CN107181540A - 蓝牙信号处理装置及蓝牙数据帧检测方法 - Google Patents

蓝牙信号处理装置及蓝牙数据帧检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种蓝牙信号处理装置及蓝牙数据帧检测方法，能量估计器计算蓝牙信号的功率值，频移键控解调器在功率值大于第一阈值时解调蓝牙信号，输出解调信号，帧检测器对解调信号进行帧检测，输出帧检测信号。以此方式对蓝牙信号进行处理，保证在蓝牙信号功率值满足预设条件时再进行解调，无需时时进行解调，进而只对符合功率要求的有效蓝牙信号进行帧检测过程，减少进行帧检测的时间，从而减小蓝牙信号处理时的功耗，同时又不影响有效蓝牙数据的正常处理。

Description

蓝牙信号处理装置及蓝牙数据帧检测方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种蓝牙信号处理装置及蓝牙数据帧检测方法。
背景技术
在进行蓝牙数据传输时，帧检测是蓝牙数据接收的一个重要过程。
传统的帧检测方式主要是使用相关算法对帧校准信号与接收到的蓝牙信号进行相关运算，由相关值来确定帧的起始位置。相关算法具有较高的准确度，但是由于相关运算需要较大的运算复杂度和功耗，长期进行相关运算对于要求低功耗的蓝牙数据接收来说功耗过高。
发明内容
基于此，有必要针对传统的帧检测方式长期使用相关运算使蓝牙数据接收的功耗过高的问题，提供一种蓝牙信号处理装置及蓝牙数据帧检测方法。
一种蓝牙信号处理装置，包括依次连接的能量估计器、频移键控解调器和帧检测器；
能量估计器获取蓝牙信号，计算蓝牙信号的功率值；
频移键控解调器在功率值大于第一预设阈值时解调蓝牙信号，输出解调信号至帧检测器；
帧检测器对解调信号进行帧检测，输出帧检测信号。
根据上述本发明的蓝牙信号处理装置，其包括能量估计器、频移键控解调器和帧检测器，能量估计器计算蓝牙信号的功率值，频移键控解调器在功率值大于第一阈值时解调蓝牙信号，输出解调信号，帧检测器对解调信号进行帧检测，输出帧检测信号。以此方式对蓝牙信号进行处理，保证在蓝牙信号功率值满足预设条件时再进行解调，无需时时进行解调，进而只对符合功率要求的有效蓝牙信号进行帧检测过程，减少进行帧检测的时间，从而减小蓝牙信号处理时的功耗，同时又不影响有效蓝牙数据的正常处理。
在其中一个实施例中，帧检测器包括依次连接的移位寄存器、幅度检测器、相关器和阈值比较器，移位寄存器还分别与相关器、频移键控解调器连接；
移位寄存器寄存解调信号，幅度检测器对解调信号进行幅度检测，在解调信号的幅度值小于第二预设阈值时，输出开启信号至相关器；
相关器接收到开启信号后，根据预设的接入地址码和解调信号进行相关运算，得到相关值，并将相关值输出至阈值比较器；
阈值比较器对相关值和第三预设阈值进行比较，在相关值大于第三预设阈值时，输出帧检测信号。
一种蓝牙数据帧检测方法，包括以下步骤：
能量估计器获取蓝牙信号，计算蓝牙信号的功率值；
频移键控解调器在功率值大于第一预设阈值时解调蓝牙信号，输出解调信号至帧检测器；
帧检测器对解调信号进行帧检测，输出帧检测信号。
根据上述本发明的蓝牙数据帧检测方法，其是通过能量估计器获取蓝牙信号，计算蓝牙信号的功率值，在功率值满足预设条件时，频移键控解调器对蓝牙信号进行解调，获得解调信号，帧检测器对解调信号进行帧检测，确定解调信号中的帧位置。以此方式对蓝牙信号进行处理，保证在蓝牙信号功率值满足预设条件时再进行解调，无需时时进行解调，进而只对符合功率要求的有效蓝牙信号数据进行帧检测过程，减少进行帧检测的时间，从而减小蓝牙信号处理时的功耗，同时又不影响有效蓝牙数据的正常处理。
在其中一个实施例中，帧检测器包括依次连接的移位寄存器、幅度检测器、相关器和阈值比较器；
帧检测器对解调信号进行帧检测，输出帧检测信号的步骤包括以下步骤：
移位寄存器寄存解调信号，幅度检测器对移位寄存器中的解调信号进行幅度检测，在解调信号的幅度值小于第二预设阈值时，输出开启信号至相关器；
相关器接收到开启信号后，根据预设的接入地址码和解调信号进行相关运算，得到相关值，并将相关值输出至阈值比较器；
阈值比较器对相关值和第三预设阈值进行比较，在相关值大于第三预设阈值时，输出帧检测信号。
附图说明
图1是其中一个实施例中蓝牙信号处理装置的结构示意图；
图2是其中一个实施例中帧检测器的结构示意图；
图3是其中一个实施例中帧检测器的结构示意图；
图4是其中一个实施例中蓝牙信号处理装置的结构示意图；
图5是其中一个实施例中蓝牙信号处理装置的结构示意图；
图6是其中一个实施例中蓝牙数据帧检测方法的流程示意图；
图7是其中一个具体实施例中蓝牙帧的结构示意图；
图8是其中一个具体实施例中蓝牙接收机的结构示意图；
图9是其中一个具体实施例中帧检测器的结构示意图；
图10是其中一个具体实施例中蓝牙接收机中帧检测的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
参见图1所示，为本发明一个实施例的蓝牙信号处理装置的结构示意图。该实施例中的蓝牙信号处理装置包括依次连接的能量估计器110、频移键控解调器120和帧检测器130；
能量估计器110获取蓝牙信号，计算蓝牙信号的功率值；
频移键控解调器120在功率值大于第一预设阈值时解调蓝牙信号，输出解调信号至帧检测器130；
其中，能量估计器是一种计算信号能量的器件，也可以用来计算信号的功率值；频移键控解调器(FSK解调器)是信号传输过程中使用的一种信号解调装置，抗噪声与抗衰减的性能较好；
帧检测器130对解调信号进行帧检测，输出帧检测信号。
其中，蓝牙信号中的有效数据在解调之后以帧形式排列，蓝牙帧的结构包括前导码、接入地址码、数据码以及校验码，帧检测器的作用就是在解调信号中确定蓝牙帧的起始位置，以便后续读取帧中的有效数据。
在本实施例中，蓝牙信号处理装置包括能量估计器110、频移键控解调器120和帧检测器130，能量估计器110计算蓝牙信号的功率值，频移键控解调器120在功率值大于第一阈值时解调蓝牙信号，输出解调信号，帧检测器130对解调信号进行帧检测，输出帧检测信号。以此方式对蓝牙信号进行处理，保证在蓝牙信号功率值满足预设条件时再进行解调，无需时时进行解调，进而只对符合功率要求的有效蓝牙信号进行帧检测过程，减少进行帧检测的时间，从而减小蓝牙信号处理时的功耗，同时又不影响有效蓝牙数据的正常处理。第一阈值可以根据实际需要进行自由调整。
在其中一个实施例中，如图2所示，帧检测器130包括依次连接的移位寄存器131、幅度检测器132、相关器133和阈值比较器134，移位寄存器131还分别与相关器133、频移键控解调器120连接；
移位寄存器131寄存解调信号，幅度检测器132对解调信号进行幅度检测，在解调信号的幅度值小于第二预设阈值时，输出开启信号至相关器133；
相关器133接收到开启信号后，根据预设的接入地址码和解调信号进行相关运算，得到相关值，并将相关值输出至阈值比较器134；
阈值比较器134对相关值和第三预设阈值进行比较，在相关值大于第三预设阈值时，输出帧检测信号。
在本实施例中，帧检测器130包括移位寄存器131、幅度检测器132、相关器133和阈值比较器134，频移键控解调器130输出的解调信号可以寄存在移位寄存器131中，通过幅度检测器132对移位寄存器131中的解调信号进行幅度检测；由于噪声信号具有随机性，而解调信号中的有效数据具有固定的频偏，噪声信号解调之后的数据随机且幅度较大，而有效数据具有固定的最大幅度，因此，可以在解调信号的幅度值小于第二预设阈值时，才开启相关器133，避免相关器133长期进行相关运算，只对有较大概率是有效数据的信号进行相关运算，以此节省相关器进行相关运算的功耗。相关器133输出相关值后，阈值比较器对相关值和第三预设阈值进行比较，在相关值大于第三预设阈值输出一个帧检测信号，该帧检测信号相当于触发信号，表明检测到当前解调信号中的帧信号数据，便于读取其中的有效蓝牙数据。第二预设阈值可以根据解调信号中的有效数据本身的特性进行设置，第三预设阈值是关于预设的接入地址码和解调信号的相关程度的阈值，在实际操作过程中可以根据计算的误差进行设置。
在其中一个实施例中，如图3所示，帧检测器130还包括地址码存储器135，地址码存储器135存储预设的接入地址码；
相关器133调用地址码存储器135中预设的接入地址码，并和解调信号进行相关运算。
在本实施例中，预设的接入地址码可以预先存储在地址码存储器135中，以备相关器133开启使用时进行调用，相关器133所使用的相关算法复杂，将预设的接入地址码设置在地址码存储器135可以减少对相关器133的影响，也便于对预设的接入地址码进行修改。
在其中一个实施例中，能量估计器110利用绝对平均值法计算蓝牙信号的功率值。
在本实施例中，使用绝对平均值法可以较好地计算蓝牙信号的功率值，反映当前接收的蓝牙信号的信号量，以便后续进行判断处理。
在其中一个实施例中，能量估计器110对蓝牙信号进行采样，计算各采样点的数据绝对值的平均值，将平均值作为蓝牙信号的功率值。
在本实施例中，蓝牙信号包含的数据较多，可以采用采样的方式进行信号处理，并根据采样点的数据进行功率计算，根据标准有效数据的采样功率设置第一阈值，利用采样点的数据计算的功率值可以保证精确度，同时减少计算量，进一步降低蓝牙信号处理的功耗。
在其中一个实施例中，如图4所示，蓝牙信号处理装置还包括判决器140，判决器140分别与频移键控解调器120、帧检测器130连接；
判决器140根据帧检测信号对解调信号进行判决，输出蓝牙数据比特流。
在本实施例中，判决器140是一种将原来的信号恢复或者再生的仪器，信号的值就当成1，从而得到1，根据情况判断当前信号原来的值到底是0还是1，如此可以得到信号比特流，判决器140从频移键控解调器120获取解调信号，从帧检测器130获取帧检测信号，根据帧检测信号确定解调信号中帧的起始位置，并对解调信号中帧的起始位置之后的数据进行判决，得到准确的蓝牙数据。
在其中一个实施例中，如图5所示，蓝牙信号处理装置还包括与能量估计器110连接的射频接收器150；
射频接收器150接收蓝牙初始信号，对蓝牙初始信号进行预处理，获得蓝牙信号并传输至能量估计器110；其中，预处理包括下变频和自动控制增益处理。
在本实施例中，蓝牙信号是一种工作于2.4G ISM频段(Industrial ScientificMedical Band，工业科学医疗频段)的无线短距离通信信号，主要用于低速的数据传输和语音通信，具有低功耗的特点，蓝牙信号的工作频段在射频频段内，因此蓝牙信号可以通过射频接收器150接收；射频接收器150接收到蓝牙信号后，对蓝牙信号进行预处理，包括下变频和自动控制增益处理，使得传输至能量估计器110的信号更加稳定。
根据上述蓝牙信号处理装置，本发明实施例还提供一种蓝牙数据帧检测方法，以下就本发明的蓝牙数据帧检测方法的实施例进行详细说明。
参见图6所示，为本发明一个实施例的蓝牙数据帧检测方法的流程示意图。该实施例中的蓝牙数据帧检测方法包括以下步骤：
步骤S201：能量估计器获取蓝牙信号，计算蓝牙信号的功率值；
步骤S202：频移键控解调器在功率值大于第一预设阈值时解调蓝牙信号，输出解调信号至帧检测器；
步骤S203：帧检测器对解调信号进行帧检测，输出帧检测信号。
在本实施例中，通过能量估计器获取蓝牙信号，计算蓝牙信号的功率值，在功率值满足预设条件时，频移键控解调器对蓝牙信号进行解调，获得解调信号，帧检测器对解调信号进行帧检测，确定解调信号中的帧位置。以此方式对蓝牙信号进行处理，保证在蓝牙信号功率值满足预设条件时再进行解调，无需时时进行解调，进而只对符合功率要求的有效蓝牙信号数据进行帧检测过程，减少进行帧检测的时间，从而减小蓝牙信号处理时的功耗，同时又不影响有效蓝牙数据的正常处理。
在其中一个实施例中，帧检测器包括依次连接的移位寄存器、幅度检测器、相关器和阈值比较器；
帧检测器对解调信号进行帧检测，输出帧检测信号的步骤包括以下步骤：
移位寄存器寄存解调信号，幅度检测器对移位寄存器中的解调信号进行幅度检测，在解调信号的幅度值小于第二预设阈值时，输出开启信号至相关器；
相关器接收到开启信号后，根据预设的接入地址码和解调信号进行相关运算，得到相关值，并将相关值输出至阈值比较器；
阈值比较器对相关值和第三预设阈值进行比较，在相关值大于第三预设阈值时，输出帧检测信号。
在本实施例中，频移键控解调器输出的解调信号可以寄存在移位寄存器中，通过幅度检测器对移位寄存器中的解调信号进行幅度检测；由于噪声信号具有随机性，而解调信号中的有效数据具有固定的频偏，噪声信号解调之后的数据随机且幅度较大，而有效数据具有固定的最大幅度，因此，可以在解调信号的幅度值小于第二预设阈值时，才开启相关器，避免相关器长期进行相关运算，只对有较大概率是有效数据的信号进行相关运算，以此节省相关器进行相关运算的功耗。相关器输出相关值后，阈值比较器对相关值和第三预设阈值进行比较，在相关值大于第三预设阈值输出一个帧检测信号，该帧检测信号相当于触发信号，表明检测到当前解调信号中的帧信号数据，便于读取其中的有效蓝牙数据。
在其中一个实施例中，帧检测器还包括地址码存储器，地址码存储器存储预设的接入地址码；
根据预设的接入地址码和解调信号进行相关运算的步骤包括以下步骤：
相关器调用地址码存储器中预设的接入地址码，并和解调信号进行相关运算。
在其中一个实施例中，计算蓝牙信号的功率值的步骤包括以下步骤：
能量估计器利用绝对平均值法计算蓝牙信号的功率值。
在其中一个实施例中，计算蓝牙信号的功率值的步骤包括以下步骤：
能量估计器对蓝牙信号进行采样，计算各采样点的数据绝对值的平均值，将平均值作为蓝牙信号的功率值。
在其中一个实施例中，输出帧检测信号的步骤之后还包括以下步骤：
判决器根据帧检测信号对解调信号进行判决，输出蓝牙数据比特流。
在其中一个实施例中，能量估计器获取蓝牙信号的步骤之前还包括以下步骤：
射频接收机接收蓝牙初始信号，将蓝牙初始信号进行预处理，获得蓝牙信号并传输至能量估计器；其中，预处理包括下变频和自动控制增益处理。
本发明的蓝牙数据帧检测方法基于本发明的蓝牙信号处理装置，在上述蓝牙信号处理装置的实施例中阐述的技术特征及其有益效果均适用于蓝牙数据帧检测方法的实施例中。
上述实施例中的“第一”、“第二”等序数词只是为了区分所关联的对象，并不是对象本身的限定。
在一个具体的实施例中，蓝牙信号处理装置可以应用在蓝牙接收机中。蓝牙接收机可以包括射频前端(即射频接收器)、能量估计器、FSK解调器、帧检测器和判决器。射频前端用于接收具有前导码和地址接入码(AC)的蓝牙信号；能量估计器连接在射频前端，用于估计接收信号的能量；FSK解调器连接在能量估计器之后，用于解调信号；帧检测器连接在FSK解调器之后，用于进行准确的帧检测，确定帧头位置；判决器将解调的数据判决为比特流。
能量估计器使用绝对平均值估计接收信号的能量。只有当该估计的能量值超过预设的阈值时，才开启FSK解调器；FSK解调器将解调蓝牙信号，然后将解调数据传输到帧检测器。帧检测器对输入的信号幅度进行预判。进一步的，当解调之后的数据的幅度小于设定的阈值时，才开启帧检测器内部的相关器。帧检测器利用前导码进行直流估计，利用地址接收码与解调数据进行相关运算确定帧的起始位置。最后将解调数据判决为比特流。
蓝牙是一种工作于2.4G ISM频段的无线短距离通信标准。主要用于低速的数据传输和语音通信，具有低成本、低功耗等特点。
如图7所示为蓝牙4.0帧的结构，主要包括8bit的前导码(Preamble)、32bit的接入地址码(Access Address)、数据(PDU)以及24比特的CRC校验码，图中的1octet相当于8bit。
如图8所示，其为接收机的结构，主要包括射频前端，能量估计器，FSK解调器、帧检测器和判决器。射频前端主要用于接收蓝牙信号并进行相应的处理，包括下变频、自动控制增益处理等，使得送入到能量估计器的数据稳定。能量估计器用于计算接收到的信号的功率。可以应用绝对平均值法计算接收信号的功率。具体的，对应采样率为8M，中频信号为2M的蓝牙信号，计算32个采样点即4us的数据的绝对值的平均作为估计能量。即
其中，M为32，si为输入的信号，n的取值为1至M。
当能量估计器计算的能量超过预设的阈值时，才开启FSK解调模块，这样可以保证FSK解调模块在必要时才工作，达到低功耗的目的。FSK解调模块将提取信号的频率，输出解调数据。
帧检测器连接在FSK解调器之后，并将帧检测信号传输给判决器启动其工作。帧检测器利用32bit的接入地址码进行帧同步。即，帧检测器利用已知的32bit接入地址码与FSK解调器输出的数据进行相关运算，当相关值超过预设的阈值时，输出帧检测信号，到达精确定位的目的。具体的，帧检测器具有如图8所示的结构。
如图9所示为帧检测器的结构。帧检测器包括有32bit的移位寄存器、32bit的接入地址码、幅度检测器、相关器以及阈值比较器。具体的，FSK解调器输出的比特数据传输到移位寄存器，利用幅度检测器进行幅度检测。由于噪声具有随机性，而数据具有固定的频偏，因此噪声解调之后的数据随机且幅度较大，而信号具有固定的最大幅度。因此，当检测的幅度值小于预设的阈值时，才进行相关运算，以此节省相关器长期运算导致的功耗。将运算的相关值与预设的目标值进行比较，当相关值超过目标值时，输出有效信号(即帧检测信号)到判决器。判决器开始判决解调的信号，输出比特流，该比特流为蓝牙的有效数据。
如图10所示为蓝牙接收机帧检测方法的流程图。帧检测器对解调器输入的数据进行幅度检测，只有当幅度值小于设定的阈值V时，才开启相关器进行相关运算。相关器开启之后，将运算的相关值与阈值C进行对比，只有当阈值超过阈值C时才输出帧检测信号，结束帧检测器的工作。
该蓝牙接收机具有较好的帧同步性能，同时，保持低功耗的性能。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成。所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，包括上述方法所述的步骤。所述的存储介质，包括：ROM/RAM、磁碟、光盘等。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种蓝牙信号处理装置，其特征在于，包括依次连接的能量估计器、频移键控解调器和帧检测器；
所述能量估计器获取蓝牙信号，计算所述蓝牙信号的功率值；
所述频移键控解调器在所述功率值大于第一预设阈值时解调所述蓝牙信号，输出解调信号至所述帧检测器；
所述帧检测器对所述解调信号进行帧检测，输出帧检测信号。
2.根据权利要求1所述的蓝牙信号处理装置，其特征在于，所述帧检测器包括依次连接的移位寄存器、幅度检测器、相关器和阈值比较器，所述移位寄存器还分别与所述相关器、所述频移键控解调器连接；
所述移位寄存器寄存所述解调信号，所述幅度检测器对所述解调信号进行幅度检测，在所述解调信号的幅度值小于第二预设阈值时，输出开启信号至所述相关器；
所述相关器接收到所述开启信号后，根据预设的接入地址码和所述解调信号进行相关运算，得到相关值，并将所述相关值输出至所述阈值比较器；
所述阈值比较器对所述相关值和第三预设阈值进行比较，在所述相关值大于所述第三预设阈值时，输出帧检测信号。
3.根据权利要求2所述的蓝牙信号处理装置，其特征在于，所述帧检测器还包括地址码存储器，所述地址码存储器存储所述预设的接入地址码；
所述相关器调用所述地址码存储器中预设的接入地址码，并和所述解调信号进行相关运算。
4.根据权利要求1所述的蓝牙信号处理装置，其特征在于，所述能量估计器利用绝对平均值法计算所述蓝牙信号的功率值。
5.根据权利要求4所述的蓝牙接收机，其特征在于，所述能量估计器对所述蓝牙信号进行采样，计算各采样点的数据绝对值的平均值，将所述平均值作为所述蓝牙信号的功率值。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的蓝牙信号处理装置，其特征在于，还包括判决器，所述判决器分别与所述频移键控解调器、所述帧检测器连接；
所述判决器根据所述帧检测信号对所述解调信号进行判决，输出蓝牙数据比特流。
7.根据权利要求6所述的蓝牙信号处理装置，其特征在于，还包括与所述能量估计器连接的射频接收器；
所述射频接收器接收蓝牙初始信号，对所述蓝牙初始信号进行预处理，获得所述蓝牙信号并传输至所述能量估计器；其中，所述预处理包括下变频和自动控制增益处理。
8.一种蓝牙数据帧检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
能量估计器获取蓝牙信号，计算所述蓝牙信号的功率值；
频移键控解调器在所述功率值大于第一预设阈值时解调所述蓝牙信号，输出解调信号至帧检测器；
所述帧检测器对所述解调信号进行帧检测，输出帧检测信号。
9.根据权利要求8所述的蓝牙数据帧检测方法，其特征在于，所述帧检测器包括依次连接的移位寄存器、幅度检测器、相关器和阈值比较器；
所述帧检测器对所述解调信号进行帧检测，输出帧检测信号的步骤包括以下步骤：
所述移位寄存器寄存所述解调信号，所述幅度检测器对所述移位寄存器中的解调信号进行幅度检测，在所述解调信号的幅度值小于第二预设阈值时，输出开启信号至所述相关器；
所述相关器接收到所述开启信号后，根据预设的接入地址码和所述解调信号进行相关运算，得到相关值，并将所述相关值输出至所述阈值比较器；
所述阈值比较器对所述相关值和第三预设阈值进行比较，在所述相关值大于所述第三预设阈值时，输出帧检测信号。
10.根据权利要求8所述的蓝牙数据帧检测方法，其特征在于，所述能量估计器获取蓝牙信号的步骤之前还包括以下步骤：
射频接收机接收蓝牙初始信号，将所述蓝牙初始信号进行预处理，获得所述蓝牙信号并传输至所述能量估计器；其中，所述预处理包括下变频和自动控制增益处理；
所述输出帧检测信号的步骤之后还包括以下步骤：
判决器根据所述帧检测信号对所述解调信号进行判决，输出蓝牙数据比特流。
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