406MHz示位标中频调相信号生成方法和系统与流程

406mhz示位标中频调相信号生成方法和系统
技术领域
1.本发明涉及调相技术领域，尤其涉及一种406mhz示位标中频调相信号生成方法和系统。


背景技术：

2.在406示位标中，采用了调相技术，对于应载波原始相位，符号
±
1分别对应
±
1rad相位，为了防止载波相位突变，协议中规定了相位爬升和滚降的要求，即相位由 1rad
→‑
1rad或由-1rad
→
1rad的相位变化过程，既不能太快，也不能太慢，有严格的时间要求，即爬升和滚降时间要在150us
±
100us之间。理论上，可以引入一个低通滤波器来控制相位爬升或滚降过程，但需要大量的计算，且要相应的存储空间来保存计算过程，对于mcu而言，由于受到算力和存储空间的限制，并不适宜。
3.调相的技术实现有很多种办法，如基于可变电容的模拟调相技术、基于iq调制的调相技术、基于dds(直接数字频率合成)的调相技术。基于可变电容的模拟调相技术依赖于模拟电路的参数，需要调教，并且容易受到环境影响，影响其性能，iq正交调制理论上适合于任何一种调制方式，但在工程实践中，由于隔直电容的使用，会导致低频分量衰减，并且需要使用专用集成电路，增加成本，基于dds的调相技术，同样有成本高、功耗大等不利因素，并不完全适合于406示位标的应用场景。
4.为了简化系统设计，降低成本，如何能够采用一片mcu来同时承担控制和调相算法实现成为亟待解决的技术问题。但由于受到mcu算力与存储空间的限制，必须对调相算法进行优化设计，确保在mcu资源有限的情况达成预期目标。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题，本发明公开了一种406mhz示位标中频调相信号生成方法和系统，本发明依据406示位标的调制特点，通过引入一种基于正交调制和查表的406示位标中频调相信号生成方式，进而可以采用一片mcu来同时承担控制和调相算法实现。
6.为达到上述目的，本发明的技术方案提供了一种406mhz示位标中频调相信号生成方法，其包括：mcu在其内部完成组帧工作，得到01序列；将01序列进行双相l编码，将0映射成(-1， 1)，将1映射成( 1，-1)，从而得到只包含有 1、-1数字序列；进行中频正交调制，以得到一个频率范围大致在几十khz至几千khz之间的低中频调制信号，其中， 1对应于 1rad调制相位，-1对应于-1rad调制相位；将调制信号进行混频滤波，从而得到相应的rf信号，该rf信号承载了406示位标信息。
7.在进一步的技术方案中，在进行中频正交调制时，相位调制表达为：
8.s(t)＝cos(2πfct φ(t)) (1)
9.在公式(1)中，fc为载波频率，φ(t)是被调制信号，承载了相应的调制信息；
10.公式(1)等效离散表达式为：
11.si＝cos(2πfcits φi)(2)
12.在公式(2)中，ts为adc采样周期；
13.在的情形下，fs为采样频率，公式(2)进一步简化为：
[0014][0015]
在公式(3)中，x为自然数；
[0016]
其中，通过引入正弦曲线，来规范爬升或滚降过程，从而得到各种情形下的相位爬升或相位滚降数据：
[0017]
对于-1rad
→
1rad的情形，在1/2个符号周期内，其相位变化过程的公式表达如下：
[0018][0019]
其中，
[0020]
0.04≤β≤0.2
[0021]
其中[]表示取整操作；
[0022]
对于 1rad
→‑
1rad的情形，在1/2个符号周期内，其相位变化过程的公式表达如下：
[0023][0024]
对于0rad
→‑
1rad的情形，在1/2个符号周期内，其相位变化过程的公式表达如下：
[0025][0026]
对于0rad
→‑
1rad的情形，在1/2个符号周期内，其相位变化过程的公式表达如下：
[0027][0028]
在进一步的技术方案中，根据所获得的相位爬升或相位滚降数据以及公式(3)，获得相应的调相数据表，然后相应调相数据经过dac输出，从而得到中频调相信号。
[0029]
在进一步的技术方案中，在获得调相数据表之后，输出调制信号具体包括：
[0030]
s1：先输出x(x＝160ms
×fs
)个1、0相互交替的数据，该组数据对应于160ms无调制载波，初始相位为0；
[0031]
s2：在载波之后，根据第一调制相位，选择调相数据表中的相应编号的序列，并输出对应序列的前n个数据，后面的m-n个数据重复,以四个数据为一组进行重复；
[0032]
s3：对于此后的数据，根据相位迁移情况分别选择调相数据表中对应编号的数据，其中，先输出前n个数据，后面的m-n个数据重复，以四个为一组进行重复；
[0033]
s4：重复步骤s3的过程，直至数据发送完毕。
[0034]
在进一步的技术方案中，在载波频率fc为24khz、采样频率fs为96khz的情形下，相位爬升或相位滚降数据如下：
[0035]
[0036][0037]
所获得的调相数据表如下：
[0038]
[0039][0040][0041]
在进一步的技术方案中，在载波频率fc为24khz、采样频率fs为96khz的情形下，调制信号输出步骤具体包括：
[0042]
s11：输出15360(＝160ms
×
96khz)个1、0相互交替的数据，该组数据对应于160ms无调制载波，初始相位为0；
[0043]
s12：在载波之后，对于第一调制相位，如果是 1，则选择编号为5的序列，如果是-1，则选择编号为6的序列，然后输出对应序列的前24(0～23)个数据，后面的96(24～119)个数据重复(24～27)之间的数据即可，以(24～27)为一组进行重复；
[0044]
s13：对于此后的数据，根据相位迁移情况分别选择对应编号的数据，如果上个符号对应相位-1rad，当前相位也为-1rad，则选择编号为1的数据，如果上个符号所对应的相位为-1rad，当前符号相位对应的是 1rad，则选择编号为2的数据，按照上述方式输出数据即可，即先输出前24(0～23)个数据，后面的96(24～119)个数据重复(24～27)之间的数据即可，以(24～27)为一组进行重复；
[0045]
s14：重复步骤s13的过程，直至数据发送完毕。
[0046]
本发明的技术方案还提供了一种406mhz示位标中频调相信号生成系统，其用于实施如上所述的方法，其中，所述系统包括：组帧模块，用于在mcu内部完成组帧工作，以得到01序列；双相l编码模块，用于将01序列进行双相l编码，将0映射成(-1， 1)，将1映射成(
1，-1)，从而得到只包含有 1、-1数字序列；中频正交调制模块，用于进行中频正交调制，以得到一个频率范围大致在几十khz至几千khz之间的低中频调制信号，其中， 1对应于 1rad调制相位，-1对应于-1rad调制相位；混频滤波模块，用于将调制信号进行混频滤波，从而得到相应的rf信号，该rf信号承载了406示位标信息。
[0047]
本发明这种基于正交调制和查表的406示位标调制方法，降低了对mcu算力与存储空间的要求，只需要一个6
×
n 24的表即可(对应的空间需求为12n 48字节)，然后进行简单的数据复制和搬移即可，利用mcu内置的dma和dac即可输出一个中频调相信号。由于该种方式基于软件方式实现，不依赖于模拟硬件，大大降低了调试难度，且能保证调制信号质量的一致性，可以做到免调试或少调试，降低了人工参与成本。
[0048]
同时该方法可以充分利用控制mcu的剩余算力和存储空间，实现控制mcu和调制dsp的二合一，减少对硬件的需求，降低了硬件的复杂性，同时也可以降低设备成本。
附图说明
[0049]
图1是本发明的406示位标中频调相信号生成过程的示意图；
[0050]
图2是406示位标相位爬升或滚降过程的示意图。
具体实施方式
[0051]
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
[0052]
本发明依据406示位标的调制特点，引入了一种基于正交调制和查表的406示位标中频调相信号生成方式，如图1所示，其过程如下：
[0053]
首先mcu在其内部完成组帧工作，得到01序列，然后进行双相l编码，将0映射成(-1， 1)，将1映射成( 1，-1)，从而得到只包含有 1、-1数字序列。在调相时， 1对应于 1rad调制相位，-1对应于-1rad调制相位，按照中频正交调制，得到一个低中频调制信号(载波频率范围在几十khz至几千khz之间)，然后经过混频滤波，得到相应的rf信号，这个rf信号承载了406示位标信息。
[0054]
这里中频正交调制模块是关键，说明如下。
[0055]
一般地，相位调制可表达成：
[0056]
s(t)＝cos(2πfct φ(t))(1)
[0057]
在公式(1)中，φ(t)是被调制信号，承载了相应的调制信息。
[0058]
公式(1)等效离散表达式为：
[0059]
si＝cos(2πfcits φi)(2)
[0060]
ts为adc采样周期。很显然，当时(这里定义载波频率fc为24khz,采样频率fs为96khz，其它频率组合仍然适用)，
[0061]
公式(2)简化为：
[0062][0063]
其中，x为自然数。
[0064]
如不考虑相位的爬升或滚降过程，那么φi或为 1rad或为-1rad，二者居其一。在这种情况下，正交相位调制就非常简单，依据公式(3)，很容易得到两个序列，分别对应于 1rad和-1rad两种情况，即：
[0065]
1rad调制序列：cos(1)、-sin(1)、-cos(1)、sin(1)、cos(1)、-sin(1)、-cos(1)、sin(1)；
[0066]-1rad调制序列：cos(1)、sin(1)、-cos(1)、-sin(1)、cos(1)、sin(1)、-cos(1)、-sin(1)。
[0067]
但相位跳变意味着频谱的拓展，对临近信道会造成很大干扰，因此对相位变化过程予以控制，所以406示位标定义的相位爬升和滚降参数，具体参见图2所示。
[0068]
406示位标协议规定，τr或τf允许的取值范围为150us
±
100us，爬升/滚降太快或太慢都会造成不必要的负面影响，要适当加以控制。
[0069]
为了规范相位爬升或滚降过程，避免突变，我们引入正弦曲线，来规范爬升或滚降过程，由此得到各种情形下的相位爬升或相位滚降数据。
[0070]
一般地，对于-1rad
→
1rad的情形，在1/2个符号周期内，其相位变化过程可用公式表达如下：
[0071][0072]
其中，
[0073]
0.04≤β≤0.2
[0074]
其中[]表示取整操作。
[0075]
对于 1rad
→‑
1rad的情形，在1/2个符号周期内，其相位变化过程可用公式表达如下：
[0076][0077]
对于0rad
→‑
1rad的情形，在1/2个符号周期内，其相位变化过程可用公式表达如
下：
[0078][0079]
对于0rad
→‑
1rad的情形，在1/2个符号周期内，其相位变化过程可用公式表达如下：
[0080][0081]
对应的相位爬升或滚降周期可表达为：
[0082][0083]
由于0.04≤β≤0.2，因此
[0084]
50us≤tr＝tf≤250us。
[0085]
以载波频率为24khz、采样频率为96khz为例，依据公式(4)、(5)、(6)和(7)，我们得到6种情形下的相位爬升或滚降表格，如表1所示。
[0086]
表1、6种状态下的相位爬升或相位滚降数据(采样频率为96khz)
[0087]
[0088][0089]
在上表中，爬升或滚降过程需要24个采样周期，对应时长满足规范要求。如果爬升或滚降时间只计算-90％～ 90％区间，实际爬升或滚降时间更小，满足150us
±
100us的取值区间。
[0090]
根据表1的相位迁移数据以及公式(3)，得到一个调相数据表，该数据经过dac输出(实际输出时需要根据幅度大小乘以一个系数)，得到中频调相信号。
[0091]
表2、调相数据表
[0092]
[0093][0094]
其中，对应于前n项(对应于0～23项)，为暂态过程，对应于相位变化，而对于后m-n(24～119项)为稳态过程，对应于相位1rad或-1rad。
[0095]
这里假设dac输出采样频率为96ksps，1.25ms(1/800)对应于120个采样数据，每个符号(1bit)对应于240个数据，对应时长为2.5ms。
[0096]
在406示位标规范中，在输出调制信号之前，需要先输出160ms的无调制载波。对于前160ms无调制载波，其正交调制输出为 1、0、-1、0交替。由此得到406示位标调相方法如下(这里仅以载波频率为fc，采样频率为fs＝4fc，该方法也适用于其它组合)：
[0097]
(1)输出x(x＝160ms
×
fs)个1、0相互交替的数据，该组数据对应于160ms无调制载波，初始相位为0；例如，在载波频率fc为24khz，采样频率fs为96khz时，先输出15360(＝160ms
×
96khz)个1、0相互交替的数据；
[0098]
(2)在载波之后，对于第一调制相位，如果是 1，则选择编号为5的序列，如果是-1，则选择编号为6的序列，然后输出对应序列的前n个数据，后面的m-n个数据重复,以四个数据为一组进行重复；例如，在载波频率fc为24khz，采样频率fs为96khz时，对于第一调制相位，如果是 1，则选择编号为5的序列，如果是-1，则选择编号为6的序列，然后输出对应序列的前24(0～23)个数据，后面的96(24～119)个数据重复(24～27)之间的数据即可，以(24～27)为一组进行重复；
[0099]
(3)对于此后的数据，根据相位迁移情况分别选择对应编号的数据，如上个符号对应相位-1rad,当前相位也为-1rad，则选择编号为1的数据，如果上个符号所对应的相位为-1rad，当前符号相位对应的是 1rad，则选择编号为2的数据，按照上述方式输出数据即可，即先输出前n个数据，后面的m-n个数据重复，以4个为一组进行重复；例如，在载波频率fc为24khz，采样频率fs为96khz时，如果上个符号对应相位-1rad,当前相位也为-1rad，则选择编号为1的数据，如果上个符号所对应的相位为-1rad，当前符号相位对应的是 1rad，则选
择编号为2的数据，按照上述方式输出数据即可，即先输出前24(0～23)个数据，后面的96(24～119)个数据重复(24～27)之间的数据即可，以(24～27)为一组进行重复；
[0100]
重复(3)的过程，直至数据发送完毕。
[0101]
本发明这种基于正交调制和查表的406示位标调制方法，降低了对mcu算力与存储空间的要求，只需要一个6
×
n 24的表即可(对应的空间需求为12n 48字节)，然后进行简单的数据复制和搬移即可，利用mcu内置的dma和dac即可输出一个中频调相信号。由于该种方式基于软件方式实现，不依赖于模拟硬件，大大降低了调试难度，且能保证调制信号质量的一致性，可以做到免调试或少调试，降低了人工参与成本。
[0102]
同时本发明的方法可以充分利用控制mcu的剩余算力和存储空间，实现控制mcu和调制dsp的二合一，减少对硬件的需求，降低了硬件的复杂性，同时也可以降低设备成本。
[0103]
本发明的技术方案还提供了一种406mhz示位标中频调相信号生成系统，其用于实施如上所述的方法，其中，所述系统包括：组帧模块，用于在mcu内部完成组帧工作，以得到01序列；双相l编码模块，用于将01序列进行双相l编码，将0映射成(-1， 1)，将1映射成( 1，-1)，从而得到只包含有 1、-1数字序列；中频正交调制模块，用于进行中频正交调制，以得到一个低中频调制信号(载波频率范围大致在几十khz至几千khz之间)，其中， 1对应于 1rad调制相位，-1对应于-1rad调制相位；混频滤波模块，用于将调制信号进行混频滤波，从而得到相应的rf信号，该rf信号承载了406示位标信息。
[0104]
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。