CN101483624B - Msk差分检测解调电路中频率漂移补偿装置及补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种MSK差分检测解调电路中频率漂移补偿装置及补偿方法，属通信***频率漂移补偿领域。本发明所述装置包括累加器、时序控制器、常数除法器、常数减法器、偏移量寄存器和减法器。本发明所述方法首先检测出接收信号相对于载波的附加相位，然后把附加相位延迟一个码元周期得到延迟附加相位，然后用附加相位减去延迟附加相位得到差分相位，通过累加差分相位并对其求均值得到差分相位偏移量，然后用差分相位减去差分相位偏移量来完成频率漂移补偿。本发明结构简单，简化了频率漂移补偿装置。

Description

MSK差分检测解调电路中频率漂移补偿装置及补偿方法

技术领域

本发明涉及一种MSK差分检测解调电路中频率漂移补偿装置及补偿方法，属于通信***中对接收信号的频率漂移补偿领域。

背景技术

IEEE802.15.4标准定义了低速无线个人域网络(LR-WPAN)的物理层和媒体接入控制层两个规范。IEEE 802.15.4低速率、低功耗和短距离传输的特点使它适合应用于无线传感器网络领域。IEEE 802.15.4物理层规定了两个频段，即2.4GHz频段和868/915MHz频段。在全球通用的2.4GHz频段，规范规定了采用O-QPSK调制方案和直序扩频技术。

因为IEEE802.15.4标准采用的O-QPSK调制方案是带半正弦波脉冲整形的O-QPSK调制方案，所以这种调制方案等价于最小频移键控(MSK)调制，可以采用MSK差分检测解调的方法及一定的编码处理实现对IEEE802.15.4已调信号的解调。

频率漂移是由于发射机与接收机的本地振荡器(LO)无法达到理想标称频率而使接收机下变频得到的信号中心频率落在预期频率之外的频率处。频率漂移严重影响解调性能，因此需要对其进行补偿。

频率漂移补偿通常需要两个步骤：首先，要估计接收信号的中心频率。要估计接收信号的中心频率需要频率估计器，如Kay频率估计器和Meyr频率估计器，它们都需要进行复数乘法、鉴相和累加等操作。估计出接收信号的中心频率后，需要跟预期频率进行比较，然后根据这个差值去调整本地振荡器的频率或对矢量信号进行旋转使其回到没有频率漂移的位置。要调整本地振荡器的频率需要用直接数字式频率合成器(DDS)来产生频率可调的本地载波，要进行矢量旋转则需要进行复数乘法操作或用CORDIC算法实现。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术存在的缺陷提出一种MSK差分检测解调电路中频率漂移补偿装置及补偿方法。

本发明MSK差分检测解调电路中频率漂移补偿装置，其特征在于包括累加器、时序控制器、常数除法器、常数减法器、偏移量寄存器和减法器，其中时序控制器的异步复位端分别与累加器的异步复位端、偏移量寄存器的异步复位端连接，时序控制器的时钟信号端分别与累加器的时钟信号端、偏移量寄存器的时钟信号端连接，时序控制器的累加使能信号端接累加器的使能输入端，时序控制器的锁存信号端接偏移量寄存器的使能输入端，累加器的数据输入端与接减法器的数据正输入端连接，累加器的输出端串接常数除法器后接常数减法器的正输入端，常数减法器的输出端串接偏移量寄存器后接减法器的数据负输入端。

所述的MSK差分检测解调电路中频率漂移补偿装置的补偿方法，其特征在于包括如下步骤：

a.)当使能信号in_enable为高电平时所述频率漂移补偿装置启动；

b.)当启动信号in_fcomp_on为高电平，时序控制器累加信号端输出高电平累加信号add_en；

c.)累加器接收差分相位in_data和步骤b所述的高电平累加信号add_en并累加差分相位in_data，同时时序控制器中的计数器开始计数；

d.)当步骤c所述的时序控制器中的计数器计数到预定的数值，计数器停止计数，时序控制器控制累加信号端输出低电平累加信号add_en，累加器接收低电平累加信号add_en停止累加差分相位并输出差分相位和，同时时序控制器锁存信号端输出锁存脉冲信号latch_en；

e.)将步骤d所述的差分相位和经过常数除法器得到差分相位平均值；

f.)将步骤e所述的差分相位平均值与无频率漂移无噪声影响的前导码差分相位标准均值经过常数减法器得到差分相位的偏移量；

g.)采用偏移量寄存器接收步骤f输出的差分相位的偏移量，当步骤b所述的锁存信号latch_en为高电平时，则将差分相位的偏移量经过偏移量寄存器输出至减法器；

h.)采用减法器接收到的差分相位in_data减去步骤g所述的偏移量寄存器输出的差分相位的偏移量得到补偿差分相位out_data。

本发明利用了MSK差分检测解调方法的特点，简化了频率漂移补偿装置，省去了频率估计装置，仅需要一个累加器、一个减法器和一些简单的控制逻辑就能实现频率漂移补偿。常数减法器和常数除法器都可以通过简单的逻辑电路实现，非常节省硬件资源。

附图说明

图1是本发明频率补偿器的结构示意图；

图2是本发明频率补偿方法的流程图。

具体实施方式

如图1所示。本发明MSK差分检测解调电路中频率漂移补偿装置，其特征在于包括累加器、时序控制器、常数除法器、常数减法器、偏移量寄存器和减法器，其中时序控制器的异步复位端分别与累加器的异步复位端、偏移量寄存器的异步复位端连接，时序控制器的时钟信号端分别与累加器的时钟信号端、偏移量寄存器的时钟信号端连接，时序控制器的累加使能信号端接累加器的使能输入端，时序控制器的锁存信号端接偏移量寄存器的使能输入端，累加器的数据输入端与接减法器的数据正输入端、本装置的数据输入端连接，累加器的输出端串接常数除法器后接常数减法器的正输入端，常数减法器的输出端串接偏移量寄存器后接减法器的数据负输入端。

所述的MSK差分检测解调电路中频率漂移补偿装置的补偿方法，其特征在于包括如下步骤：

a.)当使能信号in_enable为高电平时所述频率漂移补偿装置启动；

b.)当启动信号in_fcomp_on为高电平，时序控制器累加信号端输出高电平累加信号add_en；

c.)累加器接收差分相位in_data和步骤b所述的高电平累加信号add_en并累加差分相位in_data，同时时序控制器中的计数器开始计数；

d.)当步骤c所述的时序控制器中的计数器计数到预定的数值，计数器停止计数，时序控制器控制累加信号端输出低电平累加信号add_en，累加器接收低电平累加信号add_en停止累加差分相位并输出差分相位和，同时时序控制器锁存信号端输出锁存脉冲信号latch_en；

e.)将步骤d所述的差分相位和经过常数除法器得到差分相位平均值；

f.)将步骤e所述的差分相位平均值与无频率漂移无噪声影响的前导码差分相位标准均值经过常数减法器得到差分相位的偏移量；

g.)采用偏移量寄存器接收步骤f输出的差分相位的偏移量，当步骤b所述的锁存信号latch_en为高电平时，则将差分相位的偏移量经过偏移量寄存器输出至减法器；

h.)采用减法器接收到的差分相位in_data减去步骤g所述的偏移量寄存器输出的差分相位的偏移量得到补偿差分相位out_data。

IEEE 802.15.4 O-QPSK基带信号可以表示为：

X(t)＝I(t)+jQ(t)，其中I(t)、Q(t)是经过半正弦波脉冲整形的基带信号，j为虚部符号，t为表示周期时间；

信号幅度设为1，已调信号可以表示为：

s(t)＝I(t)cos(2πf_ct)-Q(t)sin(2πf_ct)

令arg(X(t))＝θ(t)则

I(t)＝cosθ(t)，Q(t)＝sinθ(t)

s(t)＝cosθ(t)cos(2πf_ct)-sinθ(t)sin(2πf_ct)

＝cos(2πf_ct+θ(t))

且 $\mathrm{\θ}\left(t\right)=\arctan \left(\frac{Q\left(t\right)}{I\left(t\right)}\right)=\arctan \left(\frac{\sin \mathrm{\θ}\left(t\right)}{\cos \mathrm{\θ}\left(t\right)}\right)$

如图2所示。附加相位θ(t)包含了基带信号的信息，MSK差分检测解调方法就是从接收信号中提取θ(t)来实现解调的。其过程如下：首先检测出接收信号相对于载波的附加相位θ(t)，然后把θ(t)延迟一个码元周期T得到θ(t-T)，然后用θ(t)减去θ(t-T)得到差分相位θ(t)-θ(t-T)，通过判决差分相位θ(t)-θ(t-T)的符号可以得到解调数据。

当存在频率漂移，接收信号可以表示为：

r(t)＝cos(2πf_ct+θ(t)+Δωt)

＝cos(θ(t)+Δωt)·cos(2πf_ct)-sin(θ(t)+Δωt)·sin(2πf_ct)

其中Δω是角频率漂移量；

令I(t)＝cos(θ(t)+Δωt)，Q(t)＝sin(θ(t)+Δωt)得：

r(t)＝I(t)cos(2πf_ct)-Q(t)sin(2πf_ct)

于是接收端检测到的附加相位应为：

${\mathrm{\θ}}^{\′}\left(t\right)=\arctan \left(\frac{Q\left(t\right)}{I\left(t\right)}\right)=\arctan \left(\frac{\sin (\mathrm{\θ}\left(t\right)+\mathrm{\Δ\ωt})}{\cos (\mathrm{\θ}\left(t\right)+\mathrm{\Δ\ωt})}\right)=\mathrm{\θ}\left(t\right)+\mathrm{\Δ\ωt}$

因此有：θ′(t)-θ′(t-T)＝(θ(t)+Δωt)-(θ(t-T)+Δω(t-T))＝θ(t)-θ(t-T)+ΔωT

从上面的分析可以发现频率漂移对MSK差分检测解调的影响是使差分相位θ(t)-θ(t-T)向上或向下平移ΔωT相位。IEEE 802.15.4物理层协议数据单元(PHY protocoldata unit，PPDU)有8个symbol 0作为前导码，使用前面几个symbol 0来完成能量检测和AGC等，剩余的前导码时间里计算N(N为小于8的正整数)个symbol时间的差分相位的均值，然后用这个均值减去没有频率漂移时这些前导码的差分相位均值，就可以求得ΔωT，然后令往后有用数据的差分相位θ′(t)-θ′(t-T)都减去ΔωT相位，就可以得到经过补偿后的差分相位，从而补偿了频率漂移引起的差分相位偏移，整个流程如图2所示。实现此流程的装置，即频率补偿器如图1所示。in_resetn是低电平有效的异步复位信号，in_clk是时钟信号，in_enable是频率漂移补偿器的使能信号，当in_enable为高电平时频率漂移补偿器正常工作，否则不工作。in_fcomp_on是频率漂移补偿的启动信号，当in_fcomp_on为高电平，时序控制器控制add_en信号置高，累加器开始累加差分相位in_data，时序控制器里的计数器同时开始计数，当计数器计数到预定的数值，计数器停止计数，时序控制器控制add_en置低，累加器停止累加差分相位。累加器输出的结果就是累加了N个symbol时间的前导码差分相位的和，这个结果被送到常数除法器，常数除法器将累加器的输出结果除以累加次数得到前导码差分相位的平均值，这个平均值被送到常数减法器，常数减法器将这个平均值减去无频率漂移无噪声影响的前导码差分相位标准均值，得到接收信号差分相位的偏移量。这个偏移量被送到偏移量寄存器，当latch_en信号为高时，偏移量寄存器锁存输入的偏移量用以对以后到达的差分相位进行补偿，这个补偿过程是通过减法器把in_data减去偏移量寄存器的输出得到out_data实现的。latch_en信号由时序控制器控制。

Claims (2)

1.一种MSK差分检测解调电路中频率漂移补偿装置，其特征在于包括累加器、时序控制器、常数除法器、常数减法器、偏移量寄存器和减法器，其中时序控制器的异步复位端分别与累加器的异步复位端、偏移量寄存器的异步复位端连接，时序控制器的时钟信号端分别与累加器的时钟信号端、偏移量寄存器的时钟信号端连接，时序控制器的累加使能信号端接累加器的使能输入端，时序控制器的锁存信号端接偏移量寄存器的使能输入端，累加器的数据输入端与接减法器的数据正输入端连接，累加器的输出端串接常数除法器后接常数减法器的正输入端，常数减法器的输出端串接偏移量寄存器后接减法器的数据负输入端；in_resetn是低电平有效的异步复位信号，in_clk是时钟信号，in_enable是频率漂移补偿器的使能信号，当in_enable为高电平时频率漂移补偿器正常工作，否则不工作；in_fcomp_on是频率漂移补偿的启动信号，当in_fcomp_on为高电平，时序控制器控制add_en信号置高，累加器开始累加差分相位in_data，时序控制器里的计数器同时开始计数，当计数器计数到预定的数值，计数器停止计数，时序控制器控制add_en置低，累加器停止累加差分相位；累加器输出的结果就是累加了N个symbol时间的前导码差分相位的和，这个结果被送到常数除法器，常数除法器将累加器的输出结果除以累加次数得到前导码差分相位的平均值，这个平均值被送到常数减法器，常数减法器将这个平均值减去无频率漂移无噪声影响的前导码差分相位标准均值，得到接收信号差分相位的偏移量；这个偏移量被送到偏移量寄存器，当latch_en信号为高时，偏移量寄存器锁存输入的偏移量用以对以后到达的差分相位进行补偿，这个补偿过程是通过减法器把in_data减去偏移量寄存器的输出得到out_data实现的；latch_en信号由时序控制器控制，其中MSK表示最小移频键控。

2.一种基于权利要求1所述的MSK差分检测解调电路中频率漂移补偿装置的补偿方法，其特征在于包括如下步骤：

a.)当使能信号in_enable为高电平时所述频率漂移补偿装置启动；

b.)当启动信号in_fcomp_on为高电平，时序控制器累加信号端输出高电平累加信号add_en；

c.)累加器接收差分相位in_data和步骤b所述的高电平累加信号add_en并累加差分相位in_data，同时时序控制器中的计数器开始计数；

d.)当步骤c所述的时序控制器中的计数器计数到预定的数值，计数器停止计数，时序控制器控制累加信号端输出低电平累加信号add_en，累加器接收低电平累加信号add_en停止累加差分相位并输出差分相位和，同时时序控制器锁存信号端输出锁存脉冲信号 latch_en；

e.)将步骤d所述的差分相位和经过常数除法器得到差分相位平均值；

f.)将步骤e所述的差分相位平均值与无频率漂移无噪声影响的前导码差分相位标准均值经过常数减法器得到差分相位的偏移量；

g.)采用偏移量寄存器接收步骤f输出的差分相位的偏移量，当步骤b所述的锁存信号latch_en为高电平时，则将差分相位的偏移量经过偏移量寄存器输出至减法器；

h.)采用减法器接收到的差分相位in_data减去步骤g所述的偏移量寄存器输出的差分相位的偏移量得到补偿差分相位out_data，其中MSK表示最小移频键控。 

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