CN115314986A - 无线电接收机同步 - Google Patents

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CN115314986A CN202210487696.XA CN202210487696A CN115314986A CN 115314986 A CN115314986 A CN 115314986A CN 202210487696 A CN202210487696 A CN 202210487696A CN 115314986 A CN115314986 A CN 115314986A
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Abstract

一种无线电设备被配置成将信号数据与所存储的同步数据相关以生成同步相关数据。所述信号数据表示所接收的射频信号，所述射频信号对具有包含预定同步序列的多个实例的同步前导码的数据帧进行编码。所述所存储的同步数据表示所述预定同步序列。所述同步相关数据是通过将表示所述同步前导码的信号数据与所述所存储的同步数据相关而生成的。在生成所述同步相关数据的同时，所述无线电设备在所述同步相关数据中识别第一组一个或多个峰值，并从所述第一组一个或多个峰值中确定第一同步信息。在生成更多的所述同步相关数据之后，所述无线电设备在所述同步相关数据中识别第二组一个或多个峰值，并从所述第二组一个或多个峰值中确定第二同步信息。

Description

无线电接收机同步
技术领域
本发明涉及无线电接收机的同步。
背景技术
为了使无线电接收机能够可靠地解码输入的无线电数据分组，在符号级(即，识别数据分组内的符号的定时)和在帧/分组级(即，识别分组的开始)都需要精确同步。更好的同步通常将导致更大的接收机灵敏度。
非相干无线电接收机可以通过对输入信号执行相关操作来确定定时同步信息。许多无线电协议定义了固定的前导码序列，其通过使无线电发射机在每个分组的开始处发送已知的调制波形来实现有效的帧和符号同步。无线电接收机然后可以接收该波形并使用其到达来确定帧和符号定时信息。在一些协议中，前导码序列包含重复模式，其可以支持在无线电接收机中使用更紧凑或更有效的相关器，因为相关器仅需要将接收信号与重复模式的单个单元相关，而不是与整个前导码序列相关。
然而，可靠地获得快速和准确的同步可能是具有挑战性的，尤其是在噪声信道上。另外，当下混频输入的无线电信号时，发射机装置使用的传输频率和接收机装置使用的基准频率之间的任何差异也会使精确同步变得更困难。此类频率偏移可能由于制造公差和变化的环境条件而产生。
无线电接收机可以通过将从输入的无线电信号获得的频率或相位信息与来自本地振荡器的信号进行比较来确定频率同步信息，诸如载波频率偏移估计。然后，当接收无线电信号时，它可以使用该信息来校正频率偏移。
本申请的WO 2017/103557和WO 2018/104708描述了在接收包含重复同步字序列的同步前导码时可以使用的同步程序。当与此类同步字相关时，一旦在时间上间隔开对应于同步字长度加上或减去噪声误差容限的量的一组超阈值相关峰值达到阈值计数，就宣布同步事件成功。然后从所述一组峰值中确定符号定时同步信息(选通定时)，用于执行符号定时恢复，并且还确定频率偏移估计，用于应用载波频率偏移补偿。
然而，已经发现此类方法在某些条件下会导致不期望的同步性能。因此，本发明的实施例寻求提供一种使无线电接收机同步的改进方法。
发明内容
根据第一方面，本发明提供了一种无线电设备，其被配置成：
将信号数据与所存储的同步数据相关以生成同步相关数据，其中信号数据表示所接收的射频信号，其对具有包含预定同步序列的多个实例的同步前导码的数据帧进行编码，其中所存储的同步数据表示预定同步序列，并且其中同步相关数据是通过将表示同步前导码的信号数据与所存储的同步数据相关而生成的；
在生成同步相关数据的同时，在同步相关数据中识别第一组一个或多个峰值，并从第一组一个或多个峰值中确定用于无线电设备的第一同步信息；以及
在生成更多的同步相关数据之后，在同步相关数据中识别第二组一个或多个峰值，并从第二组一个或多个峰值中确定用于无线电设备的第二同步信息。
根据第二方面，本发明提供了一种使无线电设备同步的方法，该方法包含：
将信号数据与所存储的同步数据相关以生成同步相关数据，其中信号数据表示所接收的射频信号，其对具有包含预定同步序列的多个实例的同步前导码的数据帧进行编码，其中所存储的同步数据表示预定同步序列，并且其中同步相关数据是通过将表示同步前导码的信号数据与所存储的同步数据相关而生成的；
在生成同步相关数据的同时，在同步相关数据中识别第一组一个或多个峰值，并从第一组一个或多个峰值中确定用于无线电设备的第一同步信息；以及
在生成更多的同步相关数据之后，在同步相关数据中识别第二组一个或多个峰值，并从第二组一个或多个峰值中确定用于无线电设备的第二同步信息。
因此，可以看出，根据本发明的实施例，从同步相关数据中确定同步信息一次，从同步前导码中生成同步信息一次，并且然后随着更多的相关数据变得可用时，可以生成(当满足任何必要条件时)进一步的(例如更新的)同步信息。这有利地允许实施例在开始接收和处理同步前导码之后快速获得初始同步信息，同时还通过在已经接收和处理同步前导码的较大部分之后确定附加同步信息来促进更可靠的同步。以这种方式，实施例可以精确地和可靠地同步，而不必权衡准确性与稳健性(例如，稳健性与失败帧检测的可能性)。
第一同步信息可以包含定时同步信息(例如，符号定时信息)和/或频率同步信息(例如，频率偏移估计，其可以是载波频率偏移估计)。第二同步信息可以包含定时同步信息(例如，符号定时信息)和/或频率同步信息(例如，频率偏移估计)。
这可以与原始方法形成对比，诸如WO 2017/103557和WO 2018/104708中描述的那些，其只要检测到所需数量的有效间隔的一组峰值就宣布同步结束，并且然后基于该组中的每个峰值确定定时同步信息和频率同步信息一次。如下面更详细解释的，如果相关数据分组含仍然符合预期定时模式的虚假峰值，则此类原始方法可能导致较慢的同步，或较不精确的同步，或甚至根本不能同步，从而导致分组差错或丢失。
通过继续潜在地识别比用于确定第一同步信息的所需峰值更多的峰值，即使当相关数据分组含虚假峰值时，本发明的实施例可以在不准确或失败同步的较低风险下产生更好的接收机灵敏度。
应当理解的是，由体现本发明的无线电设备接收的每个信号不是都必须适合于确定初始和更新的同步信息；然而，该无线电设备被配置用于确定该设备接收到适当信号时的此类信息。
实施例可以接收射频(RF)信号，其可以是无线电信号或无线电信号的电表示。无线电设备可以包含用于接收RF信号作为无线电信号的无线电接收机，例如用于接收IEEE802.15.4无线电信号。无线电设备可以被配置成例如使用模数变换器从所接收的RF信号中生成信号数据，以生成复杂样本值的时间序列。同步相关数据可以在无线电设备正在接收RF信号时生成，即实时生成。可以在无线电设备已经完成接收RF信号的同步前导码之前确定第一和/或第二同步信息。与第一同步信息一样，可以在无线电设备仍然从同步前导码中生成同步相关数据时确定第二同步信息。
每一组识别的峰值可以包含单个峰值或多个峰值。
可以从同步相关数据的第一部分中识别第一组峰值。可以从同步相关数据的第二部分中识别第二组峰值，第二部分可以包括第一部分的一些或全部。在一些实施例中和/或对于一些RF信号，第二组峰值可以包括第一组峰值的峰值中的一个或多个，然而这并非总是这种情况。
无线电设备可以被配置成在接收RF信号的至少一部分时使用第一同步信息，并且在接收RF信号的至少一部分时使用第二同步信息。这些相应的部分可以是不同的部分，或者它们可以部分或完全重叠。具体地，无线电设备可以被配置成使用第一同步信息来使该设备对RF信号的同步前导码的至少一部分的接收同步。其可以被配置成使用第二同步信息来使该设备对RF信号的同步前导码的至少一部分的接收同步。
第一组峰值可以在第一时间确定，并且第二组峰值可以在晚于第一时间的第二时间确定。
在一些实施例中，第一同步信息包含定时同步信息(例如，第一选通时间值)，而第二同步信息包含更新的定时同步信息(例如，第二选通时间值)。
在一些实施例中，第一同步信息包含频率同步信息(例如，第一频率偏移估计)，而第二同步信息包含更新的频率同步信息(例如，第二频率偏移估计)。
在一些实施例中，第一同步信息包含定时同步信息，而第二同步信息包含频率同步信息。在一些此类实施例中，对于至少一些接收信号，第一组峰值可以小于第二组峰值(例如，包含三个峰值对五个峰值，其可以包括或不包括第一组的三个峰值)。这样，可以基于更多的峰值确定准确的频率同步信息，而不需要以这样的方式来配置接收机，即通过延迟定时同步信息的生成直到已识别出相同数量的峰值，来降低成功定时同步的概率。在一些此类实施例中，第一信息可以进一步包含频率同步信息，而第二同步信息包含更新的频率同步信息。
可以从一组或多组另外的一个或多个峰值(其可以至少部分地与第一和/或第二组重叠)中确定用于无线电设备的另外的同步信息。
无线电设备可以被配置成在频率偏移补偿过程中使用第一和/或第二同步信息。它可以使用第一和/或第二同步信息来旋转信号数据，例如旋转表示在确定相应的同步信息之后接收或生成的信号数据的一部分的样本。该设备可以包含频率偏移补偿单元，其可以包含CORDIC(坐标旋转数字计算机)，并且可以被配置成将第一和/或第二同步信息传递到频率偏移补偿单元。
无线电设备可以包含用于从信号数据中检测符号的符号检测器。其可以被配置成使用第一和/或第二同步信息来使符号检测器同步。其可以被配置成将第一和/或第二同步信息传递到检测器。它可以使用第一和/或第二同步信息来使符号检测器同步，用于检测在确定相应的同步信息之后接收或生成的信号数据的一部分中的符号，该部分可以包括同步前导码的一个或多个符号和/或数据帧的消息数据的一个或多个符号。
无线电设备可以被配置成累积(即组合)频率同步信息。其可以被配置成累积从相应的峰值或相应组的峰值(其可以是不同或重叠组的峰值)确定的频率同步信息，例如累积多个频率偏移估计。累积可以包含从多组信息计算相干平均(例如，均值)。无线电设备然后可以使用累积的信息(例如，累积的或平均的频率偏移估计)来使RF信号的至少一部分的接收同步。
除了累积频率同步信息之外或作为累积频率同步信息的替代，在一些实施例中，无线电设备可以选择从一个峰值或从一组峰值、从更大量的频率同步信息(例如，从多个频率偏移估计)确定的频率同步信息(例如，单个频率偏移估计)，更大量的频率同步信息从多个相应的峰值或相应组的峰值(其可以是不同或重叠组的峰值)确定。其可以使用任何适当的选择标准。然后，无线电设备可以使用所选择的信息(例如，所选择的频率偏移估计)来使RF信号的至少一部分的接收同步。
在一些实施例中，无线电设备可以被配置成确定较晚确定的同步信息是否要替换较早确定的同步信息。如果其确定较晚确定的同步信息应当替换较早的信息，则其可以使用较晚确定的同步信息来接收RF信号。如果其确定其不应当替换较早确定的同步信息，则其可以丢弃较晚确定的同步信息(例如，当该信息是定时同步信息时)，或者其可以将较晚确定的同步信息与较早确定的信息累积(例如，当该信息是频率同步信息时)。其可以被配置成将较晚确定的同步信息与较早确定的同步信息累积(即组合)(例如通过平均操作)，以生成累积的同步信息，其可以使用该累积的同步信息来接收RF信号。
该设备可以随时间生成同步相关数据，例如作为相关值(例如相关样本)的时间序列。每个相关值可以具有相关联的时间值，其可以是样本索引或时间戳。
可以根据与第一和/或第二子集的峰值相关联的时间值来确定定时同步信息。可以根据与第一和/或第二子集的峰值相关联的相关值的相位来确定频率同步信息。
该设备可以在生成同步相关数据时检测同步相关数据内的峰值。针对至少一个或多个峰值，其可以响应于检测到同步相关数据中的新峰值而确定更新的同步信息。在一些实施例中，对于相关数据中的至少多个峰值，其可以在每次检测到新峰值时执行峰值分析过程。可以通过对同步相关数据(例如，对一组一个或多个连续相关样本值)执行峰值分析过程来识别每一组一个或多个峰值。在一些实施例中，例如为了减少定时误差，对多个连续样本(例如两个或三个样本)而不是仅仅一个样本执行该过程可能是有利的。
峰值分析过程可以包含确定新峰值是否满足限定条件以包括在用于确定无线电设备的同步信息的一组峰值中(以下称为限定峰值)。限定条件可以包含以下中的一个或多个：幅度条件、定时条件和符号检测条件。重要的是，在优选实施例中，在新峰值可以用于确定同步信息之前，限定条件优选地不施加已经检测到的固定最小数量的限定峰值。
幅度标准可以要求峰值与同步相关数据中的相关值相关联，相关值具有大于(其可以包括大于或等于)阈值的绝对值(即幅度)。阈值可以是恒定的或者其可以是动态的。其可以在数据帧的同步前导码的持续时间内改变。在一些实施例中，阈值取决于已经在同步相关数据中识别的一个或多个峰值的相关值。至少在某些条件下，阈值可以被确定为预定恒定阈值和可变阈值的最大值，其中可变阈值可以是已经在同步相关数据中识别的所有合格峰值的所有相关值的绝对值的最大值。为了确定较晚确定的同步信息将代替较早确定的同步信息，可能需要满足此类阈值条件。为了累积较晚确定的同步信息，可能需要满足低阈值条件，诸如仅仅预定的恒定阈值。更普遍地，该设备可能需要满足第一阈值条件以便累积同步信息，并且需要满足第二(例如更严格的)阈值条件以便替换同步信息。这可能是有用的，因为与仅仅累积具有较早信息的新信息相比，替换同步信息，尤其是当其是定时同步信息时，可能对无线电信号的接收具有更显著的影响(例如，如果它是不正确的，则具有失败帧检测的更高几率)，并且因此在以这种方式使用峰值之前需要更严格的条件。
定时条件可能需要将峰值(或对应于该峰值的相关值)与较早峰值分开对应于预定同步序列的持续时间的时间间隔，例如是所述持续时间的整数倍，任选地在抖动的预定裕度内(例如，+/-一个或两个样本周期，或+/-1％)。这样，由于前导码序列而不可能出现的峰值可能被排除。然而，在一些实施例中，定时条件可以用于识别一个或多个峰值，该一个或多个峰值不与较早的合格峰值分开这样的时间间隔，即间隔超过预定裕度。这可以用于确定是否用较晚确定的定时同步信息替换较早确定的定时同步信息。这对于通过允许较晚的真实峰值覆盖虚假峰值来避免检测器试图使用较早的虚假峰值来设置用于解码来自数据帧的数据的符号定时是有用的。这可以与如上所述的幅度标准结合应用。
符号检测条件可以使用符号检测器来确定峰值是否与预定同步序列的符号(例如，位或多位字)一致。在一些实施例中，同步序列可以包含单个符号(例如，四位字)，其可以使用码片序列来扩展。接收机可以使用检测器来确定与峰值相关联的相关值是否对应于来自单个符号的样本。如果不满足符号检测条件，则接收机可以丢弃数据帧。这可以提高效率。接收机可以使用符号检测器来确定(任选地与幅度和/或定时条件结合)较晚确定的同步信息是要替换较早确定的同步信息还是与较早确定的同步信息一起累积。
接收机可以使用符号检测器来检测同步前导码的结束。其可以使用检测器来检测帧起始定界符符号或多个符号。其可以响应于此类检测而生成帧同步信息。
同步数据可以存储在该设备的存储器中。所存储的同步数据可以包含表示基带波形的一系列样本值。所存储的同步数据可以对应于预定同步序列的单个实例，或者对应于多个此类实例。数据帧中的同步序列(以及任选其它数据)可以使用直接序列扩频来编码。可以使用相位调制、频率调制、幅度调制或此类调制的组合在RF信号上调制数据帧。其可以是偏移正交相移键控(O-QPSK)调制的。在例如使用“双”相关操作的一些实施例中，同步数据可以包含一系列值，其中每个值等于表示同步序列的第一样本乘以表示同步序列的第二样本的复共轭，其中每个第二样本从每个第一样本偏移固定的偏移(例如三个样本周期)。
无线电设备可以包含用于将信号数据与所存储的同步数据进行相关的硬件相关器(即，包含电路)。同步相关数据可以包含相关值的时间序列。相关值可以包含相位信息，例如是复相关值。同步相关数据可以以规则的样本间隔被采样，并且因此包含固有的定时信息。在一些实施例中，相关器可以被配置成将所存储的同步数据与信号数据的第一样本乘以表示同步序列的第二样本的复共轭进行相关，其中每个第二样本从每个第一样本偏移固定的偏移(例如，三个样本周期)，在本文称为“双”相关。
当同步序列在前导码内重复若干次(例如，四次、八次、十次或更多次)时，上述同步方法可能特别有益。诸如IEEE 802.15.4和蓝牙低能耗的无线电协议定义了此类重复的同步前导码。在一些优选实施例中，RF信号是IEEE 802.15.4或蓝牙低能耗信号，并且无线电设备被配置成解码IEEE 802.15.4(例如Zigbee或Thread)或蓝牙低能耗信号。
无线电设备可以是集成的无线电设备，例如硅芯片。(应当理解的是，无线电设备可能仍然需要一个或多个芯片外组件连接到无线电设备以使其进行操作，诸如电源、天线、晶体、离散电容器、离散电阻器等)。无线电设备可以包含无线电发射机。
无线电设备可以包含一个或多个处理器、DSP、逻辑门、放大器、滤波器、数字组件、模拟组件、非易失性存储器(例如，用于存储软件指令)、易失性存储器、存储器总线系统、外围设备、输入、输出或任何其它适当的电子组件。无线电设备可以包含用于执行定时校正、相位校正或频率校正操作的电路。
一些或全部步骤可以在软件或硬件或软件和硬件的组合中实现。
本文中所描述的任何方面或实施例的特征可以在适当时应用于本文中所描述的任何其它方面或实施例。在参考不同的实施例或实施例集合时，应理解，这些实施例未必是不同的，而是可以重叠的。
附图说明
现将参考附图仅借助于实例来描述本发明的某些优选实施例，在附图中：
图1是包括体现本发明的接收机的无线电通信系统的示意图；
图2是可以由无线电通信系统发送和接收的数据分组的图；
图3是无线电接收机的同步和解码逻辑的示意图；
图4是第一实例场景中相关幅度对时间的示意图；
图5是第二实例场景中相关幅度对时间的示意图；
图6是三个相关值的幅度对时间的曲线图，以解释体现本发明的接收机的操作原理；
图7是由执行体现本发明的同步过程的接收机执行的操作的流程图；
图8是使用不同相关阈值的实施例的模拟的分组差错率(PER)相对于灵敏度的曲线图；以及
图9是使用不同相关阈值的实施例的模拟的分组差错率(PER)相对于选择性的曲线图。
具体实施方式
图1通过实例实施例示出了无线电通信系统，其包含与无线网络集线器7进行短距离无线电通信的无线恒温器1。集线器7是体现本发明的无线电接收机。
无线恒温器1具有连接到微处理器3(诸如ARMTM Cortex M系列)的温度传感器2。微处理器3连接到无线电发射机4。无线电发射机4包括编码器5(以及其它组件)。编码器5可以通过专用硬件电路，或者通过在处理器上执行的软件，或者通过硬件逻辑和软件逻辑的组合来实施。还存在其它常规部件，例如存储器、电池等，但为了简单起见将其从图1中省略。微处理器3和无线电发射机4可以集成在单个硅芯片上。监视器1具有无线电天线6，其可以集成在此类芯片上或其外部。
除了其它常规部件(未示出)之外，集线器7还具有连接到无线电接收机9的天线8。天线8适于从包括无线恒温器1的无线个人区域网络装置接收短距离无线电通信。无线电接收机9包括同步和解码逻辑10以及其它组件。逻辑10可以通过专用硬件电路、或者通过在处理器上执行的软件，或者通过硬件逻辑和软件逻辑的组合来实施。无线电接收机9连接到微处理器11(诸如ARMTM Cortex M系列)，微处理器可以可能地通过其它部件，诸如运行操作系统和适当软件应用程序的另一微处理器(未示出)来输出数据以便在屏幕12上显示。
在使用中，无线恒温器1从温度传感器2接收周期性的温度读数。微处理器3将读数处理成用于传输的适当格式，并将消息数据发送到无线电发射机4。无线电发射机4确定消息数据是否可以适合于单个数据分组(对应于单个数据帧)，或者其是否必须被分割为两个或更多个数据分组。无线电发射机4中的编码器5例如使用基于卷积的前向纠错代码对消息数据的一部分或全部进行编码，并将任何报头或其它元数据添加到编码的消息数据以创建分组有效载荷。然后，其使用固定码片序列对整个有效载荷进行直接序列扩频(DSSS)编码。例如，每个四位符号可以由各自不同的32位扩展序列来表示。当然，也可以使用其它长度的码片序列。然后，发射机4将同步字预先分配给有效载荷，由预定序列的多次重复组成。在包含消息数据的数据有效载荷之前，这之后可以是预定的帧起始定界符(SFD)和/或有效载荷长度报头。无线电发射机4使用适当的调制方案从天线6发射在射频载波(例如2.4GHz频带中的载波)上调制的编码数据分组。
在一些实施例中，无线恒温器1和集线器7使用具有实施IEEE 802.15.4标准版本的物理层的协议进行通信。例如，它们可以使用ThreadTM或ZigBeeTM进行通信。在一些此类实施例中，每个4位符号被映射到32码片扩展序列上，并且使用以250kb/s的数据速率操作的偏移正交相移键控(O-QPSK)来调制分组。因此，每个符号具有16μs的持续时间。
图2示出了在此类802.15.4实施例中使用的示范性数据分组结构。其具有32位(8符号)前导码同步序列，其后是8位帧起始定界符(SFD)、8位物理层(PHY)报头，以及0到127个八位字节之间的可变长度的PHY服务数据单元(PSDU)。前导码序列由零符号0000'b的八个实例组成。在DSSS编码之后，这变为相同32码片序列的八个实例。SFD字段包含固定的两个符号1010 0111'b(0xA7)，并引入帧的实质内容的开始，该帧以指示PSDU长度的PHY报头中的变量开始，并且然后提供PSDU本身。
在使用中，无线网络集线器7在天线8处接收无线电数据分组。无线电接收机9将接收信号下混频到中频或直接下混频到基带，并且然后对信号进行采样以生成复数数字样本值流，表示接收信号的同相和正交分量。信号可以首先在模拟和/或数字域中被滤波。接收机9使用同步和解码逻辑10处理调制的数字信号。
同步和解码逻辑10执行非相干解码。它首先将输入的样本流I&Q与表示对应于同步符号0000'b的调制码片序列的单个实例的基带波形的存储数据互相关。它通过维护最近生成的样本的缓冲器，并计算存储的同步模板和当前缓冲的数据之间的复杂内积运算的时间序列，从而生成复杂相关值Cn的时间序列来实现这一点。它分析随时间变化的相关值，以便执行符号定时恢复和频率偏移校正。下面参照图3至7更详细地解释该过程。
如下面更详细描述的，重复同步序列允许同步和解码逻辑10基于相关器匹配之间的时间间隔以及相关器输出幅度来检测和同步到分组。
同步和解码逻辑10通过检测SFD字段来确定前导码的结束和PSDU的开始，从而实现帧(即分组)同步。然后，在将解码的消息数据传递到微处理器11进行处理之前，无线电接收机9可以使用获取的帧和符号定时信息来解码PSDU。
微处理器11可以以任何适当的方式处理消息数据。在一些实施例中，它可以将温度信息以图形方式显示在集线器7的显示屏12上以供使用者观看。
在一些实施例中，无线恒温器1和集线器7可以被配置成使用ThreadTM或ZigBeeTM规范将温度消息数据从无线恒温器1传送到集线器7。使用如上所述的用于在相反方向上执行无线电传输的对应部件，无线恒温器1和集线器7可以被配备用于双向无线电通信。然而，这在所有实施例中不是必需的。
图3示意性地表示由同步和解码逻辑10实施的用于检测和解码接收的数据帧的各种数字基带处理单元。出于简洁性的原因，未示出诸如滤波和残余频率偏移跟踪的操作。
复值基带样本I&Q被接收到数据辅助的联合定时和频率同步单元33中，用于确定符号和帧定时同步数据以及频率偏移估计数据。同步单元33耦合到CORDIC(坐标旋转数字计算机)单元34，用于对输入的样本执行载波频率偏移(CFO)补偿。CFO补偿的复杂样本然后传递到检测器31，检测器检测DSSS编码的数据符号。检测器31以四位组B向微处理器11输出解码符号流。这些判决符号也被反馈到定时和频率同步单元33。
图3使用以下符号：
n＝码片索引；
z(n)＝复基带样本；
z'(n)＝经载波频率偏移(CFO)补偿的z(n)；
pdatai(k)＝表示i个不同的32位DSSS码片序列的存储数据。
定时和频率同步单元33包含相关器35，本文称为“双”相关器35，用于执行数据辅助的联合定时和频率估计以及相关的同步逻辑36。这利用接收符号中的数据的知识来消除调制对延迟和相关类型的载波频率偏移估计器的估计的影响。
因为接收到重复的同步字，所以可以使用连续幅度响应之间的时域距离上的附加检查来滤除错误检测。这意味着可以使用具有较低检测阈值的较短相关器来达到降低接收机复杂度的给定灵敏度水平。
图3中的同步单元33与重复的同步字相关，以便为每个输入的基带样本计算以下互相关值un＝w I(n)+jQ(n)：
Figure BDA0003629860910000101
其中系数di包含预先计算的存储的同步数据，其中di＝pi *pi+D pi是对应于基带处的预定同步符号的样本，
其中D是在设计时间处决定的延迟(例如8或16个样本)，并且
其中L对应于在逻辑10使用的采样率下的同步符号的长度。
在一些实施例中，可以对信号进行过采样和/或上采样，在这种情况下，可以对应地按比例增大所存储的同步数据。互相关操作可以使用逐样本乘法操作来执行。
同步单元33还能够根据以下等式生成载波频率偏移估计：
Figure BDA0003629860910000102
其中T是样本周期。
假设载波频率偏移在D个样本上相对恒定，该估计提供了载波频率偏移的良好估计，只要其在相关与输入的同步符号对齐时被采样，即在对应于绝对相关值|Cn|的峰值的时刻，或者在诸如Mn的归一化幅度测量中被采样，归一化幅度测量由下式给出：
Figure BDA0003629860910000103
其中
Figure BDA0003629860910000104
如下所述，可以对照幅度阈值来确定相关数据中的合格峰值。它们被存储在峰值池60中并如下所述被处理，以确定使用哪些峰值来生成CORDIC单元34的载波频率偏移(CFO)估计和用于使检测器31同步的符号定时信息(选通时间)。
CORDIC单元34从同步单元33接收频率偏移估计，并使用其接收的最新的频率偏移估计将后续输入的样本旋转对应的相位角，以补偿任何载波频率偏移。然后，所得到的复基带样本z'(n)的CFO补偿序列被传递到检测器31。
逻辑10可以在硬件中实施，并且可以包括用于协调同步和解码过程的有限状态机(FSM)。
图4和图5绘示了当使用未使用过的同步方法时可能出现的一些挑战，并且这些挑战由本文所公开的实施例解决。它们示出了相关幅度随时间的峰值，其实通过将输入的信号与具有图2所示形式的预定前导码序列进行相关而生成的。
未使用的方法可以使用任何适当的峰值寻找算法来识别高于阈值水平(由图4和5中的水平虚线表示)的峰值，并且可以声明一旦识别出满足间隔要求的三个峰值就已经实现了符号定时同步，间隔要求是每个连续峰值通过一个前导码符号周期加上/减去抖动的容限出现在前一个峰值之后(例如，+/-1％)。
当输出如图4所示时，其中第一峰值40、第二峰值41和第三峰值42正好出现在前导码符号间隔处，该方法可以充分地起作用。
然而，如图5所示出的输出将引起同步问题。在该实例中，第二峰值51具有高于阈值的旁瓣峰值51a，但是旁瓣峰值在前一个峰值50之后小于0.95个符号周期出现，使得第一峰值50和旁瓣峰值51a都被丢弃，即使第一峰值50是有效峰值。然后，这将所声明的同步延迟一个符号持续时间，直到已经识别出第二峰值51、第三峰值52和第四峰值53。延迟的同步本身是不期望的，但是如果这种情况在一个分组前导码内发生若干次，则对于该分组的同步可能完全失败。虚假峰值可以是有效峰值的旁瓣，或者任何其它错误的超阈值峰值，诸如由于噪声而出现的峰值。
相反，如果出现三个满足间隔条件的虚假峰值，则接收机可能基于这些虚假峰值的定时错误地宣布同步，这将是不正确的并且可能导致分组丢失。
通常，如果可以减少同步丢失，则无线电接收机的灵敏度应该提高。理想地，这将在不过度降低选择性(即，接收机拒绝期望的调谐信道之外的信道上的信号的能力)的情况下完成。
因此，本文公开的实施例采用不同的方法。它们不会在检测固定数量的合格峰值时宣布前导码同步完成，仅计算和输出一组符号定时信息和一个载波频率偏移估计。相反，它们可以应用不同的条件来确定何时输出符号同步信息以及何时输出频率偏移估计(即不一定总是同时)。当接收到更多的同步前导码时，它们还继续生成和处理后续接收的同步前导码相关数据，以便检测任何进一步的合格峰值，并潜在地生成更新的定时和/或频率同步信息，这可能会更准确。
这可能潜在地导致接收机9更快和更可靠地同步。例如，通过允许基于在多于三个峰值上确定的相位值来计算CFO估计(例如，在五个或更多个峰值上平均的)，同时允许基于较少数量的峰值来确定符号定时(例如，如果噪声阻止在多于三个峰值上同步，则仅使用三个峰值)，更好的频率偏移估计可以被计算。这可以在不降低成功帧同步的概率的情况下提高CFO估计精度。
因此，本同步和解码逻辑10无条件地一直运行直到检测到SFD，而不是一旦可以声明同步就终止。
现在将提供如何在一些示范性实施例中实施该方法的更多细节，以及验证该方法的模拟数据。
802.15.4使用累积双相关(ADBC)的接收机设计
以下描述是针对IEEE 802.15.4接收机9给出的，该接收机使用如上介绍的“双”相关器(“DBC”)方法来在前导码序列的持续时间内重复地累积频率偏移估计。为了方便起见，本文将本方法称为累积双相关或“ADBC”。然而，应当理解的是，相同的基本原理可以适用于接收不同的无线电协议或用于不同的接收机架构。
即使在具有挑战性的环境中，诸如强共信道干扰信号，此处同步单元33中的双相关器35以协作的方式与符号检测器31一起工作，以便解锁符号定时配置。
假设采样速率为每秒8兆样本(或每码片4个样本)，符号0(即，0000'b)的模拟波形(其是扩展之后的32位码片序列并且其在每个帧的同步前导码中出现八次)可以由列向量w表示，列向量由128个复杂样本组成，写为
w＝[w0，w1，...，w127] (1)
使用等式(1)和在符号的开始处和符号的结束处的相位之间应当存在零相位差的事实，这可以被扩展w到136个样本序列v，即，
Figure BDA0003629860910000121
可以生成128个样本向量d，其第i个元素被计算为
Figure BDA0003629860910000122
d的值作为表示预定同步序列的所存储的同步数据被存储在同步和解码逻辑10可访问的存储器中，提供将用于基于前导码的同步过程中的符号定时的参考波形。这些值可以根据需要由接收机9计算，或者可以在制造期间预先计算并存储。根据需要，在其它实施例中可以使用除了D＝8之外的延迟D的不同值。
ADBC接收机9计算接收的IQ样本之间的自相关ztandzt-8，即，
Figure BDA0003629860910000131
当从输入的无线电信号产生信号数据时，接收机将wt的最新128个值存储到128个样本寄存器中，由列向量w表示。在将w与参考序列d相关之后，用两种可能方法中的一种计算比率γ。
在第一种方法中，根据下式计算γ
Figure BDA0003629860910000132
在第二种方法中，根据下式计算γ
Figure BDA0003629860910000133
等式(5)可以被认为是等式(1)的近似值。尽管方法2使用近似计算结果，但是其期望实现与第一方法类似的性能。两种方法的复杂性几乎相同。
图6绘示了由双相关器35生成的相关数据的三个代表性连续互相关样本，用于帮助理解下面参考图7和下面的伪码描述的同步程序。在图6中，C表示复相关值，而是根据上述等式(4)或(5)中的一个或如上进一步的Mn计算的实值比率。样本索引D1表示γ中的峰值，而D2为紧接在峰值之前的样本编索引，并且未加索引的值是紧接在峰值之后的样本。考虑三个样本而不仅仅是峰值样本，可以通过允许可能的定时误差来提高同步精度。
图7绘示了同步过程中的主要步骤，其可以由一组硬件有限状态机(FSM)在同步单元33中实施，实现了以下伪代码中所示的程序。在变体实施例中，这些步骤或程序中的一些或全部可以替代地通过在处理器上执行的软件来实施，或者作为硬件和软件的组合来实施。为了全面理解，下面的伪代码应该结合图7来阅读。
图7和伪代码使用具有以下含义的以下变量：
S：状态变量-0＝IDLE；1＝接受新峰值；2＝忽略γ中的新峰值
R＝γlocal：以往的最大峰值强度(初始值R＝0)
HD2,HD1,H:CFO估计的相关总和
Δf＝F：最新的CFO估计值
N：触发检测器的选通偏移(初始值N＝0)
C：来自检测器的有效位数(初始值C＝0)
n：选通计数器，n＝0、…、127，每128个样本(即，每4位符号)打包一次
m：符号边界变量
B：检测器31输出的最新的四位xxxx'b
IDBC：同步指示符，其指示相关器(DBC)35已经产生符号定时达到的标志，意味着估计的符号边界偏移被分配给m
Istrobe：指示选通信号被触发的选通触发器。当n＝＝m、Istrobe被设置为1，否则为0。
Iinvalid：无效输出指示符，指示检测器31给出了应被忽略的无效输出
Isync：帧同步指示符，指示有效帧同步字被捕获
Idrop1peak：无效峰值指示符，由于错误的间距，指示相关器(DBC)35应当忽略随后的峰值，这可能是由于检测到符号[1110]。这允许考虑检测延迟，例如当检测器31具有流水线设计时可能出现的检测延迟。
它使用两个阈值参数，这在一些实施例中可以是可配置的，例如在处理器11中执行的固件的控制下：
A：用于识别有效峰值的阈值
D：用于决定是否累积频率偏移估计的阈值
该过程在空闲状态(S＝0)下以等待时间2开始。这些事件可能是：
i)在相关数据中检测到的新峰值，
ii)来自选通计数器n的触发，或
iii)由检测器31输出的4位符号。
在使用中，同步单元33计算每个输入的IQ样本的比率γ。如图6所示，它执行简单的峰值检测过程以检测γ的三个连续值何时上升然后下降。这用信号通知峰值，尽管不一定是在强度或间隔上合格的峰值，用于确定更新的定时和/或频率同步信息。
最初，接收机搜索γ上的有效相关峰值以确定有效802.15.4帧的起始点。
当在γ中检测到新峰值时，调用重写分支71。这检查单元33是否正在接受新峰值，以及峰值是否具有高于阈值A并且还高于任何先前识别的峰值的幅度。它还检查该峰值是否与由重写分支71识别的最后有效峰值间隔不接近(例如，在一个或两个样本的可配置限制内)整数个符号宽度(即，不在预期位置)。假设这些检查全部通过，这将检测新帧的第一峰值，但是此后将仅检测非预期位置中的峰值(如果它们是非常强的峰值)。在检测到合格峰值时，该分支71启动检测器31。它还计算新的频率偏移估计Δf(在以下伪码中也称为F)，并将该估计Δf，输出到CORDIC 34。它不累积具有较早频率偏移的频率偏移，而是为CORDIC34建立新的CFO估计Δf，有效地“重写”任何较早的估计。它还通过设置N＝n向检测器31输出初始或更新的符号定时信息。如果这不是帧的第一峰值，则符号定时信息将重写任何较早的符号定时信息——或者立即或者当宣称最终帧同步时。下面的ADBC程序“程序3”的第25到40行具体涉及重写分支71。
来自选通计数器的触发启动累积分支72。这检查单元33是否接受新峰值，以及当前峰值是否超过用于累积频率偏移估计的阈值D。它还检查峰值是否与前面的合格峰值间隔整数个符号，即k x 128个样本。如果这些检查全部通过，则其继续更新最大峰值强度变量R，并利用来自先前峰值检测的相应的初始或累积值执行峰值周围(见图6)的三个相关样本值CD2、CD1、C的相干累积。它基于具有最大幅度的累积的复相关值(以考虑任何采样定时误差)来计算供CORDIC 34使用的更新的频率偏移估计Δf。下面的ADBC程序“程序3”的第10至24行具体涉及累积分支72。
通过使用这些分支71、72，同步单元33确定符号定时信息(由N表示)，并且仅基于峰值幅度&间隔来计算初始&更新的频率偏移估计Δf(以下在伪代码中也称为F)和符号同步，而无需检测到固定数目的峰值。假设在处理前导码时检测到进一步合格的新峰值，频率和符号估计可以随时间更新。使用自适应阈值来检测重写分支71中的合格峰值可以有效地降低虚假帧同步峰值锁定接收机使得真实峰值丢失的风险，同时还有效地降低真实峰值被虚假峰值覆盖的风险。
与相关器35单独能够实现的同步精度相比，逻辑10使用检测器31来提高同步精度，尤其是在存在噪声或干扰的情况下。
来自检测器31的新符号引起跟随“复位或停止”分支73。这使用符号检测器31的输出来检查前导码是否仅包含同步符号0000'b，或者是否已达到SFD已达到0xA7＝11100101'b(这里以颠倒的位顺序表示位，纯粹出于实施的原因)。如果检测到第一SFD符号，则停止新峰值的检测74，并且作为下一个检测到的符号的第二SFD符号的到达导致同步单元33向检测器31和/或微处理器11发信号通知已经实现帧同步76。如果在前导码期间检测到另一个符号，或者如果在序列中没有检测到第一SFD符号和第二SFD符号，则检测到错误并且使同步单元复位75。这会引起使用默认初始值重新启动峰值搜索过程。下面的同步字程序“程序2”具体更多涉及复位或停止分支73。
同步单元33实施三个同时工作的程序：选通计数程序、同步字捕获程序和累积相关程序。通过研究以下伪代码将更好地理解每个程序的动作。
下面的“选通计数”程序管理选通计数器，用于确定符号定时信息以及用于检查峰值的间隔。
程序1：选通计数FSM
Figure BDA0003629860910000161
下面的“同步字”程序具体涉及图7的“复位或停止”分支73。具体地，第15至19行涉及“帧开始分隔符”SFD的符号[1110]和[0101]的检测。如果符号[0101]由检测器31输出，则在第18行中发出信号；并且由于非预期符号，同步单元33在第19行中被复位75。
程序2：同步字捕获
Figure BDA0003629860910000171
在下面的ADBC程序中，第25至40行具体涉及图7的重写分支71，而第10至24行涉及累积分支72。
程序3：累积双相关器FSM
Figure BDA0003629860910000181
模拟结果
在Matlab模拟中评估使用不同相关器阈值范围的实施例的相对性能。图8和图9中的不同阈值是阈值A的值，但是在模拟中，阈值D也通过设置D＝A-0.03而变化。
图8示出了灵敏度性能。它以-105dBm至-85dBm的灵敏度模拟分组差错率(PER)性能。根据该模拟，通过将DBC阈值降低到大约0.37，在0.01的分组差错率水平下-103dBm的灵敏度应该是可实现的，并且在高SNR区域中没有观察到差错平层。
图9示出了选择性性能。以0至-20dB的选择性水平模拟性能。根据该模拟，当DBC阈值为0.37时，接收机9应该在0.01PER处实现大约-2dB的选择性性能。
因此，本文描述的方法已被证明通过利用长重复前导码来准确和可靠地获得符号定时和频率偏移估计，从而提供良好的性能。
本领域的技术人员将理解的是，已经通过描述本发明的一个或多个具体实施例来说明本发明，但不限于这些实施例；在所附权利要求的范围内，许多变化和修改是可能的。

Claims (20)

1.一种无线电设备，其被配置成：
将信号数据与所存储的同步数据相关以生成同步相关数据，其中所述信号数据表示所接收的射频信号，其对具有包含预定同步序列的多个实例的同步前导码的数据帧进行编码，其中所述所存储的同步数据表示所述预定同步序列，并且其中所述同步相关数据是通过将表示所述同步前导码的信号数据与所述所存储的同步数据相关而生成的；
在生成所述同步相关数据的同时，在所述同步相关数据中识别第一组一个或多个峰值，并从所述第一组一个或多个峰值中确定用于所述无线电设备的第一同步信息；以及
在生成更多的所述同步相关数据之后，在所述同步相关数据中识别第二组一个或多个峰值，并从所述第二组一个或多个峰值中确定用于所述无线电设备的第二同步信息。
2.根据权利要求1所述的无线电设备，其中所述第一同步信息包含符号定时信息。
3.根据权利要求1或2所述的无线电设备，其中所述第一同步信息包含频率偏移估计。
4.根据权利要求1或2所述的无线电设备，其中所述第二同步信息包含符号定时信息。
5.根据权利要求1或2所述的无线电设备，其中所述第二同步信息包含频率偏移估计。
6.根据权利要求1或2所述的无线电设备，其中所述无线电设备包含用于接收所述射频信号作为无线电信号的无线电接收机，并且其中所述无线电设备被配置成当所述无线电接收机正在接收所述无线电信号时从所接收的无线电信号生成所述信号数据。
7.根据权利要求1或2所述的无线电设备，其中所述无线电设备被配置成当所述无线电设备正从表示所述同步前导码的所述信号数据生成所述同步相关数据时确定所述第一同步信息和所述第二同步信息。
8.根据权利要求1或2所述的无线电设备，其中所述无线电设备被配置成使用所述第一同步信息来使所述无线电设备对所述射频信号的所述同步前导码的至少第一部分的接收同步，以及使用所述第二同步信息来使所述无线电设备对所述射频信号的所述同步前导码的至少第二部分的接收同步。
9.根据权利要求1或2所述的无线电设备，其进一步包含用于从所述信号数据中检测符号的符号检测器，并且其中所述无线电设备被配置成至少使用所述第一同步信息或所述第二同步信息来使所述符号检测器同步。
10.根据权利要求1或2所述的无线电设备，其中所述无线电设备被配置成累积从相应组的一个或多个峰值中确定的频率同步信息，以及使用所累积的信息来使所述无线电设备对所述射频信号的至少一部分的接收同步。
11.根据权利要求10所述的无线电设备，其中所述无线电设备被配置成将平均频率偏移估计确定为从所述同步相关数据中的相应的峰值确定的多个频率偏移估计的相干平均，以及使用所述平均频率偏移估计来使所述无线电设备对所述射频信号的至少一部分的接收同步。
12.根据权利要求1或2所述的无线电设备，其中所述无线电设备被配置成从由多个相应的峰值或相应组的峰值确定的更大量的频率同步信息中选择由一个峰值或由一组峰值确定的频率同步信息，以及使用所选择的频率偏移估计来使所述无线电设备对所述射频信号的至少一部分的接收同步。
13.根据权利要求1或2所述的无线电设备，其中所述无线电设备被配置成确定较晚确定的同步信息是否要替换较早确定的同步信息，并且如果所述无线电设备确定所述较晚确定的同步信息应当替换所述较早确定的同步信息，则使用所述较晚确定的同步信息来使所述无线电设备对所述射频信号的至少一部分的接收同步，并且如果所述无线电设备确定所述较晚确定的同步信息不应当替换所述较早确定的同步信息，则丢弃所述较晚确定的同步信息或将所述较晚确定的同步信息与所述较早确定的信息累积。
14.根据权利要求1或2所述的无线电设备，其中所述无线电设备被配置成在生成所述同步相关数据时检测所述同步相关数据内的峰值，并且针对至少一个或多个峰值响应于检测到所述同步相关数据中的新峰值而确定相应的更新的同步信息。
15.根据权利要求1或2所述的无线电设备，其被配置成通过对所述同步相关数据执行峰值分析过程来识别每一组一个或多个峰值，其中所述峰值分析过程包含确定新峰值是否满足限定条件以包括在用于确定所述无线电设备的同步信息的一组一个或多个峰值中。
16.根据权利要求15所述的无线电设备，其中所述限定条件包含幅度条件，所述幅度条件要求峰值与所述同步相关数据中具有大于阈值的幅度的相关值相关联。
17.根据权利要求15所述的无线电设备，其中所述限定条件包含定时条件，所述定时条件要求所述同步相关数据中的峰值与较早的峰值分开对应于所述预定同步序列的持续时间的时间间隔。
18.根据权利要求15所述的无线电设备，其中所述无线电设备包含符号检测器，并且其中所述限定条件包含符号检测条件，并且所述峰值分析过程包含使用所述符号检测器来确定所述同步相关数据中的峰值是否与所述预定同步序列的符号一致。
19.一种使无线电设备同步的方法，所述方法包含：
将信号数据与所存储的同步数据相关以生成同步相关数据，其中所述信号数据表示所接收的射频信号，其对具有包含预定同步序列的多个实例的同步前导码的数据帧进行编码，其中所述所存储的同步数据表示所述预定同步序列，并且其中所述同步相关数据是通过将表示所述同步前导码的信号数据与所述所存储的同步数据相关而生成的；
在生成所述同步相关数据的同时，在所述同步相关数据中识别第一组一个或多个峰值，并从所述第一组一个或多个峰值中确定用于所述无线电设备的第一同步信息；以及
在生成更多的所述同步相关数据之后，在所述同步相关数据中识别第二组一个或多个峰值，并从所述第二组一个或多个峰值中确定用于所述无线电设备的第二同步信息。
20.根据权利要求19所述的方法，其中：
所述第一同步信息包含定时同步信息；
所述第二同步信息包含频率同步信息；并且
所述第一组峰值比所述第二组峰值包含更少的峰值。
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