CN114050845B - 一种蓝牙edr接收机的相干解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信领域，特别涉及一种蓝牙EDR接收机的相干解调方法，包括根据已知的EDR数据包Acess Code中64比特的SYNC Word信息，从数字基带接收信号中检测蓝牙数据包，估计接收机的载波频率偏移；根据获得的接收机的载波频率偏移，对EDR数据包GUARD及其之后的数字基带信号进行载波频率偏移补偿；从数字基带信号中检测SYNC序列，并估计接收机的载波相位；根据获得的接收机的载波相位，补偿接收机的载波相位；根据补偿载波相位之后得到的接收机信号实现EDR数据包

或8DPSK的相干解调；本发明可以实现EDR数据包

或8DPSK的相干解调。

Description

一种蓝牙EDR接收机的相干解调方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别涉及一种蓝牙增强数据速率(Enhanced DataRate，EDR)接收机的相干解调方法。

背景技术

蓝牙(Bluetooth)技术作为一种短距离的无线通信标准，具有低功耗、低成本、低延时和高可靠性等特点，广泛地应用于移动智能设备、电脑、汽车、医疗设备等与无线耳机或其它外围设备之间的音频或数据传输。蓝牙工作在2400MHz～2485MHz非授权频段，共有80个无线信道，每个信道占用1MHz的带宽，通过在多个无线信道之间跳频通信有效地对抗来自其它通信系统或电子设备的干扰；蓝牙设备之间采用时分双工实现全双工通信。蓝牙通信已经成为手机、笔记本电脑等移动设备的标准配置。

经典蓝牙通信的物理层基本速率(Basic Rate，BR)模式采用了GFSK(高斯频移键控)实现1Mbps速率的数据传输。为了实现更高速率的数据传输，经典蓝牙通信中增加了增强数据速率模式。EDR模式有2Mbps和4Mbps两种速率模式；EDR使用

调制实现2Mbps速率的数据传输，使用8DPSK调制实现3Mbps的数据传输。传统的EDR接收机常采用差分解调方法进行蓝牙EDR数据包的解调。差分解调方法不需要估计载波相位，接收机的结构比较简单。然而，差分解调接收机的灵敏度一般比相干解调接收机的灵敏度差3dB。相干解调接收机需要估计和补偿接收机和发射机之间的载波频率偏移和载波相位，才能使用极大似然方法实现最优的性能。蓝牙EDR接收机实现相干解调，需要有效地利用蓝牙EDR数据包的信号特征，准确地估计和补偿发射机和接收机之间载波频率偏移和载波相位。

发明内容

为了获得更优的解调性能，本发明提出一种蓝牙EDR接收机的相干解调方法，具体包括以下步骤：

根据已知的EDR数据包Acess Code中64比特的SYNC Word信息，从数字基带接收信号中检测蓝牙数据包，估计接收机的载波频率偏移；

根据获得的接收机的载波频率偏移，对EDR数据包GUARD及其之后的数字基带信号进行载波频率偏移补偿；

从数字基带信号中检测SYNC序列，并估计接收机的载波相位；

根据获得的接收机的载波相位，补偿接收机的载波相位；

根据补偿得到的接收机的载波相位实现EDR数据包

或8DPSK的相干解调。

进一步的，从数字基带接收信号中检测蓝牙数据包的过程包括：

利用低通滤波器对数字基带接收机AD采样的复信号进行滤波，并计算滤波后信号的相位及其差分相位；

滤波后信号相继的64个差分相位和SYNC word 64比特对应的64个参考差分相位相减，得到64差值，求这64个差值的平均值；

计算差分相位和所求平均值的相关值，将该相关值称为第一相关值；

设置一个门限值PktDetThd，当相邻时刻的三个第一相关值满足以下条件时，则检测到蓝牙数据包，条件表示为：

其中，

表示相邻的三个相关值；&&表示且。

进一步的，当检测到蓝牙数据包后，当前采样时刻对应的相关值对应的差分相位和其与64比特的SYNC word中每个比特对应的参考差分相位的相位差的平均值即为载波频率偏移在相邻数据符号上产生的相位差，当估计接收机的载波频率偏移时，根据载波频率偏移在相邻数据符号上产生的相位差计算载波频率偏移，表示为：

其中，CFO表示载波频率偏移；

表示第n个采样时刻的相关值对应的差分相位和其与64比特的SYNC word中每个比特对应的参考差分相位的相位差的平均值。

进一步的，第一相关值的计算包括：

其中，

表示64比特的SYNC word中第k比特对应的参考差分相位；

表示64个差分相位与SYNC word对应的参考差分相位的相位差；

表示低通滤波后(n-k·OSR)时刻采样信号的差分相位；OSR为接收信号的过采样率。

进一步的，在64比特的SYNC word中，若b₀,b₁,…,b₆₃为SYNC word的64个二进制数据比特,b_k∈{0,1}，k＝0…63，则64比特的SYNC word中第k比特对应的参考差分相位表示为：

进一步的，对EDR数据包GUARD及其之后的数字基带信号进行载波频率偏移补偿包括：

其中，s(n)为数字基带信号；r(n)为在n时刻低通滤波器从数字基带接收信号采样的信号；CFO表示载波频率偏移；F_s为r(n)的采样速率。

进一步的，从数字基带信号中检测SYNC序列的过程包括以下步骤：

计算数字基带信号的相位，计算11个数字基带信号的相位与SYNC序列对应的参考发射相位的差，求平均载波相位；

计算数字基带信号的相位去除平均载波相位后与SYNC序列对应参考发射相位的相关值，将该相关值称为第二相关值；

设置一个门限值SyncDetThd，当发现相邻3个时刻的第二相关值满足以下条件，则检测到SYNC序列，上述条件表示为：

其中，

表示相邻三个时刻数字基带信号的相位去除平均载波相位后与SYNC序列对应参考发射相位的相关值。

进一步的，第二相关值表示为：

其中，

表示载波频率偏移补偿之后(n-k·OSR)时刻信号的相位，OSR为接收信号过采样率；

为11个数字基带信号的相位与SYNC序列对应的参考发射相位的差的平均值，

为SYNC序列对应的11个参考发射相位。

进一步的，补偿接收机的载波相位，即当检测到了SYNC序列后，根据当前时刻平均载波相位对接收机的载波相位进行补偿，表示为：

其中，q(n)为n时刻数字基带信道进行载波相位补偿后的信号；s(n)为数字基带信号；

为n时刻的平均载波相位。

本发明根据蓝牙数据包中Access Code的SYNC Word信息检测蓝牙数据包，同时估计载波频率偏移；在接收信号中补偿频率偏移后，检测EDR数据包的SYNC信息序列，同时估计载波相位；接收信号中补偿了载波频率和相位之后，可以实现EDR数据包

或8DPSK的相干解调。

附图说明

图1为本发明中蓝牙EDR数据包的帧格式；

图2为本发明中采用的蓝牙数据包Access Code的结构；

图3为本发明中蓝牙EDR接收机的结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种蓝牙EDR接收机的相干解调方法，具体包括以下步骤：

根据已知的EDR数据包Acess Code中64比特的SYNC Word信息，从数字基带接收信号中检测蓝牙数据包，估计接收机的载波频率偏移；

根据获得的接收机的载波频率偏移，对EDR数据包GUARD及其之后的数字基带信号进行载波频率偏移补偿；

从数字基带信号中检测SYNC序列，并估计接收机的载波相位；

根据获得的接收机的载波相位，补偿接收机的载波相位；

根据补偿得到的接收机的载波相位实现EDR数据包

或8DPSK的相干解调。

本发明的目的在于提供一种蓝牙EDR接收机的载波频率偏移和相位估计方法，依据本文提供的方法，利用数字基带接收信号，可以近似估计蓝牙EDR接收机的载波频率偏移和相位，从而实现蓝牙EDR接收机的相干解调，获得更优的解调性能。

图1所示为EDR数据包的帧格式，包括Access Code、Header、Guard、SYNC、EDRPayload和Trailer等六个部分。Access Code用于标识两个蓝牙设备通信时所占用的物理信道。Header指示所传输数据包的链路控制信息，包括：3比特逻辑传输地址(LogicalTransport Address)、4比特数据包类型信息(Type)、1比特数据流控制信息(Flow)、1比特应答指示信息(ARQN)、1比特数据序列号(SEQN)和8bit的Header差错校验信息。Guard为不传输任何信息的5us间隔。EDR Payload是数据包所要传输的有效数据部分。EDR数据包结束部分增加两个数据符号的Trailer，持续时间为2us。对于蓝牙EDR数据包，Access Code和Header采用GFSK调制，EDR Payload和Trailer采用

调制或8DPSK调制。Header中的数据包类型信息(Type)会指示EDR Payload的数据所采用的调制方式；在5us Guard期间，数据调制方式从GFSK切换为EDR的

调制或8DPSK。

图2所示为Access Code的结构，包括4比特Preamble、64比特SYNC Word和4比特Trailer。两个蓝牙设备通信之前，会预先确定Access Code；接收设备预先知道该设备将要接收的数据包的Access Code。

图3所示为蓝牙EDR接收机的结构图。射频前端电路将接收到的射频信号和本地振荡器混频后输出I、Q两路的低中频复信号。ADC将该低中频信号转化为数字信号，提供给数字数字电路进一步处理。由于经典蓝牙信号的带宽为1MHz，ADC的采样率为信号带宽的整数倍，过采样率记为OSR。数字混频器将ADC输出的低中频数字信号搬移到零中频，转变为数字基带信号。低通滤波器用于抑制接收信号中的带外干扰和噪声。数据包检测模块用于检测接收信号中是否存在蓝牙数据包、蓝牙数据包的起始位置以及估计接收机的载波频率偏移。数据包检测到之后，接收机获得载波频率偏移，频率补偿模块补偿接收信号中的频率偏移。频率偏移补偿之后的信号用于Header解调和EDR SYNC检测。SYNC检测模块检测EDR数据包的SYNC序列，确定EDR数据包的起始位置，估计载波相位。相位补偿模块根据SYNC检测模块估计的载波相位补偿接收信号中的载波相位。EDR相干解调模块基于载波频率偏移和载波相位补偿后的信号实现

或8DPSK的相干解调，获得较优的误比特率(BER)性能。

通过上述蓝牙EDR接收机的结构可以看出，蓝牙EDR接收机载波频率和相位的估计是实现EDR接收机相干解调的基础，其实现结构和性能决定整个数字接收机的实现复杂度和接收性能。本发明提供了一种有效的蓝牙EDR接收机载波频率偏移和载波相位的估计方法，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。本发明的蓝牙EDR接收机的载波频率偏移和相位估计方法包括四个步骤：

步骤1、根据已知的EDR数据包Acess Code中64比特的SYNC Word信息，从数字基带接收信号中检测蓝牙数据包，估计接收机的载波频率偏移。

设r(n)表示低通滤波器输出的数字基带复信号的第n个采样值，过采样率与ADC的过采样率相同，为OSR，一般OSR可以选择8、10、12或16等其中的一个；r(n)输入到数据包检测模块。

首先，计算r(n)的相位

其次，计算差分相位

然后，计算64个差分相位与SYNC word对应的参考差分相位的相位差，求其平均值

其中

k＝0…63表示64比特的SYNC word对应的参考差分相位。设b₀,b₁,…,b₆₃为SYNC word的64个二进制数据比特,b_k∈{0,1}，k＝0…63，那么

(4)式中的0.315是经典蓝牙GFSK信号的调制指数。

计算相位相关值，如下式所示

设PktDetThd表示一个预先设定的门限值，当发现相邻3个

满足下面的条件时，可以认为检测到了蓝牙数据包

如果上述条件不满足，则在每个采样时刻，持续进行上述计算和条件判别。当检测到数据包时，相位相关值

所对应的

即为载波频率偏移在相邻数据符号上产生的相位差，记为

根据

可以计算载波频率偏移CFO

步骤2、对于EDR数据包GUARD及其之后的信号补偿载波频率偏移

其中F_s表示r(n)的采样速率，具体实施时可以选择F_s为8M、10M、12M或16M中的一个。

步骤3、从数字基带信号s(n)中，检测SYNC序列，并估计接收机的载波相位。

计算s(n)的相位

计算11个s(n)的相位与SYNC序列对应的参考发射相位的差，求平均载波相位

上式中，

为SYNC序列对应的参考发射相位序列，其值为：-0.5 0.75 0 -0.75 0 0.75 0 0.75 0 0.75 0，对应于k＝0…10。

计算信号s(n)的相位去除平均载波相位后，即信号s(n)的相位减去平均载波相位后，与SYNC序列对应参考发射相位的相关值，蓝牙协议规定SYNC序列对应10个差分相位，加上1个初始零相位，共11个参考发射相位，则相关值按照下述计算：

设SyncDetThd表示一个预先设定的门限，当发现相邻3个

满足下面的条件时，可以认为检测到了蓝牙EDR数据包的SYNC序列

如果上述条件不满足，则在每个采样时刻，持续上述计算和条件判别。当上述条件满足时，检测到了SYNC序列，相位相关值

所对应的

为载波相位，记为

步骤4、补偿接收机的载波相位

载波相位补偿后，基于q(n)，可以实现EDR数据包

或8DPSK的相干解调。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种蓝牙EDR接收机的相干解调方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

根据已知的增强数据速率数据包Acess Code中64比特的SYNC Word信息，从数字基带接收信号中检测蓝牙数据包，估计接收机的载波频率偏移；其中从数字基带接收信号中检测蓝牙数据包包括：

利用低通滤波器对数字基带接收机AD采样的复信号进行滤波，并计算滤波后信号的相位及其差分相位；

滤波后信号相继的64个差分相位和SYNC word 64比特对应的64个参考差分相位相减，得到64个差值，求这64个差值的平均值；

计算差分相位和所求平均值的相关值，将该相关值称为第一相关值；

设置一个门限值PktDetThd，当相邻时刻的三个第一相关值满足以下条件时，则检测到蓝牙数据包，条件表示为：

其中，

表示相邻的三个相关值；&&表示且；

当检测到蓝牙数据包后，当前采样时刻对应的相关值对应的差分相位和其与64比特的SYNC word中每个比特对应的参考差分相位的相位差的平均值即为载波频率偏移在相邻数据符号上产生的相位差；根据载波频率偏移在相邻数据符号上产生的相位差计算载波频率偏移，表示为：

其中，CFO表示载波频率偏移；

表示第n个采样时刻的相关值对应的差分相位和其与64比特的SYNC word中每个比特对应的参考差分相位的相位差的平均值；

根据获得的接收机的载波频率偏移，对增强数据速率数据包GUARD及其之后的数字基带信号进行载波频率偏移补偿；

从数字基带信号中检测SYNC序列，并估计接收机的载波相位；其中，从数字基带信号中检测SYNC序列包括：

计算数字基带信号的相位，计算11个数字基带信号的相位与SYNC序列对应的参考发射相位的差，求平均载波相位；

计算数字基带信号的相位去除平均载波相位后与SYNC序列对应参考发射相位的相关值，将该相关值称为第二相关值；

设置一个门限值SyncDetThd，当发现相邻3个时刻的第二相关值满足以下条件，则检测到SYNC序列，上述条件表示为：

其中，

表示相邻三个时刻数字基带信号的相位去除平均载波相位后与SYNC序列对应参考发射相位的相关值；

根据获得的接收机的载波相位，补偿接收机的载波相位，即当检测到了SYNC序列后，根据当前时刻平均载波相位对接收机的载波相位进行补偿，表示为：

其中，q(n)为n时刻数字基带信道进行载波相位补偿后的信号；s(n)为数字基带信号；

为n时刻的平均载波相位；

根据补偿载波相位之后得到的接收机信号实现增强数据速率数据包

或8DPSK的相干解调。

2.根据权利要求1所述的一种蓝牙EDR接收机的相干解调方法，其特征在于，第一相关值的计算包括：

其中，

表示64比特的SYNC word中第k比特对应的参考差分相位；

表示64个差分相位与SYNC word对应的参考差分相位的相位差的平均值；

表示低通滤波后(n-k·OSR)时刻采样信号的差分相位；OSR为接收信号的过采样率。

3.根据权利要求1所述的一种蓝牙EDR接收机的相干解调方法，其特征在于，在64比特的SYNC word中，若b₀,b₁,…,b₆₃为SYNC word的64个二进制数据比特,b_k∈{0,1}，k＝0…63，则64比特的SYNC word中第k比特对应的参考差分相位表示为：

4.根据权利要求1所述的一种蓝牙EDR接收机的相干解调方法，其特征在于，对增强数据速率数据包GUARD及其之后的数字基带信号进行载波频率偏移补偿包括：

其中，s(n)为数字基带信号；r(n)为在n时刻低通滤波器从数字基带接收信号采样的信号；CFO表示载波频率偏移；F_s为r(n)的采样速率。

5.根据权利要求1所述的一种蓝牙EDR接收机的相干解调方法，其特征在于，第二相关值表示为：

其中，

表示载波频率偏移补偿之后(n-k·OSR)时刻信号的相位，OSR为接收信号过采样率；

为11个数字基带信号的相位与SYNC序列对应的参考发射相位的差的平均值，

为SYNC序列对应的11个参考发射相位。

Images