一种CPFSK/GFSK信号非相干解调方法技术

本发明专利技术提供一种CPFSK/GFSK信号非相干解调方法，该方法依据发送的CPFSK/GFSK信号参数生成单符号长度的匹配滤波器组和相位修正因子；然后，如果接收的是未扩频CPFSK/GFSK信号，则将接收样本逐K个符号匹配，对匹配结果求模；如果接收的是经过直接序列扩频处理的DSSS

【技术实现步骤摘要】
一种CPFSK/GFSK信号非相干解调方法


[0001]本专利技术涉及物联网通信的
，更具体地，涉及一种CPFSK/GFSK信号非相干解调方法。

技术介绍

[0002]随着无线通信技术和通信网络的迅猛发展，物与物之间的通信需求在迅速增长。在第五代移动通信技术(5th Generation,5G)中，大规模机器类通信(MassiveMachine Type Communication,mMTC)被列为了三大应用场景之一。在针对mMTC场景的诸多物联网物理层技术中，连续相位频移键控(Continuous PhaseShift Keying modulation,CPFSK)以其包络恒定，相位连续以及频谱效率高的优良特性而受到广泛的应用。高斯滤波频移键控在CPFSK(Gaussian Frequency ShiftKeying,GFSK)在连续相位调制的基础上添加了低通高斯滤波器作为符号相位成型函数，相较CPFSK信号其频谱带外衰减更快，频谱效率更高，但是高斯滤波成型的引入会带来额外的符号串扰(Inter
‑
symbol interference)，实现也更为复杂。进一步地，CPFSK/GFSK调制还可以与直接序列扩频技术(Direct Sequence SpreadSpectrum，DSSS)和信道编码技术结合以实现覆盖增强和速率自适应，从而满足远距离物联网通信的需求。
[0003]在低成本接收机设计中，CPFSK/GFSK信号解调方式通常是基于非相干的方式实现的，因为这种方式对同步精度要求低且抗信道衰落能力强，更适用于低成本的实现。目前常用的非相干类的解调方案是利用单个符号间相位的变化极性来判断发送符号携带的信息，即差分解调算法。尽管实现简单，但是其误码率(BitError Rate,BER)性能在低接收信噪比(Signal
‑
to
‑
Noise Radio,SNR)表现较差，难以满足广覆盖的需求。另一种非相干的包络检波算法在FSK信号调制因子较大时有较好的性能，然而为了减少信号实际占用带宽，CPFSK/GFSK调制因子通常小于1，不满足符号间正交性的需求，因此BER性能在低SNR下表现也较差。由于CPFSK和GFSK均是相位连续的记忆信号，因此BER性能较好的解调方案多是基于最大似然序列检测(Maximum Likelihood Sequence Detection，MLSD)思想的多符号检测算法，如最佳非相干解调算法等，然而这种算法运算复杂度和存储复杂度非常高，难以适应实际工程应用。此外，传统的解调解扩分离的思想在解扩解调直接序列扩频的DSSS
‑
FSK信号会引入大量的性能损失。
[0004]现有技术中公开了一种具有快速自动频率补偿的CPFSK解调装置及方法的专利，该专利首先将CPFSK解调装置启动；然后，将射频信号通过CPFSK解调装置处理后得到输入信号；然后，将输入信号、本振的正交信号分别传送至 CPFSK解调装置后得到输出信号；该专利不仅可以实现大范围的多普勒频偏的捕获和跟踪，还能实现较大范围的多普勒变化率跟踪；另一个特点就是每次误差电压的计算更新时间短，算法收敛速度快；该方法具有架构简洁、硬件资源消耗少，易于FPGA实现等诸多优点。然而，该专利对于只需要一个符号长度的匹配滤波器组以及相位修正因子，就可以以相对较低的复杂度达到较好的性能却鲜有涉及。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种CPFSK/GFSK信号非相干解调方法，该方法只需要一个符号长度的匹配滤波器组以及相位修正因子，就可以以相对较低的复杂度达到较好的性能，匹配滤波器组可以复用发射部分查表法所用的参考波形，进一步降低存储复杂度。
[0006]为了达到上述技术效果，本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种CPFSK/GFSK信号非相干解调方法，包括以下步骤：
[0008]S1：依据发送的CPFSK/GFSK信号参数生成单符号长度的匹配滤波器组和相位修正因子；
[0009]S2：匹配接收样本：如果接收的是未扩频CPFSK/GFSK信号，则将接收样本逐K个符号匹配，对匹配结果求模；如果接收的是经过直接序列扩频处理的 DSSS
‑
CPFSK/DSSS
‑
GFSK信号，则将扩频处理后的信号视为整体，对接收样本逐扩频码长度匹配，对匹配结果求模值；
[0010]S3：对匹配结果解调：如果接收的是未扩频的CPFSK/GFSK信号，则每组按照译码需求按照软解调或者硬解调的方式解出K比特信息；如果接收的是 DSSS
‑
CPFSK/DSSS
‑
GFSK信号，则解出对应的未扩频原始比特。
[0011]进一步地，所述的CPFSK/GFSK信号具有恒包络，其复基带信号模型为：
[0012][0013]其中，α为长度L的待调制比特序列且α
i
∈{
‑
1,1}为第i个待调制的二进制双极性比特；N为单码片采样因子，n为采样下标；h
m
＝Δ
f
/B
w
为调制因子，Δ
f
为两个频点的频率差值，B
w
为码片速率/传输带宽；q(n)为单符号相位成型函数h(n) 的累加。
[0014]进一步地，对于未经过高斯滤波器进行相位成型的全响应CPFSK信号，其成型函数h
c
(n)为响应长度L
c
＝1即归一化符号长度的矩形滤波器，其表达式为：
[0015][0016]因而CPFSK信号第k个符号的表达式为：
[0017][0018]其中θ
k
‑1为前k
‑
1项的累加相位，a
k
n/N为第k个符号的相位变化因子，在全响应CPFSK信号下这是线性变化的；而对于经过高斯滤波器进行相位成型的部分响应GFSK信号，其成型函数h
g
(n)为响应长度L
g
的低通高斯滤波器，表达式为：
[0019][0020]上式中高斯滤波器带宽因子BT为3dB衰减的带宽
‑ꢀ
时间因子，L
g
截断3就建模GFSK信号的码间串扰，即单个GFSK符号主要与前后两个符号产生马间串
扰，因此GFSK信号第k个符号的表达式为：
[0021][0022]式中θ
k
‑1为前k
‑
1项的累加相位，φ(n；BT；α
k
‑1α
k
α
k+1
)为当前时间
‑
带宽因子下第k个符号的相位变化因子,受前后符号的ISI影响，在部分响应GFSK信号模型下这是非线性变化的。
[0023]进一步地，所述步骤S1中，依据发送的CPFSK/GFSK信号参数生成单符号长度的匹配滤波器组为：
[0024][0025]其中，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种CPFSK/GFSK信号非相干解调方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：依据发送的CPFSK/GFSK信号参数生成单符号长度的匹配滤波器组和相位修正因子；S2：匹配接收样本：如果接收的是未扩频CPFSK/GFSK信号，则将接收样本逐K个符号匹配，对匹配结果求模；如果接收的是经过直接序列扩频处理的DSSS
‑
CPFSK/DSSS
‑
GFSK信号，则将扩频处理后的信号视为整体，对接收样本逐扩频码长度匹配，对匹配结果求模值；S3：对匹配结果解调：如果接收的是未扩频的CPFSK/GFSK信号，则每组按照译码需求按照软解调或者硬解调的方式解出K比特信息；如果接收的是DSSS
‑
CPFSK/DSSS
‑
GFSK信号，则解出对应的未扩频原始比特。2.根据权利要求1所述的CPFSK/GFSK信号非相干解调方法，其特征在于，所述的CPFSK/GFSK信号具有恒包络，其复基带信号模型为：其中，α为长度L的待调制比特序列且α
i
∈{
‑
1,1}为第i个待调制的二进制双极性比特；N为单码片采样因子，n为采样下标；h
m
＝Δ
f
/B
w
为调制因子，Δ
f
为两个频点的频率差值，B
w
为码片速率/传输带宽；q(n)为单符号相位成型函数h(n)的累加。3.根据权利要求2所述的CPFSK/GFSK信号非相干解调方法，其特征在于，对于未经过高斯滤波器进行相位成型的全响应CPFSK信号，其成型函数h
c
(n)为响应长度L
c
＝1即归一化符号长度的矩形滤波器，其表达式为：因而CPFSK信号第k个符号的表达式为：其中θ
k
‑1为前k
‑
1项的累加相位，a
k
n/N为第k个符号的相位变化因子，在全响应CPFSK信号下这是线性变化的；而对于经过高斯滤波器进行相位成型的部分响应GFSK信号，其成型函数h
g
(n)为响应长度L
g
的低通高斯滤波器，表达式为：上式中高斯滤波器带宽因子BT为3dB衰减的带宽
‑
时间因子，L
g
截断3就建模GFSK信号的码间串扰，即单个GFSK符号主要与前后两个符号产生马间串扰，因此GFSK信号第k个符号的表达式为：式中θ
k
‑1为前k
‑
1项的累加相位，φ(n；BT；α
k
‑1α
k
α
k+1
)为当前时间
‑
带宽因子下第k个符号
的相位变化因子,受前后符号的ISI影响，在部分响应GFSK信号模型下这是非线性变化的。4.根据权利要求3所述的CPFSK/GFSK信号非相干解调方法，其特征在于，所述步骤S1中，依据发送的CPFSK/GFSK信号参数生成单符号长度的匹配滤波器组为：其中，为CPFSK符号q∈{0,1}对应的参考复基带样本的逆采样顺序排列结果，{
·
}
H
表示Hermitian转置，{
·
}
T
表示矩阵转置；CPFSK符号q表示为：其中n＝0,1,...N
‑
1，N为上采样因子，h
m
为发送端CPFSK信号调制因子。5.根据权利要求4所述的CPFSK/GFSK信号非相干解调方法，其特征在于，所述步骤S1中，依据发送的CPFSK/GFSK信号参数生成单符号长度的相位修正因子表示为：依据发送的CPFSK/GFSK信号参数生成单符号长度的相位修正因子表示为：表示当前符号q∈{0,1}对后续符号引入的相对附加相位。6.根据权利要求5所述的CPFSK/GFSK信号非相干解调方法，其特征在于，由于当前符号受前后符号符号间串扰的影响，因此生成并存储的匹配滤波器组需要考虑前后码元带来的影响，即：其中为符号l∈{0,1,...,7}对应的参考复基带样本的逆序，而l为当前比特q1与前后两个比特q0q2组合对应的q0q1q2右端最高位十进制映射，即：则符号l的每个采样点表示为：其中n＝0,1,...N
‑
1，φ(n；BT；q0q1q2)为当前符号的相位变化，受前后比特q0和q2的影响，以及GFSK高斯成型滤波3dB衰减带宽参数BT的影响；生成并存储的相位修正因子表示为：为GFSK符号l∈{0,1,...,7}引入相对附加相位。7.根据权利要求6所述的CPFSK/GFSK信号非相干解调方法，其特征在于，所述步骤S2中，对于非扩频的CPFSK/GFSK信号进行处理的过程包括：逆序排列：对接收的样本r进行逆采样顺序排列，得到逆序样本其中为接收当前分组的第K
‑
k+1个符号的逆序排列的复基带
信号样本点；单符号匹配：对于逆序排列后的第一个符号样本即原先第K个样本，进行匹配，匹配结果为：上式中，M指代调制方式：M＝
‘
c
’
为CPF...

【专利技术属性】
技术研发人员：张睿琦，伍沛然，夏明华，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：