CN101640655B - 干扰鲁棒分组检测 - Google Patents

Abstract

一种用于在UWB OFDM通信中分组的干扰鲁棒检测的方法和系统。检测器识别接收信号中的干扰频率，并且通过将干扰对应的频率置零而生成自适应分组同步序列，用以检测分组前导部分。基于相关性和能量计算的各种标准被用来识别分组同步序列。

Description

干扰鲁棒分组检测

技术领域

本发明一般涉及超宽带通信系统，更具体地涉及超宽带通信系统的分组同步。

背景技术

采用超宽带(UWB)系统的数字通信可以提供鲁棒的通信。宽频段的使用可以在设备之间产生高速通信，通常不会干扰其它服务。正交频分复用技术(OFDM)将频段分成多个小的频点，可以方便地在超宽带系统的频带范围扩频通信。UWB系统可以采用跳频以进一步在可用的频谱上扩频通信。

UWB系统的数据通信通常被划分为分组。一般地，在分组的首部是前导序列。前导序列在对于允许接收器决定分组的存在、准备处理分组数据和其它方面有用。为了有效利用可用的数据带宽，分组的前导码通常应该比较短，这样传输的负载会比较低。然而，仍然需要分组的可靠检测，例如避免数据带宽的分组丢失和并发丢失的重传。当接收到的信号包含噪声或干扰信号时，检测分组的能力会受阻碍。超宽带系统极有可能与存在于接收信号中的产生干扰的窄带信号的其它系统共享频段。

另外，优选前导序列提供这样的信息：该信息用以允许接收器不但可以判定分组是否存在，而且还可判定在分组的什么位置可以找到数据信息。不幸的是，当存在干扰信号时，基于前导序列判定分组是否存在和何时开始处理分组数据可能都比较困难。

发明内容

本发明提供了一种用于检测采用跳频的正交频分复用超宽带通信系统中的分组同步序列的方法，包括：接收采样点序列；识别在接收到的采样点序列中存在的干扰频带；根据基于已识别的干扰频带从标准分组同步序列生成自适应的分组同步序列；使用自适应的分组同步序列在接收到的采样点序列中检测标准的分组同步序列。

在其它方面，本发明为分组通信系统提供了分组同步序列检测器，该检测器包括将接收到的信号转换为数字采样点的模数转换器、信号处理模块以及接收数字采样点和自适应分组同步序列并生成检测信号的分组同步序列检测模块。该信号处理模块包括：将数字采样点转换为基带接收信号的频域表示的傅立叶变换模块；识别标准分组同步序列中的干扰频率和零相关频率的电路；将含有零频率的分组同步序列变换到时域以生成自适应分组同步序列的傅立叶逆变换模块。

附图说明

图1是根据本发明各方面的分组同步序列检测器的方框图；

图2示出根据本发明各方面的分组结构图；

图3a是根据本发明各方面的分组同步序列的功率频谱图；

图3b是根据本发明各方面的分组同步序列的另一张功率频谱图；

图3c是根据本发明各方面的分组同步序列的另一张功率频谱图；

图4是根据本发明各方面的检测分组同步序列的过程的流程图；

图5是根据本发明各方面的生成自适应分组同步序列的过程的流程图；

图6是根据本发明各方面的检测分组同步序列的另一过程的流程图；

详细描述

图1是根据本发明各方面的分组同步序列检测器的方框图。该检测器可以使用集成电路在例如PHY芯片、其它芯片、或多芯片系统中实现。通常地，该检测器是接收器或收发器的一部分，并且检测器的元器件可以与接收器或收发器的其它部分共享。该检测器优选接收采用正交频分复用技术的发送器发射的信号。相应地，检测器接收来自天线的无线电信号，降频转换、采样、数字化和检测分组信令。检测器可以应用于结合有正交频分复用和多频带跳频的超宽带系统。

如图1所示，检测器包括天线11，它接收无线电信号，并将其转换为电信号。无线电频率模块(RF)113接收电信号。无线电频率模块通常放大信号，并将其降频转换为基带信号。在一些实施例中，降频转换在一系列频率子段中以时频代码(TFC)定义的跳频进行跳跃。模数转换器(ADC)115采样和数字化基带信号。在一些实施例中，自动增益控制模块使用经数字化的输入采样点来决定RF模块中可调整的增益设置。增益经常受控制，从而使模数转换器的输入范围可以有效地被使用。

经数字化的输入采样点被处理以用于识别干扰和自适应用于检测分组的分组同步序列，在有干扰情况下，该处理具有鲁棒性。自适应包括识别干扰频率和在已识别的频率处将标准分组同步序列的频率成分置零，从而生成自适应的分组同步序列。标准的分组同步序列是由其发送方和接收器都认可的序列。在很多实施例中，标准的分组同步序列被规格化为通信标准，比如，WiMedia。在一些实施例中，发送方可以发送标准分组同步序列的修改版本，例如，一些频率成分被置零的序列。通常，检测的决定采用自适应序列和输入之间的互相关性以及对除去干扰的输入的能量测量。通过在互相关性和能量测量中去除干扰频率，检测可以在基本抗干扰的情况下被执行。

图2是用于图1所示分组同步序列检测器的分组结构示意图。使用这种分组结构的示例系统的规范可以在WiMedia联盟、多频带OFDM物理层规范1.1版和标准ECMA-368、高速超宽带PHY和MAC层标准中找到，这些标准整体作为参考并入本申请。图2显示了分组211，其有一个前导部分213，后续有一个分组头部分215，接着是有效负载部分217。前导部分标志分组的开始，接收器对前导部分的检测有利于后续有效负载数据的接收。前导部分包括一组分组同步序列219和一组信道估计序列221。这组分组同步序列标志前导部分的开始，也就是分组的开始。它也为接收器提供了频率和时序信息。接收器可以使用这组信道估计序列来判定通信信道的特性，用于接收后续的有效负载部分。

图2所示的分组同步序列组被划分为一连串分组同步序列223a到223n。分组同步序列通常由预定义的信令序列组成。在很多实施例中，每个分组同步序列是正交频分复用符号。前导部分中分组同步序列的数目在不同实施例中和同一实施例中会有所不同，例如，24或12个序列。在一些实施例中，每个分组同步序列会在发送前与覆盖序列(cover sequence)中的一项相乘。覆盖序列的值通常被限制为正负1。

返回图1，经数字化的输入采样点被快速傅立叶变换模块(FFT)121接收，并转换为频域表示。另一种转换可以用来代替傅立叶变换。同样地，傅立叶变换可以由另一种方法实现，用来代替快速傅立叶变换。FFT和其它信号处理模块可以用专用电路、可编程处理器、或上述两者的结合来实现。FFT的输出由置零(nulling)模块123接收。这个模块识别FFT输出中幅值高于阈值的频点。阈值可能是固定的，或基于信号的特性，例如，平均信号水平加上偏移量。在一些实施例中，置零模块还计算被确认为干扰的频点中的能量。在分组检测中干扰能量估计的使用在下文中描述。已确认的干扰频率可以根据干扰的预期稳定性进行更新。在使用跳频的实施例中，这些频率也可以被有效地转换为其相应的无线电频率。

置零模块123还接收用频域表示的标准分组同步序列。在一些实施例中，标准分组同步序列是从存储器被取出的。在其它实施例中，在由置零模块接收前，用时域表示的标准分组同步序列被存储和例如通过傅立叶变换被转换。置零模块将标准分组同步序列中对应于已确认为干扰的频率点的频率成分设置为零，以产生一个自适应分组同步序列。快速傅立叶逆变换模块(iFFT)125接收自适应分组同步序列，并将其转换为时域表示。和FFT 121一样，可以使用其它的转换方法；但是iFFT模块一般都是前向FFT模块的反向。iFFT的输出是自适应分组同步序列的时域表示，用以进一步用于检测输入信号的分组同步序列并且减少来自干扰信号的效应。

图3a，3b和3c示出了图1所示分组同步序列检测器中的以下不同点处的频谱的示例：ADC输出，标准分组同步序列，和自适应分组同步序列。在图3a中，曲线图310示出了ADC输出处的经数字化的输入采样点的功率谱密度。信号功率在有效频带中接近直线，在这一示例中大概为500MHz，信号功率在有效频带外接近零。在功率谱密度图中还显示了三个峰值点311，313，315，这些点的功率比其它频率点的功率大。作为示例显示了三个峰值点，但出现的峰值数目(如果存在)会因检测器的工作环境而改变。在曲线图310中还示出阈值线317。阈值线标志着超过该阈值限制的功率会被认为来自于干扰而不是想要的信号。信号功率在绝大部分频率点都低于阈值线；然而，在三个峰值点中的每个点的信号功率都超过了阈值线。因此三个峰值点中的每个点会被确定为干扰信号所用的频率，并在自适应分组同步序列中被标记为零值。

图3b中的曲线图320示出了标准分组同步序列的功率谱。功率在有效频带中基本平坦，在其它频带接近零。图3c中的曲线图330示出了自适应分组同步序列的功率谱。这是将标准分组同步序列中的干扰音置零后的功率谱。自适应序列的功率谱与标准分组同步序列的功率谱匹配，但有三个零点331，333和335的功率基本为零。零点位于与输入采样点的功率谱密度的峰值相同的频率处。虽然在本示例中没有显示，在很多实施例中，分组同步序列在零频率没有功率。

回到图1，检测器还包括检测处理器131。处理器接收经数字化的输入采样点和自适应分组同步序列，并且计算两者之间的互相关性。经数字化的输入采样点和自适应分组同步序列的高度相关性表明接收到的输入很有可能是一个分组同步序列。处理器根据公式 $\mathrm{cc}(n+N)={\left|\underset{m=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}^{*}(n+m){\mathrm{PSS}}^{\′}\left(m\right)\right|}^2$ 计算互相关性，其中n是采样时间索引，N是自适应分组同步序列的长度(通常等于标准分组同步序列的长度)，x^*是经数字化的输入采样点的复共轭，PPS′是自适应的分组同步序列。在一些实施例中，计算互相关性可能被简化，例如，通过采用自适应分组同步序列的二进制表示。计算也可能使用其它变化，例如，省略幅值的平方。

在一些实施例中，检测处理器把计算得到的互相关性和阈值作比较。阈值可以是固定的，也可以是例如，根据接收到的或预期的信号自适应。检测模块产生分组同步序列检测信号，该信号仅当互相关性高于阈值时才为真。检测信号被传输到其它电路，以进一步用于接收分组的后续部分。

在其它实施例中，检测处理器根据公式 $\mathrm{en}(n+N)=\underset{m=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|x(n+m)\right|}^2$ 另外计算经数字化的输入采样点块中的能量，其中n是采样时间索引，N是采样点块的长度(通常等于自适应分组同步序列的长度)，x是经数字化的输入采样点。从计算得到的能量中减去从置零模块123接收到的干扰的能量，从而生成没有干扰的能量测量。检测处理器把互相关性和没有干扰的能量相除，并且将除得的结果与阈值作比较。产生分组同步序列检测信号，该信号仅当商大于该阈值时为真。

图4是在有干扰的情况下以鲁棒的方式检测分组同步序列的过程的流程图。在一些实施例中，该过程由检测器执行，比如，图1中的检测器。在方框410中，该过程接收了一个信号。在很多实施例中，该信号由天线接收、被降频转换至基带、被采样、并且在进一步处理前被数字化。在方框420中，该过程识别在接收信号中的干扰频带。在一些实施例中，通过计算接收信号的傅立叶变换，并查找幅值高于阈值水平的频点来识别干扰频率。在一些实施例中，干扰频率的识别随时间被调整。例如，可以通过平均连续的傅立叶变换的计算值来逐渐完成。在一些实施例中，跳频可以用于改变以接收信号基带形式出现的任何干扰的频率位置，该过程会相应调整干扰的频率。

在方框430中，该过程根据已识别的干扰频率和标准分组同步序列生成自适应的分组同步序列。在一些实施例中，由专门电路来生成该序列。在其它实施例中，可编程处理器根据指令控制生成该序列。本处理步骤的一个实施例请参见下文对图5的描述。在使用跳频的实施例中，可能为跳频中使用的每一个子频带使用不同的标准分组同步序列和不同的已识别干扰频率。在方框440中，该过程使用自适应的分组同步序列来检测接收信号中的分组同步序列的存在。该过程步骤的一个实施例请参见下文对图6的描述。该过程在这之后返回。

图5是用于生成自适应分组同步序列以用于在有干扰的情况下鲁棒检测分组同步序列的过程的流程图。在一些实施例中，该过程由检测器执行，例如，图2所示的检测器。在方框510中，该过程计算标准时域分组同步序列的傅立叶变换，以生成该序列的频域表示。在一些实施例中，该过程计算一次傅立叶变换，并将结果存储起来以在该过程的其它阶段重复使用。在其它实施例中，傅立叶变换会在每次过程其它阶段需要计算结果时被重复计算。在该过程的很多实施例中，变换是使用快速傅立叶变换方法来计算的。该过程的一些实施例可以使用其它转换代替傅立叶变换，比如小波变换。

在方框520中，该过程将分组同步序列的频域表示中对应干扰的频点置为零。已识别的干扰频率是该过程的输入。在方框530中，该过程计算经置零的序列的傅立叶逆变换。结果得到的时域自适应分组同步序列可以用于以不受已识别干扰的存在影响的方式检测分组同步序列。通常使用快速傅立叶逆变换方法计算该变换。与方框510中的傅立叶变换类似，可以使用替换的变换方法。该过程在这之后返回。

图6是使用基于干扰的自适应分组同步序列检测分组同步序列的过程的流程图。在一些实施例中，该过程由检测器执行，例如图2中的检测器。在方框610中，该过程计算输入信号和自适应分组同步序列之间的互相关性。在该过程的很多实施例中，根据图2描述给出的公式计算互相关性。计算的变量也可能被使用。在方框620中，该过程可选择地计算接收的采样点中的能量。在该过程的许多实施例中，通过对在某个时间窗口中接收到的采样点的幅值平方求和来计算能量。一般，计算能量使用的时间窗口与计算互相关性使用的时间窗口相同。一些实施例可以简单的形式计算能量，例如，通过取绝对值而不是对幅值求平方。在方框630中，该过程可以选择地从计算的接收信号的能量中减去干扰的能量。干扰的能量是该过程的输入。

在方框640中，该过程可以选择地用方框610计算的互相关性除以方框630计算得到的能量。在方框650中，该过程将方框640计算得到的商或方框610计算得到的互相关性与判决阈值作比较来判定在输入采样点中是否存在分组同步序列。阈值可能是固定的，或基于信号的特性自适应。该过程仅当超过阈值时表明检测到分组同步序列。该过程在这之后返回。

提供的上述对本发明实施例的描述是为了图示和说明。这些描述并不是为了穷举或将本发明仅限于公开的形式，可以根据上面的教导或从发明的实践中得到修改和变化。选择和描述的实施例只是为了说明发明的原理和实际应用，以使得本领域技术人员可以以各种实施方式和适于预期的特定用途的各种修改来运用本发明。

Claims (15)

1.一种用于检测采用跳频的正交频分复用OFDM超宽带UWB通信系统中分组同步序列的方法，包括：

接收采样点序列；

识别存在于接收的采样点序列中的干扰频带；

将与标准分组同步序列的频域表示中的已识别的干扰频带对应的频率成分置零，以生成自适应分组同步序列；和

使用所述自适应分组同步序列来检测所述接收的采样点序列中的所述标准分组同步序列。

2.根据权利要求1所述的方法，其中生成自适应分组同步序列包括：生成自适应频域分组同步序列。

3.根据权利要求2所述的方法，其中生成自适应分组同步序列还包括将自适应频域分组同步序列转换为自适应时域分组同步序列。

4.根据权利要求2所述的方法，其中生成自适应分组同步序列还包括将标准分组同步序列的时域表示转换为标准分组同步序列的频域表示。

5.根据权利要求1所述的方法，其中检测所述接收的采样点序列中的所述标准分组同步序列包括：

计算所述接收的采样点序列和所述自适应分组同步序列之间的互相关性。

6.根据权利要求1所述的方法，其中检测所述接收的采样点序列中的所述标准分组同步序列包括：

计算所述接收的采样点序列和所述自适应分组同步序列的二进制形式之间的互相关性。

7.根据权利要求5所述的方法，其中检测所述接收的采样点序列中的所述标准分组同步序列进一步包括：

计算所述接收的采样点序列的能量；

计算所述已识别的干扰频带的能量；和

从所述接收的采样点序列的所述能量减去所述已识别的干扰频带的所述能量，以生成除去干扰的接收能量的测量。

8.根据权利要求7所述的方法，其中检测所述接收的采样点序列中的所述标准分组同步序列进一步包括：

计算出计算得到的互相关性与除去干扰的接收能量测量值之间的比率；和

将所述比率与阈值比较，以判定分组同步序列的存在。

9.根据权利要求1所述的方法，其中识别干扰频带包括：

将一组所述接收到的采样点序列转换为频域表示；

定位所述频域表示中的幅值峰值；和

将定位的幅值峰值与阈值作比较。

10.根据权利要求9所述的方法，其中为多个子频带中的每一个子频带执行识别干扰频带。

11.一种用于分组通信系统的分组同步序列检测器，包括：

模数转换器，用于将接收到的信号转换为数字采样点；

信号处理模块包括：

傅立叶变换模块，用于将所述数字采样点转换为基带接收信号的频域表示；

用于识别干扰频率并将标准分组同步序列中相应的频率置零的电路；和

傅立叶逆变换模块，用于将经置零的所述分组同步序列转换到时域，以生成自适应分组同步序列；和

分组同步序列检测模块，其接收所述数字采样点和所述自适应分组同步序列，并产生检测信号。

12.根据权利要求11所述的用于分组通信系统的分组同步序列检测器，其中所述分组同步序列检测模块包括：

互相关模块，其接收所述数字采样点和所述自适应分组同步序列，并计算两者的互相关性。

13.根据权利要求11所述的用于分组通信系统的分组同步序列检测器，其中所述信号处理模块还包括：

频率峰值检测器，其识别所述接收的信号的频域表示中的最大值；和

阈值比较器，其比较所述最大值和阈值以识别干扰频率。

14.根据权利要求11所述的用于分组通信系统的分组同步序列检测器，其进一步包括在子频带间跳跃的无线电频率电路降频变换器；并且其中所述信号处理模块为每个子频带生成自适应分组同步序列。

15.根据权利要求11所述的用于分组通信系统的分组同步序列检测器，其中

所述信号处理模块进一步包括用于计算干扰频率的能量的电路；

所述分组同步序列检测器进一步包括能量计算模块，所述能量计算模块被配置为计算数字采样点的能量减去干扰频率的能量，从而产生没有干扰的能量测量；和

其中所述分组同步序列检测模块进一步接收没有干扰的能量测量，从而产生检测信号。

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