CN114465680B - 一种应用于低功耗蓝牙的高精度rssi估计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种应用于低功耗蓝牙的高精度RSSI估计方法及系统。所述估计方法包括以下步骤：信号及单点功率累加步骤；线性功率值计算步骤；SNR映射步骤；粗略SNR值估计步骤；精细SNR值计算步骤，根据推导公式，计算出SNR粗略估计值与实际值之间的关系式，并利用推导的关系式计算出精细的SNR值；线性功率值获取步骤，将SNR反映射查找表查出此时对应的dBm功率值，并将dBm功率值查表转换为对应的线性功率值；输出步骤，根据线性功率值查表转dB值，输出RSSI。本发明利用低功耗蓝牙信号恒包络相位调制特性及射频和接收链路上的相关参数，将接收功率dBm值映射为接收信号SNR估计值，扣除射频和基带接收链路各部分增益，进而转换为接收天线处接收信号的RSSI值。

Description

一种应用于低功耗蓝牙的高精度RSSI估计方法
技术领域
本发明涉及一种应用于低功耗蓝牙的高精度RSSI估计方法。
背景技术
低功耗蓝牙是一种工作于2.4G ISM频段的无线短距离通信标准，主要应用于低速近距离的数据传输，具有低成本、低功耗等特点。在低功耗蓝牙V5.x版本中，由于PHY层引入了编码模式，因此在该模式下可以支持传输更远的距离，较低的接收解调门限同时也意味着信号能够在更低的SNR下正常解调，然而，由于在低SNR场景下，噪声功率影响突出，导致RSSI计算受噪声影响较大。
现有技术中至少存在如下问题：①在BLE信号的RSSI计算方法中，往往是先统计一段时间内接收信号的平均功率，然后利用统计到的信号的平均功率去计算RSSI值。该方法在高信噪比场景下的精度尚可，但一旦信噪比较低时，由于受噪声影响，由该方法估计得到的RSSI与实际值偏离较大，偏离程度与噪声功率大小成正比。②传统BLE接收机RSSI估计方法中，由于采用有限个采样点进行信号功率估计，且由于资源开销问题，用于进行功率统计的采样点数不宜过多，导致信号功率统计受单点噪声波动影响较大。
发明内容
本发明的目的是为解决现有技术的不足，提供了一种应用于低功耗蓝牙的高精度RSSI估计方法,所述估计方法包括以下步骤：
信号及单点功率累加步骤，在N＝mNs个采样点的滑动统计窗长内分别对接收基带信号及信号的单点功率进行累加，分别得到累加输出值D和P，Ns为过采样倍数；
线性功率值计算步骤，根据计算得到的D和P值，信号的同相和正交分量分别减去D，消除直流分量带来的影响，同时，根据线性功率P＝P-D2,得到带噪信号的线性功率值；
SNR映射步骤，利用线性功率值计算步骤中得到的P，查表转换为dBm值，与基带信号的SNR进行映射；
粗略SNR值估计步骤，根据接收功率P与SNR的映射关系，输出SNR的粗略估计值；
精细SNR值计算步骤，根据下述推导公式，
计算出SNR粗略估计值与实际值之间的关系式，并利用推导的关系式计算出精细的SNR值；
线性功率值获取步骤，将SNR反映射查找表查出此时对应的dBm功率值，并将dBm功率值查表转换为对应的线性功率值；
输出步骤，根据线性功率值查表转dB值，输出RSSI。
所述输出步骤之前还包括：
高精度的线性功率值获取步骤，经过反映射得到的线性功率值经过IIR低通滤波器进行平滑，计算出稳定且具有高精度的线性功率值。
所述m为2或者3。
一种应用于低功耗蓝牙的高精度RSSI估计系统,所述系统包括：
信号及单点功率累加单元，在N＝mNs个采样点的滑动统计窗长内分别对接收基带信号及信号的单点功率进行累加，分别得到累加输出值D和P，Ns为过采样倍数；
线性功率值计算单元，根据计算得到的D和P值，信号的同相和正交分量分别减去D，消除直流分量带来的影响，同时，根据线性功率P＝P-D2,得到带噪信号的线性功率值；
SNR映射单元，利用线性功率值计算步骤中得到的P，查表转换为dBm值，与基带信号的SNR进行映射；
粗略SNR值估计单元，根据接收功率P与SNR的映射关系，输出SNR的粗略估计值；
精细SNR值计算单元，根据下述推导公式，
计算出SNR粗略估计值与实际值之间的关系式，并利用推导的关系式计算出精细的SNR值；
线性功率值获取单元，将SNR反映射查找表查出此时对应的dBm功率值，并将dBm功率值查表转换为对应的线性功率值；
输出单元，根据线性功率值查表转dB值，输出RSSI。
所述系统还包括：
高精度的线性功率值获取单元，经过反映射得到的线性功率值经过IIR低通滤波器进行平滑，计算出稳定且具有高精度的线性功率值。
所述m为2或者3。
本发明利用低功耗蓝牙信号恒包络相位调制特性及射频和接收链路上的相关参数，将接收功率dBm值映射为接收信号SNR估计值，扣除射频和基带接收链路各部分增益，进而转换为接收天线处接收信号的RSSI值。
本发明针对低信噪比下分段统计易受噪声影响导致不同段信号功率估计波动较大的特点，引入IIR低通滤波器对统计信号功率进行平滑，提升功率估计的精度和稳定性。
参考以下详细说明更易于理解本申请的上述以及其他特征、方面和优点。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为应用于低功耗蓝牙的高精度RSSI估计方法示意图。
图2为本发明不同信噪比夏SNR粗估计值与精细估计值的关系仿真图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。
现有技术中至少存在如下问题：①在BLE信号的RSSI计算方法中，往往是先统计一段时间内接收信号的平均功率，然后利用统计到的信号的平均功率去计算RSSI值。该方法在高信噪比场景下的精度尚可，但一旦信噪比较低(详见图2)时，由于受噪声影响，由该方法估计得到的RSSI与实际值偏离较大，偏离程度与噪声功率大小成正比。②传统BLE接收机RSSI估计方法中，由于采用有限个采样点进行信号功率估计，且由于资源开销问题，用于进行功率统计的采样点数不宜过多，导致信号功率统计受单点噪声波动影响较大。
如图1，应用于低功耗蓝牙的高精度RSSI估计方法，具体如下：
1、在N＝mNs个采样点的滑动统计窗长内分别对接收基带信号及信号的单点功率进行累加，分别得到累加输出值D和P；式中，Ns为过采样倍数。考虑到资源开销，m取值不应过大，同时为了保证D和P的计算精度，m取值又不应过小，综合考虑m可取2或者3。
2、根据步骤1中计算得到的D和P值，信号的同相和正交分量分别减去D，消除直流分量带来的影响，同时，线性功率P＝P-D2,得到带噪信号的线性功率值；
3、利用步骤2中得到的P，查表转换为dBm值，与基带信号的SNR进行映射；
4、根据接收功率P与SNR的映射关系，输出SNR的粗略估计值；
5、根据推导公式，计算出SNR粗略估计值与实际值之间的关系式，并利用推导的关系式计算出精细的SNR值，公式推导过程及SNR粗估值与精细值见图2。
6、将SNR反映射查找表查出此时对应的dBm功率值，并将dBm功率值查表转换为对应的线性功率值；
7、经过反映射得到的线性功率值经过IIR低通滤波器进行平滑，计算出稳定且具有高精度的线性功率值；
8、平滑滤波器输出的线性功率值查表转dB值，输出RSSI。
粗估计SNR值与精细估计SNR值之间关系式推导过程如下：
假设具有恒包络调制特性的有用信号功率为c2，噪声统计功率为σ2，则粗估的SNR可表示为
从而有
等式左右两边取以10为底数的1og，得
基于现有技术存在的不足，本发明利用低功耗蓝牙中GFSK恒包络调制特性，分别采用以下模块逐一对各参数特性进行估计，并为了提升估计精度，先粗略估计出带噪信号带内的SNR，在得到带内SNR粗估值后，在统计接收信号的功率中通过公式推导的方式，推导出粗估SNR与实际SNR精细值之间的转换关系式，以达到扣除噪声功率影响的目的，可得到分段统计得到的有用信号功率；由于在低SNR场景下，噪声功率波动较大，且功率分段统计的长度受限，会导致不同段统计得到的有用信号功率差异较大，因此，引入时域IIR低通滤波器，该滤波器起到平滑不同段统计得到的有用信号功率的作用，利用该平滑滤波器的输出作为最终有用信号的功率值进行查表，得到最终输出的RSSI。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这中叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种应用于低功耗蓝牙的高精度RSSI估计方法,其特征在于，所述估计方法包括以下步骤：
信号及单点功率累加步骤，在N=mNs个采样点的滑动统计窗长内分别对接收基带信号及信号的单点功率进行累加，分别得到累加输出值D和P，Ns为过采样倍数，m为采样系数；
线性功率值计算步骤，根据计算得到的D和P，信号的同相和正交分量分别减去D，消除直流分量带来的影响，同时，根据线性功率值P1=P-D2,得到带噪信号的线性功率值；
SNR映射步骤，利用线性功率值计算步骤中得到的线性功率值P1，查表转换为dBm值，与基带信号的SNR进行映射；
粗略SNR值估计步骤，根据SNR映射步骤中线性功率值P1与SNR的映射关系，输出SNR粗略估计值；
精细SNR值计算步骤，根据下述推导公式计算精细SNR值：
其中，SNRcoarse为SNR粗略估计值；SNR为精细SNR值；
线性功率值获取步骤，将SNR反映射查找表查出此时对应的dBm功率值，并将dBm功率值查表转换为对应的线性功率值P2；
高精度的线性功率值获取步骤，经过反映射得到的线性功率值经过IIR低通滤波器进行平滑，计算出稳定且具有高精度的线性功率值P3；
输出步骤，根据线性功率值查表转换为dB值，输出RSSI。
2.根据权利要求1所述的一种应用于低功耗蓝牙的高精度RSSI估计方法,其特征在于，所述m为2或者3。
3.一种应用于低功耗蓝牙的高精度RSSI估计系统,所述系统包括：
信号及单点功率累加单元，在N=mNs个采样点的滑动统计窗长内分别对接收基带信号及信号的单点功率进行累加，分别得到累加输出值D和P，Ns为过采样倍数，m为采样系数；
线性功率值计算单元，根据计算得到的D和P，信号的同相和正交分量分别减去D，消除直流分量带来的影响，同时，根据线性功率P1=P-D2,得到带噪信号的线性功率值；
SNR映射单元，利用线性功率值计算步骤中得到的P1，查表转换为dBm值，与基带信号的SNR进行映射；
粗略SNR值估计单元，根据线性功率值P1与SNR的映射关系，输出SNR粗略估计值；
精细SNR值计算单元，根据下述推导公式计算精细SNR值：
其中，SNRcoarse为SNR粗略估计值；SNR为精细SNR值；
线性功率值获取单元，将SNR反映射查找表查出此时对应的dBm功率值，并将dBm功率值查表转换为对应的线性功率值P2；
高精度的线性功率值获取单元，经过反映射得到的线性功率值经过IIR低通滤波器进行平滑，计算出稳定且具有高精度的线性功率值P3；
输出单元，根据线性功率值查表转换为dB值，输出RSSI。
4.根据权利要求3所述的一种应用于低功耗蓝牙的高精度RSSI估计系统,其特征在于，所述m为2或者3。
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