CN113923087B - 基于特定天线阵列切换顺序的载波频率偏移误差消除方法及系统 - Google Patents

基于特定天线阵列切换顺序的载波频率偏移误差消除方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于特定天线阵列切换顺序的载波频率偏移误差消除方法及系统，应用于蓝牙无线通信系统，包含以下步骤：信号接收端通过特定顺序分时切换参考天线与阵列天线接收蓝牙信号；计算参考天线时间间隔为载波周期整数倍的采样点间的相位差得出频率偏移误差值；通过计算得出的相位误差值对其余阵列天线进行相位补偿。本发明基于特定接收机天线阵列排布，引入一路参考天线，提出一种特定天线切换顺序和相位补偿算法，消除了接收机与发射机晶振不同步所带来的载波频率偏移进而导致的相位误差，提高了采样信号的还原度。本发明对于数据通道个数要求低，计算复杂度低，适用于单数据通道多天线分时切换的接收机信号处理。

Description

基于特定天线阵列切换顺序的载波频率偏移误差消除方法及 系统
技术领域
本发明涉及蓝牙通信领域，具体涉及一种基于特定天线阵列切换顺序的载波频率偏移误差消除方法。
背景技术
随着低功耗蓝牙设备的日渐普及，使用蓝牙信号进行定位在近些年也成了一个热门课题。为更好的支持蓝牙定位功能，在蓝牙5.1标准协议中每个蓝牙信号包尾端包含一段固定频率的扩展信号。该信号通过载波过滤后为定频正弦波，接收机端通过不同的天线分时切换对该段信号进行采样并分析，通过波达角算法对来波方向进行估计。由于发射机与接收机晶振之间存在同步误差，导致接收到的载波过滤后的固定频率扩展信号存在一定程度的频率偏移。由于天线采用分时切换的模式，频率偏移将导致采样数据相位发生偏差，而空间谱波达角算法对于输入信号相位十分敏感，频率偏移误差将会降低基于空间谱波达角算法的信号来波方向的角度估计准确度。因此为提高对于信号来波方向的角度估计准确度，需要对接收机采样数据进行相位补偿，消除载波频率偏移带来的误差。
发明内容
本发明的目的在于针对蓝牙接收机与发射机晶振同步误差所带来的载波频率偏移以及采样数据相位偏移，提供一种基于特定天线阵列切换顺序的载波频率偏移误差消除方法，提高对于来波方向的角度估计准确度。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种基于特定天线阵列切换顺序的载波频率偏移误差消除方法，所述特定天线阵列包括一个参考天线和l个以参考天线为圆心排布的阵列天线构成的均匀圆形阵列。该方法具体包括以下步骤：
(1)拥有特定天线阵列的接收机分时切换接收定频扩展信号，对每一根天线接收到的数据进行I/Q两路数据采样；分时切换的顺序为参考天线、阵列天线交错切换，且阵列天线根据特定天线阵列顺时针或逆时针进行切换，每个阵列天线激活一次，参考天线激活l次。
(2)对步骤(1)中获取到的每一个有效I/Q采样数据利用公式计算采样点相位；
(3)取步骤(2)中采样自参考天线且相隔时间为载波周期整数倍的数据点相位进行对比并计算载波频率偏移带来的平均相位误差；
(4)利用步骤(3)中计算得出的平均相位误差计算出除参考天线外的每个有效I/Q数据采样点的实际相位偏移量并进行补偿，消除载波频率偏移误差。
进一步地，均匀圆形阵列中的各阵列天线与参考天线的距离为半个载波波长，载波为2.4千兆赫兹。
进一步地，所述阵列天线个数为8个，天线阵列切换时按照以下顺序进行：参考天线→阵列天线1→参考天线→阵列天线2→参考天线→阵列天线3→参考天线→阵列天线4→参考天线→阵列天线5→参考天线→阵列天线6→参考天线→阵列天线7→参考天线→阵列天线8。
进一步地，所述特定天线阵列中，每一根天线的激活时间为一整个载波周期。
进一步地，相邻两次参考天线激活时采样的数据点相位偏移误差与相邻两次阵列天线激活时采样的数据点相位偏移误差相等，且以阵列天线1的有效采样点作为后续阵列天线对应位置有效采样点的相位基准点。
进一步地，所述步骤(4)中，利用步骤(3)中计算得出的载波频率偏移量计算出除参考天线外的每个有效I/Q数据采样点的实际相位偏移量，具体为：
选取任一阵列天线采集的有效I/Q数据采样点作为基准点，根据每个阵列天线与基准点所在天线的切换顺序索引之差绝对值计算该阵列天线的每个有效I/Q数据采样点的实际相位偏移量，其中，阵列天线的每个有效I/Q数据采样点的实际相位偏移量与所述阵列天线与基准点所在天线的切换顺序索引之差绝对值成正比。
进一步地，所述步骤(4)中，补偿具体为：
其中，n为天线切换顺序索引，代表切换顺序中第n个被激活的阵列天线实际采样的第m个有效I/Q数据点，一根天线包含M个有效数据点，z为该阵列天线与采样基准点的天线的切换顺序索引之差绝对值，包含参考天线与阵列天线，/>为添加补偿后的I/Q数据。
进一步地，基准点所在天线为切换顺序中第一个阵列天线。
一种基于上述方法的定频扩展信号接收系统，其特征在于，包括：
天线阵列单元，由一个参考天线和l个以参考天线为圆心排布的阵列天线构成的均匀圆形阵列组成，用于分时切换接收定频扩展信号，对每一根天线接收到的数据都进行I/Q两路数据采样；分时切换的顺序为参考天线、阵列天线交错切换，且阵列天线根据特定天线阵列顺时针或逆时针进行切换，每个阵列天线激活一次，参考天线激活l次。
定频扩展信号数据处理单元，用于利用公式计算每个有效I/Q采样数据点相位。
平均相位差计算单元，用于根据采样自参考天线且相隔时间为载波周期整数倍的数据点相位进行对比并计算载波频率偏移带来的平均相位误差；
实际相位偏移量计算单元，用于计算得出的平均相位误差计算出除参考天线外的每个有效I/Q数据采样点的实际相位偏移量并进行补偿。
本发明的技术方案具有以下有益效果：本发明通过引入一路参考天线并以一种特殊的顺序切换天线，在单数据接收通道的条件下，借助参考天线相位数据，有效消除了因载波频率偏移带来的采样数据相位误差。
附图说明
图1为本发明实施例蓝牙接收端天线阵列布局示意图；
图2为固定频率扩展信号天线激活区间各部分示意图；
图3为本发明具体实施例信号发射机与接收机位置关系图；
图4为本发明具体实施例添加补偿与未添加补偿的角度估算结果对比图。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，接收机天线阵列包含9根贴片天线，其中天线9设为参考天线，天线1至8为阵列天线以参考天线为中心按顺时针在同一平面上构成均匀圆阵,均匀圆阵的半径为半个载波波长:
本发明接收机按照预定顺序分时切换天线采样蓝牙固定频率扩展信号，每根天线单次激活时长为4μs，其中切换与采样时间各占2μs。其中，对于固定频率扩展信号中的参考期，可以采用任意天线接收，对于固定频率扩展信号中的天线切换采样区天线切换顺序如下：参考天线→阵列天线1→参考天线→阵列天线2→参考天线→阵列天线3→参考天线→阵列天线4→参考天线→阵列天线5→参考天线→阵列天线6→参考天线→阵列天线7→参考天线→阵列天线8。
蓝牙发射端发送频率为f0的固定频率扩展信号，接收机实际接收到的固定频率扩展信号频率为(f0+fdrift)KHz,其中fdrift是载波频率偏移误差。
本发明蓝牙接收机接收信号时采用k MHz采样率(k取值为1,2或4)，每相邻采样点间的时间间隔为如图2所示，为确保采样数据的可靠性，只取2μs采样区间内的0.75μs作为采样有效区间，每个天线激活时间内共计有效采样点数为M＝k。对每一个参考天线有效采样点计算该数据点的相位/>其中i表示该有效采样点采样自参考天线第i次被激活，m表示该采样点采样自参考天线被激活时的第m个有效采样点。
i∈1,2,…8，m∈1,2,..M
计算参考天线激活时具有周期整数倍的对应有效采样点的相位差，本实施例中为每一个有效采样点与下一次参考天线激活时的每一个有效采样点间的相位差并求单位时间平均相位差
由于每一根天线激活时间相同，相邻两次参考天线激活时间间隔与相邻两次阵列天线激活时间间隔均为8μs，且采样速率固定，相同时间隔所导致的相位偏移量将保持一致。所有阵列天线有效采样数据拥有共同相位基准点(如阵列天线1的有效I/Q数据点)。因此可用为基本单元，按时间间隔长短对阵列天线采集到的有效I/Q数据进行不同程度的补偿：
其中，n为天线切换顺序索引，代表切换顺序中第n个被激活的阵列天线实际采样的第m个有效I/Q数据点，一根天线包含M个有效数据点，z为该阵列天线与采样基准点的天线的切换顺序索引之差绝对值，包含参考天线与阵列天线，/>为添加补偿后的I/Q数据。
为进一步解释说明本发明，给出一个实施案例详细介绍本发明应用过程。
本发明实施例：
蓝牙信号接收机采用图1的天线阵列，按照参考天线与阵列天线循环切换的方式对来波信号进行采样。其中8根阵列天线各激活1次，参考天线共激活8次，为满足每根天线都有充足的激活时间，蓝牙固定频率扩展信号长度设置为80μs。为尽可能得到最多的采样数据，将接收端接收数据采样率设置为最高，即4MHz。因此在天线切换区间内，每一根天线共采样16个I/Q数据点，其中有效数据点为第11至14个采样点。本实施例中，对参考天线所有采样的点进行相位计算并以激活顺序为依据，每4个采样点为一组计算相邻两次激活时的采样点间的相位差并求算术平均。同时，将第一根阵列天线的4个采样点作为后续阵列天线对应位置有效采样点的相位基准点。由于除参考天线外，阵列天线2为阵列天线1之后第1个激活的阵列天线且时间间隔与两次参考天线激活的时间间隔均为8μs，对阵列天线2的所有采样点添加补偿时n＝1。阵列天线3与阵列天线1激活时间间隔为16μs，因此对列天线2的所有采样点添加补偿时n＝2，以此类推。
如图3所示，本实例中信号源位于天线阵列正前方10米处，在2.4GHz载波下，该距离可被认作远场，信号到达各个天线的相位可近似相等。方位角定义为天线上方xz平面内来波方向与x轴夹角,俯仰角定义为天线上方yz平面内来波方向与y轴夹角。接收机设置接收时长为10秒，对10秒内所获取到的所有数据包采样点按所述方法进行相位补偿并使用多信号分类算法估算角度。该位置理论俯仰角和方位角均为90度，使用未添加补偿的相位数据进行角度估计时得出方位角平均94.07度，俯仰角平均95.26度，使用添加补偿的相位数据进行角度估计时得出方位角平均92.49度，俯仰角平均91.53度。10秒内所有角度估计结果对比如图4所示，左图为未添加补偿时的角度估计值，右图为添加补偿后的角度估计值。根据对比图所示结果，添加补偿后的估计角度更加接近理论值且更加收敛，整体角度估计得到有效提升。
综上所述，本发明实施例提供了一种基于特定天线阵列切换顺序的载波频率偏移误差消除方法，引入一路参考天线，提出一种特定天线切换顺序和相位补偿算法，消除了接收机与发射机晶振不同步所带来的载波频率偏移进而导致的相位误差，提高了采样信号的还原度。本发明对于数据通道个数要求低，计算复杂度低，适用于单数据通道多天线分时切换的接收机信号处理。
虽然已经参考本发明的示例性实施例并详细说明了本发明及其优点，但是本领域内的普通技术人员应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和参数设置等细节上进行各种改变、替代和变换。

Claims (7)

1.一种基于特定天线阵列切换顺序的载波频率偏移误差消除方法，其特征在于，所述特定天线阵列包括一个参考天线和l个以参考天线为圆心排布的阵列天线构成的均匀圆形阵列；该方法具体包括以下步骤：
(1)拥有特定天线阵列的接收机分时切换接收定频扩展信号，对每一根天线接收到的数据进行I/Q两路数据采样；分时切换的顺序为参考天线、阵列天线交错切换，且阵列天线根据特定天线阵列顺时针或逆时针进行切换，每个阵列天线激活一次，参考天线激活l次；
(2)对步骤(1)中获取到的每一个有效I/Q采样数据利用公式计算采样点相位；
(3)取步骤(2)中采样自参考天线且相隔时间为载波周期整数倍的数据点相位进行对比并计算载波频率偏移带来的单位时间平均相位误差；所述特定天线阵列中，每一根天线的激活时间为一整个载波周期；
(4)利用步骤(3)中计算得出的平均相位误差计算出除参考天线外的每个有效I/Q数据采样点的实际相位偏移量并进行补偿，消除载波频率偏移误差；其中，补偿具体为：
其中，n为天线切换顺序索引，代表切换顺序中第n个被激活的阵列天线实际采样的第m个有效I/Q数据点，一根天线包含M个有效数据点，z为该阵列天线与采样基准点的天线的切换顺序索引之差绝对值，包含参考天线与阵列天线，/>为添加补偿后的I/Q数据，/>表示单位时间平均相位差。
2.根据权利要求1所述基于特定天线阵列切换顺序的载波频率偏移误差消除方法，其特征在于，均匀圆形阵列中的各阵列天线与参考天线的距离为半个载波波长。
3.根据权利要求1所述基于特定天线阵列切换顺序的载波频率偏移误差消除方法，其特征在于，所述阵列天线个数为8个，天线阵列切换时按照以下顺序进行：参考天线→阵列天线1→参考天线→阵列天线2→参考天线→阵列天线3→参考天线→阵列天线4→参考天线→阵列天线5→参考天线→阵列天线6→参考天线→阵列天线7→参考天线→阵列天线8。
4.根据权利要求1所述基于特定天线阵列切换顺序的载波频率偏移误差消除方法，其特征在于，相邻两次参考天线激活时采样的数据点相位偏移误差与相邻两次阵列天线激活时采样的数据点相位偏移误差相等，且以阵列天线1的有效采样点作为后续阵列天线对应位置有效采样点的相位基准点。
5.根据权利要求1所述基于特定天线阵列切换顺序的载波频率偏移误差消除方法，其特征在于，所述步骤(4)中，利用步骤(3)中计算得出的载波频率偏移量计算出除参考天线外的每个有效I/Q数据采样点的实际相位偏移量，具体为：
选取任一阵列天线采集的有效I/Q数据采样点作为基准点，根据每个阵列天线与基准点所在天线的切换顺序索引之差绝对值计算该阵列天线的每个有效I/Q数据采样点的实际相位偏移量，其中，阵列天线的每个有效I/Q数据采样点的实际相位偏移量与所述阵列天线与基准点所在天线的切换顺序索引之差绝对值成正比。
6.根据权利要求1所述基于特定天线阵列切换顺序的载波频率偏移误差消除方法，其特征在于，基准点所在天线为切换顺序中第一个阵列天线。
7.一种基于权利要求1-6所述方法的定频扩展信号接收系统，其特征在于，包括：
天线阵列单元，由一个参考天线和l个以参考天线为圆心排布的阵列天线构成的均匀圆形阵列组成，用于分时切换接收定频扩展信号，对每一根天线接收到的数据都进行I/Q两路数据采样；分时切换的顺序为参考天线、阵列天线交错切换，且阵列天线根据特定天线阵列顺时针或逆时针进行切换，每个阵列天线激活一次，参考天线激活l次；
定频扩展信号数据处理单元，用于利用公式计算每个有效I/Q采样数据点相位；
平均相位差计算单元，用于根据采样自参考天线且相隔时间为载波周期整数倍的数据点相位进行对比并计算载波频率偏移带来的单位时间平均相位误差；所述特定天线阵列中，每一根天线的激活时间为一整个载波周期；
实际相位偏移量计算单元，用于计算得出的平均相位误差计算出除参考天线外的每个有效I/Q数据采样点的实际相位偏移量并进行补偿；其中，补偿具体为：
其中，n为天线切换顺序索引，代表切换顺序中第n个被激活的阵列天线实际采样的第m个有效I/Q数据点，一根天线包含M个有效数据点，z为该阵列天线与采样基准点的天线的切换顺序索引之差绝对值，包含参考天线与阵列天线，/>为添加补偿后的I/Q数据，/>表示单位时间平均相位差。
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