CN108370309A - 无线电通信 - Google Patents

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Abstract

一种数字无线电接收器(7)，其被布置成接收并处理数据帧，各个数据帧包括：(i)多个相同的同步序列；(ii)与所述同步序列不同的标识数据；以及(iii)经卷积编码的消息数据。所述接收器(7)的初始同步部使用所接收的数据帧中的所述多个同步序列来进行频率同步或符号定时同步操作。帧同步部通过将所接收的标识数据中的至少一部分与存储在存储器中的参考标识数据相关联而确定帧同步信息。卷积解码部使用所述帧同步信息来解码所述消息数据。

Description

无线电通信
技术领域
本发明涉及数字无线电。
背景技术
已知各种无线电通信系统用于传送二进制消息数据。示例包括蓝牙TM及蓝牙低功耗TM。重要的是，数字无线电接收器快速且准确地从所接收的数据包(又称数据帧)确定定时同步，以便能可靠地解码消息数据。已知其包括传送器及接收器两者已知的接近各个帧的起点的预定同步字，在接收器解码来自帧的消息数据之前，接收器可使用该同步字来进行操作，诸如符号定时恢复、频率偏移补偿、自动增益控制(AGC)训练及帧同步。
当所接收的无线电信号弱时，接收器更难以可靠地进行这些操作。本申请人先前预期在数据包内包括由两个或更多个相同的同步序列组成的同步字来提供更准确的符号定时恢复及频率偏移补偿。该办法允许接收器使用相对短的相关器，其将输入信号与存储的同步序列的一个情况重复地相关联。这比与较长的非重复同步序列的相关联更具有电源效率。除了相关器输出幅值的基本匹配度量之外，同步电路可使用在连续相关器匹配(针对连续同步序列)间的时间距离以获得符号定时恢复。
然而，重复同步序列(而非较长的非重复同步字)的使用确实使得帧同步更困难，原因在于接收器可能无需在同步字内的相同同步序列间作区别。申请人已了解如果在帧中的同步序列后的数据受以基于卷积的前向纠错(FEC)码保护，这特别成问题。这是因为针对卷积码的解码器典型地需要知晓代码起点的位置以便正确地启动。
本发明寻求提供改善的数字无线电接收器。
发明内容
根据第一方面，本发明提出一种被布置成接收并处理数据帧的数字无线电接收器，各个数据帧包括：(i)多个相同的同步序列；(ii)与所述同步序列不同的标识数据；以及(iii)经卷积编码的消息数据，所述接收器包括：
初始同步部，其被布置成使用所接收的数据帧中的所述多个相同的同步序列来进行频率同步或符号定时同步操作；
帧同步部，其被布置成通过将所接收的标识数据中的至少一部分与存储在所述接收器的存储器中的参考标识数据相关联而确定针对所接收的数据帧的帧同步信息；以及
卷积解码部，其被布置成使用所述帧同步信息来解码所述数据帧的所述消息数据。
根据第二方面，本发明提出一种无线电通信方法，包括接收并处理数据帧，所述数据帧包括：(i)多个相同的同步序列；(ii)与所述同步序列不同的标识数据；以及(iii)经卷积编码的消息数据，所述方法包括：
使用所接收的数据帧中的所述多个相同的同步序列来进行频率同步或符号定时同步操作；
通过将所接收的标识数据中的至少一部分与所存储的参考标识数据相关联而确定针对所接收的数据帧的帧同步信息；以及
使用所述帧同步信息来解码所述数据帧的所述消息数据。
如此将了解数据帧内的标识数据用于与其它频率和/或符号定时同步操作分开地，获得用于将消息数据去卷积的帧同步。该存储的参考标识数据优选与在数据帧中传送的标识数据相同(实际上，当然，噪声可意味着接收的信号并非与传送的信号完全相同)，或包括所传送的标识数据中的至少一部分。标识数据可以是接收器事先已知的任何数据，诸如传送器或接收器的地址。在一些优选实施例中，标识数据专用于无线电接收器与无线电传送器间的特定链路层连接。例如，标识数据可以是蓝牙TM低功耗存取地址，或更通常地链路层连接标识符。使用已经为了其它目的而存在于数据包内的标识数据进行帧同步特别有效，原因在于其避免了需要单独为了进行帧同步而包括额外数据来延长数据包。
在一些实施例中，标识数据可优选地使用与消息数据相同的卷积编码而被卷积编码。标识数据优选出现在前向纠错码块的开头；以这种方式，其编码值针对给定通信链路为固定并不取决于可变消息比特。参考标识数据也可被卷积编码，使得帧同步部中的相关使用编码数据执行。在FEC编码数据上相关联的优点为FEC编码可辅助确保两个不同链路层连接(例如，其中有两个蓝牙TM低功耗存取地址)的各个标识数据间的最短距离，由此帮助避免其中标识数据通过噪声信道接收的假相关匹配。
标识数据优选地位于数据包中的消息数据之前。其可彼此相邻。同步序列优选地位于数据包中的标识数据之前。再度，其可彼此相邻。同步字中的同步序列可有2、3、5、10、20或更多个案例。
在一些实施例中，数据帧中的标识数据可以被直接序列扩频(DSSS)编码。若标识数据被卷积编码，则DSSS编码可应用于经卷积编码的标识数据周围。因此，接收器可包括解扩部，所述解扩部被布置成对所接收的数据帧中的DSSS编码的标识数据进行解扩。然后所述帧同步部被布置成在所述标识数据已被解扩后将所述标识数据中的至少一部分与所述参考标识数据相关联。发明人已实现在解扩后对标识数据相关联提供了可接受的帧同步，比较在解扩前进行相关联，对相关器具有远更低的功率需求。相关长度远更短。此外，解扩部优选地接收复合(I及Q)格式的数据，但以实际格式输出数据。这意味着相关器只需作用在实际数据，而非作用在复合的经DSSS-编码的数据。
帧同步部可具有可编程的误差阈值用于确定是否发现相关匹配。若要求完美匹配，则因遗失帧同步故，编码流中的比特误码率(BER)可能将获得无法接受的包损耗比。
经卷积编码的消息数据也可被DSSS编码(在卷积编码外部)。解扩部可被布置成除了将标识数据解扩外也将消息数据解扩。
消息数据可包括一个或多个协议字段诸如速率指示符或由其组成，或其可完全由数据有效载荷组成，该数据有效载荷只在物理层及数据链路层上方的较高协议层有意义。数据帧可包括额外消息数据，其不被FEC编码，或其在与第一消息数据不同的码块中被卷积编码或块编码。例如，数据帧可包括：(i)同步字，接着为(ii)包括存取地址接着为速率指示符的第一经DSSS编码的经卷积编码的块，接着为(iii)包括“任意”数据有效载荷的第二经DSSS编码的经FEC编码的块。经FEC编码的数据有效载荷可使用卷积码或块码而被编码。若数据有效载荷被块编码，则经卷积编码的消息数据可被视为包括速率指示符(及可选地，若只有存取地址的第一半用作标识数据，则在标识数据后方的第一块中的任何其它数据，诸如存取地址的第二半)。
频率同步或符号定时同步操作可包括下列中的一个或多者：符号定时恢复及频率偏移补偿。接收器也可使用同步序列(一起定义同步字)用于自动增益控制(AGC)训练。
初始同步部优选地包括相关器，所述相关器被布置成将所接收的同步序列与单一同步序列中的全部或一部分重复地相关联。
卷积解码部优选地包括维特比(Viterbi)解码器。
帧同步部可将整个所接收的标识数据与参考标识数据相关联，或其可只在所接收的标识数据的一部分(例如，首四分之一或一半)上相关联。这是因为可能无需完整标识数据来获得可靠的帧同步，及其因只在部分数据上相关联故节省功率。在后者情况下，存储的参考标识数据将典型地只包括相关器要求的相同部分。
在一些实施例中，可以使用所述标识数据中的至少一部分来预初始化所述卷积解码部，例如，在帧同步部已结束其相关操作之前或之后不久。这是可能的，因为接收器通常将已经知晓其经调谐来接收的数据帧的标识数据。以此方式，一旦帧同步部已实现同步，则卷积解码部可开始解码数据帧，而无需缓冲标识数据(其由帧同步部消耗)。若通过帧同步部找到相关性，则参考标识数据中的全部或一部分已经有效地由接收器解码，故可确认使用具有无噪声存储的参考标识数据的卷积解码部的预初始化为有效。帧同步可能只需要一部分(例如，第一半)标识数据，在该种情况下，唯有该部分已由帧同步部使用，卷积解码部才须被预初始化。
在一些实施例中，前文描述的解扩部的相位输出可用于补偿载波频率漂移。
接收器可包括CORDIC用于补偿载波频率偏移和/或漂移。接收器可包括联合定时和频率估计器。
在适当的情况下，本文描述的任何方面或实施例的特征可施加到本文描述的任何其它面向或实施例。当参照不同实施例或实施例的集合时，须了解并非必要分开反而可重迭。
附图说明
现在将参考附图，仅以示例方式描述本发明的一些优选实施例，附图中：
图1为具体实施本发明的包括接收器的无线电通信系统的示意图；
图2为可由无线电通信系统传送与接收的数据包的图；
图3为具体实施本发明的无线电接收器的一部分的示意图；以及
图4为用于该无线电接收器的状态图。
具体实施方式
图1示出与移动电话7通信的无线心率监测器1。移动电话7具体实施本发明。
无线心率监测器1具有心率传感器2，其连接到微处理器3(诸如ARMTM Cortex M系列)。微处理器3连接到无线电传送器4。无线电传送器4包括编码器5(以及其它部件)。也存在有其它常规部件，诸如存储器、电池等，但为求简明而从本图中删除。微处理器3及无线电传送器4可集成在单一硅芯片上。监测器1具有无线电天线6，其可集成在此芯片上或可在其外部。
移动电话7具有适合用于从连接到无线电接收器9的无线个人局域网设备接收短程无线电通信的天线8以及其它常规部件(未示出)。无线电接收器9包括同步和解码逻辑10以及其它部件。无线电接收器9连接到微处理器11(诸如ARMTM Cortex M系列)，其可以借助其他部件，诸如运行操作系统及适当软件应用程序的另一微处理器(未示出)而输出用于显示在屏幕12上的数据。
在使用中，无线心率监测器1从心率传感器2接收用于人类用户的周期心率读数。微处理器3将该读数处理成传输用的适当格式，及发送消息数据给无线电传送器4。在一些实施例中，消息数据可已经被差分编码，以便改善在无线电接收器9上的解码操作效率。无线电传送器4确定该消息数据可以匹配入单一数据包内还是其必须在两个或更多个数据包之间分割。无线电传送器4中的编码器5使用基于卷积的前向纠错码来编码消息数据。其在经编码的消息数据前面加上链路层存取地址(cAA)及速率指示符(RI)以创建有效载荷。其然后使用固定码片序列对该整个有效载荷进行DSSS编码。例如，每个“1”比特可由4-比特序列[1 1 0 0]表示，及每个“0”比特可由序列[0 0 1 1]表示。当然，可使用其它码片序列长度，其可以是或可以不是2的幂。然后，传送器4将同步字加在有效载荷前面，包括预定序列S1＝[0 0 1 1 1 1 0 0](举例)的10次重复。
然后，无线电传送器4从天线6传送已编码的数据包，该包使用二级GFSK以0.5的调制指数在射频载波(例如，在约2.4GHz)上调制。根据情况，数据包可含有额外元素，诸如前导码。
图2示出示例性数据包结构，其包括同步字及FEC编码的数据有效载荷。数据有效载荷在第一FEC块中含有编码的存取地址(cAA)及速率指示符。该速率指示符含有有关对含额外消息比特的第二FEC块进行编码的数据。
在使用中，移动电话7在天线8处接收无线电数据包。无线电接收器9使用同步和解码逻辑10处理GFSK信号。接收器9首先将所接收的信号与8-比特同步序列[0 0 1 1 1 1 00]相关联，以便确定符号定时恢复及频率偏移校正。
重复同步序列具有下述优点，除了基本匹配度量(相关器输出幅值)之外，同步逻辑10可限定相关器匹配之间的时间距离。
这可以被用来针对限定匹配降低相关器阈值，同时保持对错误检测的鲁棒性。这进而意味着8-比特相关器可被用于以低接收器复杂度达成高度敏感度。该脉冲串同步的另一项优点为，若使用比重复序列更长的相关器帧，如在一些实施例中可能是这种情况，则接收器相关器系数也将是重复的序列。这简化了更长的相关器的实施，同时维持其基本噪声平均质量。
然后，无线电接收器9使用所获得的定时同步对数据有效载荷进行解扩。该操作容后详述。解扩的实数值输出被发送到维特比解码器以对输出进行去卷积。然而，维特比解码器需要被正确地初始化以便能正确地去除FEC编码。这通过还将解扩输出与编码的存取地址(cAA)的存储表示相关联而实现。因为针对给定连接的存取地址是固定的，且因为其出现在第一FEC块的开头，故其FEC编码值cAA可被预先确定及存储于无线电接收器9中以用于该相关性操作中。该相关性操作在下文详述。相关性提供了帧同步信息，然后，该信息用于初始化维特比解码器。
然后，无线电接收器9将解码消息数据发送给微处理器11以用于处理。微处理器11可以任何适当方式处理。在一些实施例中，心率信息可以图形方式显示在显示器屏幕12上供用户观看。
无线心率监测器1及移动电话7可被配置成使得心率消息数据实质上根据蓝牙低功耗(BTLE)TM核心规范版本4.0，从无线心率监测器1移转给移动电话7，但物理层例外。无线心率监测器1及移动电话7可被配备用于双向无线电通信，使用对应部件来在相反方向进行无线电传送，但这并非必要。
图3示出具体实施本发明的无线电接收器的数字基带处理级的细节。此接收器可以是如前文描述的相同无线电接收器9，或可以是不同的无线电接收器。
出于简洁原因，未示出诸如滤波及剩余频率偏移追踪等步骤。无线电接收器的设计目标是优化敏感度，同时容许实际信道状况(载波频率偏移、载波漂移、衰减等)。
复合值基带样本显示从图3左侧进入。这些样本被发送到CORDIC单元18，及从该处发送到解扩单元19。解扩单元19执行输入数据与一个或多个存储码片序列间的互相关。解扩单元19的输出被发送到比特级编码的存取地址相关单元20，及然后发送到维特比解码器单元21。输入样本也发送到同步单元22，其进行定时同步及初始载波频率偏移估计。
图3含有下列缩写：
n＝码片索引；
m＝符号索引；
z(n)＝复合基带样本；
z'(n)＝载波频率偏移(CFO)补偿的z(n)；
h(n)＝来自解扩数据的硬判决比特；
cAA＝预期编码的存取地址的副本；
p(k)＝表示在FSK调制后在相位柱上的数据码片序列的复合值。
同步是围绕特定类型的相关器构建的。相关器为数据辅助的联合定时与频率估计器，其利用所接收的符号中的数据知识来消除调制对常规延迟与相关类型的载波频率偏移估计器的估值的影响。同步背后的原理由本申请人描述于WO 2014/167318，其全部内容通过引用并入本文。
因为接收重复同步字，因此对连续振幅响应之间的时域距离的额外检查可用来滤出错误检测。这表示具有较低检测阈值的较短的相关器可使用来达成给定的敏感程度而降低接收器复杂度。
图3中的“联合定时及频率偏移同步”同步单元22针对每个输入的基带样本zn＝I(n)+jQ(n)进行如下互相关：
其中L为表示上采样“同步字”的样本数目，其定义为如上序列S1的重复数；其中D为设计时决定的滞后；及其中T为样本周期。
系数给定为di＝pi ·pi+D其中p为组成上采样且调制的同步字比特的样本。相关器应在正确的时间点被采样以使频率偏移估值有效，及该时间点是在由下式给定的Mn值中观察到“峰值”时：
其中及
Mn中的有效峰值根据可编程阈值确定。成功的同步事件定义为观察到数个有效峰值彼此时间上的间隔量对应于“同步字”长度，考虑到噪声加或减一值Δ。该同步事件进一步定义用于随后数据符号的检测的选通时间。
数di＝pi ·pi+D在设计时计算。
复合基带样本z'(n)的经CFO补偿的序列通过数字-基带-相关器解扩单元19处理。这计算及输出实值软比特＝|C1|2-|C0|2给比特级编码的-存取-地址相关器单元20及给维特比解码器单元21。
编码的-存取-地址相关器单元20使用编码的-存取-地址的存储版本进行相关操作以便针对输入数据帧确定帧同步。
然后，通过维特比解码器单元21以常规方式操作而确定消息数据比特。
图4示出有限状态机(FSM)，其可精心策划在如图3中所示的无线电接收器中的同步处理及外部DSSS解码。
该FSM的状态由变量syncstate给定。在时间t＝0，FSM始于syncstate＝0。在该状态下，FSM在图4中的虚线右侧，及在由同步单元22计算的Mn值中寻找“峰值”。针对各个“峰值”，值纪录于向量元素cfoVec[MnCnt]中，及“峰值”计数器MnCnt递增1。当已观察到各个峰值之间有某个距离dist的充分最少数min的该峰值时，实现初始定时及载波频率偏移同步且syncstate递增1。
通过计数器(以每个符号的样本数目为模而计数)测量的“峰值”的平均时间限定后续的符号边界(选通时间)。此外，初始载波频率偏移估值计算为向量cfoVec中的元素的平均。然后此值发送到CORDIC单元18。
现在，syncstate>0，FSM进入图4中的虚线左侧用以接收消息。在该状态下，如前文描述，在解码器单元21中确定消息数据比特。此外，追踪剩余载波频率偏移(CFO)且计算ωCFO。此值转而用来更新(通过被加至)CORDIC单元18中的值

Claims (15)

1.一种被布置成接收并处理数据帧的数字无线电接收器，各个数据帧包括：(i)多个相同的同步序列；(ii)与所述同步序列不同的标识数据；以及(iii)经卷积编码的消息数据，所述接收器包括：
初始同步部，其被布置成使用所接收的数据帧中的所述多个相同的同步序列来进行频率同步或符号定时同步操作；
帧同步部，其被布置成通过将所接收的标识数据中的至少一部分与存储在所述接收器的存储器中的参考标识数据相关联而确定针对所接收的数据帧的帧同步信息；以及
卷积解码部，其被布置成使用所述帧同步信息来解码所述数据帧的所述消息数据。
2.根据权利要求1所述的数字无线电接收器，其中所存储的参考标识数据与在所接收的数据帧中传送的标识数据相同。
3.根据权利要求1或2所述的数字无线电接收器，其中所述参考标识数据被卷积编码，并且其中所述帧同步部被布置成将经卷积编码的所接收的标识数据与经卷积编码的参考标识数据相关联。
4.根据任一前述权利要求所述的数字无线电接收器，其中所述数字无线电接收器包括解扩部，所述解扩部被布置成对所接收的数据帧中的直接序列扩频(DSSS)编码的标识数据进行解扩。
5.根据权利要求4所述的数字无线电接收器，其中所述解扩部被布置成接收复合格式的数据，但以实际格式输出数据。
6.根据权利要求4或5所述的数字无线电接收器，其中所述帧同步部被布置成在所述标识数据已被解扩后将所述标识数据中的至少一部分与所述参考标识数据相关联。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的数字无线电接收器，被布置成使用所述解扩部的相位输出来补偿载波频率漂移。
8.根据任一前述权利要求所述的数字无线电接收器，其中所述初始同步部包括相关器，所述相关器被布置成将所接收的同步序列与单一同步序列中的全部或一部分重复地相关联。
9.根据任一前述权利要求所述的数字无线电接收器，其中卷积解码部包括维特比解码器。
10.根据任一前述权利要求所述的数字无线电接收器，被布置成使用所述标识数据中的至少一部分来预初始化所述卷积解码部。
11.一种无线电通信方法，包括接收并处理数据帧，所述数据帧包括：(i)多个相同的同步序列；(ii)与所述同步序列不同的标识数据；以及(iii)经卷积编码的消息数据，所述方法包括：
使用所接收的数据帧中的所述多个相同的同步序列来进行频率同步或符号定时同步操作；
通过将所接收的标识数据中的至少一部分与所存储的参考标识数据相关联而确定针对所接收的数据帧的帧同步信息；以及
使用所述帧同步信息来解码所述数据帧的所述消息数据。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所接收的数据帧中的所述标识数据为用于无线电接收器与无线电传送器之间的特定链路层连接的标识符。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中所接收的数据帧中的所述标识数据为蓝牙TM低功耗存取地址中的一部分或全部。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其中所接收的数据帧中的所述标识数据被卷积编码且位于前向纠错码块的开头。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其中在所接收的数据帧中所述同步序列位于所述标识数据之前，并且其中所述标识数据位于所述消息数据之前。
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