CN101902244A - 一种短程无线网络中扩频解码方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种短程无线网络中扩频解码方法，属于无线通信技术领域。首先根据测试得到接收系统对频率偏移容忍度范围；根据该容忍度最大值对本地扩频调制序列进行相位偏移补偿，得到新的本地频率偏移相关值序列；将接收相关值序列分别与本地相关值序列进行相关，得到一组相关值序列；根据所有相关值的最大值对应的序列位置，从而实现数据解码。本发明时频同步方法，提高了频率偏移影响下数据解码的性能，使接收机具有更低的功耗以及在更大频率偏移情况下的接收性能，提高了频率偏移补偿时的运算精度，有效改善接收机性能。

Description

一种短程无线网络中扩频解码方法

技术领域

本发明涉及一种短程无线网络中扩频解码方法，尤其涉及短程无线网络中的数据接收和解调方法，属于无线通信的技术领域。

背景技术

现代的无线网络通信采用包传输机制，接收机在检测到发给自己的信号后，通过射频将无线信号接收下来，再经过采样后得到基带接收信号。对于基带接收信号，首先利用包头数据完成时间、载波同步和帧定界操作，找到有效传送信息在包结构数据信息中的位置。

利用基带接收信号完成传送信息的恢复就是数据解调，它直接决定了接收信号与真实发送信息的一致性，决定了整个收发性能的好坏。因此，数据解调是现代无线网络通信系统中至关重要的问题。

扩频通信是现在一种常用的通信方式，扩频系统中扩频序列一般都具有良好的自相关特性，通过使用已知的扩频序列作为接收机本地的参考信号，常规的数据解调可以靠接收信号和接收机本地的参考信号之间做匹配相关来完成。当接收信号中的扩频序列和本地参考信号中的扩频序列对齐且完全匹配时，相关值会表现出一个峰值，而在其它情况下，相关值接近于零。但是，当接收信号中存在频率偏移时，接收信号和接收机本地参考信号的相关值会受到很大影响，特别是在大频偏条件下，即使接收信号中的扩频序列和参考信号中的扩频序列对齐时，相关值也不再是最大相关值。

为了能够使用匹配相关的方法完成数据解调同步，需要先估计出频偏的大小并根据估计值对接收信号予以校正。前后差分是频偏估计中常用的一种方法，它利用接收信号中前同步头处扩频序列的周期性，相隔一个扩频序列周期对前后两个采样点进行差分，即后一个点乘以前一个点的共轭，以去掉接收信号中扩频序列本身的相位，只留下频偏造成的相位差，从而估计出频偏的值。但是，因为相位估计的区间是-π～π，所以这种方法只能估计出-1/2T_s～1/2T_s之间的频偏，这里T_s是扩频序列的周期。另外，估计误差和相位补偿操作引入的误差会进一步影响解调性能。

发明内容

本发明的目的是提出一种短程无线网络中扩频解码方法，首先利用本地16组扩频调制序列构造不同频率偏移情况下新的本地相关值序列；将接收信号序列分别与本地频率偏移序列相关，得到一组相关值序列，寻找最大相关值位置的二进制表示，作为数据解调的结果。

本发明提出的短程无线网络中扩频解码方法，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接收信号，对该基带接收信号进行2倍采样得到采样接收信号，采样时间间隔记为T_C；

(2)短程无线网络中的接收端从上述接收信号中的时间同步点开始，读取一个码元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表示一个码元周期长度内的采样信号个数；

(3)根据测试得到本地扩频调制复序列对载波频率偏移的容忍范围[-P P)，该最大容忍值记为P，单位为弧度；

(4)在载波频率偏移[-DP DP)弧度范围内，以2P为步长得到一组包含D个载波频率值的序列，记为P′＝[P_u]，其中P_u＝-(D-2u+1)P，u＝1，2，...，D；

(5)将上述载波频率值序列中的D个载波频率值作为载波频率偏移值，以T_C为采样时间间隔，分别构造D个码元周期长度内的相位偏移序列，记为β_u＝[β_u，1，β_u，2，...，β_u，N]，其中

(4)短程无线网络中的接收端分别对16组本地扩频调制复序列s_j＝[s_j，1，s_j，2，...s_j，N]，j＝1，2，...，16与D个相位偏移序列进行逐点相乘，得到新的16×D组本地载波频率偏移扩频复序列，记为L_j，u＝[l_j，u，1，l_j，u，2，...，l_j，u，N]，其中l_j，u，i＝s_j，i·β_u，i，j＝1，2，...，16；i＝1，2，...，N；u＝1，2，...，D；

(5)将上述接收信号序列r进行共轭后，分别与上述16×D组本地载波频率偏移扩频复序列L_j，u进行相关，得到相关值序列R＝{R_1，1，R_1，2，...，R_1，D，R_2，1，R_2，2，...，R_2，D，...，R_16，1，R_16，2，...，R_16，D}，其中

(·)^*表示共轭操作；

(6)从上述第二次相关值序列中找到最大值与该最大相关值相对应的序列位置j值减去一，可以得到其二进制表示，即为接收解码的结果，也就是发送端的数据比特。

上述解码方法中，根据测试得到本地扩频调制复序列对载波频率偏移的容忍范围[-P P)的方法，包括以下步骤：

(1)从零相位的载波频率偏移开始，以载波频率f₀的百万分之五为步长，得到第一次测试的载波频率偏移值，记为P_l＝2πf₀·l·S_tep，其中S_tep＝5e^-6，l＝1；

(2)根据载波频率偏移值P_l，以T_C为采样时间间隔，构造一个码元周期长度内的相位偏移序列，记为α_l＝[α_l，1，α_l，2，...，α_l，N]，其中

(3)短程无线网络中的接收端分别对16组本地扩频调制复序列s_j＝[s_j，1，s_j，2，...，s_j，N]，j＝1，2，...，16与频率偏移序列进行逐点相乘，得到新的16组本地偏移测试扩频复序列，记为L′_j＝[l′_j，1，l′_j，2，...，l′_j，N]，其中l′_j，i＝s_j，i·α_l，i，j＝1，2，...，16；i＝1，2，...，N；

(4)依次将16组本地扩频调制复序列s_j＝[s_j，1，s_j，2，...，s_j，N]，j＝1，2，...，16分别与16组本地偏移测试扩频复序列L′_j进行相关，得到16组频偏相关值，记为R′_j＝{R′_j，1，R′_j，2，...，R′_j，16}，其中

(5)从上述频偏相关值序列中找到最大值

(6)如果对于16组本地扩频调制复序列中的所有s_j，其对应的频偏相关值序列中最大值

对应的位置

等于本地扩频调制复序列的序号j，那么说明本地扩频调制复序列能够容忍当前的载波频率偏移值P_l，将l加1，得到新的当前载波频率偏移值P_l＝2πf₀·l·S_tep，重复(2)～(6)的操作；否则，只要任一个本地扩频调制复序列中s_j，其对应的频偏相关值序列中最大值对应的位置

不等于本地扩频调制复序列的序号j，那么说明本地扩频调制复序列已经无法容忍当前的载波频率偏移值P_l，得到本地扩频调制复序列对载波频率偏移的最大容忍值P＝2πf₀·(l-1)·S_tep。

本发明提出的短程无线网络中扩频解码方法，具有以下优点：

(1)本发明方法使用本地序列补偿频偏的方法，避免了载波频率偏移对解码算法性能的影响，有效提高解码的准确度；

(2)本发明方法的解码算法无需先对接收信号进行频偏补偿后再与本地序列进行相关解码，避免了频偏估计和补偿过程中带来的估计误差，提高了解码的准确性；

(3)本发明方法不需要对载波频率进行估计和补偿，降低了接收系统在导频序列时间需要完成的计算复杂度；

(4)本发明方法结构简单通用，降低了实现系统的硬件复杂度。

附图说明

图1是本发明提出的接收数据解码方法的流程框图。

具体实施方式

本发明提出的短程无线网络中扩频解码方法，其流程框图如图1所示，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接收信号，对该基带接收信号以T_C为时间间隔进行采样，得到基带2倍采样接收信号；然后从上述接收信号的时间同步点开始，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；根据测试得到本地扩频调制复序列对载波频率偏移的容忍范围[-P P)，该最大容忍值记为P，单位为弧度；在载波频率偏移[-DP DP)弧度范围内，以2P为步长得到一组包含D个载波频率值的序列，记为P′＝[P_u]，其中P_u＝-(D-2u+1)P，u＝1，2，...，D；将上述载波频率值序列中的D个载波频率值作为载波频率偏移值，以T_C为采样时间间隔，分别构造D个码元周期长度内的频率偏移序列，记为β_u＝[β_u，1，β_u，2，...，β_u，N]，其中β_u，i＝2πP_u·(iT_c)；短程无线网络中的接收端分别对16组本地扩频调制复序列s_j＝[s_j，1，s_j，2，...，s_j，N]，j＝1，2，...，16与D个频率偏移序列进行逐点相乘，得到新的16×D组本地载波频率偏移扩频复序列，记为L_j，u＝[l_j，u，1，l_j，u，2，...，l_j，u，N]，其中l_j，u，i＝s_j，i·β_u，i，j＝1，2，...，16；i＝1，2，...，N；u＝1，2，...，D；将上述接收信号序列r进行共轭后，分别与上述16×D组本地载波频率偏移扩频复序列L_j，u进行相关，得到相关值序列R＝{R_1，1，R_1，2，...，R_1，D，R_2，1，R_2，2，...，R_2，D，...，R_16，1，R_16，2，...，R_16，D}，其中

(·)^*表示共轭操作；从上述第二次相关值序列中找到最大值

与该最大相关值相对应的序列位置j值减去一，可以得到其二进制表示，即为接收解码的结果，也就是发送端的数据比特。

下面结合附图和实施例详细介绍本发明的方法。

本发明提出的短程无线网络中扩频解码方法如图1所示，首先对接收信号进行下变频处理和采样，采样周期T取码片周期T_c的一半。在IEEE802.15.4b标准中规定了码元周期T_s是码片周期T_c的16倍，因此每个周期的码元信号采样得到N＝T_s/T＝32个采样点。在IEEE802.15.4b标准中规定了无线数据结构采用包传输结构，即每次只传送一定量的数据，在每个数据包的前面需要首先传送导频序列，用来让接收机知道数据是否达到接收机前端，并用来完成接受增益控制、时间同步和载波频率同步。在该实施例中，考虑前端的时间同步已经完成，并以该时间同步点为起始选取基带数字接收信号中一个周期长度为N的接收序列，记为r＝[r₁，r₂，...，r_N]。

通常的数据解码都是将接收信号分别与本地扩频序列相关，得到一组相关值序列，再通过寻找最大相关值相对应的序列位置的二进制表示，得到解码的结果。但是对于存在频率偏移的无线通信系统来说，接收信号与本地序列的相关值会受到频偏的严重影响，最大相关值已不再对应接收信号与本地序列的匹配程度，因此在频偏情况下直接相关来完成数据解码是不可行的。

考虑到频率偏移对接收信号主要造成相位偏移的影响，并且对于相同时间间隔的采样点来说，接收信号的相位叠加了线性变化的相位。考虑到一定程度的频率偏移不会对接收信号与本地扩频序列的相关特性造成致命影响，仍然能够通过接收信号分别与本地扩频序列相关的方法进行数据解码，即接收性能对频率偏移有一定的容忍度。目前的方法是估计出频率偏移，并补偿到接收信号后再与本地扩频序列进行相关，从而实现数据解码。同样，也可以将估计的频率偏移补偿到本地扩频序列后与接收信号相关进行数据解码。为了避免估计的频率偏移在和本地扩频序列相关时引入的计算精度下降，以及估计误差的影响，可以考虑将不同频率偏移值对应的相位偏移序列和本地扩频序列进行相关，得到新的本地频偏扩频序列。只要保证接收信号的实际频率偏移至少与其中某一个本地频偏扩频序列对应的频率偏移的数值差在容忍度范围内，那么就能保证数据的正确解码。

首先，需要根据测试得到本地扩频调制复序列对载波频率偏移的容忍范围[-P P)，该最大容忍值记为P，单位为弧度。从零相位的载波频率偏移开始，以载波频率f₀的百万分之五为步长，得到第一次测试的载波频率偏移值：

P_l＝2πf₀·l·S_tep，

其中，S_tep＝5e^-6，l＝1。

根据载波频率偏移值P_l，以T_C为采样时间间隔，可以得到一个码元周期内的相位偏移值：

${\mathrm{\α}}_{l,i}=e^{j2\mathrm{\π}{P}_l\·\left({\mathrm{iT}}_c\right)},i=\mathrm{1,2},...,N,$

因此，构造一个码元周期长度内的频率偏移序列，记为α_l＝[α_l，1，α_l，2，...，α_l，N]。

短程无线网络中的接收端分别对16组本地扩频调制复序列s_j＝{s_j，i，s_j，2，...，s_j，N]，j＝1，2，...，16与频率偏移序列进行逐点相乘，第j组本地扩频序列的第i个信号与当前频率偏移值P_l在第i个信号时间引起的相位偏移相乘结果为：

l′_j，i＝s_j，i·α_l，i，j＝1，2，...，16；i＝1，2，...，N，

可以得到新的16组本地偏移测试扩频复序列，记为L′_j＝[l′_j，1，l′_j，2，...，l′_j，N]。

依次将16组本地扩频调制复序列s_j＝[s_j，1，s_j，2，...，s_j，N]，j＝1，2，...，16分别与16组本地偏移测试扩频复序列L′_j进行相关，第j组本地扩频序列相关值为：

$R_{j,k}^{\′}=s_j^{*}{L}_k^{\′}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_{j,i}^{*}\·l_{k,i}^{\′},k=\mathrm{1,2},...,16$

得到16组频偏相关值，记为R′_j＝{R′_j，1，R′_j，2，...，R′_j，16}。

从上述频偏相关值序列中找到最大值

如果对于16组本地扩频调制复序列中的所有s_j，其对应的频偏相关值序列中最大值

对应的位置

等于本地扩频调制复序列的序号j，那么说明本地扩频调制复序列能够容忍当前的载波频率偏移值P_l，将l加1后得到新的当前载波频率偏移值P_l+1＝2πf₀·(l+1)·S_tep，重复上述的操作；否则，只要任一个本地扩频调制复序列中s_j，其对应的频偏相关值序列中最大值

对应的位置

不等于本地扩频调制复序列的序号j，那么说明本地扩频调制复序列已经无法容忍当前的载波频率偏移值P_l，得到本地扩频调制复序列对载波频率偏移的最大容忍值P＝2πf₀·(l-1)·S_tep。根据得到的本地扩频调制复序列对载波频率偏移的容忍范围[-P P)，其中最大容忍值为P，单位为弧度。

在载波频率偏移[-DP DP)弧度范围内，以2P为步长得到一组包含D个载波频率值的序列，记为P′＝[P_u]，其中P_u＝-(D-2u+1)P，u＝1，2，...，D，结合国际标准IEEE 802.15.4，根据设计需要取值D＝8。

将上述载波频率值序列中的D个载波频率值作为载波频率偏移值，以T_C为采样时间间隔，可以得到一个码元周期内不同采样时间对应的相位偏移值：

${\mathrm{\β}}_{u,i}=e^{j2\mathrm{\π}{P}_u\·\left(i{T}_c\right)},$

构造D个码元周期长度内的频率偏移序列，记为β_u＝[β_u，1，β_u，2，...，β_u，N]，u＝1，2，...，D。

短程无线网络中的接收端分别对16组本地扩频调制复序列s_j＝[s_j，1，s_j，2，...，s_j，N]，j＝1，2，...，16与D个相位偏移序列进行逐点相乘，第j组本地扩频序列的第i个信号与当前频率偏移值P_l在第i个信号时间引起的相位偏移相乘结果为：

l_j，u，i＝s_j，i·β_u，i，j＝1，2，...，16；i＝1，2，...，N；u＝1，2，...，D，

得到新的16×D组本地载波频率偏移扩频复序列，记为L_j，u＝[l_j，u，1，l_j，u，2，...，l_j，u，N]。

将上述接收信号序列r进行共轭后，分别与上述16×D组本地载波频率偏移扩频复序列L_j，u进行相关，与第j组本地频率偏移扩频序列相关值为：

$R_{j,u}=r^{*}{L}_{j,u}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{r}_i^{*}\·l_{j,u,i},$

得到相关值序列R＝{R_1，1，R_1，2，...，R_1，D，R_2，1，R_2，2，...，R_2，D，...，R_16，1，R_16，2，...，R_16，D}，其中，(·)^*表示共轭操作；

从上述第二次相关值序列中找到最大值

与该最大相关值相对应的序列位置j值减去一，可以得到其二进制表示，即为接收解码的结果，也就是发送端的数据比特。

Claims (2)

1.一种短程无线网络中扩频解码方法，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接收信号，对该基带接收信号进行2倍采样得到采样接收信号，采样时间间隔记为T_C；

(2)短程无线网络中的接收端从上述接收信号中的时间同步点开始，读取一个码元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表示一个码元周期长度内的采样信号个数；

(3)根据测试得到本地扩频调制复序列对载波频率偏移的容忍范围[-P P)，该最大容忍值记为P，单位为弧度；

(4)在载波频率偏移[-DP DP)弧度范围内，以2P为步长得到一组包含D个载波频率值的序列，记为P′＝[P_u]，其中P_u＝-(D-2u+1)P，u＝1，2，...，D；

(5)将上述载波频率值序列中的D个载波频率值作为载波频率偏移值，以T_C为采样时间间隔，分别构造D个码元周期长度内的相位偏移序列，记为β_u＝[β_u，1，β_u，2，...，β_u，N]，其中

(4)短程无线网络中的接收端分别对16组本地扩频调制复序列s_j＝[s_j，1，s_j，2，...，s_j，N]，j＝1，2，...，16与D个相位偏移序列进行逐点相乘，得到新的16×D组本地载波频率偏移扩频复序列，记为L_j，u＝[l_j，u，1，l_j，u，2，...，l_j，u，N]，其中l_j，u，i＝s_j，i·β_u，i，j＝1，2，...，16；i＝1，2，...，N；u＝1，2，...，D；

(5)将上述接收信号序列r进行共轭后，分别与上述16×D组本地载波频率偏移扩频复序列L_j，u进行相关，得到相关值序列R＝{R_1，1，R_1，2，...，R_1，D，R_2，1，R_2，2，...，R_2，D，...，R_16，1，R_16，2，...，R_16，D}，其中

(·)^*表示共轭操作；

(6)从上述第二次相关值序列中找到最大值

与该最大相关值相对应的序列位置j值减去一，可以得到其二进制表示，即为接收解码的结果，也就是发送端的数据比特。

2.如权利要求2所述的方法，其特征在于根据测试得到本地扩频调制复序列对载波频率偏移的容忍范围[-P P)的方法，包括以下步骤：

(1)从零相位的载波频率偏移开始，以载波频率f₀的百万分之五为步长，得到第一次测试的载波频率偏移值，记为P_l＝2πf₀·l·S_tep，其中S_tep＝5e^-6，l＝1；

(2)根据载波频率偏移值P_l，以T_C为采样时间间隔，构造一个码元周期长度内的相位偏移序列，记为α_l＝[α_l，1，α_l，2，...，α_l，N]，其中

(3)短程无线网络中的接收端分别对16组本地扩频调制复序列s_j＝[s_j，1，s_j，2，...，s_j，N]，j＝1，2，...，16与相位偏移序列α_l进行逐点相乘，得到新的16组本地偏移测试扩频复序列，记为L′_j＝[l′_j，1，l′_j，2，...，l′_j，N]，其中l′_j，i＝s_j，i·α_l，i，j＝1，2，...，16；i＝1，2，...，N；

(4)依次将16组本地扩频调制复序列s_j＝[s_j，1，s_j，2，...，s_j，N]，j＝1，2，...，16分别与16组本地偏移测试扩频复序列L′_i进行相关，得到16组频偏相关值，记为R′_j＝{R′_j，1，R′_j，2，...，R′_j，16}，其中

(5)从上述频偏相关值序列中找到最大值

(6)如果对于16组本地扩频调制复序列中的所有s_j，其对应的频偏相关值序列中最大值

对应的位置

等于本地扩频调制复序列的序号j，那么说明本地扩频调制复序列能够容忍当前的载波频率偏移值P_l，将l加1，得到新的当前载波频率偏移值P_l+1＝2πf₀·(l+1)·S_tep，重复(2)～(6)的操作；否则，只要任一个本地扩频调制复序列中s_j，其对应的频偏相关值序列中最大值

对应的位置不等于本地扩频调制复序列的序号j，那么说明本地扩频调制复序列已经无法容忍当前的载波频率偏移值P_l，得到本地扩频调制复序列对载波频率偏移的最大容忍值P＝2πf₀·(l-1)·S_tep。

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