CN103281097B - 一种多输入多输出的Zigbee收发装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多输入多输出的Zigbee收发装置，该装置包括输入输出模块、多输出的Zigbee无线模块、多输入的Zigbee无线模块、射频模块以及两个或者两个以上射频天线，两个或者两个以上射频天线分别与射频模块相连接，输入多输出模块分别与多输出的Zigbee无线模块和多输入的Zigbee无线模块相连接，射频模块分别与多输出的Zigbee无线模块和多输入的Zigbee无线模块相连接。本发明的装置通过采用相互独立的多根天线，使得系统接收信号的灵敏度大大提高，且对消除信号的干扰与衰减得到了极大的提高，还可以适合于复杂的环境中，解决了单输入模式在复杂环境下如无线多径传输时接收信号质量严重下降、甚至接收不到信号，信号覆盖急剧减少，接收信号吞吐量或频谱明显下降等问题。

Description

一种多输入多输出的Zigbee收发装置

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，更具体地说，涉及一种多输入多输出的Zigbee收发装置。

背景技术

Zigbee(短距离、低功率的无线通信技术)是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据传输速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案，主要用于近距离无线连接。它依据802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间的相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波数据从一个传感器到另一传感器，所以它们的通信效率非常高。

目前以短距离通信技术为主体的终端主要采用单输入单输出的技术或者是多路输入和单路输出的技术，其中，多输入仅仅是简单的输入组合，而输出虽然是多个天线，但是实际上仍是一个模块输出，未对数据进行任何的输出处理，这样就无法真正地提高通信系统的收发性能。因而采用这种技术的系统对外界环境的干扰和多路径衰减无线信道环境较为敏感，使得系统接收灵敏度较低，极易受到外界的干扰而造成系统的性能严重下降。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的单输入单输出技术在近距离通信领域的缺陷和不足，提供一种多输入多输出的Zigbee收发装置，该装置采用多输入多输出的技术，有效地提高了系统无线多径环境下的接收灵敏度以及抗干扰能力。

为了达到上述目的，本发明提供一种多输入多输出的Zigbee收发装置，所述收发装置包括输入输出模块、多输出的Zigbee无线模块、多输入的Zigbee无线模块、射频模块以及两个或者两个以上射频天线，所述两个或者两个以上射频天线分别与所述射频模块相连接，所述输入多输出模块的输出端与所述多 输出的Zigbee无线模块相连接，所述多输出的Zigbee无线模块的多个输出端均与所述射频模块相连接；所述射频模块的多个输出端均与所述多输入的Zigbee无线模块相连接，所述多输入的Zigbee无线模块的输出端与所述输入输出模块相连接。

根据本发明的一个实施例，所述多输出的Zigbee无线模块包括依次相连的用于基带数据处理的第一数据处理模块、用于将一路信号分解成多路信号的多路分解器、用于信道数据处理的第二数据处理模块以及用于将并行数据转换为串行数据的并串转换器，所述多输出的Zigbee无线模块还包括用于检测信道信噪比的信道估测模块以及根据所述信道估测模块所检测的每个信道信噪比而进行功率分配的功率分配模块；所述信道估测模块的输出端接入所述功率分配模块，所述功率分配模块的输出端接入所述第二数据处理模块。

根据本发明的一个实施例，所述第一数据处理模块包括扩频器，所述输入输出模块的输出端与所述扩频器相连接，所述扩频器的输出端与所述多路分解器相连接。

根据本发明的一个实施例，所述第二数据处理模块包括两条或者两条以上子数据处理链路，所述两条或者两条以上子数据处理链路之间的数据处理相互独立。

根据本发明的一个实施例，所述每一子数据处理链路均包括用于数据编码的编码器、用于将所述编码器编码后的数据进行调制的调制器以及用于数据打包的数据链模块；所述编码器的输出端与调制器相连接，所述调制器的输出端与所述数据链模块相连接，所述多路分解器的输出端分别与每一子数据处理链路内的编码器相连接，所述功率分配模块的输出端分别与每一子数据处理链路内的数据链模块相连接，所述每一子数据处理链路内的数据链模块的输出端均分别与所述并串转换器相连接。

根据本发明的一个实施例，所述多输入的Zigbee无线模块包括用于将所述射频模块输出的信号进行分层处理的检测模块、用于处理从所述检测模块输出的每一层数据的第三数据处理模块、用于消除干扰信号的干扰消除模块、用于存储所述第三数据处理模块处理后的每一层数据的存储器以及将所述存储 器内的多层数据进行合并的合并器；所述射频模块的多个输出端分别与所述检测模块相连接，所述检测模块、第三数据处理模块、存储器以及合并器按照信号处理流程依次相连接；所述第三数据处理模块的输出端分别与所述存储器和所述干扰消除模块相连接，所述干扰消除模块的输出端与所述检测模块相连接，所述合并器的输出端与所述输入输出模块相连接。

根据本发明的一个实施例，所述第三数据处理模块包括用于分离从所述检测模块输出的载波信号和调制信号、并得到调制信号的解调器，用于对宽带扩频信号进行解扩频的解扩频器以及用于对所述解扩频器输出的信号进行解码的译码器；所述解调器、解扩频器以及译码器按照信号处理流程依次相连接，所述检测模块的输出端与所述解调器相连接，所述译码器的输出端分别与所述干扰消除模块以及存储器相连接。

根据本发明的一个实施例，所述干扰消除模块采用迭代干扰消除或者自适应干扰消除的方式进行干扰消除。

根据本发明的一个实施例，所述检测模块包括信道估测单元，用于检测从所述射频模块输出的多路信号所在信道的信噪比。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：本发明一种多输入多输出的Zigbee收发装置通过采用多输入的Zigbee无线模块作为该装置的输入端，该多输入的Zigbee无线模块采用数据处理相互独立的多个输入射频天线，使得系统接收信号的灵敏度大大提高，且提高了系统对干扰信号的消除能力，尤其是提高了对无线多径传播环境干扰的抑制能力。本发明还采用多输出的Zigbee无线模块作为该装置的输出端，同样该多输出的Zigbee无线模块采用数据处理相互独立的多个输出射频天线，使得系统可以在不同的信道进行同时传输，除此之外，在功率分配时，首先估测每个信道的传输质量，获得最高信噪比的信道，在总功率不变的情况下，可以对该信道分配较大功率，再根据不同的信噪比对其余信道进行功率分配，从而达到系统性能最大化，包括最大传输速率或最大发送信号覆盖，同时也能提高短距离通信设备系统的接收灵敏度、抗干扰能力以及发送信号的资源优化。

附图说明

图1是本发明多输入多输出的Zigbee收发装置的结构示意图；

图2是本发明实施例结构示意图；

图3是本发明实施例结构示意图；

图4是本发明实施例的多信道功率分配方案示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，为本发明多输入多输出的Zigbee收发装置的结构示意图，该收发装置包括输入输出模块、多输出的Zigbee无线模块、多输入的Zigbee无线模块、射频模块以及两个或者两个以上射频天线，其中，两个或者两个以上射频天线分别与射频模块相连接，输入多输出模块的输出端与多输出的Zigbee无线模块相连接，多输出的Zigbee无线模块的多个输出端均与射频模块相连接；射频模块的多个输出端均与多输入的Zigbee无线模块相连接，多输入的Zigbee无线模块的输出端与输入输出模块相连接。

如图2所示，本发明的多输出的Zigbee无线模块包括依次相连的用于基带数据处理的第一数据处理模块、用于将一路信号分解成多路信号的多路分解器、用于信道数据处理的第二数据处理模块、用于将并行数据转换为串行数据的并串转换器、用于检测信道信噪比的信道估测模块以及根据该信道估测模块所检测的每个信道信噪比而进行功率分配的分配模块；本发明中，功率分配优选采用灌水定律，例如：如果有三个信道A，B，C，通过信道估测模块检测出三个信道A，B，C的信噪比依次增大，则根据本系统功率分配原理，在总功率不变的情况下，三个信道A，B，C所分配得到的功率的比例也依次增大，这样实现的功率分配，能够最大的利用功率进行信号的最优传输，提高系统的传输效率，在本发明实施方式中，多信道接收信号为：

$y=\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{h}_k{p}_k{x}_k+n_i;$

其中，k为发射天线的标号，m为发射天线的数目，h为信道，x为发射天线的信号，n_i为噪声。多信道系统吞吐量可表示为：

$f\left(p_i\right)=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2(1+\frac{{\left|\right|S_i\left|\right|}^2{\mathrm{\λ}}_i^2{p}_i}{{\mathrm{\σ}}^2});$

其中，σ²是白噪声变量，||S_i||为各信道信号接收强度，λ_i为各信道特征值。

传统的灌水功率分配算法或平均功率算法仅支持单信道功率分配或不能实现最佳资源优化性能，本实施方式考虑总分配功率，其在各信道的分配方式如下：

$g_i\left(p_i\right)=P_c-\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i-\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{\λ}}_i}^{-1}$ i＝1，2…m；

这里总功率Pc＝tr(QQ^H)，Q_i是各接收信道的信号序列矩阵。

为简化实施方案和提高可执行性，修正功率分配公式为：

$p_1+\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1}=p_2+\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_2}=p_m+\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_m}\·\·\·=\frac{p_c}{m}=u;$

其中，p_c＝{p₁，p₂，…p_m}为各信道的分配功率，其中u为灌水水平常数，根据系统功率确定，本实施方式的多信道功率分配方案如图4所示。

其中，信道估测模块的输出端接入功率分配模块，功率分配模块的输出端接入第二数据处理模块。

本发明中，第一数据处理模块包括用于产生高码率二进制比特流的扩频器，扩频器的输出端与多路分解器相连，如图3所示，利用该扩频器中数字电路产生的高码率的DS序列码，即二进制比特流，使用快速变化的二进制比特流调制射频载波信号，在此二进制码的调制下，载波的相位在0度～180度之间跳跃变化，被调制后的载波再与采集的数据调制混合后，最后通过扩展频谱后输出扩频信号。本发明中，第二数据处理模块包括两条或者两条以上子数据处理链路。本发明中的子数据处理链路相互之间是独立进行数据处理的，即其中一条子数据处理链路的数据处理不受其他子数据处理链路影响，它们的数据处理方式可以相同，也可以不同，本实施例中优选采用数据处理相互之间均不同的方式。本发明的子数据处理链路的数量可以根据实际需要而定，可以是2条，也可以是3条或者是4条等等，如图3所示，为本发明较优的实施方式，其中第二数据处理模块采用两条相互独立的子数据处理链路，且信道估测模块 的输出端与功率分配模相连接，功率分配模块的输出端与第二数据处理模块相连。其中，每一子数据处理链路均包括用于数据编码的编码器、用于将编码器编码后的数据进行调制的调制器以及用于数据打包的数据链模块；该编码器的输出端与调制器相连接，多路分解器的输出端分别与每一子数据处理链路内的编码器相连接，调制器的输出端与数据链模块相连接，每一子数据处理链路内的数据链模块的输出端与并串转换器相连接。功率分配模块的输出端分别与每一子数据处理链路内的数据链模块相连接，本发明实施例中，编码器采用Differential编码器，优选采用Differential差分编码器。每一子数据处理链路上的信号经过处理后通过并串转换器将数据转换为串行数据后，再通过一射频模块进行数模转换、混频、功率放大等处理，最终由射频发射天线将信号发射出去，这就完成了多输入多输出的Zigbee收发装置的发射部分。

上述说明了多输入多输出的Zigbee收发装置的发射部分，接下来就描述接收部分。如图2所示，本发明的多输入的Zigbee无线模块包括用于将射频模块输出的多路信号进行分层处理的检测模块、用于处理从检测模块输出的每一层数据的第三数据处理模块、用于消除干扰信号的干扰消除模块、用于存储第三数据处理模块处理后的每一层数据的存储器以及将存储器内的多层数据进行合并的合并器；检测模块、第三数据处理模块、存储器以及合并器按照信号处理流程依次相连接；第三数据处理模块的输出端分别与存储器和干扰消除模块相连，干扰消除模块的输出端与检测模块相连接。

本发明中，第三数据处理模块包括用于分离从检测模块输出的信号和调制信号、并得到调制信号的解调器，用于对宽带扩频信号进行解扩频的解扩频器以及用于对解扩频输出的信号进行解码的译码器；如图3所示，其中，解调器、解扩频器以及译码器按照信号处理流程依次相连接，检测模块的输出端与解调器相连接，译码器的输出端分别与存储器和干扰消除模块相连接。本发明的实施例，干扰消除模块用于删除已检测信号，干扰消除模块优先采用迭代干扰消除或者自适应干扰消除的方式从检测模块中将已检测信号模块消除。

本发明的实施例中，检测模块还包括信道估测模块，用于检测从射频模块输出的多路信号所在信道的信噪比。该信道估测模块检测所有信号所在信道的 信噪比，选出信噪比最大的信道，并将该信道内的信号输入第三数据处理模块内进行解调、解扩频以及译码等数据处理，最后把处理完的该层数据存储于存储器中。第三数据处理模块内的译码器在完成第一层数据处理后返回干扰消除模块，检测模块通过该干扰消除模块去除已检测已处理的数据，再对剩余其他层数据经信道估测模块以及第三数据处理模块进行循环处理，直至将所有数据均处理完毕。例如，假如有三个射频天线接收的信号分别为Y1、Y2和Y3，其对应的接收天线分别为X1、X2和X3，根据多输入多输出的天线原理可得信道矩阵，如下：

$H=\left[\begin{array}{ccc}{h}_{11}& h_{12}& h_{13}\\ h_{21}& h_{22}& h_{23}\\ h_{31}& h_{32}& h_{33}\end{array}\right];$

其中，发射向量为x＝(x₁，x₂，x₃)^T；

接收向量为y＝(y₁，y₂，y₃)^T，

则y₁＝x₁h₁₁+x₂h₂₁+x₃h₃₁；

y₂＝x₁h₁₂+x₂h₂₂+x₃h₃₂；

y₃＝x₁h₁₃+x₂h₂₃+x₃h₃₃，

y₁+y₂+y₃＝x₁(h₁₁+h₁₂+h₁₃)+x₂(h₂₁+h₂₂+h₂₃)+x₃(h₃₁+h₃₂+h₃₃)。

y₁，y₂，y₃分别进入射频模块后独立的进行低噪声放大器放大以及模数转换器转换成数字信号后进入检测模块，由其中的信道估测模块对x₁、x₂和x₃三种信号所在信道进行信噪比估测，并检测出信噪比最大的信道。本实施例中，假如检测x₁的信道(h₁₁，h₁₂，h₁₃)^T的信噪比最大，然后选出x₁信号，并将x₁信号输入第三数据处理模块，通过第三数据处理模块进行解调、解扩频以及译码等数据处理，最后将处理的x₁信号存储至存储器中，这样就完成了第一层数据处理。

当完成x₁信号的数据处理后，检测模块通过干扰消除模块消除信号x₁，然后通过信道估测模块再对x₂和x₃信号所在的信道进行信噪比估测，并检测出信噪比最大的信道，本实施例中，假如检测x₂的信道(h₂₁，h₂₂，h₂₃)^T的信噪比最大，然后选出x₂信号，并将x₂信号输入第三数据处理模块，通过第三数据处理模块 进行解调、解扩频以及译码等数据处理，最后将处理的x₂信号存储至存储器中，这样就完成了第二层数据处理。检测模块再通过干扰消除模块消除信号x₃，并将x₃输入第三数据处理模块进行数据处理，最后存储至存储器中。

当第三数据处理模块完成了x₁、x₂和x₃的数据处理后，均存储于存储器中，最后通过合并器将三者合并在一起，还原原始数据，这就完成了多输入多输出的Zigbee收发装置的接收部分。上述例子仅仅是为了说明本发明的循环层处理技术，具体数据处理以及采用的天线数目以及信道矩阵均需要根据实际需要而定，在此不作限定。

综上所述，本发明提供的多输入多输出的Zigbee收发装置通过采用多输入的Zigbee无线模块作为该装置的输入端，该多输入的Zigbee无线模块采用数据处理相互独立的多个输入射频天线，使得系统接收信号的灵敏度大大提高，且提高了系统对干扰信号的消除能力，尤其是提高了对无线多径传播环境干扰的抑制能力。本发明还采用多输出的Zigbee无线模块作为该装置的输出端，同样该多输出的Zigbee无线模块采用数据处理相互独立的多个输出射频天线，使得系统可以在不同的信道进行同时传输，除此之外，在功率分配时，首先估测每个信道的传输质量，获得最高信噪比的信道，在总功率不变的情况下，可以对该信道分配较大功率，再根据不同的信噪比对其余信道进行功率分配，从而达到系统性能最大化，包括最大传输速率或最大发送信号覆盖，同时也能提高短距离通信设备系统的接收灵敏度、抗干扰能力以及发送信号的资源优化。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未违背本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多输入多输出的Zigbee收发装置，其特征在于，所述收发装置包括输入输出模块、多输出的Zigbee无线模块、多输入的Zigbee无线模块、射频模块以及两个或者两个以上射频天线，所述两个或者两个以上射频天线分别与所述射频模块相连接，所述输入输出模块的输出端与所述多输出的Zigbee无线模块相连接，所述多输出的Zigbee无线模块的多个输出端均与所述射频模块相连接；所述射频模块的多个输出端均与所述多输入的Zigbee无线模块相连接，所述多输入的Zigbee无线模块的输出端与所述输入输出模块相连接；

所述多输出的Zigbee无线模块包括用于检测信道信噪比的信道估测模块以及根据该信道估测模块所检测的每个信道信噪比而进行功率分配的功率分配模块，且所述功率分配采用灌水定律。

2.根据权利要求1所述的多输入多输出的Zigbee收发装置，其特征在于，所述多输出的Zigbee无线模块包括依次相连的用于基带数据处理的第一数据处理模块、用于将一路信号分解成多路信号的多路分解器、用于信道数据处理的第二数据处理模块以及用于将并行数据转换为串行数据的并串转换器。

3.根据权利要求2所述的多输入多输出的Zigbee收发装置，其特征在于，所述第一数据处理模块包括扩频器，所述输入输出模块的输出端与所述扩频器相连接，所述扩频器的输出端与所述多路分解器相连接。

4.根据权利要求2所述的多输入多输出的Zigbee收发装置，其特征在于，所述第二数据处理模块包括两条或者两条以上子数据处理链路，所述两条或者两条以上子数据处理链路之间的数据处理相互独立。

5.根据权利要求4所述的多输入多输出的Zigbee收发装置，其特征在于，所述子数据处理链路包括用于数据编码的编码器、用于将所述编码器编码后的数据进行调制的调制器以及用于数据打包的数据链模块；所述编码器的输出端与调制器相连接，所述调制器的输出端与所述数据链模块相连接，所述多路分解器的输出端分别与每一子数据处理链路内的编码器相连接，所述功率分配模块的输出端分别与每一子数据处理链路内的数据链模块相连接，所述每一子数据处理链路内的数据链模块的输出端均分别与所述并串转换器相连接。

6.根据权利要求1所述的多输入多输出的Zigbee收发装置，其特征在于，所述多输入的Zigbee无线模块包括用于将所述射频模块输出的信号进行分层处理的检测模块、用于处理从所述检测模块输出的每一层数据的第三数据处理模块、用于消除干扰信号的干扰消除模块、用于存储所述第三数据处理模块处理后的每一层数据的存储器以及将所述存储器内的多层数据进行合并的合并器；所述射频模块的多个输出端分别与所述检测模块相连接，所述检测模块、第三数据处理模块、存储器以及合并器按照信号处理流程依次相连接；所述第三数据处理模块的输出端分别与所述存储器和所述干扰消除模块相连接，所述干扰消除模块的输出端与所述检测模块相连接，所述合并器的输出端与所述输入输出模块相连接。

7.根据权利要求6所述的多输入多输出的Zigbee收发装置，其特征在于，所述第三数据处理模块包括用于分离从所述检测模块输出的载波信号和调制信号、并得到调制信号的解调器，用于对宽带扩频信号进行解扩频的解扩频器以及用于对所述解扩频器输出的信号进行解码的译码器；所述解调器、解扩频器以及译码器按照信号处理流程依次相连接，所述检测模块的输出端与所述解调器相连接，所述译码器的输出端分别与所述干扰消除模块以及存储器相连接。

8.根据权利要求6或者7所述的多输入多输出的Zigbee收发装置，其特征在于，所述干扰消除模块采用迭代干扰消除或者自适应干扰消除的方式进行干扰消除。

9.根据权利要求6所述的多输入多输出的Zigbee收发装置，其特征在于，所述检测模块包括信道估测单元，用于检测从所述射频模块输出的多路信号所在信道的信噪比。