CN105657739B - 一种无线综测仪蓝牙信号帧同步检测方法 - Google Patents

一种无线综测仪蓝牙信号帧同步检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种无线综测仪蓝牙信号帧同步检测方法，包括以下步骤：S1、输入信号；S2、帧功率判断粗同步；S3、求相角；S4、微分；S5、滤波；S6、消除初始频偏，得到序列；S7、序列的帧起始位置为n，每个符号时长为Ts，每5个GFSK符号进行GFSK解调判决；S8、如果找到“10101”或“01010”，则进入下一步骤；如果找不到“10101”或“01010”，则n=n+1并返回步骤S7；S9、以(n+(1/3)*Ts)到（n+(2/3)*Ts）的点为起始点，依次做5个符号的滑动判决。本发明的有益效果是：实现了无线综测仪蓝牙信号帧同步检测，并且不依赖于MAC地址，能保证一定的同步精确度。

Description

一种无线综测仪蓝牙信号帧同步检测方法
技术领域
本发明涉及帧同步检测方法，尤其涉及一种无线综测仪蓝牙信号帧同步检测方法。
背景技术
术语解释：
DUT：待测件。
BR：基本速率。
EDR：增强型速率。
BLE：蓝牙低功耗。
GFSK：高斯频移键控调制。
DPSK：差分调相。
GUARD：GFSK和DPSK之间的保护间隔。
PREAMBLE：前导。
蓝牙(Bluetooth)协议，前后总共定义了3种速率，一种为BR(Basic Rate)速率，支持1M速率，帧头和负载部分都采用GFSK调制方式；一种是EDR(Enhanced Data Rate)，支持2M和3M速率，帧头部分仍采用GFSK调制方式，2M的时候负载采用pi/4-DQPSK调制方式，3M的时候负载采用8DPSK调制方式，两者皆为差分调相信号，即DPSK调制方式。后来的蓝牙低功耗(BLE)协议，支持1M速率，也采用GFSK调制方式，在物理层方面，与BR不同的是减少了帧包格式的类型，GFSK调制指数也做出了改变。图1显示了BR包的帧格式，图2显示了EDR包的帧格式，两者之间主要的不同之处除了数据负载采用的调制方式不同外，EDR包的帧格式上，GFSK和DPSK两种调制信号之间，还加入了一个大约5us的保护间隔GUARD，图2中的DPSK标示，包括了pi/4-DQPSK和8DPSK信号。图3显示了BLE帧包格式，与BR与EDR相比，简化了帧格式的复杂度。
蓝牙协议是一种主从架构的协议，一个主设备最高可以和同一微微网内的七个从设备进行通信。为了识别不同的设备间发送的信号，蓝牙协议里定义了每个设备的MAC地址，唯一识别此设备。如图4所示的网络拓扑结构中，白点为主设备，黑点为从设备，在网络中，其地址唯一。
在信令测试模式下，除了公共的广播包，综测仪需要输入DUT的48位MAC地址，才能够正确的识别所接收到信号为该DUT信号。早期的蓝牙协议，在帧起始ACCESS CODE部分定义了64位同步码，即图5中的SYNCWORD，该码由设备的唯一48位MAC地址生成，在帧最前部分，定义4位的前导PREAMBLE，其值为1010，或者0101，取决于同步码的第一位为1或者为0，如图6所示。
从图6的BLE帧格式可以看出，蓝牙BLE协议重新定义了帧格式，而且不管是任何业务，其包的帧格式唯一。与早期版本类似的是，BLE在帧起始部分定义了前导PREAMBLE，便于设备在接收信号的时候做AGC调整，不同的是，BLE的PREAMBLE为8位，10101010或者01010101。
生产测试的时候，通常采用有线连接，将DUT连接到综测仪。综测仪为了能够得到精确的定时同步，需要获得DUT的48位MAC地址，然后生成SYNC同步码，与接收到的信号做相关接收，由相关峰值来确定帧头的起始位置。
但市场上的蓝牙DUT生产的时候，大多数并不直接标明其MAC地址，而生产测试上，又需要快速的知道该DUT发送信号的质量好坏，在这种测试场景需求下，设计一种不依赖于MAC地址的帧同步方法，而且保证一定的同步精确度，就变得极为必要。
一种常见的通用的帧头同步方法，直接检测DUT输入信号的功率大小，由输入信号相对功率的大小，确定帧起始位置。如图7所示。该种方法仅能够粗略确定帧起始位置，而且由于实际中DUT发出信号起始部分，有时还表现一定平稳的阶跃信号，造成误检，如图8所示。此外，对于EDR信号，GFSK信号和DPSK信号之间，还有大约5us的保护间隔，当发送完GFSK信号后，有些DUT会随机的发送一些信号，不造成保护间隔内信号功率陡然下降，有些DUT则不发送任何信号，造成保护间隔内信号功率会降落；大约5us过后，DPSK信号功率又开始上升，如果仅仅依赖于相对功率的检测法，此时，也会造成误检，如图9所示。采用此种方法，虽然采用修改相对功率大小值和增加对EDR信号保护间隔的识别，可以一定程度上降低帧起始误检概率，但由于实际生产上DUT发出信号的多样性，仍是会发生误检。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种无线综测仪蓝牙信号帧同步检测方法，不依赖于MAC地址，能保证一定的同步精确度。
本发明提供了一种无线综测仪蓝牙信号帧同步检测方法，包括以下步骤：
S1、输入信号；
S2、帧功率判断粗同步；
S3、求相角；
S4、微分；
S5、滤波；
S6、消除初始频偏，得到序列f(n)；
S7、序列f(n)的帧起始位置为n，每个符号时长为Ts，每5个GFSK符号进行GFSK解调判决；
S8、如果找到“10101”或“01010”，则进入下一步骤；如果找不到“10101”或“01010”，则n＝n+1并返回步骤S7；
S9、以(n+(1/3)*Ts)到(n+(2/3)*Ts)的点为起始点，依次做5个符号的滑动判决；
S10、判断所有结果是否符合“10101”或“01010”，如果符合，则进入下一步骤；如果不符合，则n＝n+1并返回步骤S7；
S11、判断以n为帧起始位置的随后一段信号相位是否为GFSK相位；如果为GFSK相位，则进入下一步骤；如果不为GFSK相位，则n＝n+1并返回步骤S7；
S12、确认帧起始位置为n；
S13、退出。
作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，测试仪接收到输入信号，经过射频端的处理，将有用信号搬移到基带，经模数转换后转换为I路离散数字信号和Q路离散数字信号。
作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，随机的0、1比特流为原始发送数据，将原始发送数据发送到编码器进行编码并输出矩形波到成形滤波器；成形滤波器对矩形波进行带限输出带限后的波形；带限后的波形经高斯滤波器调制、积分器积分输出cos(wct)和sin(wct)正交的两路载波信号，cos(wct)和sin(wct)正交的两路载波信号叠加后输入到射频端发送出去。
作为本发明的进一步改进，angle()为求相角函数，为微分函数，S(n)滤波函数，sign()为判决函数，输入信号为基带I、Q两路信号，由基带I、Q两路信号求相角，经微分和滤波后，进行GFSK解调判决。
作为本发明的进一步改进，GFSK解调判决的表达式为
r(k)＝sign(f(kTs))
式中Ts为GFSK调制符号的周期,r(k)为第k个判决时刻的判决值。
本发明的有益效果是：实现了无线综测仪蓝牙信号帧同步检测，并且不依赖于MAC地址，能保证一定的同步精确度。
附图说明
图1是现有技术中蓝牙协议的BR帧格式图。
图2是现有技术中蓝牙协议的EDR帧格式图。
图3是现有技术中蓝牙协议的BLE帧格式图。
图4是现有技术中蓝牙网络拓扑结构图。
图5是现有技术中早期蓝牙帧ACCESS CODE格式图。
图6是现有技术中早期蓝牙PREAMBLE的取值图。
图7是现有技术中根据输入信号功率大小确定帧起始的示意图。
图8是现有技术中DUT帧前有平稳阶跃信号造成误检的示意图。
图9是现有技术中EDR信号GFSK与DPSK保护间隔造成误检的示意图。
图10是本发明一种无线综测仪蓝牙信号帧同步检测方法中GFSK调制发送框图。
图11是本发明一种无线综测仪蓝牙信号帧同步检测方法中GFSK解调框图。
图12是本发明一种无线综测仪蓝牙信号帧同步检测方法中GFSK解调判决示意图。
图13是本发明一种无线综测仪蓝牙信号帧同步检测方法中输入为随机噪声相位下误检示意图。
图14是本发明一种无线综测仪蓝牙信号帧同步检测方法中取Ts的1/3时长做判决的示意图。
图15是本发明一种无线综测仪蓝牙信号帧同步检测方法中EDR信号GFSK、GUARD和DPSK结合处相位示意图。
图16是本发明一种无线综测仪蓝牙信号帧同步检测方法中GFSK和DPSK信号的相位差别示意图。
图17是本发明一种无线综测仪蓝牙信号帧同步检测方法的整体流程图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。
如图17所示，一种无线综测仪蓝牙信号帧同步检测方法，包括以下步骤：
S1、输入信号；
S2、帧功率判断粗同步；
S3、求相角；
S4、微分；
S5、滤波；
S6、消除初始频偏，得到序列f(n)；
S7、序列f(n)的帧起始位置为n，每个符号时长为Ts，每5个GFSK符号进行GFSK解调判决；
S8、如果找到“10101”或“01010”，则进入下一步骤；如果找不到“10101”或“01010”，则n＝n+1并返回步骤S7；
S9、以(n+(1/3)*Ts)到(n+(2/3)*Ts)的点为起始点，依次做5个符号的滑动判决；
S10、判断所有结果是否符合“10101”或“01010”，如果符合，则进入下一步骤；如果不符合，则n＝n+1并返回步骤S7；
S11、判断以n为帧起始位置的随后一段信号相位是否为GFSK相位；如果为GFSK相位，则进入下一步骤；如果不为GFSK相位，则n＝n+1并返回步骤S7；
S12、确认帧起始位置为n；
S13、退出。
由BR、EDR和BLE帧格式可知，不管是何种蓝牙信号，帧头部分都采用GFSK调制方式，而且起始必定带有PREAMBLE用于AGC调整，BR和EDR的时候，其为“1010”或“0101”，其值根据随后的值为“1”或“0”，也就是帧起始前5个GFSK调制符号有两种组合，一种为“10101”，另一种为“01010”；对于BLE信号，其PREAMBLE为“10101010”或者“01010101”。由此，可以看到，任意一种蓝牙信号的帧起始位置，只能是“10101”或“01010”中的一种。据此，可以设计一种帧起始的检测方式，在采用相对功率找到帧起始位置后，再取前5位GFSK调制信号长度进行解调，如果解调出“10101”或者“01010”的比特流，即认为检测到了蓝牙信号。
GFSK调制原理框图如图10所示。图10中ak为原始发送数据，即随机的0、1比特流，coder为编码器，b(t)为经过编码后的矩形波，s(t)为成形滤波器，对矩形波进行带限，c(t)为经过带限后的波形，h为高斯滤波器的调制指数，为积分器，为积分后的信号，Sin()和Cos()为求信号的正余弦值。cos(wct)和sin(wct)为正交的两路载波信号，两路信号叠加后输入到射频端发送出去。
测试仪接收到输入信号，经过射频端的处理，将有用信号搬移到基带，经模数转换后转换为I路和Q路离散数字信号。GFSK解调信号的输入信号，即为基带上的IQ信号。解调过程为发送的逆过程，具体过程如图11所示。
图11中，angle()为求相角函数，为微分函数，S(n)滤波函数，sign()为判决函数。输入信号为基带I、Q两路信号，由两路信号求相角，经微分和滤波后，进行判决。输入到判决器的信号f(n)如图12所示。
由于GFSK是调频信号，图12中，f0表示初始频偏值，Δf1表示判决时刻的频偏大小，正值为“1”，Δf2表示判决时刻的频偏大小，负值为“0”。可得GFSK解调判决的表达式为
r(k)＝sign(f(kTs))
式中Ts为GFSK调制符号的周期，对于蓝牙来说，其为1us,r(k)为第k个判决时刻的判决值。
由于载波频偏的存在，会使得初始频偏值f0不为0，从而影响判决的准确性，因此，要消除初始频偏带来的影响，即判决输入信号变为(f(n)-f0)。只要取前5个GFSK调制符做解调判决，根据解调结果是否为10101或者01010比特，即可判定输入的信号是否为蓝牙帧起始信号。
然而，每一个符号的判决，如果仅仅取kTs上时刻的输入信号做判决，在输入信号为随机噪声的时候，仍然会把随机噪声上kTs位置的相位误判为有效的蓝牙信号，如图13所示。虽然判决出的01010比特为蓝牙信号帧起始值，却不是真正的有效帧。因此，需要将随机噪声的相位误检情况排除。通常情况下，判决时刻是频偏值最大时刻。取5个符号，以判决时刻为中心，每个符号在判决的时候连续取符号时长Ts的1/3上的点做判决，如果每次判决结果都满足01010或者10101，则表明输入的信号是有效蓝牙信号，有效的排除随机相位噪声带来的误检影响。如图14中阴影部分所示。
经过前面的处理，对于EDR信号，仍然会把GFSK和DPSK信号之间GUARD结束后的功率上升沿误检为帧起始信号，原因在于DPSK信号的开始部分，包含有10个DPSK调制符号的同步码，其前5位相位恰好可以判决为10101，如图15所示。
为了消除将GUARD处误检为帧起始位置，需要对帧起始后的信号进行再次确认。由于GFSK调制信号的相位与DPSK调制信号的相位有显著不同，如图16所示，可以统计帧起始位置后一段时间内的信号相位特点，如果是GFSK调制信号相位，则判定的帧起始是正确的，否则为误判。
由上所述，在不需要DUT的MAC地址场景下，得到完整的蓝牙信号帧同步检测流程图如图17所示。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种无线综测仪蓝牙信号帧同步检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、输入信号；
S2、帧功率判断粗同步；
S3、求相角；
S4、微分；
S5、滤波；
S6、消除初始频偏，得到序列f(n)；
S7、序列f(n)的帧起始位置为n，每个符号时长为Ts，每5个GFSK符号进行GFSK解调判决；
S8、如果找到“10101”或“01010”，则进入下一步骤；如果找不到“10101”或“01010”，则n＝n+1并返回步骤S7；
S9、以(n+(1/3)*Ts)到(n+(2/3)*Ts)的点为起始点，依次做5个符号的滑动判决；
S10、判断所有结果是否符合“10101”或“01010”，如果符合，则进入下一步骤；如果不符合，则n＝n+1并返回步骤S7；
S11、判断以n为帧起始位置的随后一段信号相位是否为GFSK相位；如果为GFSK相位，则进入下一步骤；如果不为GFSK相位，则n＝n+1并返回步骤S7；
S12、确认帧起始位置为n；
S13、退出；
其中，
在步骤S1中，测试仪接收到输入信号，经过射频端的处理，将有用信号搬移到基带，经模数转换后转换为I路离散数字信号和Q路离散数字信号；
在步骤S1中，随机的0、1比特流为原始发送数据，将原始发送数据发送到编码器进行编码并输出矩形波到成形滤波器；成形滤波器对矩形波进行带限输出带限后的波形；带限后的波形经高斯滤波器调制、积分器积分输出cos(wct)和sin(wct)正交的两路载波信号，cos(wct)和sin(wct)正交的两路载波信号叠加后输入到射频端发送出去。
2.根据权利要求1所述的无线综测仪蓝牙信号帧同步检测方法，其特征在于：angle()为求相角函数，为微分函数，S(n)滤波函数，sign()为判决函数，输入信号为基带I、Q两路信号，由基带I、Q两路信号求相角，经微分和滤波后，进行GFSK解调判决。
3.根据权利要求2所述的无线综测仪蓝牙信号帧同步检测方法，其特征在于：GFSK解调判决的表达式为
r(k)＝sign(f(kTs))
式中Ts为GFSK调制符号的周期,r(k)为第k个判决时刻的判决值。
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