。同理，乘法器78和79分別用於 實現與下邊頻對應的正、餘弦數值與2FSK數據的相乘。上邊頻解調器模塊710，用於進行公式12的運算，其內部結構可參見圖8，包括第 一加法器81、第二加法器82、第一平方器83、第二平方器84、乘法器85、減法器86以及積分 器87和88。其中，積分器87用於對乘法器76的輸出結果進行積分，而積分器88用於對乘 法器77的輸出結果進行積分。下邊頻解調器模塊711，用於進行公式12的運算，其內部結構與上邊頻解調器模 塊710相類似。包括第三加法器91、第四加法器92、第三平方器93、第四平方器94、乘法器 95、減法器96、積分器97和98。其中，積分器97用於對乘法器78的輸出結果進行積分，而 積分器98用於對乘法器78的輸出結果進行積分。積分器87、88、97和98採用累加模式，在接收到清零信號後進行清零。判決解碼器模塊712，用於根據上邊頻解調器模塊710和下邊頻解調器模塊711輸 入數值大小決定輸出0、1代碼，同時匯聚一定位數的FSK解碼位數，一次性的通過數據I/O 口傳輸給後續CPU進行報文處理。一般使用為2位元組、16位數據I/O 口。本說明書中各個實施例採用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他 實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。對於實施例公開的裝置 而言，由於其與實施例公開的方法相對應，所以描述的比較簡單，相關之處參見方法部分說 明即可。專業人員還可以進一步意識到，結合本文中所公開的實施例描述的各示例的單元 及步驟，能夠以電子硬體、計算機軟體或者二者的結合來實現。為了清楚地說明硬體和軟體 的可互換性，在上述說明中已經按照功能一般性地描述了各示例的組成及步驟。這些功能 究竟以硬體還是軟體方式來執行，取決於技術方案的特定應用和設計約束條件。例如上述 乘法器、加法器的功能既可用集成數字乘法器、加法器加以實現，也可應用FPGA晶片等可 編程器件進行編程加以實現。專業技術人員可以對每個特定的應用來使用不同方法來實現 所描述的功能，但是這種實現不應認為超出本發明的範圍。本說明書中各個實施例採用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他 實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。對於實施例公開的系統 而言，由於其與實施例公開的方法相對應，所以描述的比較簡單，相關之處參見方法部分說 明即可。對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。 對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的 一般原理可以在不脫離本發明的精神或範圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明 將不會被限制於本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一 致的最寬的範圍。
權利要求
一種移頻鍵控FSK預解調方法，其特徵在於，包括對FSK信號進行預處理得到待解調數位訊號，所述待解調數位訊號中的數值為無符號數值；使用具有不同頻率的本地生成數位訊號分別對所述待解調數位訊號進行預解調處理以得到多個比較信號，所述本地生成數位訊號包括頻率和初始相位均相同的本地生成正弦數位訊號和本地生成餘弦數位訊號，所述本地生成正弦數位訊號和本地生成餘弦數位訊號中的數值均為無符號數值，並且，所述本地生成正弦數位訊號和本地生成餘弦數位訊號的頻率與所述基帶數位訊號鍵控的載頻一一對應；所述預解調處理包括在預定積分區間內對由所述本地生成正弦數位訊號與所述待解調數位訊號相乘所得的信號進行積分處理，生成正弦解調積分信號，所述預定積分區間的上限與下限的差值為T，所述T為基帶數位訊號的一個碼率周期；在所述預定積分區間內對由本地生成餘弦數位訊號與所述待解調數位訊號相乘所得的信號進行積分處理，生成餘弦解調積分信號；利用所述正弦解調積分信號和餘弦解調積分信號得到比較信號。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，對FSK信號進行預處理得到待解調數位訊號 的具體實現方式為對所述FSK信號疊加直流分量Ak1 ；對疊加直流分量Ak1後的FSK信號進行採樣得到待解調數位訊號。
3.如權利要求2所述的方法，其特徵在於，在對所述FSK信號進行預處理得到待解調數位訊號之前，還包括生成本地數位訊號。
4.如權利要求1-3任一項所述的方法，其特徵在於，所述利用所述正弦解調積分信號和餘弦解調積分信號得到比較信號的具體方式為 對所述正弦解調積分信號進行平方處理，得到第一平方信號； 對所述餘弦解調積分信號進行平方處理，得到第二平方信號； 將所述第一平方信號、所述第二平方信號和直流分量A2T2W進行疊加，得到第一疊 加信號，其中，A等於所述FSK信號最大值與最小值的差值的二分之一，Ic1和k2均不小於零， 並且Ak1等於所述待解調數位訊號的直流分量，k2等於所述本地生成正弦數位訊號的直流 分量；將由所述正弦解調積分信號和餘弦解調積分信號疊加後所得的信號進行放大得到第 二疊加信號，所述第二疊加信號的放大增益為2ATkik2 ；將所述第一疊加信號與第二疊加信號相減，得到所述比較信號。
5.如權利要求1-3任一項所述的方法，其特徵在於，所述利用所述正弦解調積分信號和餘弦解調積分信號得到比較信號的具體方式為 分別去除所述正弦解調積分信號和餘弦解調積分信號的直流分量； 分別對去掉直流分量的正弦解調積分信號和去掉直流分量的餘弦解調積分信號進行 平方處理；將經平方處理的兩信號進行疊加。
6.一種移頻鍵控FSK鑑頻方法，用於鑑別由基帶數位訊號鍵控載波頻率而生成的FSK信號所對應的載頻，其特徵在於，包括對所述FSK信號進行預處理得到待解調數位訊號，所述待解調數位訊號中的數值為無 符號數值；使用具有不同頻率的本地生成數位訊號分別對所述待解調數位訊號進行預解調處理 以得到多個比較信號，所述本地生成數位訊號包括頻率和初始相位均相同的本地生成正弦 數位訊號和本地生成餘弦數位訊號，所述本地生成正弦數位訊號和本地生成餘弦數位訊號 中的數值均為無符號數值，並且，所述本地生成正弦數位訊號和本地生成餘弦數位訊號的 頻率與所述基帶數位訊號鍵控的載頻一一對應；從所述多個比較信號中選出最大比較信號，並根據所述最大比較信號所對應的本地生 成數位訊號的頻率得到所述FSK信號對應的載頻； 所述預解調處理包括在預定積分區間內對由所述本地生成正弦數位訊號與所述待解調數位訊號相乘所得 的信號進行積分處理，生成正弦解調積分信號，所述預定積分區間的上限與下限的差值為 T，所述T為基帶數位訊號的一個碼率周期；在所述預定積分區間內對由本地生成餘弦數位訊號與所述待解調數位訊號相乘所得 的信號進行積分處理，生成餘弦解調積分信號；利用所述正弦解調積分信號和餘弦解調積分信號得到比較信號。
7.—種移頻鍵控FSK解調方法，用於對由基帶數位訊號鍵控載波頻率而生成的FSK信 號進行解調，其特徵在於，包括對所述FSK信號進行預處理得到待解調數位訊號，所述待解調數位訊號中的數值為無 符號數值；使用具有不同頻率的本地生成數位訊號分別對所述待解調數位訊號進行預解調處理 以得到多個比較信號，所述本地生成數位訊號包括頻率和初始相位均相同的本地生成正弦 數位訊號和本地生成餘弦數位訊號，所述本地生成正弦數位訊號和本地生成餘弦數位訊號 中的數值均為無符號數值，並且，所述本地生成正弦數位訊號和本地生成餘弦數位訊號的 頻率與所述基帶數位訊號鍵控的載頻一一對應；從所述多個比較信號中選出最大比較信號，並根據所述最大比較信號所對應的本地生 成數位訊號的頻率得到所述FSK信號對應的載頻；根據所述FSK信號對應的載頻與基帶數位訊號中符號的對應關係對所述基帶數字信 號進行還原；所述預解調處理包括在預定積分區間內對由所述本地生成正弦數位訊號與所述待解調數位訊號相乘所得 的信號進行積分處理，生成正弦解調積分信號，所述預定積分區間的上限與下限的差值為 T，所述T為基帶數位訊號的一個碼率周期；在所述預定積分區間內對由本地生成餘弦數位訊號與所述待解調數位訊號相乘所得 的信號進行積分處理，生成餘弦解調積分信號；利用所述正弦解調積分信號和餘弦解調積分信號得到比較信號。
8.—種移頻鍵控預解調器，其特徵在於，包括預處理單元和預解調單元，其中，預處理單元，用於對所述FSK信號進行預處理得到待解調數位訊號，所述待解調數位訊號中的數值為無符號數值；預解調單元，用於使用具有不同頻率的本地生成數位訊號分別對所述待解調數位訊號 進行預解調處理以得到多個比較信號，所述本地生成數位訊號包括頻率和初始相位均相同 的本地生成正弦數位訊號和本地生成餘弦數位訊號，所述本地生成正弦數位訊號和本地生 成餘弦數位訊號中的數值均為無符號數值，並且，所述本地生成正弦數位訊號和本地生成 餘弦數位訊號的頻率與所述基帶數位訊號鍵控的載頻一一對應；所述預解調處理包括在預定積分區間內對由所述本地生成正弦數位訊號與所述待解調數位訊號相乘所得 的信號進行積分處理，生成正弦解調積分信號，所述預定積分區間的上限與下限的差值為 T ；在所述預定積分區間內對由本地生成餘弦數位訊號與所述待解調數位訊號相乘所得 的信號進行積分處理，生成餘弦解調積分信號；利用所述正弦解調積分信號和餘弦解調積分信號得到比較信號。
9.如權利要求8所述的預解調器，其特徵在於，所述預解調單元包括多個預解調子單 元，其中任一預解調子單元所採用的本地生成正弦數位訊號的頻率不同於其他預解調子單 元所採用的本地生成正弦數位訊號的頻率，並且與所述基帶數位訊號鍵控的某一載頻相對 應；任一預解調子單元包括生成正弦解調積分信號的積分器、生成餘弦解調積分信號的積 分器和比較信號生成器，所述比較信號生成器包括第一疊加單元、第二疊加單元和減法器， 其中第一疊加單元，用於對所述正弦解調積分信號進行平方處理，得到第一平方信號，對所 述餘弦解調積分信號進行平方處理，得到第二平方信號，以及將所述第一平方信號、所述第 二平方信號和直流分量A2T2W進行疊加，得到第一疊加信號，其中，A等於所述FSK信號 最大值與最小值的差值的二分之一，h和k2均不小於零，並且Ak1等於所述待解調數位訊號 的直流分量，k2等於所述本地生成正弦數位訊號的直流分量；第二疊加單元，用於將由所述正弦解調積分信號和餘弦解調積分信號疊加後所得的信 號進行放大得到第二疊加信號，所述第二疊加信號的放大增益為2ATkik2 ；減法器，用於將所述第一疊加信號與第二疊加信號相減，得到所述比較信號。
10.如權利要求9所述的預解調器，其特徵在於，所述預解調單元具體為現場可編程門 陣列。
11.一種移頻鍵控鑑頻器，其特徵在於，包括判決單元以及如權利要求8-10任一項所 述的預解調器，所述判決單元用於從所述多個比較信號中選出最大比較信號，並根據所述 最大比較信號所對應的本地生成數位訊號的頻率得到所述FSK信號對應的載頻。
12.一種移頻鍵控解調器，其特徵在於，包括解碼單元以及如權利要求11所述的鑑頻 器，所述解碼單元用於根據所述FSK信號對應的載頻與基帶數位訊號中符號的對應關係對 所述基帶數位訊號進行還原。
全文摘要
本發明實施例公開了適於數字器件的移頻鍵控預解調、鑑頻和解調方法，以及實施上述預解調的預解調器、實施上述鑑頻方法的鑑頻器和實施上述解調方法的解調器。上述預解調方法包括對FSK信號進行預處理得到待解調數位訊號，所述待解調數位訊號中的數值為無符號數值；使用具有不同頻率的本地生成數位訊號分別對所述待解調數位訊號進行預解調處理以得到多個比較信號，所述本地生成正弦數位訊號和本地生成餘弦數位訊號中的數值均為無符號數值。可見，由於本地生成數位訊號和待解調數位訊號中的數值均為無符號數值，因此其相互間運算均為無符號運算，適於使用數字器件加以實現。
文檔編號H04L27/14GK101917372SQ20101025965
公開日2010年12月15日 申請日期2010年8月20日 優先權日2010年8月20日
發明者劉建章, 劉釗江, 徐笑然 申請人:北京全路通信信號研究設計院