CN1504025A - 对来自过采样的硬判决二进制流的码元恢复 - Google Patents

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Abstract

接收到的码元流被过采样并且与已知同步字相关，从而确定过采样信号与已知同步字的相关属性。诸如移动平均窗滤波器这样的线性滤波器与相关信号卷积，以产生卷积信号。一旦卷积信号达到预定的阈值，则它在过采样的预定窗上被扫描。如果卷积信号超出过采样窗的阈值，则找到同步字，且码元流以取决于码元流的数据速率的间隔被欠采样。该欠采样过程可能通过给定时间对齐而提取相应于每个信息码元的中心过采样而完成，或者通过在以中心过采样为中心的许多采样上进行多数表决而完成。

Description

对来自过采样的硬判决二进制流的码元恢复
                          发明背景
I.发明领域
本发明一般涉及通信，尤其涉及对来自二进制数据流的码元恢复。
II.相关技术描述
由码元流组成的接收信号可能不与接收机时间对齐。在这种情况下，接收机需要知道何时对接收信号进行采样，以便用最低误差概率准确地恢复相关数据。
一般而言，延迟锁定回路用于识别发生在接收信号内的转变。这使采样远离这些转变而发生。
延迟锁定回路是定时恢复问题的通用解决方式，它产生适中的性能。然而，当接收信号包含发射机和接收机均已知的某些预定义的转变序列时，可以通过利用信号内容的先验知识而做得比通用延迟锁定回路更佳。换言之，为了确定正确的定时对齐，接收消息可以相对于预定义的数据序列而被相关，接收机已经得知该数据序列存在于接收消息中。该技术被称为定时恢复的“同步字相关”方法，其中“同步字”表示预定义的数据序列。
对于过采样的接收信号而言，(如，以12MHz采样的1Mbps信息信号)可能存在对应于每个信息码元的许多过采样。这样，当对过采样信号应用“同步字相关”方法时，可能由多个定时对齐，其中在接收信号内检测到同步字。给定已经在定时恢复前对个别过采样作出硬判决时，尤其如此。
为了最小的误差概率，期望选择对应于信息码元“中心”的定时对齐，这是由于这时眼图中用于描述ISI(码间串扰)有最大的眼图张开度。选择码元的非中心的定时对齐可能导致较大误差概率，因为一般这种对齐较接近于码元的边缘，并且比码元中心处的对齐更易受到噪声影响。然而，识别多个可能的定时对齐中哪个对齐对应于中心对齐的过程是不明显的。因此，需要一种确定中心定时对齐的稳健且简单的方式。
                          发明概述
本发明包含从以预定数据速率接收到的二进制数据流中恢复码元的过程。二进制数据流以预定的过采样率被过采样，以产生过采样的信号。在一实施例中，数据速率为1MHz，而过采样率为12MHz。进入的被接收的过采样信号与接收机和发射机均已知的预定义的序列相关，该预定义序列称为“同步字”。然后，相关的输出与线性滤波器卷积，譬如可变宽度的移动平均窗。卷积的输出是接着被扫描峰值的卷积信号。对应于峰值的对齐被标识为接收信号内每个码元的“中心”。
                     附图简述
图1示出本发明时间对齐过程的流程图。
图2示出按照本发明的过采样接收信号的相关曲线。
图3示出要与图2的相关信号卷积的移动平均窗的脉冲响应。
图4示出按照图2和3所述曲线卷积的结果的曲线。
图5示出按照本发明过多数表决过程的过采样同步字的示例。
图6示出本发明装置的优选实施例的框图。
图7示出本发明优选实施例的标准分组格式。
图8示出结合了本发明码元恢复机制的移动站框图。
                  优选实施例的详细描述
本发明提供了一种使接收机与接收信号时间对齐的过程，以便确定对信号采样的起始点。这减少了被恢复信号内的误差概率，从而提高了接收机的性能。
图1说明了按照本发明的过程，它用于检测同步字并且使接收机与进入的数据流时间对齐。该过程以对接收信号进行过采样开始(步骤101)。在优选实施例中，输入信号为1Mbps的硬判决二进制流。
硬判决是指进入流内码元的“1”或“0”极性已在前面步骤(RF接收机)中被决定。在软判决二进制流中，前面步骤提供多级量化的码元，且仅在随后作出关于码元的“1”或“0”极性的判决。
在示例性实施例中，过采样以12MHz速率进行。换言之，采样率是输入数据速率的12倍。其它实施例可能使用其它的采样率。所选择的过采样率是在选择足够高的速率以准确捕获数据但却不太高以产生需要大量处理时间的太多信息的速率之间的折衷。
再次参考图1，过程接着用相关过程来检测同步(sync)字(步骤103)。在一实施例中，同步字是放在蓝牙标准所指定的数据分组前的72比特接入码。其它实施例使用附加的同步字或码元。
为了检测同步字(步骤103)，接收信号以12MHz速率被过采样。过采样的信号用匹配滤波器相关方法经过相关过程来产生相关信号。在该过程中，过采样信号与已知的同步字序列相比较。当序列相匹配时，相关信号最高。
图2说明了匹配滤波器相关的结果。图2的相关曲线示出1μs的比特时间，其中由于进入的72比特接入码与滤波器的匹配而使接收信号的相关性为72。比特时间和相关性的值是为优选实施例说明的。其它实施例具有不同的值。
然后产生线性滤波器(步骤105)。在优选实施例中，该线性滤波器是移动的平均窗。其它实施例使用其它形式的线性滤波器。
如图3所述，然后产生移动平均窗的脉冲响应(步骤106)。该脉冲响应的幅度为1，长度为n，其中n＝12(即，一个比特时间内的采样数)。其它实施例使用其它值，n在l到过采样率的范围内，在示例性实施例中为十二(12)。
图3的脉冲响应与图2的过采样信号卷积以产生图4所述的卷积信号(步骤110)。通过与移动平均窗卷积，试图从图2中匹配滤波器相关的可能多峰值输出中获得单个峰值(“单”和“多”这里是指过采样数目)。术语“峰值”是指信号值的局部最大值。
与图2中信号内的12个峰值相对照，图4中仅有信号的一个峰值示出已经通过与移动平均窗卷积而完成了保留仅一个峰值的目标。峰值大小还超出某阈值T表示已经正确地接收到接入码或同步字。峰值还示出可以从中采样随后数据流的时间点。在一实施例中，该采样每1μs发生一次。具有不同数据速率的其它实施例使用不同的采样率。
在噪声环境中，即使图4所述的卷积信号可能具有多峰值(即，局部最大值)。因此，确定过采样流和同步字间的适当对齐以便开始随后采样的时间是重要的。这通过在整个搜索器窗上对相应于卷积“全局最大值”的时间对齐进行平均而实现。
再次参考图1的过程，当图4所述的卷积达到预定的阈值时(步骤115)，搜索器窗开始。在本说明中，所述阈值为T。
用于确定搜索器窗的阈值选择是使虚警概率最小而确保搜索器窗足够宽以采集全局峰值之间的折衷。由于蓝牙标准中指定有效同步字之间的最小距离(dmin)为14，因此阈值被设为64-(dmin/2)＝57以避免虚警，而允许接收到的同步字内的比特误差。57的选择假定有一定可忽略数目的可能同步字，偏心自相关值大于57。
上述阈值确定仅是用于确定阈值的一种可行方法。其它实施例使用其它阈值以及其它方法来确定阈值。
搜索器窗在w个过采样后结束。w的选择也是在使延迟最小(较小w)并且确保全局峰值(较大w)之间折衷的一设计参数。在优选实施例中，w是两个信息码元的持续时间。
如果相关已达到阈值T，则搜索器在窗w期间开始扫描相关峰值(步骤120)。搜索器是本领域公知的并不再讨论。
如果在相关过程中找到不止一个峰值(步骤125)，则进行平均操作以确定时间对齐。再次参考图4，如下在多峰值环境中确定testimate(也称为t*)：
testimate＝floor(tfirst max+tlast max)/2。
在该公式内，tfirst max是达到阈值后扫描到的第一个最大峰值，而tlast max是达到阈值后扫描到的最后一个最大峰值。通过除以这两个峰值和的向下取整函数，从而产生平均峰值。
如果未找到不止一个峰值(步骤125)，则一个峰值自身直接被用作时间对齐峰值。这种情况下，t*＝tpeak(步骤126)。一旦产生峰值时间的估计，或通过向下取整函数的平均(步骤130)或单个峰值(步骤126)，t*被设为对齐目的的时间(步骤136)。
如上所讨论的，所有随后的采样都在估计的峰值时间t*之后的预定时间(即，在优选实施例中为每隔1μs)内进行。其它实施例使用其它采样时间。
即使已作出正确时间对齐的估计，然而仍然必需确定整个码元(不仅是过采样，其极性已由硬判决过程所确定)极性的实际判决(步骤140)。一种用于确定对码元比特判决的实施例是使用12个过采样的中间采样。这意味着如果过采样率为12则或用过采样号6或用7。这保持采样及任何随后的采样远离信号转变。
执行比特判决过程的另一实施例(步骤140)是在12个过采样的某子集m上进行多数表决。在该实施例中，m为奇数并且小于12。由于其它实施例使用不同于12X的其它过采样率，因此其它实施例使用其它范围的m。例如，如果过采样率为20X，则m可能小于20。
m的期望值取决于接收信号的特性。这些特性包括已应用于其上的RF处理以及发射机处的信号调制。在优选实施例中，多数表决用m＝3执行。其它实施例使用其它m值。
图5说明了同步字或接入码的信号一例。在一实施例中，该信号说明了72比特接入字的一部分。该信号在第一比特(505)中有抖动，使第一比特有时与第二比特重叠。用中间比特判决过程会使当第二比特实际为逻辑0时接入码的前四个比特被选择为1110。
(12中选3)多数表决过程采集12个过采样(如从上述同步字相关中所确定的)的中间采样，并且注视中间过采样任一侧上的过采样。然后在三个过采样上进行多数表决。如图5所述，来自第二比特的过采样的多数正确地指明了该比特为0。
图6用按照本发明的码元恢复系统的框图形式说明了一实施例。更具体地说，说明性实施例结合了按照符合蓝牙的硬件配置的码元恢复机制。
所示码元恢复机制由工作在1mW的2.4GHz蓝牙射频推(605)组成。蓝牙无线电使用带有二进制频率调制的时分双工机制。无线电(605)与用于发射和接收信号的天线(601)耦合。
基带框(610)负责单元的基带协议。该基带框(610)结合了前面所公开的实施例的码元恢复过程。RF框(605)恢复并把过采样的、硬判决二进制码元流发送给基带框(610)，用于时间对齐和恢复。
蓝牙系统用数据分组进行通信。图7说明了这种分组(700)的一例。该分组由接入码或同步字(701)、报头(705)和有效负荷(710)组成。
接入码(701)是同步字，这里所述的码元恢复过程用它来与接收机同步。在一实施例中，接入码(701)长度为72比特，报头(705)长度为54比特，而信息负载(710)的长度在0到2745比特的范围内。蓝牙定义了不同的分组类型，因此具有不同的有效负荷长度。
蓝牙系统可以结合在移动站内，譬如蜂窝电话或其它电子设备，从而允许与移动站的短程通信。例如，结合蓝牙系统的耳机可以以无线方式与移动站耦合。
图8说明了一移动站框图，其中蓝牙系统结合了本发明的码元恢复机制。该框图仅是移动站的一种这样的例子。
移动站由与天线(803)耦合的RF发射机(802)和接收机(801)组成。RF发射机调制来自基带电路(825)的数字信号，用于发射。然后，天线(803)在一信道上把信号辐射至所需目标站。
RF接收机(801)负责接收并调制天线(803)上接收到的信号。在某些通信设备中，接收机可能负责把接收到的数字信号转化成它们的模拟等价形式，用于扬声器或耳机(806)的发射。
在蓝牙或CDMA环境中，来自麦克风(805)的信号经历基带电路(825)的基带分组处理，从而把它们变为图7所述的形式。类似地，来自RF接收机(801)的信号经历基带电路(825)处理以使它们返回可由扬声器或耳机(806)所使用的状态。
诸如微处理器这样的处理器(804)或其它控制设备控制移动站。处理器(804)与RF发射机(802)和RF接收机(801)耦合并控制其功能。
显示器(807)和键区(808)与处理器(804)耦合。诸如液晶显示器(LCD)这样的显示器(807)呈现出用户在键区(808)上输入的信息。例如，用户可能用键区(808)输入电话号码，它被显示在显示器(807)上并随后用RF发射机(802)发射至基站。
结合本发明的码元定时恢复机制的基带电路(825)从RF发射机框(820)中接收过采样的、二进制、硬判决码元流，并把流转化成由处理器(804)所使用的数据信号，用于由扬声器或耳机(806)进行显示或发射。类似地，结合本发明的码元定时恢复机制的基带电路(825)把基带信号发射至RF发射机(802)用于处理。
虽然本发明所述的码元流恢复过程是用在蜂窝电话内的，然而所公开的实施例可以用在接收信号具有良好自相关属性的任何设备内。这种设备可以是具有无线通信性能的个人数字助理。
总之，本发明的码元流恢复过程为硬判决二进制码元流提供了一种更准确的码元恢复机制。本发明检测同步字并且用12X过采样输入流的12中选n相关提供时间对齐，其中n表示参考同步字的每个码元内的中间采样数。
应该注意，在所有上述实施例中，方法步骤可以互换而不背离本发明的范围。
本领域的技术人员可以理解，信息和信号可以用多种不同技术和工艺中的任一种来表示。例如，上述说明中可能涉及的数据、指令、命令、信息、信号、比特、码元和码片可以用电压、电流、电磁波、磁场或其粒子、光场或其粒子、或它们的任意组合来表示。
本领域的技术人员能进一步理解，结合这里所公开的实施例所描述的各种说明性的逻辑块、模块和算法步骤可以作为电子硬件、计算机软件或两者的组合来实现。为了清楚说明硬件和软件间的互换性，各种说明性的组件、框图、模块、电路和步骤一般按照其功能性进行了阐述。这些功能性究竟作为硬件或软件来实现取决于整个系统所采用的特定的应用程序和对总体系统的设计约束。技术人员可能以对于每个特定应用不同的方式来实现所述功能，但这种实现决定不应被解释为造成背离本发明的范围。
结合这里所描述的实施例来描述的各种说明性的逻辑块、模块和算法步骤的实现或执行可以用：通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件、或为执行这里所述功能而设计的任意组合。通用处理器可能是微处理器，然而或者，处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可能用计算设备的组合来实现，如，DSP和微处理器的组合、多个微处理器、结合DSP内核的一个或多个微处理器、或任意其它这种配置。
结合这里所公开实施例描述的方法或算法的步骤可能直接包含在硬件中、由处理器执行的软件模块中、或在两者当中。软件模块可能驻留在RAM存储器、快闪(flash)存储器、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM、或本领域中已知的任何其它形式的存储媒体中。示例性存储媒体与处理器耦合，使得处理器可以从存储媒体读取信息，或把信息写入存储媒体。或者，存储媒体可以与处理器整合。处理器和存储媒体可能驻留在ASIC中。ASIC可能驻留在用户终端中。
上述优选实施例的描述使本领域的技术人员能制造或使用本发明。这些实施例的各种修改对于本领域的技术人员来说是显而易见的，这里定义的一般原理可以被应用于其它实施例中而不使用创造能力。因此，本发明并不限于这里示出的实施例，而要符合与这里揭示的原理和新颖特征一致的最宽泛的范围。

Claims (25)

1.一种从具有一种数据速率的二进制数据流中恢复码元的方法，该方法包括：
以预定的过采样率对二进制数据流进行过采样以产生过采样的信号；
使过采样的二进制数据流与已知同步字相关以产生相关输出；
使相关输出与线性滤波器的脉冲响应卷积以产生卷积信号；以及
通过选择卷积信号内的峰值而识别同步字的定时对齐。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定的过采样率为数据速率的12倍。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述卷积信号上的峰值表示二进制数据流内同步字的定时对齐。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括响应于同步字对齐随后码元恢复的步骤。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述线性滤波器是移动的平均窗。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于还包括以下步骤：当找到卷积信号内的多个峰值时，在多个峰值的第一最大峰值和多个峰值的最后一个最大峰值之间进行时间平均。
7.在带有射频部分的接收机的基带部分中，一种从具有预定数据速率的二进制数据流中恢复码元的方法，该方法包括：
以预定的过采样率对二进制数据流进行过采样以产生过采样的信号；
使过采样的二进制数据流与已知同步字相关以产生相关信号；
构造一移动平均窗；
使移动平均窗与相关信号卷积以产生卷积信号；
通过选择卷积信号的峰值而识别卷积信号内同步字的定时对齐；以及
响应于同步字使接收机与二进制数据流同步，其中在同步字后的预定时间采样二进制数据流。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述同步字是符合蓝牙协议的接入码。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述数据流被组织成符合蓝牙协议的数据分组。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于还包括在过采样信号上进行比特判决过程以便确定码元的极性。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述比特判决过程包括在过采样信号的多个过采样上的多数表决。
12.如权利要求7所述的方法，其特征在于还包括以下步骤：当找到卷积信号内的多个峰值时，在多个峰值的第一最大峰值和多个峰值的最后一个最大峰值之间进行时间平均。
13.一种带有基带部分的符合蓝牙标准的接收机，它接收一二进制数据流，该数据流被组织成包括接入码的符合蓝牙的分组，该接收机包括：
以预定的过采样率对二进制数据流进行过采样以产生过采样的信号的装置；
使过采样的二进制数据流与已知同步字相关以产生相关信号的装置；
使线性滤波器的脉冲响应与相关信号卷积以产生卷积信号的装置；
通过识别卷积信号的最大值而识别接入码的定时对齐的装置；以及
响应于接入码使接收机与过采样信号同步的装置，其中在同步字后的预定时间对过采样的信号进行采样。
14.在具有通信性能的移动站内，带有接收机的装置是符合蓝牙标准的并且包括一基带部分，它接收二进制数据流，该数据流被组织成包括接入码的符合蓝牙的分组，该接收机包括：
以预定的过采样率对二进制数据流进行过采样以产生过采样的信号的装置；
使过采样的二进制数据流与已知同步字相关以产生相关信号的装置；
使线性滤波器的脉冲响应与相关信号卷积以产生卷积信号的装置；
响应于卷积信号的最大值而识别接入码的装置；以及
响应于接入码使接收机与过采样信号同步的装置，其中在同步字后的预定时间对过采样的信号进行采样。
15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述移动站是具有蓝牙协议兼容性能的蜂窝电话。
16.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述移动站是具有无线通信性能和蓝牙协议兼容性能的个人数字助理。
17.一种从具有预定数据速率的二进制数据流中恢复码元的方法，该方法包括：
以预定的过采样率对二进制数据流进行过采样以产生过采样的信号；
使过采样的二进制数据流与已知同步字相关以产生相关信号；
构造一移动平均窗；
产生移动平均窗的脉冲响应；
使脉冲响应与相关信号卷积以产生卷积信号；
响应于卷积信号而识别同步字；
响应于同步字使接收机与二进制数据流同步；以及
在同步字后的预定时间对过采样信号进行采样。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于还包括以下步骤：为了确定适当的比特状态而在过采样信号的多个过采样上进行多数表决。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于还包括，当相关信号达到预定阈值时，扫描过采样信号以找到同步字。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述扫描步骤还包括在已达到预定阈值后扫描预定的时间窗。
21.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述相关信号的峰值使二进制数据流与接收机时间对齐。
22.在移动站装置中，该装置具有一接收机并包括一基带部分，它接收过采样的二进制数据流，该数据流被组织成数据分组，每个数据分组都包括一同步字，该接收机包括：
使过采样的二进制数据流与已知同步字相关以产生相关信号的装置；
构造移动平均窗的装置；
使移动平均窗与相关信号卷积以产生卷积信号的装置；
响应于卷积信号的最大值而识别同步字的装置；以及
响应于接入码使接收机与过采样的二进制数据流同步的装置，其中在同步字后的预定时间对过采样的二进制数据流进行采样。
23.一种从具有数据速率的二进制数据流中恢复码元的方法，该方法包括：
以预定的过采样率对二进制数据流进行过采样以产生过采样的信号；
使过采样的二进制数据流与已知同步字相关以产生相关输出；
构造一移动平均窗；
使移动平均窗与相关输出卷积以产生卷积信号；以及
通过选择卷积信号内的峰值而识别同步字的定时对齐。
24.一种从进入的过采样、硬判决二进制流中恢复码元的方法，包括：
识别在先验已知同步字和二进制流内码元的过采样之间的最好对齐信息；以及
用如从最好对齐信息中所确定的与每个码元的相关过采样的多数表决而对剩余码元进行下采样。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述二进制流包括按照蓝牙构造的分组。
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