CN109474920A - 一种低功耗蓝牙数据包的检测方法 - Google Patents

一种低功耗蓝牙数据包的检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及无线通信技术领域，公开了一种低功耗蓝牙数据包的检测方法。首先，接收信号采用过采样，计算接收信号的时域差分序列；其次，计算接收信号时域差分序列与本地同步序列的相关值；然后，观测该相关值的信号特征，当信号特征满足期望特征时，检测到该数据包；最后，检测到数据包之后，确定符号同步的采样点位置和PDU起始点的位置，以符号同步的采样点位置为基准，以符号速率对接收信号进行采样和PDU解调。本地同步序列由+1和‑1所构成，根据低功耗蓝牙数据包的Preamble和Access address序列映射所产生，使得相关值的计算比较简单。仿真表明，高斯加性噪声信道下，本发明的数据包检测方法，在SNR＝10dB时，检测概率约为99％。

Description

一种低功耗蓝牙数据包的检测方法
技术领域
本发明涉及无线通信领域，特别涉及一种低功耗蓝牙数据包的检测方法。
背景技术
低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy,BLE)是一种短距离、低成本和低功耗的无线通信技术，用于实现手机、平板电脑、笔记本电脑和其它智能设备等与周边电子设备的无线连接。低功耗蓝牙通信具有较高的可靠性、安全性、易用性等特点，并且以低功耗为设计目标，成为物联网领域最强大的无线接入技术之一。低功耗蓝牙工作在2.4G非授权频段[1]，将80MHZ带宽的无线信道划分为40个信道，每个信道带宽为2MHz，在不同信道之间采用自适应跳频通信增强了系统的抗干扰性能；低功耗蓝牙无线通信物理层采用恒包络的高斯频移键控(GFSK)调制，简化了发射机的设计。
低功耗蓝牙的数据包由Preamble、Access Address、PDU和CRC等4部分组成[1]。Preamble是一个8us长度的前导序列，可以用来进行接收信号自动增益控制和同步，将接收信号幅度放大到合适的范围内，以便ADC将接收信号转换成数字信号，输入给数字基带进行数字解调。另外，接收机检测Preamble和Access Address，通过比较接收到的AccessAddress是否与本地的Access一致，决定是否收到了低功耗蓝牙的数据包，以及该数据包是否发送给本设备。低功耗蓝牙数据包的检测性能会显著影响低功耗蓝牙接收机的总体接收性能。如何有效地利用Preamble和Access Address的格式和信号特征、设计检测算法、可靠地检测低功耗蓝牙的数据包，是低功耗蓝牙通信数字基带接收机设计最关键的问题之一。以下给出检索的相关文献：
[1]Bluetooth Core Specification v4.2,Bluetooth SIG,2014
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种低功耗蓝牙数据包的检测方法。
为了解决上述问题，本发明的低功耗蓝牙数据包的检测方法包括四个步骤：
步骤1：接收信号采用过采样，计算接收信号的时域差分序列，当前时刻的接收信号与OS个采样周期之前接收信号的共轭值相乘，通过如下过程实现：
RxDiff(n)＝Rx(n)conj{Rx(n-OS)} (1)
其中RxDiff(n)表示接收信号的时域差分序列；Rx(n)表示接收信号；OS表示接收信号的过采样率；conj{·}表示求共轭。
步骤2：计算接收信号时域差分序列与本地同步序列的相关值；计算接收信号时域差分序列与本地同步序列乘积的累加和，该累加和除以本地同步序列的长度，所得结果的实部平方与虚部平方之和为相关值，通过如下过程实现：
CorrVal(n)＝real{Corr(n)}*real{Corr(n)}+imag{Corr(n)}*imag{Corr(n)}(3)
其中,CorrVal(n)表示接收信号时域差分序列与本地同步序列的相关值；M表示本地同步序列的长度；SyncSeq(m)是由+1和-1构成的本地同步序列，由低功耗蓝牙数据包的Preamble和Access address序列映射产生，0映射为1，1映射为-1；real{·}表示求实部，imag{·}表示求虚部；
本地同步序列SyncSeq(m)的长度最大为40，包括8比特长度的Preamble和32比特长度的Access Address；另外，由于低功耗蓝牙接收机利用Preamble进行自动增益控制，使得Preamble开始几个比特对应的接收信号会发生波形失真的情况，可以选择SyncSeq(m)由Preamble后半部分与整个Access Address构成。
步骤3：观测相关值的信号特征，当信号特征满足期望特征时，检测到该数据包；通过如下过程实现：
首先，根据相关值CorrVal(n)和CorrVal(n-1)计算升降标志IncreaseFlag，当CorrVal(n)≥CorrVal(n-1)时，IncreaseFlag＝1，否则IncreaseFlag＝0
其次，将IncreaseFlag存入一个长度为OS的FIFO，即IncreaseFIFO；同时，将CorrVal(n)存入另外一个长度为OS的FIFO，即CorrFIFO
IncreaseFIFO(m)＝IncreaseFIFO(m+1),m＝0...OS-2 (5)
IncreaseFIFO(OS-1)＝IncreaseFlag (6)
CorrFIFO(m)＝CorrFIFO(m+1),m＝0...OS-2 (7)
CorrFIFO(OS-1)＝CorrVal(n) (8)
最后，观测IncreaseFIFO和CorrFIFO的值，如果同时满足下列条件：
IncreaseFIFO(OS/2-1)＝＝1 (11)
IncreaseFIFO(OS/2-1)＝＝0 (12)
CorrFIFO(OS/2-1)≥CorrThd (13)
即IncreaseFIFO前半部分求和的结果大于或等于一个预先设定的门限IncreaseThd，IncreaseFIFO后半部分求和的结果小于或等于一个预先设定的门限DecreaseThd，IncreaseFIFO(OS/2-1)等于1，IncreaseFIFO(OS/2)等于0，CorrFIFO(OS/2-1)大于或等于一个预先设定的门限CorrThd，则认为检测到低功耗蓝牙数据包，此时的接收数据采样时刻，记为PktDetPoint。
步骤4：检测到数据包之后，确定符号同步的采样点位置和PDU起始点的位置，以符号同步的采样点位置为基准，以符号速率对接收信号进行采样和PDU解调，通过如下过程实现：
PDUStartPoint＝PktDetPoint+OS*M+OS/2 (14)
其中PDUStartPoint是PDU起始点采样点的位置，以PDUStartPoint为基准，以符号速率对接收信号进行采样和PDU解调。
从以上描述可以看出，本发明的低功耗蓝牙数据包的检测方法；检测数据包时，接收信号采用过采样，计算接收信号的时域差分序列与本地同步序列的相关值，通过观测相关值信号的峰值特征，检测数据包；使用过采样，联合Preamble和Access Address构成本地同步序列，提高了数据包检测的灵敏度。此外，本地同步序列由+1和-1构成，接收信号的时域差分序列与本地同步序列做相关计算时，不需要乘法运算，只需加法运算，显著降低了计算复杂度。数据包检测到之后，以符号同步采样点为基准，获得PDU的起始点位置，然后以符号速率采样接收信号，进行PDU的解调。
附图说明
图1为低功耗蓝牙数据包检测的方框图；
图2为低功耗蓝牙数据包的格式；
图3为接收信号时域差分序列与本地同步序列的相关值序列波形；
图4为接收信号时域差分序列与本地同步序列的相关值序列波形的局部放大。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
本发明的低功耗蓝牙数据包的检测方法的方框图如图1所示，包括接收信号过采样、时域差分、相关计算、特征观测、符号速率采样和PDU解调等模块，通过下面四个步骤实现：
步骤1：接收信号采用16倍的过采样，低功耗蓝牙的符号速率为1M symbols/s,则接收信号的采样率为16M samples/s，计算接收信号的时域差分序列，当前时刻的接收信号与16个采样周期之前接收信号的共轭值相乘，通过如下过程实现：
RxDiffReal(n)＝real{Rx(n)}real{Rx(n-16)}+imag{Rx(n)}imag{Rx(n-16)}(15)
RxDiffImag(n)＝-real{Rx(n)}imag{Rx(n-16)}+imag{Rx(n)}real{Rx(n-16)}(16)
其中RxDiffReal(n)表示接收信号的时域差分序列的实部；RxDiffImag(n)表示接收信号的时域差分序列的虚部；
步骤2：计算接收信号时域差分序列与本地同步序列的相关值：计算接收信号时域差分序列与本地同步序列乘积的累加和，该累加和除以本地同步序列的长度，所得结果的实部平方与虚部平方之和为相关值，通过如下过程实现：
CorrVal(n)＝CorrReal(n)*CorrReal(n)+CorrImag(n)*CorrImag(n) (18)
其中,CorrVal(n)表示接收信号时域差分序列与本地同步序列的相关值；SyncSeq(m)是由+1和-1构成的本地同步序列，由低功耗蓝牙数据包的Preamble和Access address序列映射产生，0映射为1，1映射为-1；低功耗蓝牙数据包的格式如图2所示。在实施方式中，选择本地同步序列SyncSeq(m)的长度为36比特，包括Preamble的后4个比特和AccessAddress的32个比特。
步骤3：观测相关值的信号特征，当信号特征满足期望特征时，检测到该数据包；图3为接收信号时域差分序列与本地同步序列的相关值序列波形；图4为接收信号时域差分序列与本地同步序列的相关值序列波形的局部放大。相关值序列特征的观测通过如下过程实现：
首先，根据相关值CorrVal(n)和CorrVal(n-1)计算升降标志IncreaseFlag(n)，当CorrVal(n)≥CorrVal(n-1)时，IncreaseFlag(n)＝1，否则IncreaseFlag(n)＝0
其次，将IncreaseFlag(n)存入长度为16的FIFO，即IncreaseFIFO；同时，将CorrVal(n)存入长度为16的FIFO，即CorrFIFO
IncreaseFIFO(m)＝IncreaseFIFO(m+1),m＝0...14 (5)
IncreaseFIFO(15)＝IncreaseFlag(n) (6)
CorrFIFO(m)＝CorrFIFO(m+1),m＝0...14 (7)
CorrFIFO(15)＝CorrVal(n) (8)
最后，观测IncreaseFIFO和CorrFIFO的值，如果同时满足下列条件：
IncreaseFIFO(7)＝＝1 (11)
IncreaseFIFO(8)＝＝0 (12)
CorrFIFO(7)≥CorrThd (13)
即IncreaseFIFO前半部分求和的结果大于或等于一个预先设定的门限IncreaseThd，取IncreaseThd＝8；IncreaseFIFO后半部分求和的结果小于或等于一个预先设定的门限DecreaseThd，取DecreaseThd＝0；IncreaseFIFO(7)等于1，IncreaseFIFO(8)等于0；CorrFIFO(7)大于或等于一个预先设定的门限CorrThd，取CorrThd＝45，则认为检测到低功耗蓝牙数据包，此时的接收数据采样时刻，记为PktDetPoint。
步骤4：检测到数据包之后，确定符号同步的采样点位置和PDU起始点的位置，以符号同步的采样点位置为基准，以符号速率对接收信号进行采样和PDU解调，通过如下过程实现：
PDUStartPoint＝PktDetPoint+36*16+8 (14)
其中PDUStartPoint是PDU起始点采样点的位置，以PDUStartPoint为基准，以符号速率对接收信号进行采样和PDU解调。
通过计算机仿真验证本发明的数据包检测方法的性能，考虑高斯加性噪声(AWGN)信道，数据包的格式为Bluetooth 4.2中的低功耗蓝牙数据包格式，如图2所示。仿真中Access Address设置为广播信道的Access Address。本地同步序列SyncSeq＝[-1，1，-1，1，-1，1，1，-1，1，-1，1，1，-1，1，1，1，1，1，-1，1，1，-1，-1，1，-1，-1，-1，1，-1，1，1，1，-1，-1，-1，1]。仿真结果表明，在SNR＝10dB时，前导序列的检测概率为99％。
以上通过具体实施方式和实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种低功耗蓝牙数据包的检测方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
步骤1、接收信号采用过采样，计算接收信号的时域差分序列；
步骤2、计算接收信号时域差分序列与本地同步序列的相关值；
步骤3、观测相关值的信号特征，当信号特征满足期望特征时，检测到该数据包；
步骤4、检测到数据包之后，确定符号同步的采样点位置和PDU起始点的位置，以符号同步的采样点位置为基准，以符号速率对接收信号进行采样和PDU解调。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1：接收信号采用过采样，计算接收信号的时域差分序列，当前时刻的接收信号与OS个采样周期之前接收信号的共轭值相乘，通过如下过程实现：
RxDiff(n)＝Rx(n)conj{Rx(n-OS)}
其中RxDiff(n)表示接收信号的时域差分序列；Rx(n)表示接收信号；OS表示接收信号的过采样率；conj{·}表示求共轭。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2：计算接收信号时域差分序列与本地同步序列的相关值，计算接收信号时域差分序列与本地同步序列乘积的累加和，该累加和除以本地同步序列的长度，所得结果的实部平方与虚部平方之和为相关值，通过如下过程实现：
CorrVal(n)＝real{Corr(n)}*real{Corr(n)}+imag{Corr(n)}*imag{Corr(n)}
其中,CorrVal(n)表示接收信号时域差分序列与本地同步序列的相关值；M表示本地同步序列的长度；SyncSeq(m)是由+1和-1构成的本地同步序列，根据低功耗蓝牙数据包的Preamble和Access Address序列映射所产生，0映射为+1，1映射为-1；real{·}表示求实部，imag{·}表示求虚部。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3：观测相关值的信号特征，当信号特征满足期望特征时，检测到该数据包；通过如下过程实现：
首先，根据相关值CorrVal(n)和CorrVal(n-1)计算升降标志IncreaseFlag(n)，当CorrVal(n)≥CorrVal(n-1)时，IncreaseFlag(n)＝1，否则IncreaseFlag(n)＝0；
其次，将IncreaseFlag(n)存入一个长度为OS的FIFO，即IncreaseFIFO；同时，将CorrVal(n)存入另外一个长度为OS的FIFO，即CorrFIFO；
最后，观测IncreaseFIFO和CorrFIFO的值，如果同时满足下列条件：IncreaseFIFO前半部分求和的结果大于或等于一个预先设定的门限IncreaseThd，IncreaseFIFO后半部分求和的结果小于或等于一个预先设定的门限DecreaseThd，IncreaseFIFO(OS/2-1)等于1，IncreaseFIFO(OS/2)等于0，CorrFIFO(OS/2-1)大于或等于一个预先设定的门限CorrThd，则认为检测到低功耗蓝牙数据包，此时的接收数据采样时刻，记为PktDetPoint。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4：检测到数据包之后，确定符号同步的采样点位置和PDU起始点的位置，以符号同步的采样点位置为基准，以符号速率对接收信号进行采样和PDU解调，通过如下过程实现：
PDUStartPoint＝PktDetPoint+OS*M+OS/2
其中PDUStartPoint是PDU起始点采样点的位置，以PDUStartPoint为基准，以符号速率对接收信号进行采样和PDU解调。
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