CN116961693A - 一种超宽带信号捕获和频偏计算方法和装置 - Google Patents

一种超宽带信号捕获和频偏计算方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超宽带信号捕获和频偏计算方法和装置，其中方法包括：接收包含连续N个符号的采样数据，将采样数据中的每个符号分为m个采样数据序列，得到N组m个采样数据序列；将所述N组m个采样数据序列依次输入对应的m个相关器，对m个采样数据序列与标准前导码序列进行相关运算，并将所述m个相关器的输出结果进行累加得到相关能量；对连续的N个符号的解扩相关结果进行累加，并根据累加后的能量峰值判断前导码是否捕获成功；在前导码捕获成功后，基于符号中能量和最大的m个采样点计算频偏。本发明能够在不损失性能的前提下，优化芯片所需资源，降低芯片功耗和成本。

Description

一种超宽带信号捕获和频偏计算方法和装置
技术领域
本发明涉及通信技术领域中的超带宽接收技术，特别是涉及一种超宽带信号捕获和频偏计算方法和装置。
背景技术
超带宽(UltraWide Band，UWB)系统是采用纳秒级脉冲作为符号的通讯系统，由于其脉冲短、带宽大，具有优异的区分多径信号的能力，在室内等复杂环境条件下，能够精准的测量电磁波飞行时间，能够进行高精度的测距和定位。UWB系统的带宽一般是500MHz以上，接收机的ADC采样频率一般为奈奎斯特采样频率，即1GHz。
UWB的前导码为周期性重复发送的伪随机码序列，前导码长度有31、91和127三种可能，当前导码长度为127时，符号(Symbol)的时间为1017.63ns，由于ADC采样频率为1GHz，前导码的1个Symbol最长含有1016个采样点，UWB接收机需要对前导码完成捕获跟踪，得到频偏、码偏、信道冲激响应等信息。
前导码解扩和捕获时，将1016个采样点与标准的前导码进行1016次相关计算可以捕获发射机发射的前导码信号，现有方案采用1016组存储单元来储存1016次相关结果。累加N个Symbol获得增益后，定位相关能量最大处进行判决，判断前导码是否捕获成功。在此基础上，用得到的最强径去计算频偏，将相邻symbol对应的峰值采样点进行共轭相乘，对N个Symbol进行重复运算，将相关结果进行累加，累加值的相位就是频偏。由于该方案在前导码扩频捕获时需要使用1016组存储单元，因此占用资源较大，且计算量也较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种超宽带信号捕获和频偏计算方法和装置，能够在不损失性能的前提下，优化芯片所需资源，降低芯片功耗和成本。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种超宽带信号捕获和频偏计算方法，包括以下步骤：
接收包含连续N个符号的采样数据，将所述采样数据中的每个符号分为m个采样数据序列，得到N组m个采样数据序列；
将所述N组m个采样数据序列依次输入对应的m个相关器，对m个采样数据序列与标准前导码序列进行相关运算，并将所述m个相关器的输出结果进行累加得到相关能量；其中，对一组m个采样数据序列计算完成后，得到L/m个相关能量，将L/m个相关能量作为一个符号的解扩相关结果，对N组m个采样数据序列计算完成后，得到N个符号的解扩相关结果，L为一个符号的数据长度；
对连续的N个符号的解扩相关结果进行累加，并根据累加后的能量峰值判断前导码是否捕获成功；
在前导码捕获成功后，基于符号中能量和最大的m个采样点计算频偏。
所述将所述采样数据中的每个符号分为m个采样数据序列时，其中，第i个采样点序列由第i，m+i，2m+i,…,(L/m-1)m+i个采样点组成。
所述根据累加后的能量峰值判断前导码是否捕获成功，具体包括：
计算累加后的能量峰值与去除能量峰值外所有样本的均值的比值；
当所述比值超过设定的阈值时，所述前导码捕获成功。
所述基于符号中能量和最大的m个采样点计算频偏，具体为：
基于前导码捕获成功时得到的符号中能量和最大的m个采样点确定每个符号中与所述能量和最大的m个采样点对应的采样点；
将确定的N个相邻符号对应的采样点进行共轭相乘，得到m组N-1个复数结果；
将m组N-1个复数结果进行累加，累加后的结果的相位即为频偏。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种超宽带信号捕获和频偏计算装置，包括：
接收划分模块，用于接收包含连续N个符号的采样数据，将所述采样数据中的每个符号分为m个采样数据序列，得到N组m个采样数据序列；
前导码解扩模块，用于将所述N组m个采样数据序列依次输入对应的m个相关器，对m个采样数据序列与标准前导码序列进行相关运算，并将所述m个相关器的输出结果进行累加得到相关能量；其中，对一组m个采样数据序列计算完成后得到一组L/m个相关能量，将L/m个相关能量作为一个符号的解扩相关结果，对N组m个采样数据序列计算完成后，得到N个符号的解扩相关结果，L为一个符号的数据长度；
前导码捕获模块，用于对连续的N个符号的解扩相关结果进行累加，并根据累加后的能量峰值判断前导码是否捕获成功；
频偏计算模块，用于在前导码捕获成功后，基于符号中能量和最大的m个采样点计算频偏。
所述接收划分模块在将所述采样数据中的每个符号分为m个采样数据序列时，第i个采样数据序列由第i，m+i，2m+i,…,(L/m-1)m+i个采样点组成。
所述前导码捕获模块包括：
计算单元，用于计算累加后的能量峰值与去除能量峰值外所有样本的均值的比值；
判定单元，用于在所述比值超过设定的阈值时，判定所述前导码捕获成功。
所述频偏计算模块包括：
确定单元，用于基于前导码捕获成功时得到的符号中能量和最大的m个采样点确定每个符号中与所述能量和最大的m个采样点对应的采样点；
复数计算单元，用于将确定的N个相邻符号对应的采样点进行共轭相乘，得到m组N-1个复数结果；
累加计算单元，用于将m组N-1个复数结果进行累加，累加后的结果的相位即为频偏。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明通过先累加相关器输出结果，再进行储存，将前导码解扩捕获过程中存储单元的数量减少到现有方案的m分之一。由于现实场景中存在多径效应等因素，信号分析需要在一定范围的采样点中进行，前导码捕获阶段的主要任务是确定信道冲击响应中主要能量区域，在此区域加窗，后续主要对窗内的采样点进行数据处理。本发明对加窗的准确性无影响，因此本发明的处理方式并不会降低前导码捕获的性能，但有效地降低了芯片的面积、功耗和生产成本。同时，与该解扩捕获算法相配合使用的频偏计算方法，具有更大的增益。
附图说明
图1是本发明第一实施方式的流程图；
图2是本发明第一实施方式中一个symbol的解扩算法的示意图；
图3是本发明第一实施方式中频偏计算的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的第一实施方式涉及一种超宽带信号捕获和频偏计算方法，如图1所示，包括以下步骤：
接收包含连续N个symbol的采样数据，将所述采样数据中的每个symbol分为m个采样数据序列，得到N组m个采样数据序列；
将所述N组m个采样数据序列依次输入对应的m个相关器，对m个采样数据序列与标准前导码序列进行相关运算，并将所述m个相关器的输出结果进行累加得到相关能量；其中，对一组m个采样数据序列计算完成后，得到L/m个相关能量，将L/m个相关能量作为一个symbol的解扩相关结果，对N组m个采样数据序列计算完成后，得到N个符号的解扩相关结果，L为一个symbol的数据长度。
由于前导码序列是循环重复发送的，新的数据不断进入相关器，每个采样数据序列看起来进行了循环移位，循环移位L/m次后回到初始状态，完成对一个symbol的解扩，经过N组m个采样数据序列后，即可得到N个symbol的解扩结果；
对连续的N个symbol的解扩相关结果进行累加，并根据累加后的能量峰值判断前导码是否捕获成功；
在前导码捕获成功后，基于symbol中能量和最大的m个采样点计算频偏。
UWB接收机前导码捕获的主要目标是用低功耗的算法检测是否有UWB前导码在发送。本实施方式通过计算采样数据序列与标准前导码序列的相关能量来检测是否有前导码发送，相关能量的计算方式如图2所示，假设当前导码长度为127时，一个symbol中最多含有1016个采样点。本实施方式中由于ADC的频率较高为1GHz，相关器采用125MHz时钟，需要用多相相关器架构来实现并行处理，采用8个相关器，刚好每个相关器长度为127(1016/8)，与前导码长度相同。将第1，9，17，…，1009个采样点组成一个长度为127的采样点序列，同理，第2，10，18，…，1010个采样点组成另一个长度为127的采样点序列，一个symbol中有8个采样数据序列。相关器将采样数据序列与标准前导码序列进行相关运算得到相关能量值，8个相关器输出的相关能量值累加后存于存储单元中。对一个symbol进行解扩共输出127个相关能量值，仅需127组存储单元。
由此可见，本实施方式对相关器输出的相关结果进行处理，每8个相关结果累加后储存，仅需127组存储单元，所需资源缩减为现有方案的八分之一，同时，在127个相关结果中寻找峰值相比在1016个相关结果中寻找峰值工作量更少。
接收机连续对N个symbol进行解扩，由于前导码是不断周期重复的，解扩后将会得到周期性的脉冲峰。考虑到单个脉冲有可能被噪声淹没，可以将脉冲信号进行周期性叠加，即将N个symbol的解扩结果进行累加，从而能够得到更加尖锐的脉冲，有助于接收机进行更加灵敏的判决，累加器中的数据(解扩的数据取模值)相当于信道对脉冲冲击响应的模值大小。当累加后得到的能量峰值与去除能量峰值外所有样本的均值的比值超过设定的阈值时，判定前导码捕获成功。其中，阈值的选取需要考虑ADC的性能以及噪声的大小，保障合理的误判率和漏判率。
由于存在多径效应，接收信号的主要能量集中在一定范围的采样点中，因此捕获阶段的任务是确定信道冲击响应中主要能量区域，采用一定长度的样本窗口框住主要能量区域，后续主要对窗内的采样点进行数据处理。本实施方式的能量计算方式对加窗的准确性无影响，因此不会降低信号的捕获能力，实现了在无损性能的基础上，有效地减少了芯片资源消耗。
本实施方式的UWB接收机可以采用零中频结构，控制收发两端之间存在一个固定的频率差，当接收机ADC以固定的采样频率对信号进行采样时，在周期重复的前导码序列中，采样点会缓慢发生偏移，接收机确认前导码接收完成后，可以估计出收发两端的频偏。频偏的计算方式如图3所示，通过对发射信号的解扩和捕获，可以得到symbol中能量和最强的8个采样点，将相邻symbol对应的峰值采样点进行共轭相乘，相关结果的相位就是相隔1个symbol的频偏Δφ。采样点1进行(N-1)次复数乘法运算，然后将这(N-1)个复数结果对应相加，得到ADD1，同理，得到ADD2～ADD8。相比于对ADD1～ADD8求模，寻找最强径，本实施方式将ADD1～ADD8进行累加，获取多径合并收益，计算量较小，消耗资源较少，累加值的相位即为频偏。
在频偏计算方面，对应于上述前导码解扩捕获算法，本实施方式提出了一种计算量较小的频偏计算方法，将基于前导码捕获成功时得到的符号中能量和最大的m个采样点确定每个符号中与所述能量和最大的m个采样点对应的采样点，并将确定的N个相邻符号对应的采样点进行复数乘法操作，将全部结果进行累加，获得最强能量点的多径合并收益，累加值的相位即为频偏，该计算方法消耗资源较少。
本发明的第二实施方式涉及一种超宽带信号捕获和频偏计算装置，包括：
接收划分模块，用于接收包含连续N个符号的采样数据，将所述采样数据中的每个符号分为m个采样数据序列，得到N组m个采样数据序列；
前导码解扩模块，用于将所述N组m个采样数据序列依次输入对应的m个相关器，对m个采样数据序列与标准前导码序列进行相关运算，并将所述m个相关器的输出结果进行累加得到相关能量；其中，对一组m个采样数据序列计算完成后得到一组L/m个相关能量，将L/m个相关能量作为一个符号的解扩相关结果，对N组m个采样数据序列计算完成后，得到N个符号的解扩相关结果，L为一个符号的数据长度；
前导码捕获模块，用于对连续的N个符号的解扩相关结果进行累加，并根据累加后的能量峰值判断前导码是否捕获成功；
频偏计算模块，用于在前导码捕获成功后，基于符号中能量和最大的m个采样点计算频偏。
所述接收划分模块在将所述采样数据中的每个符号分为m个采样数据序列时，第i个采样数据序列由第i，m+i，2m+i,…,(L/m-1)m+i个采样点组成。
所述前导码捕获模块包括：
计算单元，用于计算累加后的能量峰值与去除能量峰值外所有样本的均值的比值；
判定单元，用于在所述比值超过设定的阈值时，判定所述前导码捕获成功。
所述频偏计算模块包括：
确定单元，用于基于前导码捕获成功时得到的符号中能量和最大的m个采样点确定每个符号中与所述能量和最大的m个采样点对应的采样点；
复数计算单元，用于将确定的N个相邻符号对应的采样点进行共轭相乘，得到m组N-1个复数结果；
累加计算单元，用于将m组N-1个复数结果进行累加，累加后的结果的相位即为频偏。
不难发现，本发明通过先累加相关器输出结果，再进行储存，将前导码解扩捕获过程中存储单元的数量减少到现有方案的m分之一。由于现实场景中存在多径效应等因素，信号分析需要在一定范围的采样点中进行，前导码捕获阶段的主要任务是确定信道冲击响应中主要能量区域，在此区域加窗，后续主要对窗内的采样点进行数据处理。本发明对加窗的准确性无影响，因此不会降低前导码捕获的性能，但有效地降低了芯片的面积、功耗和生产成本。同时，与该解扩捕获算法相配合使用的频偏计算方法，具有更大的增益。

Claims (8)

1.一种超宽带信号捕获和频偏计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
接收包含连续N个符号的采样数据，将所述采样数据中的每个符号分为m个采样数据序列，得到N组m个采样数据序列；
将所述N组m个采样数据序列依次输入对应的m个相关器，对m个采样数据序列与标准前导码序列进行相关运算，并将所述m个相关器的输出结果进行累加得到相关能量；其中，对一组m个采样数据序列计算完成后，得到L/m个相关能量，将L/m个相关能量作为一个符号的解扩相关结果，对N组m个采样数据序列计算完成后，得到N个符号的解扩相关结果，L为一个符号的数据长度；
对连续N个符号的解扩相关结果进行累加，并根据累加后的能量峰值判断前导码是否捕获成功；
在前导码捕获成功后，基于符号中能量和最大的m个采样点计算频偏。
2.根据权利要求1所述的超宽带信号捕获和频偏计算方法，其特征在于，所述将所述采样数据中的每个符号分为m个采样数据序列时，其中，第i个采样数据序列由第i，
m+i，2m+i,…,(L/m-1)m+i个采样点组成。
3.根据权利要求1所述的超宽带信号捕获和频偏计算方法，其特征在于，所述根据累加后的能量峰值判断前导码是否捕获成功，具体包括：
计算累加后的能量峰值与去除能量峰值外所有样本的均值的比值；
当所述比值超过设定的阈值时，所述前导码捕获成功。
4.根据权利要求1所述的超宽带信号捕获和频偏计算方法，其特征在于，所述基于符号中能量和最大的m个采样点计算频偏，具体为：
基于前导码捕获成功时得到的符号中能量和最大的m个采样点确定每个符号中与所述能量和最大的m个采样点对应的采样点；
将确定的N个相邻符号对应的采样点进行共轭相乘，得到m组N-1个复数结果；
将m组N-1个复数结果进行累加，累加后结果的相位即为频偏。
5.一种超宽带信号捕获和频偏计算装置，其特征在于，包括：
接收划分模块，用于接收包含连续N个符号的采样数据，将所述采样数据中的每个符号分为m个采样数据序列，得到N组m个采样数据序列；
前导码解扩模块，用于将所述N组m个采样数据序列依次输入对应的m个相关器，对m个采样数据序列与标准前导码序列进行相关运算，并将所述m个相关器的输出结果进行累加得到相关能量；其中，对一组m个采样数据序列计算完成后得到一组L/m个相关能量，将L/m个相关能量作为一个符号的解扩相关结果，对N组m个采样数据序列计算完成后，得到N个符号的解扩相关结果，L为一个符号的数据长度；
前导码捕获模块，用于对连续的N个符号的解扩相关结果进行累加，并根据累加后的能量峰值判断前导码是否捕获成功；
频偏计算模块，用于在前导码捕获成功后，基于符号中能量和最大的m个采样点计算频偏。
6.根据权利要求5所述的超宽带信号捕获和频偏计算装置，其特征在于，所述接收划分模块在将所述采样数据中的每个符号分为m个采样数据序列时，第i个采样数据序列由第i，m+i，2m+i,…,(L/m-1)m+i个采样点组成。
7.根据权利要求5所述的超宽带信号捕获和频偏计算装置，其特征在于，所述前导码捕获模块包括：
计算单元，用于计算累加后的能量峰值与去除能量峰值外所有样本的均值的比值；
判定单元，用于在所述比值超过设定的阈值时，判定所述前导码捕获成功。
8.根据权利要求5所述的超宽带信号捕获和频偏计算装置，其特征在于，所述频偏计算模块包括：
确定单元，用于基于前导码捕获成功时得到的符号中能量和最大的m个采样点确定每个符号中与所述能量和最大的m个采样点对应的采样点；
复数计算单元，用于将确定的N个相邻符号对应的采样点进行共轭相乘，得到m组N-1个复数结果；
累加计算单元，用于将m组N-1个复数结果进行累加，累加后结果的相位即为频偏。
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