CN112134825B - 一种低复杂度高性能的gfsk基带定时同步方法 - Google Patents

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Abstract

一种低复杂度高性能的GFSK基带定时同步方法，属于调制载波系统技术领域，包括如下步骤：步骤S1，取差分角数据；步骤S2，求取初始相关值CorrValue1；步骤S3，求取频偏FreqOffset；步骤S4，计算最终相关值；步骤S5，计算同步误差个数SyncErr；步骤S6，设定相关值门限为Threshold、同步误差门限为syncErrThreshold；判断最终相关值CorrValue2大于相关门限Threshold并且同步误差个数syncErr小于同步误差门限syncErrThreshold这两个条件是否满足。

Description

一种低复杂度高性能的GFSK基带定时同步方法
技术领域
本发明属于调制载波系统技术领域，特别涉及一种低复杂度高性能的GFSK基带定时同步方法。
背景技术
随着互联网技术的迅速发展，互联网相关的通信网络技术逐渐走向成熟，移动设备和产品日益增多，在生活中的作用也越来越突出。“蓝牙”是一种开放的技术规范，它可实现短距离的无线语音和数据通信。它提供低成本、近距离的无线通信，可为固定的或移动的终端设备提供廉价的接入服务，使得近距离内的各种设备能够实现无缝资源共享。
蓝牙和802.11等其他无线通信标准低功耗技术采用的调制技术为GFSK，因此，对GFSK的研究就有了深远的意义。
高斯频移键控(GFSK)是一种连续相位频率调制。与通常的频率调制不同的是，GFSK调制时，将发射数据符号通过一个高斯滤波器；这样两个不同频率之间的转换是连续的，从而限制了调制信号的频谱带宽。GFSK信号的幅度是恒定的，可以显著地降低发射机对功率放大器的线性度要求。GFSK调制广泛应用于低功耗传输和物联网领域，如蓝牙(Bluetooth)、低功耗蓝牙(BluetoothLowEnergy，BLE)等。
GFSK解调方法是基于GFSK调制的数字通信系统一项关键技术，其性能和结构决定了接收机的灵敏度和数字集成电路实现的复杂度。
传统差分解调方法的复杂度比较低，然而该方法的接收性能相对较差，已有的GFSK的差分解调算法的性能低于相干解调算法。
相干解调必须要恢复出相干载波，利用这个相干载波和已调制信号作用，得到最初的数字基带信号，而这个相干载波是和原来在发送端调制该基带信号的载波信号是同频率同相位的，而非相干解调不需要恢复出相干载波，所以比相干解调方式要简单。但是相干解调方式在大多数情况下，解调效果要好些。
1）传统的GFSK定时同步是使用接收硬判bit和原始bit做相关，根据相关峰值找同步位置，然而由于频偏的存在，同步性能较差，容易丢包。
2）已有的定时方案的频偏估计不准确，影响接收的解调性能。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种低复杂度高性能的GFSK基带定时同步方法。
为了达到上述目的，本发明采取了以下的技术方案。
一种低复杂度高性能的GFSK基带定时同步方法，包括如下步骤：
步骤S1，取差分角数据：对于差分角度differential Angle从第一个点开始，每隔4个点共取N个采样点，N为相关长度，蓝牙中BR/EDR包的N=64，LE包的N=32，所有接入码（Access Code）都用于同步；其中，BR/EDR为蓝牙基本速率/增强数据率，LE为低能量；
步骤S2，求取初始相关值CorrValue1，初始相关值=正数和-负数和，即CorrValue1=PositiveSum-NegativeSum，其中，正数和PositiveSum为接入码AccessCode中的“1”对应的差分角度differential Angle累加；负数和NegativeSum为接入码AccessCode中的“0”对应的差分角度differential Angle累加；
步骤S3，求取频偏FreqOffset：频偏=正数和+负数和-（接入码1和0的个数差）*频偏补偿常数，即FreqOffset = PositiveSum + NegativeSum -DiffSum*Const, 其中FreqOffset为频偏，PositiveSum为正数和，为接入码AccessCode中的“1”对应的差分角度differential Angle累加；NegativeSum为负数和，为接入码AccessCode中的“0”对应的差分角度differential Angle累加；DiffSum是N个接入码AccessCode中1和0的个数之差，N为采样点的个数；Const是频偏补偿常数，也就是差分角度differential Angle幅值的平均值；
步骤S4，计算最终相关值：最终相关值=初始相关值-（接入码1和0的个数差）*频偏，即CorrValue2= CorrValue1-DiffNum* FreqOffset，其中，CorrValue2为最终相关值；CorrValue1为初始相关值；DiffSum为个数差，是N个接入码AccessCode中1和0的个数之差，N为采样点的个数；FreqOffset为频偏；
步骤S5，计算同步误差个数SyncErr：差分角度differential Anglee与频偏FreqOffset做判决得到硬判bit，采用异或操作，硬判bit与接入码AccessCode对应bit不相同的个数就是同步误差个数SyncErr，即：SyncErr=sum (xor (hardBit, AccessCode))；
步骤S6，设定相关值门限为Threshold、同步误差门限为SyncErrThreshold；判断最终相关值CorrValue2大于相关门限Threshold并且同步误差个数SyncErr小于同步误差门限SyncErrThreshold这两个条件是否满足：若满足，继续向后做3组采样点，也就是认为同步位置必定位于接下来的一个符号内，从这4个结果中取相关值最大的采样点就认为是同步位置；若不满足，继续向后移1个采样点，重复1~6过程。
进一步，所述步骤S6中，计算同步位置这组采样点对应的differential Angle的均值：最大相关值除以相关长度N是differential Angle的均值MeanValue，即MeanValue=maxCorrValue/N，其中MeanValue为differential Angle的均值，maxCorrValue为最大相关值，N为相关长度。
进一步，所述步骤S1中，取差分角数据，是在以信号速率4倍的采样率上完成的。
本方案提出一种改进的GFSK同步方案，在低复杂度下实现高性能的同步性能。并且本发明带有频偏估计方案提高接收的性能。
附图说明
图1是GFSK数字接收机架构图；
图2是定时同步实现流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。
一种低复杂度高性能的GFSK基带定时同步方法。
在接收过程中，同步与差分解调的数据源都是差分角度differential Angle,如图1所示，接收的算法流程与发射正好相反，差分角度differential Angle的物理含义就是频率，原始bit为1会产生正频率，原始bit为0会产生负频率，差分角度differential Angle与0做判决就得到解调bit，只是实际系统存在频偏，所以频率中心值不为0，还需要加上频偏环路。同步模块中用原始bit和差分角度differential Angle做相关的方法根据相关峰值找同步位置。
同步的实现流程如图2所示：
(1)，取差分角数据：对于差分角度differential Angle从第一个点开始，每隔4个点共取N个采样点，N为相关长度，蓝牙中BR/EDR包的N=64，LE包的N=32，所有接入码AccessCode都用于同步；其中，BR/EDR为蓝牙基本速率/增强数据率，LE为低能量；作为优选，本方案是在以信号速率4倍的采样率上完成的；
(2)，求取初始相关值CorrValue1，对应图2中的初始相关值=正数和-负数和，即CorrValue1=PositiveSum-NegativeSum，其中，正数和PositiveSum为接入码AccessCode中的“1”对应的差分角度differential Angle累加；负数和NegativeSum为接入码AccessCode中的“0”对应的差分角度differential Angle累加；
(3)，求取频偏FreqOffset：对应图2中的频偏=正数和+负数和-（接入码1和0的个数差）*频偏补偿常数，即FreqOffset = PositiveSum + NegativeSum -DiffSum*Const,其中FreqOffset为频偏，PositiveSum为正数和，为接入码AccessCode中的“1”对应的差分角度differential Angle累加；NegativeSum为负数和，为接入码AccessCode中的“0”对应的差分角度differential Angle累加；DiffSum是N个接入码AccessCode中1和0的个数之差，N为采样点的个数；Const是频偏补偿常数，也就是差分角度differential Angle幅值的平均值；
(4)，计算最终相关值：对应图2中的最终相关值=初始相关值-（接入码1和0的个数差）*频偏，即CorrValue2= CorrValue1-DiffNum* FreqOffset，其中，CorrValue2为最终相关值；CorrValue1为初始相关值；DiffSum为个数差，是N个接入码AccessCode中1和0的个数之差，N为采样点的个数；FreqOffset为频偏；
(5)，计算同步误差个数SyncErr：差分角度differential Anglee与频偏FreqOffset做判决得到硬判bit，采用异或操作，硬判bit与接入码AccessCode对应bit不相同的个数就是同步误差个数SyncErr，即：SyncErr=sum (xor (hardBit, AccessCode))；
(6)，设定相关值门限为Threshold、同步误差门限为SyncErrThreshold；判断最终相关值CorrValue2大于相关值门限Threshold并且同步误差个数SyncErr小于同步误差门限SyncErrThreshold两个条件是否满足：若满足，继续向后做3组采样点，也就是认为同步位置必定位于接下来的一个符号内，从这4个结果中取相关值最大的采样点就认为是同步位置；若不满足，继续向后移1个采样点，重复1~6过程。
同步模块会输出同步位置（算法的同步位置指示Access Code的开头），后续的解调模块会根据同步位置来推算各自解调数据的起始位置，同时输出同步位置这组采样点对应的频偏值FreqOffset和同步误差个数SyncErr，频偏值会用于差分解调，最大相关值除以相关长度N是differential Angle的均值MeanValue，也会用于差分解调中。MeanValue=maxCorrValue/N，其中MeanValue为differential Angle的均值，maxCorrValue为最大相关值，N为相关长度。
目前该GFSK的同步已在易兆微电子的蓝牙芯片YC 1308上通过硬化实现。本方案下实现的蓝牙的同步灵敏度在-105dBm，远好于蓝牙Spec规定的灵敏度指标。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种低复杂度高性能的GFSK基带定时同步方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，取差分角数据：对于差分角度differential Angle从第一个点开始，每隔4个点共取N个采样点，N为相关长度，蓝牙中BR/EDR包的N=64，LE包的N=32，所有接入码AccessCode都用于同步；其中，BR/EDR为蓝牙基本速率/增强数据率，LE为低能量；
步骤S2，求取初始相关值CorrValue1，初始相关值=正数和-负数和，即CorrValue1=PositiveSum-NegativeSum，其中，正数和PositiveSum为接入码AccessCode中的“1”对应的差分角度differential Angle累加；负数和NegativeSum为接入码AccessCode中的“0”对应的差分角度differential Angle累加；
步骤S3，求取频偏FreqOffset：频偏=正数和+负数和-（接入码1和0的个数差）*频偏补偿常数，即FreqOffset = PositiveSum + NegativeSum -DiffSum*Const, 其中FreqOffset为频偏，PositiveSum为正数和，为接入码AccessCode中的“1”对应的差分角度differential Angle累加；NegativeSum为负数和，为接入码AccessCode中的“0”对应的差分角度differential Angle累加；DiffSum是N个接入码AccessCode中1和0的个数之差，N为采样点的个数；Const是频偏补偿常数，也就是差分角度differential Angle幅值的平均值；
步骤S4，计算最终相关值：最终相关值=初始相关值-（接入码1和0的个数差）*频偏，即CorrValue2= CorrValue1-DiffNum* FreqOffset，其中，CorrValue2为最终相关值；CorrValue1为初始相关值；DiffSum为个数差，是N个接入码AccessCode中1和0的个数之差，N为采样点的个数；FreqOffset为频偏；
步骤S5，计算同步误差个数SyncErr：差分角度differential Anglee与频偏FreqOffset做判决得到硬判bit，采用异或操作，硬判bit与接入码AccessCode对应bit不相同的个数就是同步误差个数SyncErr，即：SyncErr=sum (xor (hardBit, AccessCode))；
步骤S6，设定相关值门限为Threshold、同步误差门限为SyncErrThreshold；判断最终相关值CorrValue2大于相关值门限Threshold并且同步误差个数SyncErr小于同步误差门限SyncErrThreshold两个条件是否满足：若满足，继续向后做3组采样点，也就是认为同步位置必定位于接下来的一个符号内，从这4个结果中取相关值最大的采样点就认为是同步位置；若不满足，继续向后移1个采样点，重复1~6过程。
2.如权利要求1所述的一种低复杂度高性能的GFSK基带定时同步方法，其特征在于，包括如下步骤：所述步骤S6中，计算同步位置这组采样点对应的differential Angle的均值：最大相关值除以相关长度N是differential Angle的均值MeanValue，即MeanValue=maxCorrValue/N，其中MeanValue为differential Angle的均值，maxCorrValue为最大相关值，N为相关长度。
3.如权利要求1所述的一种低复杂度高性能的GFSK基带定时同步方法，其特征在于，所述步骤S1中，取差分角数据，是在以信号速率4倍的采样率上完成的。
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