CN109600328B - 用于稳定调制指数校准和动态控制的电路、设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及稳定调制指数校准和动态控制。校准高斯频移键控调制指数包括生成训练比特序列，根据初始调制指数使来自训练序列的脉冲成形，以及将成形信号转换成传输信号。传输信号然后循环通过射频核心或者由频率偏差估计硬件来处理以确定频率偏差。频率偏差被转换成新的调制指数，并且可能被转换成目标调制指数和测量的调制指数之间的比率，作为缩放因子。然后迭代地重复该过程，直到达到阈值频率偏差。

Description

用于稳定调制指数校准和动态控制的电路、设备和方法
优先权
本申请根据35 U.S.C.§119(e)要求(2017年10月2日递交的)美国临时申请第62/566,682号的权益，该美国临时申请通过引用并入本文。
发明领域
本公开总体上涉及数字无线通信领域，并且更具体地说，涉及蓝牙低能量设备。
背景
使用高斯频移键控(GFSK)的某些无线通信协议，如蓝牙、数字增强无绳电信、ZigBee、Z波等，利用调制指数来控制定义编码比特的频移或偏差的程度；调制指数值标称为0.5。现有的协议标准，如蓝牙4.2，有精度要求，该要求在调制指数范围从0.45到0.55、误差范围为±10％的情况下可以被满足。调制指数的误差主要是由于模拟/射频转换过程中的缺陷。未来的协议标准，如蓝牙5和更高版本，将要求调制指数在0.495到0.505之间，误差范围为±1％。用当前的蓝牙低能量设备很难达到这一要求，并且对射频部件去除易变性的更严格要求可能会在成本上令人望而却步。
因此，如果存在适合于在比当前可能的范围更窄的范围内建立和约束调制指数的设备，将是有利的。
概述
在一个方面，本文公开的发明构思的实施例涉及一种用于校准高斯频移键控调制指数的方法。调制解调器生成训练比特序列，并根据初始调制指数从训练序列中使脉冲成形。训练序列被转换成传输信号，并且然后被循环通过射频核心或者通过频率偏差估计硬件进行处理以确定频率偏差。频率偏差被转换成新的调制指数，并且可能被转换成目标调制指数和测量的调制指数之间的比率作为缩放因子。然后迭代地重复该过程，直到达到阈值频率偏差。
应理解的是，前面的总体性描述和下面的详细描述二者都仅是示例性和说明性的，且不应限制所要求保护的范围。并入说明书中并构成说明书一部分的附图说明了本文公开的发明构思的示例性实施例，并与总体性描述一起用于解释原理。
附图说明
通过参考附图，本领域技术人员可以更好地理解本文公开的发明构思的实施例的许多优点，在附图中:
图1示出了根据本文公开的发明构思的一个示例性实施例的闭环校准系统的框图；
图2示出了根据本文公开的发明构思的一个示例性实施例的开环校准系统的框图；
图3示出了根据本文公开的发明构思的实施例的电路的框图；
图4示出了根据本文公开的发明构思的一个示例性实施例的用于指数校准的方法的流程图；
图5示出了结合本文公开的发明构思的示例性实施例的系统的框图。
详细描述
现在详细参考所公开的主题，其在附图中示出。
参照图1，示出了根据本文公开的发明构思的一个示例性实施例的闭环校准系统100的框图。系统100包括数字高斯频移键控调制器102，其使用生成数字训练序列的基带信号发生器104根据调制指数产生数字信号。在至少一个实施例中，基带信号发生器104包括调制解调器PHY层元件；可选地，训练序列可以从蓝牙MAC层生成。数字训练序列被发送到脉冲成形元件106，脉冲成形元件106根据初始调制指数(或者如本文更全面描述的，通过迭代地细化的调制指数)来操控训练序列。成形训练信号被发送到基带发射机108，该基带发射机108执行上采样、速率转换和预失真；并将脉冲成形训练信号从数字域120中的时钟速率转换为模拟域122中的时钟速率。基带发射机108然后将成形训练信号传输到模拟无线电110。
模拟无线电110包括射频核心112，该射频核心112接收所传输的成形训练信号，并将接收的成形训练信号(现在是模拟形式)发送或环回至数字高斯频移键控解调器112。数字高斯频移键控解调器112中的频率偏差估计器114确定所接收的成形训练信号和已知训练信号之间的投影偏差，并将所确定的偏差传递给具有稳定调制指数估计器和控制器118的固件或硬件控制器116，控制器118基于所确定的偏差迭代地调整脉冲成形元件106使用的调制指数。调制指数等于每符号速率的高斯频移键控频率偏差的两倍。对于蓝牙，符号速率可以是1MHz或2MHz。正常传输要求频率偏差在225千赫和275千赫之间；稳定传输要求频率偏差在247.5千赫和252.5千赫之间。
在至少一个实施例中，由频率偏差定义的目标调制指数和测量的调制指数之间的比率包括用于调谐脉冲成形元件106的缩放因子。在至少一个实施例中，脉冲成形元件106按计算的比率缩放训练信号。可以在脉冲成形之前或之后应用缩放。
在至少一个实施例中，系统100迭代地计算新调制指数，将新调制指数应用于训练信号，并重新计算投影偏差，直到偏差在期望的阈值内。
在至少一个实施例中，例如通过加权平均独立地确定和组合一系列投影偏差和相应的调制指数。在这样的操作中，序列中的数据点可以被过滤，例如以去除超过预定数量的标准偏差的异常值。
稳定调制指数估计器和控制器118控制基带信号发生器104以产生期望的数字比特训练序列。包含单比特的比特序列产生单频率训练信号。训练序列可以是交替的全关和全开序列，例如0000111100001111......。调制指数校准性能取决于稳定调制指数估计器控制器118的精度。可以通过发送更长的训练序列并在多次迭代中求平均值来提高估计精度。稳定调制指数估计器和控制器118还基于目标调制指数和所测量的调制指数或频率偏差来计算脉冲成形元件106的缩放因子，并将缩放因子编程到脉冲成形元件106中。
参照图2，示出了根据本文公开的发明构思的一个示例性实施例的开环校准系统200的框图。在开环实施例中，系统200包括基带信号发生器和映射器202，该基带信号发生器和映射器202生成数字训练序列，该数字训练序列然后被发送到脉冲成形/频率调节元件204，该脉冲成形/频率调节元件204根据初始调制指数以及随后通过迭代细化的调制指数来操控训练序列。成形训练信号被发送到基带发射机206，其执行上采样、速率转换和预失真；并将脉冲成形训练信号从数字时钟速率转换为模拟时钟速率。基带发射机206包括频率估计器210，该频率估计器210直接确定被转换用于传输的信号和已知训练信号之间的投影偏差，并将确定的偏差传送到调制指数估计器和控制器212，而不使用过零或其他单音调频率估计环回通过射频核心208。调制指数估计器和控制器212基于所确定的偏差迭代地调节脉冲成形元件/频率调节元件204使用的调制指数。
在至少一个实施例中，调制指数估计器和控制器212计算来自频率估计器210的所有训练比特序列的平均频率偏差，并估计调制指数。基于所计算的调制指数和已知的训练信号，调制指数估计器和控制器212计算缩放因子，用缩放的调制指数对脉冲成形/频率调节元件204编程，并控制基带信号发生器和映射器202生成的信号，以在随后的校准步骤中产生期望的训练序列。在至少一个实施例中，调制指数估计器和控制器212可以在连续校准操作中生成长度增加的训练序列，以产生越来越精确的调制指数。
闭环系统100或开环校准系统200可以基于性能考虑和可用资源来选择。在至少一个实施例中，周期性地执行调制指数校准以校正随时间的漂移。此外，当检测到显著的温度变化时，可以执行校准，因为温度是调制指数的重要因素。需要校准，因为每个设备都有其自己的调制指数特性。
参照图3，示出了根据本文公开的发明构思的实施例的电路300的框图。电路300包括与多种协议类型相关的元件和数据路径。硬件或固件机器302、304，例如蓝牙硬件设备302或IEEE 802.15.4硬件设备304。一些硬件设备302、304可以直接连接到多路复用器306，该多路复用器306被配置为选择用于沿着一个或更多个调制路径(例如同相/正交(I/Q)调制路径)进行调制的信号。可选地，或者附加地，硬件设备302、304可以经由扩展器308和最小移位键控映射器310连接到多路复用器306，所述扩展器308用于例如经由伪随机序列扩展所调制的脉冲位置，所述最小移位键控映射器310用于将信号脉冲映射到高斯频谱。在I/Q调制路径中，多路复用器306将待调制的信号发送到脉冲成形器312，以用于限制所调制的信号的频谱。在一个实施例中，累加器314临时存储来自脉冲成形器312的信号；在另一实施例中，来自脉冲成形器312的信号可以绕过用于坐标旋转数字计算机(CORDIC)316的累加器314。可选地或附加地，来自累加器314的信号可以绕过CORDIC 316用于I/Q比较器318。将频移脉冲乘以预定或可编程增益值的增益调节器320从I/Q比较器318接收信号，并将增益调节后的信号发送到均衡器322，以用于平衡信号特性和信号的操作模式。均衡的信号通过无线电衰减器324被处理到功率放大预失真元件326。来自功率放大预失真元件326和来自功率放大预失真发生器330的信号经由接入应用接口328被发送到射频核心332。
在至少一个实施例中，替代的直接调制路径包括从多路复用器306接收信号的单极到双极转换器334。转换后的信号可以通过分叉路径行进到高斯脉冲成形器336与运算放大器338，并通过运算放大器338到达采样保持元件340。高斯脉冲成形器336和采样保持元件340都通过多路复用器342连接到预加重滤波器344，以加重信号内的期望频率。滤波信号的频率脉冲通过频率偏差调节器346基于调制指数被改变，或者按照初始调制指数值或者如本文所述的更新调制指数值被改变。调制信号通过无线电衰减器348处理，频率偏差(对应于编码比特)由求和元件350编译，并且信号被传送到射频核心332。
在解调路径中，来自射频核心332的信号被接入应用接口328和直接数字频率合成器352接收，直接数字频率合成器352基于来自射频核心332的信号产生数字信号。经由循环静态数据流动态源路由器354处理具有对应于解码比特的频率偏差的合成信号。经由数字增益元件356调节信号的增益，并且经由音调消除器358消除音调；音调消除信号可以通过分叉路径直接和通过均衡器360到达第一解调多路复用器362。来自第一解调多路复用器362的信号由本地互连网络无线电衰减器364和静滴无线电衰减器(a silent drop radioattenuator)366接收，以减轻服务网络的过载。第二解调多路复用器368向CORDIC 370、低通滤波器372和网络中心管理通信解调器382发送所产生的信号。来自CORDIC 370的信号被发送到相移键控解调器380。来自CORDIC 370和低通滤波器372的信号也被发送到第三解调多路复用器374。来自第三解调多路复用器374的信号被发送到最大似然序列估计器378、高斯频移键控解调器380和接收器信号强度指示器384，以及从而发送到空闲信道评估元件390。网络中心管理通信解调器382还从自动增益控件386接收来源于接收机信号强度指示器384的增益控制信号。第四解调多路复用器392从相移键控解调器376、最大似然序列估计器378和高斯频移键控解调器380接收信号。从第四解调多路复用器392选择的信号被传送到至少一个硬件或固件机器302、304，例如蓝牙硬件设备302。第五解调多路复用器394经由专用于所采用协议的频移键控解调器388(诸如ZigBee解调器)接收来自高斯频移键控解调器380的信号；和来自网络中心管理通信解调器382的信号。从第五解调多路复用器394选择的信号被传递到至少一个硬件或固件机器302、304，例如IEEE 802.15.4硬件设备304。
在解调期间，来自最大似然序列估计器378和频率偏差调节器346的信号由状态调制指数控制器396接收，状态调制指数控制器396被配置为计算或以其他方式识别更新的调制指数值，并将更新的调制指数值传递给各种相移和频移分量。此外，稳定调制指数控制器396还可以将更新的调制指数值传递到多路复用器306。
如本文更全面地所述，根据所采用的高斯频移键控协议，迭代地采用适当的调制和解调路径来导出适于产生足够精确的脉冲形状的调制指数值。
参照图4，示出了根据本文公开的发明构思的一个示例性实施例的用于指数校准的方法的流程图。在上电或重新校准期间，高斯频移键控数据通信系统生成400训练信号。训练信号可以由一系列交替均匀的比特序列来定义，每个比特序列具有某个预定长度。根据调制指数将训练信号成形402为脉冲。成形信号从数字时钟速率转换404为适于传输的模拟时钟速率。
在至少一个实施例中，转换后的信号通过无线电核心被循环406到解调器。频率偏差估计器确定408实际频率偏差，并且根据该频率偏差估计410新调制指数。
可选地，在至少一个实施例中，在不通过无线电循环转换信号的情况下，在数学上估计412频率偏差。可以基于来自交替比特序列中的比特串的单音调信号的平均频率来估计412频率偏差。在至少一个实施例中，频率估计可以在基带传输期间或射频传输的早期阶段进行。基于估计的频率偏差，估计414新的调制指数。
在任一情况下，新的估计的调制指数被用于根据预定训练序列或新训练序列来成形402新脉冲。生成脉冲可以包括利用新调制指数和先前调制指数的比率作为关于频域信号的缩放因子。
这种过程可以在启动时执行，以初始校准调制指数，或者周期性地执行以考虑到频率漂移。此外，实现本文公开的发明构思的实施例的系统可以识别可能影响校准的特定事件或环境；例如，温度波动或接收异常信号。
参考图5，示出了结合了本文公开的发明构思的示例性实施例的调制解调器500的框图。调制解调器500包括高斯频移键控调制器502，其基于训练比特序列和调制指数来生成训练信号，并且转换该训练信号以用于传输。
在至少一个实施例中，转换后的训练信号由高斯频移键控解调器504解调，并且频率偏差被估计出。根据频率偏差估计导出新的调制指数，并基于新的调制指数生成新的训练信号。
在至少一个实施例中，转换后的训练信号被环回通过无线电508，以被高斯频移键控解调器504解调，使得实际的频率偏差被识别。从频率偏差导出新的调制指数，并基于新的调制指数生成新的训练信号。
可以继续该过程，直到频率偏差在可接受的限度内，或者直到已经执行了预定次数的迭代。
在一些实施例中，调制解调器500是多个数据连接设备中的任何设备中的系统组件。例如，调制解调器500可以是计算机、智能手机、平板电脑或任何支持蓝牙的设备中的组件。此外，利用高斯频移键控协议进行无线数据通信的任何设备都可以利用本文公开的发明构思的实施例。
本文公开的发明构思的实施例适用于对传输子系统具有严格的调制指数要求的任何高斯频移键控调制系统。对于所有高斯频移键控调制系统，性能提高是普遍的。
应当理解的是，所公开的过程中的步骤的特定顺序或层次只是一个示例。应当理解的是，在保持在本公开的宽泛范围内的同时，可以重新排列过程中的步骤的特定顺序或层次。所附的方法权利要求以示范顺序呈现了各个步骤的元素，并不意味着局限于所呈现的特定顺序或层次。
应当相信的是，通过前面的描述，本文公开的系统和方法及其许多附带的优点将会被理解，并且将很明显的是，在不脱离本公开的广泛范围或者不牺牲其所有的实质性优点的情况下，可以对其组件的形式、结构和布置进行各种改变。本文前面描述的形式仅仅是其说明性实施例，随附的权利要求旨在包含和包括这些变化。
上述描述旨在说明性而非限制性。例如，上述实施例(或其一个或更多个方面)可以彼此结合使用。其他的实施例对于在查阅以上的描述后的本领域的技术人员将是明显的。在本文件中，如在专利文件中是常见的，术语“一”或“一个”被用于包括一个或多于一个。在本文档中，术语“或”被使用以指非穷举的或，以便“A或B”包括“A但非B”、“B但非A”和“A和B”，除非另有说明。如果本文件和通过引用并入的那些文件之间的用法不一致，则并入的参考文献中的用法应被认为是对本文件用法的补充；对于不可调和的不一致之处，本文档中的用法将取代任何合并参考文献中的用法。
虽然参考具体的实施例描述了所要求保护的主题，但明显的是，在不背离所要求保护的更广泛的精神和范围的情况下，可以对这些实施例作出各种修改和变化。因此，说明书和附图被认为是说明性的而不是限制性的。因此，所要求保护的范围应参考所附权利要求连同这些权利要求有权要求的等效物的整个范围来确定。在所附权利要求中，术语“包括(including)”和“其中(in which)”作为英文原意使用等效于表示术语“包括(comprising)”和“其中(wherein)”。并且，在随附的权利要求中，术语“包括(including)”和“包括(comprising)”是开放式的，包括除在权利要求中的该术语后列出的元素之外的元素的系统、设备、物品或过程仍然被认为落入该权利要求的范围内。另外，在随附的权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等被仅用于标签，并不旨在对它们的对象强加数值要求。
本公开的摘要被提供以符合37 C.F.R§1.72(b)，其要求摘要能让读者快速确定技术公开的性质。其被提交且应当理解的是，它将不用于解释或限制权利要求的范围或意义。

Claims (17)

1.一种用于稳定调制指数校准和动态控制的电路，包括：
信号发生器，所述信号发生器产生训练比特序列；
脉冲成形元件，所述脉冲成形元件根据所述训练比特序列和调制指数值产生成形信号；
基带发射机，所述基带发射机根据所述成形信号产生传输信号；
频率偏差估计器，所述频率偏差估计器确定所述传输信号的频率偏差；和
调制指数值估计器，所述调制指数值估计器根据所述频率偏差确定更新的调制指数值，并更新所述脉冲成形元件使用的调制指数值；
其中，所述电路迭代地产生更新的调制指数值，直到所述频率偏差在可接受的范围内。
2.根据权利要求1所述的电路，还包括接收所述传输信号的射频核心，其中，所述频率偏差估计器从所述射频核心接收射频信号。
3.根据权利要求1所述的电路，其中，所述调制指数值估计器还产生所述调制指数值与所述更新的调制指数值的比率。
4.根据权利要求3所述的电路，其中，所述比率包括关于所述脉冲成形元件的缩放因子。
5.根据权利要求1所述的电路，其中，所述电路迭代地确定频率偏差，并且所述调制指数值估计器通过两次或更多次迭代产生平均频率偏差。
6.根据权利要求1所述的电路，其中，所述训练比特序列包括相同长度的均匀比特的交替组。
7.一种用于稳定调制指数校准和动态控制的设备，包括：
调制器，所述调制器包括：
信号发生器，所述信号发生器产生训练比特序列；
脉冲成形元件，所述脉冲成形元件根据所述训练比特序列和调制指数值产生成形信号；和
基带发射机，所述基带发射机根据所述成形信号产生传输信号；解调器，所述解调器包括：
频率偏差估计器，所述频率偏差估计器确定所述传输信号的频率偏差；和
调制指数值估计器，所述调制指数值估计器根据所述频率偏差确定更新的调制指数值，并更新被所述脉冲成形元件使用的调制指数值；其中，所述设备迭代地产生更新的调制指数值，直到所述频率偏差在可接受的范围内。
8.根据权利要求7所述的设备，还包括接收所述传输信号的射频核心，其中，所述频率偏差估计器从所述射频核心接收射频信号。
9.根据权利要求7所述的设备，其中，所述调制指数值估计器还产生所述调制指数值与所述更新的调制指数值的比率。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述比率包括关于所述脉冲成形元件的缩放因子。
11.根据权利要求7所述的设备，其中，所述设备迭代地确定频率偏差，并且所述调制指数值估计器通过两次或更多次迭代产生平均频率偏差。
12.根据权利要求7所述的设备，其中，所述训练比特序列包括相同长度的均匀比特的交替组。
13.一种用于稳定调制指数校准和动态控制的方法，包括：
产生训练比特序列；
根据所述训练比特序列和调制指数值产生成形信号；
根据所述成形信号产生传输信号；
确定所述传输信号的频率偏差；
根据所述频率偏差确定更新的调制指数值；
更新用于产生所述成形信号的调制指数值；和
迭代地产生更新的调制指数值，直到所述频率偏差在可接受的范围内。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括使所述传输信号循环通过射频核心。
15.根据权利要求13所述的方法，还包括产生所述调制指数值与所述更新的调制指数值的比率。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述比率包括后续成形信号的缩放因子。
17.根据权利要求13所述的方法，还包括迭代地确定频率偏差，并通过两次或更多次迭代产生平均频率偏差。
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