CN101594167B - 一种无线网络中联合信号检测和频率估计的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种短程无线网络中信号检测的方法，首先接收短程无线网络中发送端发出的射频信号，进行下变频得到基带采样接收信号；从任意采样点开始读取一个码元周期长度的接收信号；对接收信号中的每个采样点进行共轭操作后与其相邻的上一时刻采样点的相乘得到一组相关值序列；将相关值序列中所有相关值进行累加得到判决值；计算上述接收信号中的能量统计值；计算判决值与总能量统计值的比值，再将比例值与门限比较，从而判断是否检测到信号；检测到信号后计算判决值的相位，利用该相位求得频率估计值。本方法的优点是只需要一个码元周期的接收信号，降低了对接收信号数据量的要求、以及降低了计算量和计算复杂度，增加了系统实现的实时性，提高了频率估计的范围。

Description

一种无线网络中联合信号检测和频率估计的方法

技术领域

本发明涉及一种无线网络中联合信号检测和频率估计的方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

使用基于分组的突发式传输模式的通信系统，需要通过连续不断地检测接收的信号，判断何时收到数据包，然后对前缀信号中训练序列进行频率估计，以保证能正确解调接收信号。在基于分组的突发式传输模式的通信系统中，信号检测和频率估计对接收机的正常工作起着非常重要的作用。

检测信号可以利用信号的调制特性来完成。传统的信号检测方法是通过数据包的前缀信号周期重复发送的特性，将接收到的信号以重复周期为间隔进行前后相关操作，利用重复发送信号的相关性来判断是否收到数据包。为了保证信号检测的准确性能，在数字域对接收信号进行处理时，一般需要2个重复周期以上的接收信号。另外，为了防止突发噪声对信号检测性能的影响，往往需要进行多次信号检测，这样会加大信号检测的计算量，导致功耗的大幅度提高。

由于大部分分组传输系统对数据包前缀的长度有严格的限定，而在有限的数据包前缀传输时间内需完成接收信号的自动增益控制、信号检测、时间同步估计、频偏估计等，因此每个检测或者估计模块只能利用有限的前缀数据，否则将无法在数据包前缀的接收时间完成必需的信号检测和频率估计工作，导致无法进行后续的接收和解调。

为了能够利用更少的数据包前缀进行信号检测，并且提高信号检测的性能，同时降低常规信号检测方法中的复杂度，需要设计新的信号检测算法。

发明内容

本发明的目的是提出一种短程无线网络中信号检测的方法，在满足性能的前提下，解决信号检测方法的复杂度问题，并有效提高数据利用率。在信号检测的方法中，利用连续相位调制信号在一个码元周期时间上的相位累积偏转为零度的特性，得到当前接收信号是否是最小频移键控方式调制信号的估计。

本发明提出的短程无线网络中信号检测的方法，包括以下各步骤：

(1)接收短程无线网络中发送端发出的射频信号，进行下变频，得到基带2倍采样接收信号，采样间隔时间记为T_C；

(2)从上述接收信号中的任意采样点开始，读取一个码片周期长度的接收信号，该接收信号序列记为r＝[r₁，r₂，...，r_N]，其中N表示一个码元周期时间的采样信号个数；

(3)对上述接收信号中的每个采样点进行共轭操作后与其相邻的采样点相乘，得到一组相关值序列，记为C＝[c₁，c₂，...，c_N-1]，其中 $c_i=r_i^{*}\·r_{i+1},$ (·)^*表示共轭操作；

(4)对相关值序列C中所有值进行累加，得到统计值作为判决值，记为 $R=\underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i;$

(5)计算接收信号序列r中所有采样点的幅度的平方值后再累加，得到接收信号的能量统计值，记为 $P=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r_i\right|}^2;$

(6)计算上述判决值与上述能量统计值的比值U＝R/P，与域值Y进行比较。若该比值U大于域值Y，则说明检测到信号；若比值U小于或等于域值Y，说明无载波信号，返回载波空闲的信息，并重复步骤(2)到(6)的操作；

(7)利用(4)的统计值R进行频率估计，得到频率估计值

上述域值Y获取的方法，其特征在于：

(1)在不同接收信噪比条件下统计比值U在[01]区间内的分布；

(2)在没有信号发送的时刻，对接收的射频信号进行下变频，得到基带2倍高斯白噪声采样信号；

(3)将上述高斯白噪声采样信号作为接收信号，执行无线网络中实时侦听载波信号的方法中的步骤(2)～(6)，可以得到高斯白噪声采样信号的比值U′，并统计比值U′在[01]区间内的分布；

(4)比较不同接收信噪比条件下统计比值U和高斯白噪声采样信号的比值U′的分布，寻找两个分布曲线交界的数值，把该数值作为域值Y。

上述利用统计值R进行频率估计得到频率估计值

的方法，其特征在于：

(1)对统计值R进行幅度归一化操作，得到的值记为R′＝R/|R|；

(2)分别取R′的实部real(R′)和虚步imag(R′)，并将虚部除以实部，其结果记为Pha＝imag(R′)/real(R′)；

(3)对上述Pha值进行反正切运算，得到该值对应的相位值，记为 $\widehat{\mathrm{\θ}}=\mathrm{arctg}\left(\mathrm{Pha}\right);$

(4)利用上述相位值计算对应的频率值，记为 $\hat{f}=\widehat{\mathrm{\θ}}/2\mathrm{\π}{T}_C,$ 该值即为频率估计值。

本发明提出的短程无线网络中信号检测的方法，具有以下优点：

(1)本发明利用了连续相位调制信号在一个码元周期时间上的相位累积偏转为零度的特性，只需要一个码元周期的信号就可以完成信号检测的算法，降低了算法实现的复杂度；

(2)本发明只需要一个码元周期的信号就可以完成信号检测的算法，降低了算法实现对接收信号数据量的要求；

(3)本发明利用了连续相位调制信号在一个码元周期时间上的相位累积偏转为零度的特性，减少了信道噪声对信号检测算法性能的影响，提高了信号检测的性能；

(4)本发明方法不受载波频率偏移大小的影响，降低了算法对系统硬件设计的要求，减少了算法的计算量；

(5)本发明方法实现了信号检测与频率估计的联合实现，降低了频率估计对接收信号数据量的要求，减少了算法的计算量；

(6)本发明方法实现的频率估计不受载波频率偏移大小的影响，提高了频率估计的精度，增大了频率估计的范围。

附图说明

图1是本发明的通信系统接收机信号流方向示意图；

图2是本发明的通信系统接收机信号检测和频偏估计方法的原理示意图。

具体实施方法

本发明提出的短程无线网络中信号检测的方法，包括以下各步骤：

(1)接收短程无线网络中发送端发出的射频信号，进行下变频，得到基带2倍采样接收信号，采样间隔时间记为T_C；

(2)从上述接收信号中的任意采样点开始，读取一个码片周期长度的接收信号，该接收信号序列记为r＝[r₁，r₂，...，r_N]，其中N表示一个码元周期时间的采样信号个数；

(3)对上述接收信号中的每个采样点进行共轭操作后与其相邻的采样点相乘，得到一组相关值序列，记为C＝[c₁，c₂，...，c_N-1]，其中 $c_i=r_i^{*}\·r_{i+1},$ (·)^*表示共轭操作；

(4)对相关值序列C中所有值进行累加，得到统计值作为判决值，记为 $R=\underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i;$

(5)计算上述步骤(2)的接收信号中所有采样点的幅度的平方值后再累加，得到接收信号的能量统计值，记为P；

(6)计算上述判决值与上述能量统计值的比值U＝R/P，与域值Y进行比较。若该比值U大于域值Y，则说明检测到信号；若比值U小于或等于域值Y，说明无载波信号，返回载波空闲的信息，并重复步骤(2)到(6)的操作；

(7)利用(4)的统计值R进行频率估计，得到频率估计值

上述侦听载波信号的方法中，域值Y获取的方法，包括以下各步骤：

(1)在不同接收信噪比条件下统计比值U在[01]区间内的分布；

(2)在没有信号发送的时刻，对接收的射频信号进行下变频，得到基带2倍高斯白噪声采样信号；

(3)将上述高斯白噪声采样信号作为接收信号，执行无线网络中实时侦听载波信号的方法中的步骤(2)～(6)，可以得到高斯白噪声采样信号的比值U′，并统计比值U′在[01]区间内的分布；

(4)比较不同接收信噪比条件下统计比值U和高斯白噪声采样信号的比值U′的分布，寻找两个分布曲线交界的数值，把该数值作为域值Y。

上述利用统计值R进行频率估计得到频率估计值

的方法，包括以下步骤：

(1)对统计值R进行幅度归一化操作，得到的值记为R′＝R/|R|；

(2)分别取R′的实部real(R′)和虚步imag(R′)，并将虚部除以实部，其结果记为Pha＝imag(R′)/real(R′)；

(3)对上述Pha值进行反正切运算，得到该值对应的相位值，记为 $\widehat{\mathrm{\θ}}=\mathrm{arctg}\left(\mathrm{Pha}\right);$

(4)利用上述相位值计算对应的频率值，记为 $\hat{f}=\widehat{\mathrm{\θ}}/2\mathrm{\π}{T}_C,$ 该值即为频率估计值。

以下结合附图详细介绍本发明的一个实施例：

基于IEEE 802.15.4b标准的无线网络系统中，发射信号采用最小相移健控调制方式，这样发射信号的相位随着时间是连续变化的，避免了相位突变，降低了信号带宽以外的频率响应，并且调制后的复数信号模值恒为1，即本地扩频序列只与相位有关系。在本发明的实施例中，根据该标准确定的调制方案，接收短程无线网络中发送端发出的射频信号，进行下变频处理后，经过2倍采样得到基带接收信号，采样间隔时间记为T_C。

在接收过程中首先接收短程无线网络中发送端发出的射频信号，进行下变频处理后得到基带接收数字信号。从接收数字信号中选取任意一段长度为一个码元周期的接收信号，记为r＝[r₁，r₂，...，r_N]。基于IEEE 802.15.4b标准的恒模发射信号经过无线信道会发生幅度和相位的变化，并且经过上、下变频等射频器件后，会存在频率偏移的影响，因此接收信号可以表示为：

r_i＝a·exp{α_i+2πΔft_i+β}，i＝1，2，...，N-1，

其中a，β分别表示无线信道引起接收信号幅度和相位的变化，α_i，t_i表示第i个采样信号的调制相位和发送时间，Δf表示载波的频率偏移，N为一个码元周期内的采样点个数。

对这段接收信号做相邻点共轭相乘，得到一组相关值序列：

$c_i=r_i^{*}\·r_{i+1}={\left|a\right|}^2\·\exp \{{\mathrm{\α}}_{i+1}+2\mathrm{\π\Δ}{\mathrm{ft}}_{i+1}+\mathrm{\β}-({\mathrm{\α}}_i+2\mathrm{\π\Δ}{\mathrm{ft}}_i+\mathrm{\β})\}$

$={\left|a\right|}^2\·\exp \{{\mathrm{\α}}_{i+1}-{\mathrm{\α}}_i+2\mathrm{\π\Δf}(t_{i+1}-t_i)\}={\left|a\right|}^2\·\exp \{{\mathrm{\α}}_{i+1}-{\mathrm{\α}}_i+2\mathrm{\π\Δf}{T}_s\},$

其中c_i为第一组序列中的值，r_i为2倍采样基带接收信号的采样点。

然后对上面相关值序列进行统计操作，可以累加所有相关值得到统计值：

$R=\underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i=\underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|a\right|}^2\·\exp \{{\mathrm{\α}}_{i+1}-{\mathrm{\α}}_i+2\mathrm{\π\Δf}{T}_s\}$

$={\left|a\right|}^2\exp \left\{2\mathrm{\π\Δf}{T}_s\right\}\underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\exp \{{\mathrm{\α}}_{i+1}-{\mathrm{\α}}_i\}$

$\≈{\left|a\right|}^2\exp \left\{2\mathrm{\π\Δf}{T}_s\right\}\exp \underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\{{\mathrm{\α}}_{i+1}-{\mathrm{\α}}_i\}\≈{\left|a\right|}^2\exp \left\{2\mathrm{\π\Δf}{T}_s\right\}\exp \{a_N-a_1\}.$

基于IEEE 802.15.4b标准的发射信号在任一个周期时间内相位累计变化了0度，所以统计值R＝|a|²exp{2πΔfT_s}。这意味着当信道传送了基于IEEE 802.15.4b标准的信号，该算法能在不估计和补偿频偏的情况下检查出该信号的相关特性。

对上面相关值序列进行统计操作，还可以将相关值序列中每个值虚部取绝对值c_i′＝Re al(c_i)+j*|Im ag(c_i)|，得到移相后的相关值序列后再进行累加，得到的累加值作为统计值：

$R=\underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i^{\′},$

其中Re al(·)和Im ag(·)分别表示对复数取实部和虚部的操作。

为了防止接收信号能量对该算法统计值的影响，需要计算接收信号幅度的平方值后再累加，将得到的两个累加值相乘，得到两段接收信号的总能量统计值，记为P：

$P=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r_i\right|}^2={\left|a\right|}^2.$

最后，计算上述两个统计量的比值U＝R/P，若该比值大于域值Y，则说明检测到接收信号，可以进行后续的频偏估计；否则，若小于或等于域值Y，则没有检测到信号，需要继续上面的运算，直到检测到信号。

在基于IEEE 802.15.4b标准的系统中，在不同接收信噪比条件下统计比值U在[01]区间内的分布。考虑到统计比值U会受到接收机高斯白噪声的影响，所以还需要单独分析在没有信号发送的情况下，接收信号只包含高斯白噪声时统计比值U′在[0 1]区间内的分布。比较不同接收信噪比条件下统计比值U和高斯白噪声采样信号的比值U′的分布，寻找两个分布曲线交界的数值，把该数值作为域值Y。在本实施例中，利用符合IEEE 802.15.4b标准的信号进行统计的结果，可以得出该域值Y的取值在0.4≤Y≤0.5之间。

在检测到信号后，可以利用统计值R得到频率估计值

首先，对统计值R进行幅度归一化操作，得到的值记为R′＝R/|R|＝exp{2πΔfT_s}。然后分别取R′的实部real(R′)和虚步imag(R′)，并将虚部除以实部的结果记为Pha＝imag(R′)/real(R′)＝tg(2πΔfT_s)，其中real(·)和imag(·)分别表示对复数取实部和虚部的操作。再对Pha值进行反正切运算，得到该值对应的相位值，记为 $\widehat{\mathrm{\θ}}=\mathrm{arctg}\left(\mathrm{Pha}\right),$ 最后通过公式 $\hat{f}=\widehat{\mathrm{\θ}}/2\mathrm{\π}{T}_s$ 就可以得到频率估计值

Claims (2)

1.一种短程无线网络中信号检测的方法，其特征在于该方法包括以下各步骤：

(1)接收短程无线网络中发送端发出的射频信号，进行下变频，得到基带2倍采样接收信号，采样间隔时间记为T_C；

(2)从上述接收信号中的任意采样点开始，读取一个码片周期长度的接收信号，该接收信号序列记为r＝[r₁，r₂，...，r_N]，其中N表示一个码元周期时间的采样信号个数；

(3)对上述接收信号中的每个采样点进行共轭操作后与其相邻的采样点相乘，得到一组相关值序列，记为C＝[c₁，c₂，...，c_N-1]，其中

(·)^*表示共轭操作；

(4)对相关值序列C中所有值进行累加，得到统计值作为判决值，记为

(5)计算接收信号序列r中所有采样点的幅度的平方值后再累加，得到接收信号的能量统计值，记为

(6)计算上述判决值与上述能量统计值的比值U＝R/P，与域值Y进行比较，若该比值U大于域值Y，则说明检测到信号；若比值U小于或等于域值Y，说明无载波信号，返回载波空闲的信息，并重复步骤(2)到(6)的操作；

(7)对统计值R进行幅度归一化操作，得到的值记为R′＝R/|R|；

(8)分别取R′的实部real(R′)和虚部imag(R′)，并将虚部除以实部，其结果记为Pha＝imag(R′)/real(R′)；

(9)对上述Pha值进行反正切运算，得到该值对应的相位值，记为

(10)利用上述相位值计算对应的频率值，记为

该值即为频率估计值。

2.如权利要求1所述的一种短程无线网络中信号检测的方法，其特征在于：所述的域值Y获取的方法为如下步骤：

a、在不同接收信噪比条件下统计比值U在[0 1]区间内的分布；

b、在没有信号发送的时刻，对接收的射频信号进行下变频，得到基带2倍高斯白噪声采样信号；

c、将上述高斯白噪声采样信号作为接收信号，执行短程无线网络中信号检测的方法中的步骤(2)～(6)，可以得到高斯白噪声采样信号的比值U′，并统计比值U′在[0 1]区间内的分布；

d、比较不同接收信噪比条件下统计比值U和高斯白噪声采样信号的比值U′的分布，寻找两个分布曲线交界的数值，把该数值作为域值Y。

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