CN105917587A

CN105917587A - 利用多个相关器确定信号发送和频率偏移

Info

Publication number: CN105917587A
Application number: CN201480069587.XA
Authority: CN
Inventors: 大卫·亚历山大·恩格林恩-洛佩斯; 斯韦勒·维驰隆德; 菲尔·科比什利
Original assignee: Nordic Semiconductor ASA
Current assignee: Nordic Semiconductor ASA
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2014-12-10
Publication date: 2016-08-31
Anticipated expiration: 2034-12-10
Also published as: KR20160102480A; US20160315656A1; EP3084973A1; GB201322682D0; JP6523292B2; JP2017508321A; WO2015092365A1; GB2521446A; CN105917587B; TW201528695A; US9847809B2

Abstract

一种数字无线电接收器54适于接收其使用连续相位调制所调制的无线电信号。所述接收器包括用于接收具有载波频率的模拟无线电信号的装置；每一个对应于不同的位序列的多个相关器6、8，它们共用共同估计器4，所述共同估计器用于估算所述载波频率和标称载波频率之间的频率偏移，和装置12，其用于确定所述相关器6、8中的哪一个产生所需的输出信号。

Description

利用多个相关器确定信号发送和频率偏移

技术领域

本发明涉及用于解码数字无线电传输的装置和方法。

背景技术

在便携式设备中，有一个降低功耗的基本要求。这一要求延伸到用于通信方法的功率，这可能会限制能有效地发生的通信的范围。

尽管存在许多不同的通信协议，例如蓝牙、无线个域网，但是他们的执行具有共同限制。特别是，信号变得易受噪声影响，尤其是在长距离传输中信号随着距离衰减。当不能准确地接收数据时，这导致位和数据包错误。使得信号较小地被噪声影响的一种方法当然是增加传输的功率，因为这增加了信噪比。然而，这与减少功耗的努力不一致，而且两个要求必须平衡。

在数字系统中用于改善传输质量的一种可能的方法是使用扩频调制，由此位的每个位或序列在传输中来通过若干芯片表示。这减少了损失单个芯片的影响，因为它并不代表一个整位并且如果仔细选择芯片序列，即使一些芯片丢失它们也仍然可以被区分。然而，虽然这可能有助于增加理想条件下的范围，但它可能无法存在载波频率偏移或漂移。当接收到信号时，这些可能造成数据被误读的问题。

发明内容

从第一方面看时，本发明提供了一种数字无线电接收器，其适合于接收使用连续相位调制而被调制的无线电信号，所述接收器包括：用于接收具有载波频率的模拟无线电信号的装置，每一个对应于不同的位序列的多个相关器，所述相关器共享公共估计器(common estimator)，所述估计器用于估计在所述载波频率和标称载波频率之间的频率偏移，以及用于确定哪一个所述相关器产生期望的输出信号的装置。

正如本领域的技术人员根据本文所公开的内容所理解的，提供了一种数字接收器，其可以提供由于使用多个相关器而改善载波频率偏移的灵敏度。正如本领域技术人员熟悉的技术中，相关器可被用于计算在输入波形和已知波形之间的互相关，其表示在数据包中所希望的模式。多个相关器的使用对于多种原因都特别有利。相关器能够相对快速的操作，因为它是没有必要执行搜索或操作的学习类型。此外，相关器可以提供时间和频率偏移的估计,允许实现应用中有利的快速时间同步,如蓝牙协议中允许存在有限的时间同步。此外，在相关器输出的有效“峰值”还可以作为有效的数据包(帧)同步。最后，已经发现适当设计的相关器可在低信噪比(SNR)下令人满意地工作，即，相关器不成为限制因素。

多个相关器的使用允许低能量传输在较长的范围内执行,因为接收器更容易能够确定位模式。通过比较多个相关器的输出,每个位的值可以很容易地和迅速地被确定,因为每个相关器只是寻找单一位模式,而不是需要执行不同位模式的多个比较。然后可以比较相关器输出以便选择相关的一个，从而找到正确的位模式。通过与已知值的若干直接比较,信号的降解变得不那么重要,因为需要相对信号(如最高的输出),而不是一个特定的绝对值。在一组实施例中,所需的输出信号是最高的输出信号。

与相关器有关联的位序列可以是直接位序列,但在一组实施例中相关器对应的位序列包括直接序列扩频(DSSS)方案中的芯片序列,即无线电信号至少包括部分的直接序列扩频信号。在DSSS中，数据包的一些或全部原始位被分(或“传播”)到一系列的芯片,以便每个这样的原始位由序列表示。有可能只是两个序列,一个代表1,另一个代表0,例如每个'1'位可以由序列“1101”表示,每个“0”位由“0010”表示。或者可能有大量的序列,如更长的位模式。当然可以使用不同的序列,特别是可以使用不同长度的序列。每个相关器可能会因此被关联到一个特定序列的芯片,相关器产生所需的输出信号代表相应的位或位序列。整个数据包可能是芯片的序列,但在一组实施例中,只有一部分数据包,如负载、被分到芯片。因此每一“位”,依照本发明是指可能是一个直接位,或可能是一个接着信号传播的芯片。

通过使用芯片序列,可以提高接收的信号的质量。这是因为每个原始位被分散到若干芯片。对于整个数据包传输,一定数量的芯片可能会在发射器和接收器之间丢失。它的优点是容易恢复代表的原始位即使一些传输的实际位(芯片)不被接收或不被可靠地恢复。这意味着设备的指定的位误码率(BER)可以用于代表原始位而被获得同时“无线”位的位误码率(BER)要高得多。就实践而言,这意味着对于一个给定的传输功率和接收器增益,按照协议连接可能扩展到比编码方案没有被应用更大的距离。这样操作可以因此被视为一个远程模式。通过具有非常不同的芯片序列,如彼此正交,部分传输仍然可以从其他序列中很容易被认出来。

本领域技术人员应理解的代表了每个数据位通过多个芯片降低了可以获得的有效的数据率。更具体地说,每个数据位由一个固定长度的序列表示,有效的数据率是芯片率除以序列长度。因此存在一个序列长度和数据率之间的权衡。另一方面使用的序列越长，可以实现对给定的数据BER的范围越大，因为较长的序列给予丢失的芯片(dropped chips)更大的包容。

在一组实施例中，共同估计器是一个数据辅助联合定时和频率偏移估计器。这种已知的估计器与多个相关器一同使用，以便表示多个位或芯片序列。通过使用共同估计器，相关器都使用相同的定时信息，并且因此更容易进行同步。

在另一组实施例中，共同估计器用于信号的解扩和用于相关器与输入信号的的同步。这消除了对解扩(即，从芯片重建位)和同步单独模块的需要，同时降低了接收器的尺寸和制造成本。标准蓝牙前导码(preamble)就足够了，其中每个前导码位被替换为相应的芯片序列。这消除了较长的前导码在扩频方案中频繁使用的需要。通过使用用于解扩和同步的相同模块，由于每个相关器本质上是一个频率偏移估计器，所得到的数据在频率估计器的范围是更稳健的载波频率偏移。该系统的载波频率偏移的公差是由估计器的范围给出的，这通过在相关器前面的差分滤波器的差分延迟是可控的。

在一组实施例中，数字无线电接收器被设置为当所需的输出信号被测量时来记录时间戳，并且下次对所述信号进行测量，由于先前的信号被测量进而执行已取样的预定数量的样本的检查。这可以用来防止伪数据影响传输，因为在一定的误差容限内接收器知道何时预期下一个信号。

本发明延伸到一种操作数字无线电接收器的方法，包括：

接收具有载波频率的模拟无线电信号，其是使用连续相位调制来调制的；

使用多个相关器来共享共同估计器，每个相关器对应于不同的位序列；

使用共同估计器估算所述载波频率和标称载频之间的频率偏移；以及

确定哪一个所述相关器产生期望的输出信号。

本发明进一步扩展到用于操作数字无线电接收器的计算机软件，所述数字无线电接收器适于：

确定哪一个所述相关器产生所需的输出信号。

附图说明

现在将仅通过实例，参见附图来描述本发明的实施例，其中：

图1所示为根据本发明的用于数字接收器的处理器的示意图；

图2所示为图1中的包括处理器的接收器的操作流程图；

图3所示为数据包结构和可以被应用的可能的编码方案；

图4所示为根据本发明的设备的概观图；以及

图5所示为例如图4的设备的整体操作的示意图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的数字接收器的典型的处理器2。处理器2主要是由估计器4和一对相关器6、8组成。相关器6、8具有相同的物理设置，但各个与不同的芯片序列相关联。参考图2对其进行了更详细的解释。

在这个例子中有两个相关器，但在实践中根据需要代表的序列的数量，相关器的数目可能超过两个。相关器6、8和估计器4的组合形成数据辅助联合定时和频率偏移估计器。

在使用中，共同估计器4用于同步相关器6、8。相关器6、8也利用有限状态机(FSM)10与输入信号同步，所述有限状态机调度输入信号的抽样以便样品被认为是适于所接收的位模式。由于输入信号已采用直接序列扩频(DSSS)编码传播，每个位模式是由一系列的芯片代表。这些序列可能是简单地代表1和0，因为在这个例子中有两个相关器，或可能是较长的位模式。当样本被取样，这两个相关器的输出被输入到决策单元12，以便知晓哪一个具有所需的输出信号。在这个例子中，所需的输出是最大的输出信号，表示最强的相关性。通过使接收到的信号通过两个相关器6、8，有可能分辨哪一个代表的模式是更接近从接收到的信号测定的芯片序列。在这个例子中，使用正交码片序列，这样在两个选择之间可能有很大的差异。一旦芯片序列已被建立，所代表的位模式是来自处理器的输出。

图2显示了一个流程图，演示了如何操作参考图1描述的处理器。在步骤20中，系统初始化为零，准备数据采集。在步骤22中，在对系统状态进行测试之后，它进行到步骤24，在该步骤中，它被测试是否检测到峰值。这会被执行要看阈值是否已经被相关器6，8的任何一个输出超过。如果没有检测到峰值，系统返回步骤22。然而，如果检测到一个峰值，则测量与以前的峰值的时间距离。此测量是为了防止杂散噪声对信号的影响，因为应当定期确定峰值。例如，在采用十六芯片代表每一位的系统中，具有八倍的过采样，峰值被预计为每128±1样品。如果该差值与所期望样本数不对应，在系统返回步骤22之前，则在步骤28中设置测量计数器。

如果样本数量在预定的接受范围，在计数器值与最小值相比(步骤32)之前计数器是递增的(步骤30)。所述最小值是在确定系统在开始读取被发送的信息之前是否已被正确同步。如果计数器值仍低于最小值，则返回步骤22，以便确定另一个峰值。然而，一旦它已经达到最小值，系统的同步状态则可以设置为等于1(步骤34)，因为它现在被认为是同步的。这就允许设置系统的选通时间(步骤36)，因为峰值的最小值(例如至少2)的位置是已经知道的。

当系统返回到步骤22，由于同步状态改变了则系统现在可以记录有效载荷。如果选通时间是正确的，在步骤38进行测试，当选取下一个样本时，就可以比较(步骤40)相关器的输出，以便知晓哪一个具有最高的输出。一旦被记录下来，则运行看门狗(watchdog)(步骤42)。这种看门狗检查在芯片序列中系统是否已同步。如果是同步的，则同步状态将返回到零(步骤44)，因为系统没有正确地进行同步。然后系统返回到步骤22，是否同步状态是一或零。然后系统将是重新同步，或者继续检测芯片序列和识别数据包。

图3显示了典型的数据包结构。数据包被分成四个不同长度的独立字段。第一部分是前导码46。这是由交替位的单字节构成的，其可被接收器用于频率恢复、定时恢复等，以下是一些例子，四次DSSS编码增益可以应用于前导码'10101010'，其中的编码增益增加接收数据的能力，编码序列已被应用到所述数据上。在上面的例子中，原来的序列只是简单重复了四次。这是典型的前导码，选择性的位模式可作为前导码。因此，在原来的字符串中的位置n的位由扩展的序列中的四位(或'芯片')表示，即那些在位置n、n+8、n+16和n+24的扩展字符串。

在核心的例子中，每一位重复四次。再次，在原始字符串中的每个位清楚地由扩展字符串中的四个芯片表示。

在下面的例子中使用了直接序列扩频。在这个例子中，每一个“1”位都是由序列“1101”表示，每一个“0”位由“0010”表示。当然，可以使用不同的序列，特别可以根据所需的编码增益使用不同长度的序列。重要的是，所选择的序列具有良好的自相关特性，以用于适当的同步。

图4显示的是根据本发明的典型装置。其可以作为集成的半导体元件，通常被称为'芯片上的系统'或'SoC'排列。装置54可以被纳入任何的各种不同的应用程序中，无论是固定的或移动的，并可以配置为发送、接收或两者。

装置54的核心是处理器62，其与存储器64相通信。处理器62也与无线电接收器58和无线电传输56通信，无线电接收器58和无线电传输56共享公共天线60且允许无线信号通过设备被接收和发送，Soc装置的一般设计和操作对本领域技术人员而言是众所周知的的技术，因此这里对其进行进一步的细节描述是没有必要的。

根据本发明的装置54的整体操作可以在图5中看到。本发明描述的实施例提供了一种用于长距离、低能量传输的改进的数字接收器58。通过采用DSSS信号，提高了接收器灵敏度，因为一些芯片的损失在传输过程中一般不会导致整个位的损失。这减少了传输噪声的影响，以及在长距离、低能量传输中所产生的其他问题。

在装置中从发射器56发送信号(步骤66)。在稍后的时间点上，通过接收器58接收输入信号(步骤68)。如图1所描述的，接收器60包括共同估计器4和一些相关器6、8，其中每一个检测不同的芯片序列。共同估计器4用于输入信号的解扩和相关器6、8与输入信号的同步(步骤70)。相关器6、8都运行离开共同估计器4中的时钟。在选通时间，它们每个与输入信号(步骤72)相比，且它们的输出都可以进行比较(步骤74)，允许估计器确定相关器6、8中的哪一个具有最高的输出(步骤76)。最高的输出对应于最强的相关性，并且产生该输出的相关器6、8的值可以作为在该时刻的位值。该值然后从处理器62输出(步骤78)。通过比较定期的(例如，每个芯片模式的长度)相关器的输出，可以确定代表输入信号的一系列的位。

每个相关器6、8，连同其余的硬件，基本上构成频率偏移估计器。这使得解扩对载波频率偏移和漂移非常强大。这是因为两点原因。首先是所有的相关性都在同一时间进行，因此，载波频率不能改变，而芯片模式被确定。其次，由于相关性是同时的，相关器6、8每个经历相同的载波频率，所以都以相同的方式被任意位移影响。这减少了位模式被读错的可能性。

包括具有估计器的看门狗42可以检查估计器与数据包的开始是否同步，以及如果是与数据包的中间同步，则逃避数据采集回路，减少错误数据收集的机会。

以上过程产生表示接收的信号的一系列位，然后可以被包含无线电接收器58的装置54使用。

Claims

1.一种适于接收采用连续相位调制所调制的无线电信号的数字无线电接收器，所述接收器包括：用于接收具有载波频率的模拟无线电信号的装置，每个对应不同的位序列的多个相关器，所述相关器共享共同估计器，所述共同估计器用于估算在载波频率和标称载波频率之间的频率偏移，和用于确定哪一个所述相关器产生所需的输出信号的装置。

2.根据权利要求1所述的数字无线电接收器，其中所述的所需的输出信号是最高的输出信号。

3.根据权利要求1或2所述的数字无线电接收器，其中所述无线电信号至少部分地包括直接序列扩频信号。

4.根据权利要求3所述的数字无线电接收器，其中使用两个直接序列扩频信号。

5.根据权利要求3或4所述的数字无线电接收器，其中只有有效负载被分到芯片。

6.根据前述权利要求中任一项所述的数字无线电接收器，其中所述共同估计器是数据辅助联合定时和频率偏移估计器。

7.根据前述权利要求中任一项所述的数字无线电接收器，其中所述共同估计器用于信号的解扩和用于所述相关器与输入信号的同步。

8.根据前述权利要求中任一项所述的数字无线电接收器，其中所述无线电信号包括标准蓝牙前导码。

9.根据前述权利要求中任一项所述的数字无线电接收器，包括当所需的输出信号被测量时来记录时间戳的装置，并且下次所述信号被测量，由于先前的信号被测量从而执行已取样的预定数量的样本的检查。

10.一种操作数字无线电接收器的方法，包括：

接收具有载波频率的模拟无线电信号，所述模拟无线电信号是使用连续相位调制来调制的；

使用多个相关器共享共同估计器，每个相关器对应于不同的位序列；

使用所述共同估计器估算在所述载波频率和标称载频之间的频率偏移；以及

确定哪一个所述相关器产生所需的输出信号。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述的所需的输出信号是最高的输出信号。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其中所述无线电信号至少部分地包括直接序列扩频信号。

13.根据权利要求12所述的方法，包括使用两个直接序列扩频序列。

14.根据权利要求12或13所述的方法，其中只有有效负载被分到芯片。

15.根据权利要求10至14中任一项所述的方法，其中所述共同估计器是数据辅助联合定时和频率偏移估计器。

16.根据权利要求10至15中任一项所述的方法，包括使用所述共同估计器用于信号的解扩和用于所述相关器与输入信号的同步。

17.根据权利要求10至16中任一项所述的方法，包括使用用于所述无线电信号的标准蓝牙前导码。

18.根据权利要求10至17中任一项所述的方法，包括当所需的输出信号被测量时来记录时间戳，并且下次所述信号被测量，由于先前的信号被测量从而执行已取样的预定数量的样本的检查。

19.一种用于操作数字无线电接收器的计算机软件，其适于：

确定哪一个所述相关器产生所需的输出信号。

20.根据权利要求19所述的计算机软件，其中所述的所需的输出信号是最高的输出信号。

21.根据权利要求19或20所述的计算机软件，其中所述无线电信号至少部分地包括直接序列扩频信号。

22.根据权利要求21所述的计算机软件，适于使用两个直接序列扩频序列。

23.根据权利要求21或22所述的计算机软件，其中只有有效负载被分成芯片。

24.根据权利要求19至23中任一项所述的计算机软件，其中所述共同估计器是数据辅助联合定时和频率偏移估计器。

25.根据权利要求19至24中任一项所述的计算机软件，适于使用共同估计器用于信号的解扩和用于所述相关器与输入信号的同步。

26.根据权利要求19至25中任一项所述的计算机软件，适于使用用于所述无线电信号的标准蓝牙前导码。

27.根据权利要求19至26中任一项所述的计算机软件，适于当所需的输出信号被测量时来记录时间戳，并且下次所述信号被测量，由于先前的信号被测量从而执行已取样的预定数量的样本的检查。