CN103368878B - 蓝牙4.0低功耗高精度频偏估计的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及蓝牙4.0低功耗高精度频偏估计的装置及方法，低通滤波器LPF连接鉴频器FD，鉴频器FD连接第一缓存器buffer，第一缓存器buffer连接第二缓存器buffer，第一缓存器buffer还分别连接帧同步模块frame SYNC block和第一累加器，第一累加器连接第一加法器，自直流计算模块self dc calculation连接第一加法器，第一加法器连接第一乘法器，第一乘法器连接至第二加法器，第二缓存器buffer连接第二累加器，第二累加器连接第二乘法器，第二乘法器连接至第二加法器。采用preamble和AA进行接收信号频偏的估计，提高BT4.0接收端进行信号频偏估计的精度。

Description

蓝牙4.0低功耗高精度频偏估计的装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种蓝牙4.0低功耗高精度频偏估计的装置及其方法，属于无线局域网传输技术领域。

背景技术

2009年12月，蓝牙技术联盟（Bluetooth Special Interest Group，SIG）首度先行推出蓝牙4.0版本，并在2010年底，于西雅图正式公布蓝牙核心规格4.0版本的相关数据，蓝牙4.0版本将过去三种蓝牙规格包括传统蓝牙技术、蓝牙低功耗技术及蓝牙高速技术等三种规格合而为一。

低功耗技术可说是蓝牙4.0版本的重大突破，具备超低峰值（Peak）、平均值与待机功耗，透过标准钮扣电池足以使用数年，支持多种设备之间的兼容性，并加强射程。支持很短的数据封包，8octet至27octet，其传输速度高达1Mbps。蓝牙低功耗技术和其他版本的蓝牙技术一样都是使用自适应跳频，以尽量减少2.4GHz ISM波段其他技术的干扰。蓝牙低功耗设计主要提供3种应用方案：独立运作模式（Stand-alone）、双模工作模式（Dual Mode）及整合模式。在双模应用中，蓝牙低功耗的功能会整合至现有的传统蓝牙控制器中，共享传统蓝牙技术既有的射频和功能，相较于传统的蓝牙技术增加的成本更小。除此之外，制造商可利用升级版蓝牙低功耗技术的堆栈，整合目前的蓝牙3.0高速版本、或2.1+EDR等传统蓝牙芯片组，增进传统蓝牙装置的新效能。另外，低功耗的独立运作芯片组则是一个高度集成的装置，具备轻量的链路层（Link Layer），能在最低成本的前提下，支持低功耗的待机模式、简易的装置发现、可靠的点对多点的数据传输、安全的加密连结等；位于上述控制器中的链路层，适用于网络连接传感器，并确保在无线传输中，皆能通过蓝牙低功耗传输。

BT4.0LE中物理层使用h=0.5的GFSK为其调制方式，并结合自适应跳频技术（AFH）使其在40个可能的频道上随机跳频。其帧结构具有一般通信技术中物理层帧结构的特点，帧由一个8bit的前导码（Preamble）为起始，后面紧跟着32bit的接入地址（AccessAddress），之后是PDU和CRC字节。Preamble和Access Address在传输过程中不会被加扰。由于BT4.0LE为GFSK调制，所以所有的传输信息全部包含于接收信号瞬时频率中，频偏的出现是不可避免的但是却恰恰是影响调频信号接收性能的最大因素之一。

对BT4.0LE中物理帧的接收过程首先是帧头检测，由于preamble和AA对于接收方来说是确知信号，因此接收端通常使用一个滑动相关器来检测一个物理帧的出现，相关器的一端为移位寄存器用于按时间顺序存储采样速率的鉴频器（FD）输出值的离散值FD（n），FD（n）表示每一采样时刻GFSK信号的频率偏移

fd(n)=angle[r(n)·r(n-k)^*]

angle为求复数相角运算，r（n）为接收到的采样信号，k为设计参数，取值范围为[1,OSR]的整数（OSR为过采样率）。

相关器的另一端为本地存储的理想preamble和AA经过/未经过GFSK调制后的信号波形并上采样至采样速率，当相关器的输出大于预设的门限时就认为以极大的概率检测到了preamble和AA。此时根据相关器峰值的位置推断出preamble对应的那些FD（n）并将其加和求出的直流分量即视为该信号的初始频偏。该方法基于的前提是preamble为8bit的0，1交替波形，不含有任何的直流分量。由于preamble的长度比较短（只有8比特）因此这种频偏估计方法的估计方差比较大。而AA是32bit几乎任意的0,1的排列，并不能保证是不含有直流分量的，因此不适用于提取频偏信息，只能被用于进行帧同步检测。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种蓝牙4.0低功耗高精度频偏估计的装置及其方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

蓝牙4.0低功耗高精度频偏估计的装置，特点是：包括低通滤波器LPF、鉴频器FD、第一缓存器buffer、第二缓存器buffer和自直流计算模块self dc calculation，低通滤波器LPF的输出端连接鉴频器FD的输入端，鉴频器FD的输出端连接第一缓存器buffer，第一缓存器buffer的输出端连接第二缓存器buffer的输入端，第一缓存器buffer还分别连接帧同步模块frame SYNC block的输入端和第一累加器的输入端，第一累加器的输出端连接第一加法器的输入端，自直流计算模块self dc calculation的输出端连接第一加法器的输入端，第一加法器的输出端连接第一乘法器的输入端，第一乘法器的输出端连接至第二加法器，第二缓存器buffer连接第二累加器的输入端，第二累加器的输出端连接第二乘法器的输入端，第二乘法器的输出端连接至第二加法器；

数字采样信号rx（n）输入至低通滤波器LPF，数字采样信号rx（n）经过低通滤波器LPF的低通滤波处理，再经鉴频器FD鉴频运算，鉴频器FD的输出FD（n）依次按采样速率送入第一缓存器buffer，第一缓存器buffer的输出连接第二缓存器buffer的输入，自直流计算模块self dc calculation的输入为本地存储的当前期望接收的帧中的接入地址Accessaddress的时域采样信号，自直流计算模块self dc calculation的输出为对应该接入地址信号本身直流分量self_DC；

帧同步模块frame SYNC block的输入为第一缓存器buffer中所存储的所有数值以及接收机中本地存储的当前帧中使用的Access address，帧同步模块frame SYNC block在第一缓存器buffer中的值恰好对应接收帧中的Access address部分时将帧同步指示信号SYNC_flag从低电平置为高电平，第一缓存器buffer和第二缓存器buffer在SYNC_flag变成高电平后将保持其存储内容不随时间更新；

第一缓存器buffer中所有的FD（n）在SYNC_flag置高时刻得到一个全部相加的结果Fc_AA，Fc_AA与自直流计算模块self dc calculation的输出self_DC相减得到修正后的结果Fc_AA’；同样第二缓存器buffer中所有的FD（n）也得到一个全部相加的结果Fc_pream，Fc_AA’和Fc_pream加权得到频偏估计值fc。

进一步地，上述的蓝牙4.0低功耗高精度频偏估计的装置，所述第一缓存器buffer和第二缓存器buffer为先进先出FIFO型缓存器。

更进一步地，上述的蓝牙4.0低功耗高精度频偏估计的装置，所述第一缓存器buffer的长度为能够存储整个物理帧中的接入地址Access address部分对应的采样点数的FD（n）。

更进一步地，上述的蓝牙4.0低功耗高精度频偏估计的装置，所述第二缓存器buffer的长度为能够存储整个物理帧中的前导码Preamble部分对应的采样点数的FD（n）。

本发明蓝牙4.0低功耗高精度频偏估计的实现方法，接收到的基带数字采样信号rx（n）经过低通滤波器LPF处理将带外干扰和噪声进行抑制后由鉴频器FD运算，鉴频器FD的输出FD（n）依次进入第一缓存器buffer，当接入地址Access address和前导码Preamble恰好分别移入第一缓存器buffer和第二缓存器buffer中的时候，帧同步模块frame SYNCblock给出帧同步指示信号，此时第一缓存器buffer和第二缓存器buffer中对应接入地址Access address和前导码Preamble的FD（n）值被分别加和得到：

$\mathrm{fc}\_\mathrm{pream}=\underset{n\∈\mathrm{preamble}}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{FD}\left(n\right)$

$\mathrm{fc}\_\mathrm{AA}=\underset{n\∈\mathrm{AA}}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{FD}\left(n\right)-\mathrm{self}\_\mathrm{DC}$

同时，由于AA即接入地址Access address是已知的，故生成理想情况下AA对应的频率调制信号FD'(n),n∈AA；

由此计算出由于AA自身的数据图样引入的直流分量self_DC；

$\mathrm{slef}\_\mathrm{DC}=\underset{n\∈\mathrm{AA}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{FD}}^{\′}\left(n\right)$

最终的信号频偏估计值fc通过以下公式计算：

fc=fc_AA*c+fc_pream*(1-c)

其中c为加权系数。

再进一步地，上述的蓝牙4.0低功耗高精度频偏估计的实现方法，所述加权系数c满足条件：0≤c≤1。

再进一步地，上述的蓝牙4.0低功耗高精度频偏估计的实现方法，所述加权系数c=4/5。

本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：

①采用8bit的preamble和32bit的AA进行接收信号频偏的估计，利用已知理想的AA的鉴频输出序列来计算由其自身数据图样带来的直流分量self_DC，将使用preamble进行频偏估计的方法扩展至使用AA进行频偏估计，在求得AA对应的FD（n）的直流值后减去self_DC再作为接收信号频偏的估计；提高BT4.0接收端进行信号频偏估计的精度，利用物理层帧结构中的AA进行信号频偏估计；

②充分地利用了接收帧中的已知信息来进行信号频偏估计，与现有方法相比较在保持有效估计范围不变的前提下大大增加了频偏估计的精度，在输入信噪比保持不变的前提下减小了估计方差到现有方法的1/5左右；或者能在输入信噪比变差5倍左右的条件下保持与现有方法一样的估计精度；有利于BT4.0LE信号接收端减小PER，以及提高接收机的稳定性。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1：本发明的结构原理示意图。

具体实施方式

如图1所示，蓝牙4.0低功耗高精度频偏估计的装置，包括低通滤波器LPF1、鉴频器FD2、第一缓存器buffer5、第二缓存器buffer6和自直流计算模块self dc calculation4，低通滤波器LPF1的输出端连接鉴频器FD2的输入端，鉴频器FD2的输出端连接第一缓存器buffer5，第一缓存器buffer5的输出端连接第二缓存器buffer6的输入端，第一缓存器buffer5还分别连接帧同步模块frame SYNC block3的输入端和第一累加器7的输入端，第一累加器7的输出端连接第一加法器9的输入端，自直流计算模块self dc calculation4的输出端连接第一加法器9的输入端，第一加法器9的输出端连接第一乘法器11的输入端，第一乘法器11的输出端连接至第二加法器12，第二缓存器buffer6连接第二累加器8的输入端，第二累加器8的输出端连接第二乘法器10的输入端，第二乘法器10）的输出端连接至第二加法器12；

蓝牙4.0低功耗接收机接收到的模拟基带信号经过模拟数字转换器后的数字采样信号rx（n）输入至低通滤波器LPF1，数字采样信号rx（n）经过低通滤波器LPF1的低通滤波处理，再经鉴频器FD2鉴频运算，鉴频器FD2的输出FD（n）依次按采样速率送入第一缓存器buffer5，第一缓存器buffer5的输出连接第二缓存器buffer6的输入，第一缓存器buffer5和第二缓存器buffer6为先进先出FIFO型缓存器，第一缓存器buffer5的长度为能够存储整个物理帧中的接入地址Access address部分对应的采样点数的FD（n），第二缓存器buffer6的长度为能够存储整个物理帧中的前导码Preamble部分对应的采样点数的FD（n），自直流计算模块self dc calculation4的输入为本地存储的当前期望接收的帧中的接入地址Access address的时域采样信号，自直流计算模块self dc calculation4的输出为对应该接入地址信号本身直流分量self_DC；

帧同步模块frame SYNC block3的输入为第一缓存器buffer5中所存储的所有数值以及接收机中本地存储的当前帧中使用的Access address，帧同步模块frame SYNCblock3在第一缓存器buffer5中的值恰好对应接收帧中的Access address部分时将帧同步指示信号SYNC_flag从低电平置为高电平，第一缓存器buffer5和第二缓存器buffer6在SYNC_flag变成高电平后将保持其存储内容不随时间更新；

第一缓存器buffer5中所有的FD（n）在SYNC_flag置高时刻得到一个全部相加的结果Fc_AA，Fc_AA与自直流计算模块self dc calculation4）的输出self_DC相减得到修正后的结果Fc_AA’；同样第二缓存器buffer6中所有的FD（n）也得到一个全部相加的结果Fc_pream，Fc_AA’和Fc_pream加权得到频偏估计值fc。

具体应用时，接收到的基带数字采样信号rx（n）经过低通滤波器LPF1处理将带外干扰和噪声进行抑制后由鉴频器FD2运算，鉴频器FD2的输出FD（n）依次进入第一缓存器buffer5，当接入地址Access address和前导码Preamble恰好分别移入第一缓存器buffer5和第二缓存器buffer6中的时候，帧同步模块frame SYNC block3给出帧同步指示信号，此时第一缓存器buffer5和第二缓存器buffer6中对应接入地址Access address和前导码Preamble的FD（n）值被分别加和得到：

$\mathrm{fc}\_\mathrm{pream}=\underset{n\∈\mathrm{preamble}}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{FD}\left(n\right)$

$\mathrm{fc}\_\mathrm{AA}=\underset{n\∈\mathrm{AA}}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{FD}\left(n\right)-\mathrm{self}\_\mathrm{DC}$

同时，由于AA即接入地址Access address是已知的，故生成理想情况下AA对应的频率调制信号FD'(n),n∈AA；

由此计算出由于AA自身的数据图样引入的直流分量self_DC；

$\mathrm{slef}\_\mathrm{DC}=\underset{n\∈\mathrm{AA}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{FD}}^{\′}\left(n\right)$

最终的信号频偏估计值fc通过以下公式计算：

fc=fc_AA*c+fc_pream*(1-c)

其中c为加权系数，c满足条件：0≤c≤1，优选c=4/5。

综上所述，本发明采用8bit的preamble和32bit的AA（Access address接入地址）进行接收信号频偏的估计。虽然在大多数情况下AA序列并不能满足鉴频后信号无直流分量这一约束，但是由于AA序列对于接收方来说是已知信号，因此可以利用已知理想的AA的鉴频输出序列来计算由其自身数据图样带来的直流分量self_DC。将使用preamble进行频偏估计的方法扩展至使用AA进行频偏估计，在求得AA对应的FD（n）的直流值后减去self_DC再作为接收信号频偏的估计。

提高BT4.0接收端进行信号频偏估计的精度，利用物理层帧结构中的AA来进行信号频偏估计；

由于AA的调频波形并不像preamble的调频波形一样能够做到鉴频器输出波形直流分量为零，因此需要本地提前计算出AA波形由于其自身数据图样引入的直流分量self_DC，并从接收信号的AA对应位置的鉴频信号的直流中减去该self_DC得到一个无偏的信号频偏的估计值，由于AA的数据长度是preamble的4倍，因此通过AA使用上述方法得到的信号频偏估计的方差是现有仅仅使用preamble的方法的1/5左右。

将使用AA得到的信号频偏估计值fc_AA和仅使用preamble得到的信号频偏估计值fc_pream加权可得到最终的信号频偏估计值fc=c*fc_AA+(1-c)*fc_pream；其中c为小于1的正数。

本发明更加充分地利用了接收帧中的已知信息来进行信号频偏估计，与现有方法相比较在保持有效估计范围不变的前提下大大增加了频偏估计的精度，在输入信噪比保持不变的前提下减小了估计方差到现有方法的1/5左右；或者能在输入信噪比变差5倍左右的条件下保持与现有方法一样的估计精度。有利于BT4.0LE信号接收端减小PER，以及提高接收机的稳定性。

需要理解到的是：以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.蓝牙4.0低功耗高精度频偏估计的装置，其特征在于：包括低通滤波器LPF（1）、鉴频器FD（2）、第一缓存器buffer（5）、第二缓存器buffer（6）和自直流计算模块self dccalculation（4），低通滤波器LPF（1）的输出端连接鉴频器FD（2）的输入端，鉴频器FD（2）的输出端连接第一缓存器buffer（5），第一缓存器buffer（5）的输出端连接第二缓存器buffer（6）的输入端，第一缓存器buffer（5）还分别连接帧同步模块frame SYNC block（3）的输入端和第一累加器（7）的输入端，第一累加器（7）的输出端连接第一加法器（9）的输入端，自直流计算模块self dc calculation（4）的输出端连接第一加法器（9）的输入端，第一加法器（9）的输出端连接第一乘法器（11）的输入端，第一乘法器（11）的输出端连接至第二加法器（12），第二缓存器buffer（6）连接第二累加器（8）的输入端，第二累加器（8）的输出端连接第二乘法器（10）的输入端，第二乘法器（10）的输出端连接至第二加法器（12）；

数字采样信号rx（n）输入至低通滤波器LPF（1），数字采样信号rx（n）经过低通滤波器LPF（1）的低通滤波处理，再经鉴频器FD（2）鉴频运算，鉴频器FD（2）的输出FD（n）依次按采样速率送入第一缓存器buffer（5），第一缓存器buffer（5）的输出连接第二缓存器buffer（6）的输入，自直流计算模块self dc calculation（4）的输入为本地存储的当前期望接收的帧中的接入地址Access address的时域采样信号，自直流计算模块self dc calculation（4）的输出为对应该接入地址信号本身直流分量self _DC，接入地址Access address采用8bit的preamble和32bit的AA；

帧同步模块frame SYNC block（3）的输入为第一缓存器buffer（5）中所存储的所有数值以及接收机中本地存储的当前帧中使用的Access address，帧同步模块frame SYNCblock（3）在第一缓存器buffer（5）中的值恰好对应接收帧中的Access address部分时将帧同步指示信号SYNC_flag从低电平置为高电平，第一缓存器buffer（5）和第二缓存器buffer（6）在SYNC_flag变成高电平后将保持其存储内容不随时间更新；

第一缓存器buffer（5）中所有的FD（n）在SYNC_flag置高时刻得到一个全部相加的结果Fc_AA，Fc_AA与自直流计算模块self dc calculation（4）的输出self _DC相减得到修正后的结果Fc_AA’；同样第二缓存器buffer（6）中所有的FD（n）也得到一个全部相加的结果Fc_pream，Fc_AA’和Fc_pream加权得到频偏估计值fc。

2.根据权利要求1所述的蓝牙4.0低功耗高精度频偏估计的装置，其特征在于：所述第一缓存器buffer（5）和第二缓存器buffer（6）为先进先出FIFO型缓存器。

3.根据权利要求1所述的蓝牙4.0低功耗高精度频偏估计的装置，其特征在于：所述第一缓存器buffer（5）的长度为能够存储整个物理帧中的接入地址Access address部分对应的采样点数的FD（n）。

4.根据权利要求1所述的蓝牙4.0低功耗高精度频偏估计的装置，其特征在于：所述第二缓存器buffer（6）的长度为能够存储整个物理帧中的前导码Preamble部分对应的采样点数的FD（n）。

5.利用权利要求1所述装置实现蓝牙4.0低功耗高精度频偏估计的方法，其特征在于：接收到的基带数字采样信号rx（n）经过低通滤波器LPF（1）处理将带外干扰和噪声进行抑制后由鉴频器FD（2）运算，鉴频器FD（2）的输出FD（n）依次进入第一缓存器buffer（5），当接入地址Access address和前导码Preamble恰好分别移入第一缓存器buffer（5）和第二缓存器buffer（6）中的时候，帧同步模块frame SYNC block（3）给出帧同步指示信号，此时第一缓存器buffer（5）和第二缓存器buffer（6）中对应接入地址Access address和前导码Preamble的FD（n）值被分别加和得到：

同时，由于AA即接入地址Access address 是已知的，故生成理想情况下AA对应的频率调制信号；

由此计算出由于AA自身的数据图样引入的直流分量self_DC；

最终的信号频偏估计值fc通过以下公式计算：

其中c为加权系数。

6.根据权利要求5所述的蓝牙4.0低功耗高精度频偏估计的实现方法，其特征在于：所述加权系数c满足条件：0≤c≤1。

7.根据权利要求6所述的蓝牙4.0低功耗高精度频偏估计的实现方法，其特征在于：所述加权系数c=4/5 。