阅读说明：本技术 一种基于延时自采样的fsk解调方法及系统 (FSK demodulation method and system based on time delay self-sampling ) 是由 眭志凌 彭习武 高春雪 于 2020-06-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于延时自采样的FSK解调方法,包括采用过零检测将FSK调制信号转化为方波信号；利用方波信号的延时采样自身,获得基带信号。同时公开了相应的系统。本发明利用延时采样方波信号自身获得基带信号,方法简单易于实现。(The invention discloses an FSK demodulation method based on time delay self-sampling, which comprises the steps of converting an FSK modulation signal into a square wave signal by adopting zero-crossing detection; and (3) obtaining a baseband signal by utilizing the delayed sampling of the square wave signal. A corresponding system is also disclosed. The invention obtains the baseband signal by using the time-delay sampling square wave signal, and the method is simple and easy to realize.)

一种基于延时自采样的FSK解调方法及系统

技术领域

本发明涉及一种基于延时自采样的FSK解调方法及系统，属于FSK数字解调领域。

背景技术

FSK（Frequency shift keying）频移键控是通信领域中使用得较早的一种调制方式，它的主要优点是实现简单，抗噪声与抗衰减的性能较好，在中低速数据传输中得到了广泛应用，其原理是用载波的频率来传送数字信息，即用所传送的数字信息控制载波的频率。例如2FSK发射端便是用符号“0”对应于频率f1的载波，而符号“1”对应于频率f2的载波，用频率的变化调制载波来表征被传基带信息。在接收端，接受机需要从调制信号中恢复出基带信号，又称解调。FSK的解调方法主要有很多，相干解调、滤波非相干解调以及正交相乘非相干解调，这些FSK解调方法均比较复杂。

发明内容

本发明提供了一种基于延时自采样的FSK解调方法及系统，解决了背景技术中披露的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于延时自采样的FSK解调方法，包括，

采用过零检测将FSK调制信号转化为方波信号；

利用方波信号的延时采样自身，获得基带信号。

响应于FSK系统载波信号频率与系带信号频率之比大于阈值，对方波信号进行分频，利用分频后的方波信号延时采样自身，获得基带信号。

响应于FSK系统存在频偏，利用方波信号的延时采样自身，若采样数据均值不等于至协议中基带数据均值，根据采样数据均值与协议中基带数据均值的差值调整延时，进行重采样，反复迭代后直到采样数据均值收敛至协议中基带数据均值，延时对应采样数据为基带信号。

响应于FSK系统载波信号频率与系带信号频率之比大于阈值且FSK系统存在频偏，对方波信号进行分频，利用分频后的方波信号延时采样自身，若采样数据均值不等于协议中基带数据均值，根据采样数据均值与协议中基带数据均值的差值调整延时，进行重采样，反复迭代后直到采样数据均值收敛至协议中基带数据均值，延时对应采样数据为基带信号。

利用延时采样自身，判断均值是否收敛至协议中基带数据均值，具体过程为，

以延时对应采样点中心，前后等距增加若干采样点，对方波信号进行采样；

将所有采样数据均值相加后求总均值；

根据总均值与协议中基带数据均值的差值，判断均值是否收敛至协议中基带数据均值。

一种基于延时自采样的FSK解调系统，包括，

过零检测模块：采用过零检测将FSK调制信号转化为方波信号；

延时采样模块：利用方波信号的延时采样自身，获得基带信号。

响应于FSK系统载波信号频率与系带信号频率之比大于阈值，所述系统还包括分频模块；

分频模块：对方波信号进行分频，将分频后的方波信号发送给延时采样模块。

响应于FSK系统存在频偏，延时采样模块包括延时模块、采样模块和检测模块；

采样模块：利用方波信号的延时采样方波信号自身；

检测模块：若采样数据均值不等于至协议中基带数据均值，根据采样数据均值与协议中基带数据均值的差值获得延时调整信号，将延时调整信号发送至延时模块；若采样数据均值等于协议中基带数据均值，不动作；

延时模块：根据延时调整信号，调整延时，转至采样模块。

响应于FSK系统载波信号频率与系带信号频率之比大于阈值且FSK系统存在频偏，所述系统还包括分频模块；

分频模块：对方波信号进行分频，将分频后的方波信号发送给延时采样模块；

延时采样模块包括延时模块、采样模块和检测模块；

采样模块：利用分频后方波信号延时采样分频后方波信号自身；

检测模块：若采样数据均值不等于协议中基带数据均值，根据采样数据均值与协议中基带数据均值的差值获得延时调整信号，将延时调整信号发送至延时模块；若采样数据均值等于协议中基带数据均值，不动作；

延时模块：根据延时调整信号，调整延时，转至采样模块。

延时模块以延时对应采样点中心，前后等距增加若干采样点，将所有采样点发送给采样模块；

检测模块将所有采样数据均值相加后求总均值，根据总均值与协议中基带数据均值的差值，判断均值是否收敛至协议中基带数据均值。

本发明所达到的有益效果：1、本发明利用延时采样方波信号自身获得基带信号，方法简单易于实现；2、本发明在采样之前进行分频，降低对采样率的要求，减少功耗；3、本发明通过采样数据均值调整延时，使方法适用于存在频偏的通信系统；4、本发明增设多个采样点，基于所有采样数据的均值调整延时，使延时后的采样点处在调制上下边频信号跳变沿的中间位置，保证采样数据的可靠。

附图说明

图1为2FSK载波信号波形；

图2为2FSK载波信号波形及实际有效采样区间；

图3为2FSK二分频载波信号波形及实际有效采样区间；

图4为2FSK调制载波信号正负频偏波形及采样区间；

图5为2FSK调制载波信号正负频偏波形及采样状态；

图6为2FSK调制载波信号延时采样的输出概率分布；

图7为优化后的多点延时采样反馈环路概率分布；

图8为系统框图；

图9为优化后的多点延时采样反馈环路。

具体实施方式

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。

实施例1

图1所示为2FSK调制中用来表征基带信号0/1的两个载波通过过零检测转化为方波的波形f0和f1，其周期分别为t0和t1。如图可见，以任意一个波形的上升沿为起点，延时T(t1<T<t0) 时刻，f0和f1的状态都是不一样的。基于这样的特点，可以得出结论，只要对接收到的2FSK信号延时N个系统工作时钟周期t，使得t1<N*t<t0，即落在图1所示的有效采样区间内，并用该延时信号作为采样时钟，原2FSK信号作为被采样信号，就可以以极低的开销解调出基带信号。

基于上述分析，可获得基于延时自采样的FSK解调方法，包括，

步骤1，采用过零检测将FSK调制信号转化为方波信号。

步骤2，利用方波信号的延时采样自身，获得基带信号。

上述方法利用延时采样方波信号自身获得基带信号，方法简单易于实现。

实施例2

图1所阐释的2FSK解调原理工作的一个前提是，系统的采样率和工作频率要足够高。现实的工程应用，设计人员必须需要面对硬件开销和功耗等指标的要求，因此需要尽量降低系统工作频率。假设系统采样和工作频率为f，周期为t，则图1中的方波信号周期t0和t1就被引入了一个±t/2的随机jitter（灰色区间）。这就等于将图1所示的有效采样区间（t0-t1）压缩到图2所示的实际有效区间（t0-t1-t）。为了确保至少有一个延时采样沿落在该区间内，我们可以得到如下关系：

t < (t0 - t1 - t) 1-1

即：

t < (t0 - t1)/2 1-2

换算成频率即：

f > 2*f0*f1/(f1-f0) ≈ 2*fs2/△fs 1-3

其中，fs为调制载波中心频率，△fs为调制载波的频率间隔。

由式1-3可以看出，系统的工作频率主要受限于调制载波中心频率fs和调制载波频率间隔△fs。要降低系统采样和工作频率，就必须降低调制载波中心频率fs。

同样，从式1-2可以看出，要扩大系统的工作周期，就必须扩大两个调制载波信号的周期。

由以上推断不难想到，要达到降低系统采样和工作频率最简便的办法就是分频FSK调制方波信号后再做延时自采样。

分频坏处是让解析出来的编码边界模糊，增加数据jitter，分频比越高，边界越模糊， jitter越大。因此对于一些调制比（载波频率/基带数据频率）大于阈值（即较大）的FSK通信系统，可以通过分频来降低系统采样率，因为由此引入的数据jitter相对于其基带数据周期小，所以影响不大，而对于调制比小的通信系统，引入分频会导致误码率升高。

图3给出了2分频后的波形，从图3可以更直观的看出，二分频后的波形上升沿之间的间隔更大，因此，在同样满足式1-2的前提下，可以允许降低系统采样和工作频率而引入的更大的jitter。

基于上述分析，可获得基于延时自采样的FSK解调方法，包括，

步骤1，采用过零检测将FSK调制信号转化为方波信号。

步骤2，响应于FSK系统载波信号频率与系带信号频率之比大于阈值，对方波信号进行分频，利用分频后的方波信号延时采样自身，获得基带信号。

上述方法利用延时采样方波信号自身获得基带信号，方法简单易于实现，同时采样之前进行分频，降低对采样率的要求，减少功耗。

实施例3

系统正确解调FSK的一个前提是延时后的调制载波信号上升沿必须落在实际有效采样区间内，数字电路对信号的延时是通过级联的D触发器实现，因此当确定调制载波信号的频率后，就可以通过式1-4计算出级联触发器的长度N使，

t1 + t/2 < N*t < t0 - t/2 1-4

然而所有的通信收发系统中都存在一定的载波频偏，当频偏过大时，事先计算好的1-4式就可能不再成立，出现图4所示的情况。其中f0/f1为无频偏调制载波波形，f0-/f1-为存在负频偏的调制载波波形。此时，因为实际载波频率偏小，周期变长，带有频偏的调制载波有效采样区间延后了，而根据理想调制载波频率计算出的延时采样点不在频偏后的有效采样区间内，该采样点处的f0-、f1-频偏调制载波信号状态一致，也就无法通过延时采样区分两种频率了。因此，动态的调整采样延时，使采样点能够跟随频率的偏移就显得至关重要。

为了便于分析，在图5同时给出了正负两种频偏的波形。当调制载波出现正频偏时，即图5中 f0+/f1+所示，周期变小（变化小于33%），当调制载波出现负频偏时，即图5中f0-/f1-所示，周期变大（变化小于50%），此时根据理想载波频率计算的采样点为中间虚线位置。不难发现，在计算采样点时刻，f0+/f1+的状态都是高电平，此时延时采样输出会持续出现1，而f0-/f1-的状态都是低电平，此时延时采样输出会持续出现0。由此可知，当调制载波发生较大频偏导致计算采样点没有落在实际的有效采样区间内时，采样输出虽然不能解调出基带信号，但却可以用来表征载波频偏的方向。因此只需要依据采样输出来调整采样点，就可以让采样点靠近实际有效采样区间。

为了进一部分析，下面不再区分正负频偏，而是把正频偏定义为理想计算延时偏大，延时采样点落在实际有效采样区间右侧；把负频偏定义为理想计算延时偏小，延时采样点落在实际有效采样全歼左侧。如图6所示，假设初始的计算延时偏大，此时我们得到的采样持续输出1，根据以上推断，据此逐渐减少延迟，此时，延时对应采样点会进入f0的上升沿jitter抖动区域，该区域内f0的上升沿出现的概率呈正太分布，如果f0的上升沿出现在延时对应采样点的左侧，则采样输出1，如果f0的上升沿出现在延时对应采样点的右侧，则采样输出0。由此可知，延时对应采样点进入f0的上升沿jitter抖动区域后，采样输出1的概率p1对应于延时对应采样点在有效采样区间附件的位置就会呈的正太分布的积分，同样的情况也适用于f1的上升沿。据此，可以绘出延时采样输出1 的概率分布，如图6中p1所示，当计算延时采样点偏左时，采样输出1的概率为0，当理延时对应采样点偏右时，采样输出1的概率为1，而当理延时对应采样点落在实际有效采样区间时，采样输出已经是正常的基带信号，其出现1的概率也自然等于基带数据中用f1表征的符号出现的概率。

综合以上分析，可以推断，只需要对延时采样输出做均值运算，就可以根据其输出均值确定延时对应采样点相对实际有效采样区间的位置，并根据该结果调整延时，将延时对应采样点锁定在接收到的带有频偏的调制载波信号的实际有效采样区间内。

基于上述分析，可获得基于延时自采样的FSK解调方法，包括，

步骤1，采用过零检测将FSK调制信号转化为方波信号。

步骤2，响应于FSK系统存在频偏，利用方波信号的延时采样自身，若采样数据均值不收等于协议中基带数据均值，根据采样数据均值与协议中基带数据均值的差值调整延时，进行重采样，反复迭代后直到采样数据均值收敛至协议中基带数据均值，延时对应采样数据为基带信号。

上述方法利用延时采样方波信号自身获得基带信号，方法简单易于实现，同时通过采样数据均值调整延时，使方法适用于存在频偏的通信系统。

实施例4

基于实施例2和3的分析，若FSK系统载波信号频率与系带信号频率之比大于阈值且FSK系统存在频偏，则基于延时自采样的FSK解调方法，包括，

步骤1，采用过零检测将FSK调制信号转化为方波信号。

步骤2，响应于FSK系统载波信号频率与系带信号频率之比大于阈值且FSK系统存在频偏，对方波信号进行分频，利用分频后的方波信号延时采样自身，若采样数据均值不等于协议中基带数据均值，根据采样数据均值与协议中基带数据均值的差值调整延时，进行重采样，反复迭代后直到采样数据均值收敛至协议中基带数据均值，延时对应采样数据为基带信号。

上述方法利用延时采样方波信号自身获得基带信号，方法简单易于实现，同时采样之前进行分频，降低对采样率的要求，减少功耗，并且通过采样数据均值调整延时，使方法适用于存在频偏的通信系统。

实施例5

图6所示的通过概率分布进行频率检测的方案还有一个缺陷，就是整个有效采样区间内概率分布平坦。这就造成系统无法确定延时采样点在有效采样区间内的相对位置。并且延时动态地调整，在有效采样区间内的延时采样点极有可能因为基带数据的均值波动，而靠近两侧的数据边沿抖动区域而输出误码。因此需要对数据进行处理使其在有效采样区间内产生概率坡度，这样才可以将延时采样点尽可能的锁定在有效采样区间的中心位置，远离两侧的数据边沿抖动区域。

基于这样的思路，增设多个采样点，即以延时对应采样点中心，前后增加若干采样点，假设延时对应采样点为Dn，增加数个延时采样点Dn-1、Dn-2、Dn+1、Dn+2，如图7中的p1-5所示，各采样点间隔一个（可多个）系统工作时钟，他们的和的概率分布等效于将各自的概率分布曲线叠加，得到的求和概率分布如图7中p_sum所示，可以发现，最佳采样点对应的求和均值等于5*p1，p1为基带信号中用f1表征的符号概率。

在许多0均值的通信编码系统中，可以通过将采样输出0映射为-1，这样最佳采样点对应的求和均值就正好为0；也可根据需求，选择不同的采样点数参与求和积分运算，更多的采样点概率叠加，可以在最佳采样点位置获得更大的斜率，更有利于系统中心延时采样点稳定在有效采样区间的中心位置。

基于上述分析，可获得基于延时自采样的FSK解调方法，包括，

步骤1，采用过零检测将FSK调制信号转化为方波信号。

步骤2，响应于FSK系统存在频偏，以方波信号的延时对应采样点中心，前后等距增加若干采样点，对方波信号进行采样，将所有采样数据均值相加后求总均值，若总均值不等于协议中基带数据均值，根据总均值与协议中基带数据均值的差值调整延时，进行重采样，反复迭代后直到总均值收敛至协议中基带数据均值，延时对应采样数据为基带信号。

实施例6

基于实施例5的分析，结合实施例4，可得基于延时自采样的FSK解调方法，包括，

步骤1，采用过零检测将FSK调制信号转化为方波信号。

步骤2，响应于FSK系统载波信号频率与系带信号频率之比大于阈值且FSK系统存在频偏，对方波信号进行分频，以分频后的方波信号延时对应采样点中心，前后等距增加若干采样点，对分频后的方波信号进行采样，将所有采样数据均值相加后求总均值，若总均值不等于协议中基带数据均值，根据总均值与协议中基带数据均值的差值调整延时，进行重采样，反复迭代后直到总均值收敛至协议中基带数据均值，延时对应采样数据为基带信号。

上述方法增设多个采样点，基于总均值调整延时，使延时后的采样点处在调制上下边频信号跳变沿的中间位置，保证采样数据的可靠。

实施例7

实施例1对应的基于延时自采样的FSK解调系统，该系统可以通过硬件实现，也可直接通过软件实现，为了节约硬件开销，一般通常采用软件实现，具体包括：

过零检测模块：采用过零检测将FSK调制信号转化为方波信号。

延时采样模块：利用方波信号的延时采样自身，获得基带信号。

实施例8

实施例2对应的基于延时自采样的FSK解调系统，该系统可以通过硬件实现，也可直接通过软件实现，为了节约硬件开销，一般通常采用软件实现，具体包括：

过零检测模块：采用过零检测将FSK调制信号转化为方波信号。

分频模块：对方波信号进行分频，将分频后的方波信号发送给延时采样模块。

延时采样模块：利用方波信号的延时采样自身，获得基带信号。

实施例9

实施例3对应的基于延时自采样的FSK解调系统，该系统可以通过硬件实现，也可直接通过软件实现，为了节约硬件开销，一般通常采用软件实现，具体包括：

过零检测模块：采用过零检测将FSK调制信号转化为方波信号。

延时采样模块：利用方波信号的延时采样自身，获得基带信号。

响应于FSK系统存在频偏，延时采样模块包括延时模块、采样模块和检测模块；

采样模块：利用方波信号的延时采样方波信号自身；

检测模块：若采样数据均值不等于协议中基带数据均值，根据采样数据均值与协议中基带数据均值的差值获得延时调整信号，将延时调整信号发送至延时模块；若采样数据均值收敛至协议中基带数据均值，不动作；

延时模块：根据延时调整信号，调整延时，转至采样模块。

实施例10

实施例4对应的基于延时自采样的FSK解调系统，如图8所示，该系统可以通过硬件实现，也可直接通过软件实现，为了节约硬件开销，一般通常采用软件实现，具体包括：

过零检测模块：采用过零检测将FSK调制信号转化为方波信号。

分频模块：对方波信号进行分频，将分频后的方波信号发送给延时采样模块。

延时采样模块：利用方波信号的延时采样自身，获得基带信号。

延时采样模块包括延时模块、采样模块和检测模块；

采样模块：利用分频后方波信号延时采样分频后方波信号自身；

检测模块：若采样数据均值不等于协议中基带数据均值，根据采样数据均值与协议中基带数据均值的差值获得延时调整信号，将延时调整信号发送至延时模块；若采样数据均值收敛至协议中基带数据均值，不动作；

延时模块：根据延时调整信号，调整延时，转至采样模块。

实施例11

如图9所示，在实施例9和10的基础上，所述延时模块以延时对应采样点中心，前后等距增加若干采样点，将所有采样点发送给采样模块。检测模块将所有采样数据均值相加后求总均值，根据总均值与协议中基带数据均值的差值，判断均值是否收敛至协议中基带数据均值。

一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行基于延时自采样的FSK解调方法。

一种计算设备，包括一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行基于延时自采样的FSK解调方法的指令

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。