CN107018106A - 一种用于蓝牙接收机的码元波形频率偏移补偿的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于蓝牙接收机的码元波形频率偏移补偿的方法，所述方法包括：a)对码元波形执行差分操作，以去除波形中直流量；b)根据预设的前导码，检测差分后码元波形的前导码；c)计算差分后码元波形的所述前导码的过零点；d)从所述过零点开始，对差分后的所述码元波形进行累加，得到补偿后码元波形。

Description

一种用于蓝牙接收机的码元波形频率偏移补偿的方法

技术领域

本发明涉及信号处理领域，尤其涉及一种用于蓝牙接收机的码元波形频率偏移补偿的方法。

背景技术

蓝牙技术联盟在2009年12月推出蓝牙4.0版本，并在2010年底公布4.0版本的相关数据，并将传统蓝牙技术、低功耗蓝牙技术、高速蓝牙技术三种规格合为一体。频率偏移是指收发双方载波中心频率的初始偏移。由于实际通信中，收发双方的射频性能不同，做到射频频率的完全一致是不可能的。因此解调电路中需要设计频率偏移消除电路。

低功耗蓝牙4.0中物理层使用调制指数为0.5的GFSK调制方式，并结合自适应调频技术在40个信道上随机调频。其帧结构由8比特前导码开始，紧接着是32比特接入地址，之后是PDU和CRC校验位。由于低功耗蓝牙4.0使用GFSK调制，所以传输的信息包含在瞬时频率中，频率偏移的出现不可避免也是影响信号解调的最大因素之一。

对低功耗蓝牙4.0中物理包的接收过程首先是包头的检测，由于前导码和接入地址是已知的，通常使用相关器或者匹配器来检测接入地址。相关器的另一端为本地存储的理想前导和接入地址上采样至采样速率，当相关器的输出大于预设的门限就认为以极大的概率检测到了前导和接入地址。此时根据相关器峰值的位置推断出前导码对应的位置，利用统计特性将前导码相加求和的值视为初始频偏。由于前导码的长度比较短，因此这种载波频偏估计方法的估计值误差比较大。

发明内容

针对低功耗蓝牙前导码短，可提供给载波频偏估计和补偿的时间短这一技术难点，克服现有技术的不足，本发明提供了一种用时短、高精度的载波频偏估计与补偿算法。

根据上述目的，本发明提供一种用于蓝牙接收机的码元波形频率偏移补偿的方法，所述方法包括：a)对码元波形执行差分操作，以去除波形中直流量；b)根据预设的前导码，检测差分后码元波形的前导码；c)计算差分后码元波形的所述前导码的过零点；d)从所述过零点开始，对差分后的所述码元波形进行累加，得到补偿后码元波形。

在一实施例中，所述差分的操作进一步得到对应的单比特数据，所述步骤b)进一步包括：将所述单比特数据与所述预设的前导码进行匹配操作，若匹配度大于匹配度阈值，则检测到所述前导码。

在一实施例中，d)计算所述差分后码元波形的最大值。

在一实施例中，所述步骤d)进一步包括：将所述差分后码元波形对应的每一个值按二进制有符号数列出；提取每一个值对应的二进制数的各个位置的比特；将每一个值对应的二进制数的相同位数处的比特，组成为该位数对应的第n位二进制数，其中n代表该比特在每一个值对应的二进制数中的位数；对最高位二进制数取反；将取反后的最高位二进制数和除了最高位二进制数的各第n位二进制数做与运算；e)若所述与运算的结果不全为零，则将该运算结果与其他的第n位二进制数做与运算；循环所述步骤e)，直到所有的第n位二进制数都参与了所述与运算，并得到最终运算结果；所述最终运算结果中为1的位置对应所述最大值的位置。

在一实施例中，所述前导码为8比特数据。

在一实施例中，所述匹配的步骤进一步包括：对所述差分后码元波形进行判决，得到判决值；将所述判决值与所述预设的前导码进行匹配操作。

本发明提供的频率偏移补偿的方法，包括差分、前导码检测、检测后前导码的过零点计算和波形还原，得到不含频率偏移量的码元波形。

附图说明

图1示出了频率偏移对码元波形的影响；

图2示出了本发明一个方面的原理框图；

图3示出了匹配操作的原理示意图；

图4示出了前导码的过零点位置的波形对应关系图；

图5示出了叠加了直流分量的波形图；

图6示出了最大值计算的原理框图；

图7示出了频偏补偿后modelsim的仿真结果；

图8示出了使用Quartus II的在线逻辑分析仪进行仿真的结果。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明是针对低功耗蓝牙前导码短，可提供给载波频偏估计和补偿的时间短这一技术难点，克服现有技术的不足，提供了一种用时短、高精度的载波频偏估计与补偿算法。该算法是基于前导码的差分检测与累加还原，不仅可用于低功耗蓝牙接收机中，还可以用于其他通信接收机中。

接收端，例如蓝牙接收端，接收端接收到的含信息的载波可表示为 若将发送端频率偏移表示为Δf，则解调信号可写为其中，是差分后的码元波形，可以直接用于判决，2πΔf是发送端和接收端载波频率偏移造成的直流分量，叠加在了有用信号上，由于GFSK调制方式是二进制调制方式，通常判决门限取零。在判决门限为零的情况下，直流量的叠加对判决造成很大影响，如果码元波形叠加的直流量为正，则本来是0的码元可能被判决成1；如果叠加的直流量为负值，则码元1可能被判决成0。所以消除频率偏移本质上是消除叠加在码元信息上的直流量。频率偏移的影响如图1所示。

在一实施例中，本发明提供一种用于蓝牙接收机的码元波形频率偏移补偿的方法，所述方法包括：

步骤a)对码元波形执行差分操作，以去除波形中直流量；

步骤b)根据预设的前导码，检测差分后码元波形的前导码；

步骤c)计算差分后码元波形的所述前导码的过零点；

步骤d)从所述过零点开始，对差分后的所述码元波形进行累加，得到补偿后码元波形。

由于前导码为8*8比特连续的1和0，本发明利用前导码的该特性对前导码进行检测。

首先执行步骤a)的差分操作，这样码元中的直流分量就可以通过该差分操作消除。而因为前导码具有的1、0特性，在差分后依然保持着0、1的变化。利用这种特性就可以在码元信号差分后对前导码进行检测。

通常，在电路中信号x[t]是以离散形式x[n]处理的，对x[n]做差分处理，得到α[n]＝x[n]-x[n-1]，α[n]不含直流分量，在零附近变化，此即完成了步骤a)中的差分操作。

为了进行步骤b)中的检测操作，需要将x[n]映射为符号函数 也就是映射为单比特，其实也就是相当于提前对α[n]进行判决，判决值为sig[n]。再通过检测sig[n]与前导码的匹配度，可以检测出前导码到来的位置。

检测到前导码后，进行步骤c)的过零点计算操作。差分后α[n]的大小，反映了x[n]变化的快慢，相当于x[n]的斜率。在α[n]的最大值处，就对应了x[n]的过零点。计算过程包括：向n+1的方向求出一定区间内α[n]的最大值，此时最大值对应了前导码中某个码元的过零点

计算得到过零点后，执行步骤d)中的累加操作，在x[n]的过零点处，预设初值为零，对α[n]进行累加，则可以恢复出码元信息也就将不含直流偏移量的码元波形恢复出来。

对应上述方法，本发明一个方面的原理框图如图2所示，包括差分器、符号影射模块、匹配模块、前导码过零点计算模块和累加模块。

本发明方法克服了传统基于统计特性的补偿方法中无法获得前导码准确位置导致均值计算偏差较大的缺点，且不需要检测接入地址，对频率偏移的容忍度较大。

在一实施例中，差分的操作进一步得到对应的单比特数据，检测差分后码元波形的前导码的操作进一步包括：将所述单比特数据与所述预设的前导码进行匹配操作，若匹配度大于匹配度阈值，则检测到所述前导码。

请参看图3，图3示出了匹配操作的原理示意图。其中，输出cor即为差分值与前导码{8’bff,8’b0,8’bff,8’b0,8’bff,8’b0}匹配度，最大为6*8bit＝48。所以可以设定阈值为43，只要cor>＝43,即可认为前导码被检测到，此时标志位置一表示前导被检测到。

在一实施例中，计算差分后码元波形的所述前导码的过零点的操作，进一步包括：计算所述差分后码元波形的最大值。

计算前导码的过零点，实际是在计算差分后波形的最大值。请参看图4，实线波形是x[n]序列中前导码部分，虚线波形是α[n]＝x[n]-x[n-1]，可以看到前导码的过零点位置对应于α[n]的最大值或者最小值。

若码元x[n]叠加了直流分量，x[n]和α[n]＝x[n]-x[n-1]的对应位置关系不会变化，如图5所示。

硬件电路中，在一段区间内找到最大值，而且已知波形的变化规则，即先连续增大后连续减小，若通过前后相减等计算方法会消耗大量的加法器资源，而且不容易得出最大值所对应的位置，即寄存器的位置。

所以基于本问题的特殊性，本发明还提出了一种数字电路容易实现的找到最大值位置的方法。

在一实施例中，将所有需要比较的数按二进制有符号数列出，例如，所需比较的数据为10比特的变量，按顺序分别提取出最高位并取反，组成新的变量MSB1，再取出次高位，组成MSB2，以此类推直到MSB10。请参看表1，表1示出了计算时的变量关系。

表1

重组变量	数据
		MSB1	～{din1[9]～din8[9]}
MSB2	{din1[8]～din8[8]}
		MSB3	{din1[7]～din8[7]}
MSB4	{din1[6]～din8[6]}
		MSB5	{din1[5]～din8[5]}
MSB6	{din1[4]～din8[4]}
		MSB7	{din1[3]～din8[3]}
MSB8	{din1[2]～din8[2]}
		MSB9	{din1[1]～din8[1]}
MSB10	{din1[0]～din8[0]}

请参看图6，图6示出了最大值计算的原理框图。接着前面的例子，将MSB1和MSB2进行与运算，得到结果and12，若and12为全零，则将MSB1和MSB3进行与运算，若and12不全为零，就将and12和MSB3进行与运算，得到and23。以此类推，直到比较完所有值，得到的结果是8比特的值，只有一位是1，其余都是0，其中1的位置即对应所比较的数中最大值的位置。

得到新的变量后，按照规则进行运算。最终输出结果为Data out，Data out为8比特数据，Data out中只有一个1，对应最大值得位置，若Data out＝8’b0000_1000，则被比较的数中最大值为din5，此时对应了码元过零点位置。

接着前面的例子，从din5开始，对差分后数据从零开始进行累加，即可恢复出不含直流量的码元波形。频偏补偿后modelsim的仿真结果如图7所示，其中上面一路数据为频偏补偿的输入数据，下面一路是频偏补偿输出的数据。

将本发明的方法应用于低功耗蓝牙接收机中，使用Quartus II的在线逻辑分析仪进行仿真，如图8所示，phase_filter是鉴频鉴相且差分后的输出，有很大的直流偏移，freq_comp2|adder2是经过本发明中的频偏补偿算法之后的结果，能够明显看到载波频率偏移造成的直流偏移得到了很好的补偿。

此外，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种用于蓝牙接收机的码元波形频率偏移补偿的方法，其特征在于，所述方法包括：

a)对码元波形执行差分操作，以去除波形中直流量；

b)根据预设的前导码，检测差分后码元波形的前导码；

c)计算差分后码元波形的所述前导码的过零点；

d)从所述过零点开始，对差分后的所述码元波形进行累加，得到补偿后码元波形。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述差分的操作进一步得到对应的单比特数据，所述步骤b)进一步包括：

将所述单比特数据与所述预设的前导码进行匹配操作，若匹配度大于匹配度阈值，则检测到所述前导码。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤c)进一步包括：

d)计算所述差分后码元波形的最大值。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤d)进一步包括：

将所述差分后码元波形对应的每一个值按二进制有符号数列出；

提取每一个值对应的二进制数的各个位置的比特；

将每一个值对应的二进制数的相同位数处的比特，组成为该位数对应的第n位二进制数，其中n代表该比特在每一个值对应的二进制数中的位数；

对最高位二进制数取反；

将取反后的最高位二进制数和除了最高位二进制数的各第n位二进制数做与运算；

e)若所述与运算的结果不全为零，则将该运算结果与其他的第n位二进制数做与运算；

循环所述步骤e)，直到所有的第n位二进制数都参与了所述与运算，并得到最终运算结果；

所述最终运算结果中为1的位置对应所述最大值的位置。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述前导码为8比特数据。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述匹配的步骤进一步包括：

对所述差分后码元波形进行判决，得到判决值；

将所述判决值与所述预设的前导码进行匹配操作。