DE102012016502A1

DE102012016502A1 - Chirp-empfänger

Info

Publication number: DE102012016502A1
Application number: DE102012016502A
Authority: DE
Inventors: Paul Dominic Hiscock
Original assignee: Cambridge Silicon Radio Ltd
Current assignee: Qualcomm Technologies International Ltd
Priority date: 2011-08-30
Filing date: 2012-08-21
Publication date: 2013-02-28
Also published as: US8675710B2; GB2494129B; GB201114880D0; GB2494129A; US20130051433A1

Abstract

Verfahren zum Synchronisieren der Frequenz und des Timings eines Empfängers mit einem Synchronisations-Chirp-Signal von einem Sender, umfassend: Empfangen des Synchronisations-Chirp-Signals, wobei das Synchronisations-Chirp-Signal eine Sequenz von Symbolen umfasst, wobei die Sequenz von Symbolen wenigstens ein erstes Symbol mit einem ersten Gradienten g1 und ein zweites Symbol mit einem zweiten Gradienten g2 umfasst, wobei die Beträge des ersten Gradienten und des zweiten Gradienten beide größer als Eins sind und der Betrag des ersten Gradienten von dem Betrag des zweiten Gradienten verschieden ist; Korrelieren der Sequenz empfangener Symbole mit erwarteten Symbolen, um eine Korrelatorausgabe zu bilden; Bestimmen von Timing- und Frequenzoffsets zwischen dem Sender und dem Empfänger aus der Korrelatorausgabe; und Justieren des Timings und der Frequenz des Empfängers um die bestimmten Timing- und Frequenzoffsets.

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft das Synchronisieren eines Chirp-Senders und eines Chirp-Empfängers.
Das Chirp-Modulationsverfahren ist ein Modulationsverfahren, bei dem die Frequenz eines Signals (Chirp) in einer Bandbreite von Fs Hz mit der Zeit linear variiert. Ein Chirp mit einem positiven Gradienten in der Frequenz-Zeit-Ebene wird im Allgemeinen als ein Up-Chirp bezeichnet, zum Beispiel Chirp 1 und Chirp 2 in 1. Ein Chirp mit einem negativen Gradienten in der Frequenz-Zeit-Ebene wird im Allgemeinen als ein Down-Chirp bezeichnet, zum Beispiel Chirp 3 in 1.
Ein Chirp kann durch eine Sequenz von N Abtastwerten dargestellt werden. Ein oder mehrere identische zusammenhängende Chirps können ein Symbol bilden, das einen zu übermittelnden Datenwert darstellt. Ein Chirp kann mathematisch folgendermaßen dargestellt werden
Dabei ist g der Gradient des Chirps, N die Anzahl der Abtastwerte in der Sequenz, n ein Abtastwert in der Sequenz, p ein Symbolwert, fn(p) eine Funktion, die p auf den empfangenen Chirp kodiert, der implizit auch Funktion von g, n, N und anderen Konstanten sein kann, und C ist die empfangene Chirp-Sequenz, die normalerweise für alle ganzzahligen Werte von n von 0 bis zur Ordnung N – 1 ausgewertet wird. Die Anzahl gültiger Werte von p ist die Symbolmengengröße, die nominal N ist. Die Symbolmengengröße kann jedoch abhängig von der Qualität der Strecke mehr oder weniger als N sein. Der Wert von g kann einen beliebigen Wert von mehr als 0 und weniger als N aufweisen. Vorzugsweise ist g eine ganze Zahl zwischen 1 und N – 1. Aufgrund der modularen Beschaffenheit dieses Ausdrucks werden von N – 1 rückwärts negative Gradienten erhalten. Daher ist N – 2 einem negativen Gradienten von –2 äquivalent. Wenn es mehr als einen identischen zusammenhängenden Chirp in einem Symbol gibt, übermittelt jeder Chirp einzeln denselben Wert, welcher der Symbolwert des Symbols ist.
Chirp 1 in 1 besitzt eine Startfrequenz von –Fs/2 und einen Gradienten von 1. Seine Frequenz nimmt über einen Zeitraum von N Abtastwerten bei einer Abtastrate von Fs linear zu, um eine Frequenz in der Nähe von +Fs/2 zu erreichen. Da es sich hierbei um ein komplexes abgetastetes System handelt, ist +Fs/2 dasselbe wie –Fs/2. Mehrere Chirps sind gewöhnlich zusammenhängend, können aber mit einer anderen Frequenz starten. Die Signalphase wird typischerweise im Verlauf einer Sequenz von Chirps stetig gemacht. Anders ausgedrückt, beginnt, nachdem das Signal +Fs/2 bei n = N – 1 erreicht hat, das nächste Symbol wieder mit n = 0. 1 zeigt ein Beispiel, bei dem zwei aufeinanderfolgende Chirps denselben Symbolwert aufweisen, während der dritte Chirp anders ist. Bei n = N tritt eine anscheinende Unstetigkeit der Frequenz zwischen Chirp 1 und Chirp 2 auf.
Chirp 4 in 2 besitzt einen Gradienten von 2 und eine Startfrequenz von –Fs/2. Da er den doppelten Gradienten der Chirps von 1 aufweist, nimmt seine Frequenz linear in der Hälfte der Anzahl der Abtastwerte wie bei den Chirps in 1 auf +Fs/2 zu, d. h. er erreicht nahezu +Fs/2 nach nahezu N/2 Abtastwerten. Die Frequenz des Chirps klappt dann um. Da es sich hierbei um ein abgetastetes System handelt, sind diese Frequenzumklappungen effektiv stetig und weisen stetige Phase auf. Der Chirp wiederholt den Frequenzlauf von –Fs/2 zu +Fs/2 zwischen den Abtastwerten N/2 und N.
Die Chirps weisen auch von einem Ende des Chirps zum anderen stetige Frequenz und Phase auf. Eine zyklische Verschiebung der Abtastwerte, aus denen ein Chirp besteht, erzeugt einen anderen gültigen Chirp.
Es ist bekannt, die Kommunikation zwischen einem Chirp-Sender und einem Chirp-Empfänger durch Senden eines Synchronisationssignals von dem Sender, das aus einer Sequenz von Up- und Down-Chirps mit Einheitsgradienten besteht, zu synchronisieren. Dieses Konzept ist in 3a dargestellt. Das empfangene Synchronisationssignal wird zweimal korreliert, erstens im Vergleich zu einem Referenz-Up-Chirp und zweitens im Vergleich zu einem Referenz-Down-Chirp. Dies ergibt eine Menge von Korrelationsspitzen für die Up-Chirps (tu) und eine Menge von Korrelationsspitzen für die Down-Chirps (td). Die Spitzenpositionen werden relativ zu einem festen lokalen Takt aufgezeichnet, wie in 3b dargestellt. Der Anfang eines Chirps mit Bezug auf den lokalen Takt ts und das Frequenzoffset zwischen Sender und Empfänger fs kann unter Verwendung der tu- und td-Ergebnisse für Paare korrelierter Chirps gemäß den folgenden simultanen Gleichungen bestimmt werden:
Dabei ist t1 die Anzahl der Abtastwerte zwischen einer lokalen Referenz und der Position der Up-Chirp-Spitzen, t2 ist die Anzahl der Abtastwerte zwischen einer lokalen Referenz und der Position der Down-Chirp-Spitzen, ts ist das Zeitoffset in Abtastwerten und k ist ein Faktor, der den Gradienten des Chirps mit der linearen zeitlichen Frequenzänderung in Beziehung setzt. Wenn zum Beispiel k gleich N/2Fs ist, liegt fs in Hz vor. Dieses beschriebene Synchronisationsverfahren bestimmt sowohl die Timing- als auch die Frequenzoffsets des Senders und des Empfängers.
Ein Problem bei diesem beschriebenen Synchronisationsverfahren besteht darin, dass in einem Mehrbenutzersystem mit geteilten spektralen Betriebsmitteln typischerweise mehrere Einrichtungen gleichzeitig versuchen, Synchronisationssignale zu senden. Folglich empfängt ein Empfänger mehrere Synchronisationssignale von verschiedenen Sendern zur selben Zeit. Der Empfänger kann nicht unterscheiden, welches Synchronisationssignal für ihn bestimmt ist, weil alle Synchronisationssignale dieselbe Form wie die in 3a dargestellte aufweisen. Die Wahrscheinlichkeit, dass sich der Empfänger mit dem falschen Sender synchronisiert oder sich überhaupt nicht synchronisiert, ist folglich hoch. Wenn zum Beispiel mehrere Sender Einheitsgradienten-Up-Chirps und -Down-Chirps senden, kann sich ein Empfänger, der nur nach Einheits-Up- und Einheits-Down-Chirps horcht, mit dem falschen Sender synchronisieren. Bei einem herkömmlichen System kann diese falsche Verbindung zum Beispiel durch Austauschen und Bestätigen von Adressen in einem zusätzlichen Header-Paket gelöst werden. In einem Chirp-Kommunikationssystem, bei dem Nachrichten typischerweise sehr kurz sind und Symbole mehrere Millisekunden lang sein können, verursacht dieses Overhead beim Austauschen von Header-Informationen jedoch erhöhte Latenz und zusätzliche spektrale Verunreinigung. Zusätzlich erfordert dieses Overhead beim Austausch von Header-Informationen mehr Verarbeitungs- und Sendeleistung.
Somit wird ein verbessertes Verfahren zum Synchronisieren von Chirp-Übermittlungen zwischen einem Sender und ein Empfänger benötigt, das sowohl Timing- als auch Frequenzsynchronisation in einem Mehrbenutzersystem erreicht und die Menge an zwischen Sender und Empfänger ausgetauschten zusätzlichen Informationen verringert.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zum Synchronisieren der Frequenz und des Timings eines Empfängers mit einem Synchronisations-Chirp-Signal von einem Sender bereitgestellt, umfassend: Empfangen des Synchronisations-Chirp-Signals, wobei das Synchronisations-Chirp-Signal eine Sequenz von Symbolen umfasst, wobei die Sequenz von Symbolen wenigstens ein erstes Symbol mit einem ersten Gradienten g₁ und ein zweites Symbol mit einem zweiten Gradienten g₂ umfasst, wobei die Beträge des ersten Gradienten und des zweiten Gradienten beide größer als Eins sind und der Betrag des ersten Gradienten von dem Betrag des zweiten Gradienten verschieden ist; Korrelieren der Sequenz empfangener Symbole mit erwarteten Symbolen, um eine Korrelatorausgabe zu bilden; Bestimmen von Timing- und Frequenzoffsets zwischen dem Sender und dem Empfänger aus der Korrelatorausgabe; und Justieren (bzw. Einstellen, Anpassen) des relativen Timings und der relativen Frequenz des Empfängers und des Synchronisationssignals um die bestimmten Timing- und Frequenzoffsets.
Geeigneterweise umfasst das Bestimmen der Timing- und Frequenzoffsets das Bestimmen von fraktionalen Timing- und Frequenzoffsets zwischen dem Sender und dem Empfänger.
Geeigneterweise umfasst jedes empfangene Symbol einen oder mehrere identische Chirps, wobei jeder Chirp N Abtastwerte aufweist, und das fraktionale Timing-Offset ist eine Funktion des Betrags der Korrelatorausgabe beim erwarteten ganzzahligen Timing-Offset und eine Funktion des Betrags der Korrelatorausgabe bei g Abtastwerten von dem erwarteten ganzzahligen Timing-Offset.
In diesem Kontext sind ganzzahlige Timing- und Frequenzoffsets typischerweise Messungen, die unter Verwendung nur der ganzen Abtastwert-(ganzzahligen)Position der größten Korrelationsspitze, wenn mit Fs Hz abgetastet wird, vorgenommen werden.
Geeigneterweise ist das fraktionale Timing-Offset eine Funktion des Betrags der Korrelatorausgabe bei dem erwarteten ganzzahligen Timing-Offset und eine Funktion des Betrags der Korrelatorausgabe bei g Abtastwerten vor dem erwarteten ganzzahligen Timing-Offset.
Geeigneterweise ist das fraktionale Timing-Offset eine Funktion des Betrags der Korrelatorausgabe bei dem erwarteten ganzzahligen Timing-Offset und eine Funktion des Betrags der Korrelatorausgabe bei g Abtastwerten nach dem erwarteten ganzzahligen Timing-Offset.
Geeigneterweise umfasst jedes empfangene Symbol einen oder mehrere identische Chirps, wobei jeder Chirp N Abtastwerte aufweist, und das fraktionale Frequenz-Offset ist eine Funktion des Betrags der Korrelatorausgabe bei dem erwarteten ganzzahligen Timing-Offset und eine Funktion des Betrags der Korrelatorausgabe bei einem Abtastwert von dem erwarteten ganzzahligen Timing-Offset.
Geeigneterweise ist das fraktionale Frequenz-Offset eine Funktion des Betrags der Korrelatorausgabe bei dem erwarteten ganzzahligen Timing-Offset und eine Funktion des Betrags der Korrelatorausgabe bei einem Abtastwert vor dem erwarteten ganzzahligen Timing-Offset.
Geeigneterweise ist das fraktionale Frequenz-Offset eine Funktion des Betrags der Korrelatorausgabe bei dem erwarteten ganzzahligen Timing-Offset und eine Funktion des Betrags der Korrelatorausgabe bei einem Abtastwert nach dem erwarteten ganzzahligen Timing-Offset.
Geeigneterweise umfasst das Bestimmen der Timing- und Frequenzoffsets das Bestimmen von ganzzahligen Timing- und Frequenzoffsets zwischen dem Sender und dem Empfänger.
Geeigneterweise umfasst das Verfahren das Bestimmen von ganzzahligen Timing- und Frequenzoffsets aus der Korrelatorspitzenposition des ersten Symbols und der Korrelatorspitzenposition des zweiten Symbols.
Geeigneterweise umfasst die Sequenz von Symbolen wenigstens das erste Symbol, das zweite Symbol und ein drittes Symbol mit einem dritten Gradienten g₃, wobei der Betrag des dritten Gradienten größer als Eins ist und der Betrag des dritten Gradienten von den Beträgen des ersten und zweiten Gradienten verschieden ist, und das Verfahren umfasst das Bestimmen von mehr als einer Menge von ganzzahligen Timing- und Frequenzoffsets zwischen dem Sender und dem Empfänger und das Justieren des relativen Timings und der relativen Frequenz des Empfängers und des Synchronisationssignals um die am häufigsten bestimmten Timing- und Frequenzoffsets.
Geeigneterweise umfasst der Schritt des Korrelierens das Korrelieren jedes empfangenen Symbols in der Sequenz empfangener Symbole mit einem erwarteten Symbol, das einen Gradienten aufweist, der mit dem erwarteten Gradienten des empfangenen Symbols übereinstimmt.
Geeigneterweise umfasst der Schritt des Korrelierens: Mischen des ersten Symbols mit einem erzeugten Symbol, das einen Gradienten 1 – g₁ aufweist, um ein erstes gemischtes Symbol zu bilden; Mischen des zweiten Symbols mit einem erzeugten Symbol, das einen Gradienten 1 – g₂ aufweist, um ein zweites gemischtes Symbol zu bilden; und Korrelieren sowohl des ersten gemischten Symbols als auch des zweiten gemischten Symbols mit einem Symbol, das einen Einheitsgradienten aufweist.
Geeigneterweise umfasst jedes Symbol wenigstens zwei identische Chirps.
Geeigneterweise umfasst das Verfahren vor dem Empfangen des Synchronisations-Chirp-Signals das Aushandeln der Gradienten der Symbole in dem Synchronisations-Chirp-Signal zwischen dem Sender und dem Empfänger.
Geeigneterweise umfasst das Verfahren ferner: Puffern der empfangenen Symbole; nach dem Schritt des Justierens des relativen Timings und der relativen Frequenz des Empfängers und des Synchronisationssignals Extrahieren der gepufferten empfangenen Symbole; Korrelieren der Sequenz gepufferter empfangener Symbole mit erwarteten Symbolen, um eine Korrelatorausgabe zu bilden; Bestimmen von Timing- und Frequenzoffsets zwischen dem Sender und dem Empfänger aus der Korrelatorausgabe; und Justieren des relativen Timings und der relativen Frequenz des Empfängers und des Synchronisationssignals um die bestimmten Timing- und Frequenzoffsets.
Geeigneterweise umfasst das Verfahren: Puffern der empfangenen Symbole; nach dem Schritt des Justierens des relativen Timings und der relativen Frequenz des Empfängers und des Synchronisationssignals, Extrahieren der gepufferten empfangenen Symbole; Anwenden von fraktionalen Zeitoffsets und fraktionalen Frequenzoffsets auf die extrahierten gepufferten empfangenen Symbole, um eine Menge von versetzten empfangenen Symbolen zu bilden; Korrelieren der Sequenz von versetzten empfangenen Symbolen mit erwarteten Symbolen, um eine Korrelatorausgabe zu bilden; Bestimmen von Timing- und Frequenzoffsets zwischen dem Sender und dem Empfänger aus der Korrelatorausgabe; und Justieren des relativen Timings und der relativen Frequenz des Empfängers und des Synchronisationssignals um die bestimmten Timing- und Frequenzoffsets.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Chirp-Empfänger bereitgestellt, der umfasst: eine Empfangseinheit, die ausgelegt ist, ein Synchronisations-Chirp-Signal zu empfangen, wobei das Synchronisations-Chirp-Signal eine Sequenz von Symbolen umfasst, wobei die Sequenz von Symbolen wenigstens ein erstes Symbol mit einem ersten Gradienten g₁ und ein zweites Symbol mit einem zweiten Gradienten g₂ umfasst, wobei die Beträge des ersten Gradienten und des zweiten Gradienten beide größer als Eins sind und der Betrag des ersten Gradienten von dem Betrag des zweiten Gradienten verschieden ist; einen Korrelator, der ausgelegt ist, die Sequenz empfangener Symbole mit erwarteten Symbolen zu korrelieren, um eine Korrelatorausgabe zu bilden; eine Bestimmungseinheit, die ausgelegt ist, Timing- und Frequenzoffsets zwischen dem Sender und dem Empfänger aus der Korrelatorausgabe zu bestimmen; und eine Justierungseinheit, die ausgelegt ist, das relative Timing und die relative Frequenz des Empfängers und des Synchronisationssignals um die bestimmten Timing- und Frequenzoffsets zu justieren.
Geeigneterweise ist die Bestimmungseinheit ausgelegt, fraktionale Timing- und Frequenzoffsets zwischen dem Sender und dem Empfänger zu bestimmen.
Geeigneterweise ist die Bestimmungseinheit ausgelegt, die ganzzahligen Timing- und Frequenzoffsets zwischen dem Sender und dem Empfänger zu bestimmen.
Geeigneterweise ist der Korrelator ausgelegt, jedes empfangene Symbol in der Sequenz empfangener Symbole mit einem erwarteten Symbol zu korrelieren, das einen Gradienten aufweist, der mit dem Gradienten des empfangenen Symbols übereinstimmt.
Geeigneterweise ist der Korrelator ausgelegt zum: Mischen des ersten Symbols mit einem erzeugten Symbol, das einen Gradienten 1 – g₁ aufweist, um ein erstes gemischtes Symbol zu bilden; Mischen des zweiten Symbols mit einem erzeugten Symbol, das einen Gradienten 1 – g₂ aufweist, um ein zweites gemischtes Symbol zu bilden; und Korrelieren sowohl des ersten gemischten Symbols als auch des zweiten gemischten Symbols mit einem Symbol, das einen Einheitsgradienten aufweist.
Geeigneterweise umfasst der Empfänger ferner einen Prozessor, der ausgelegt ist, die Gradienten der Symbole in dem Synchronisations-Chirp-Signal zwischen dem Sender und dem Empfänger auszuhandeln.
Geeigneterweise umfasst der Empfänger ferner einen Puffer, der ausgelegt ist, die empfangenen Symbole zu puffern.
Geeigneterweise umfasst der Empfänger ferner einen Puffer, der ausgelegt ist, die empfangenen Symbole zu puffern; einen Linearinterpolator, der ausgelegt ist, fraktionale Zeitoffsets auf die gepufferten empfangenen Symbole anzuwenden; und einen Mischer, der ausgelegt ist, ein fraktionales Frequenzoffset auf die gepufferten empfangenen Symbole anzuwenden.
Die folgende Offenbarung wird nun anhand von Beispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 eine Sequenz von Chirps in der Frequenz-Zeit-Ebene;
2 einen Chirp mit einem Gradienten von 2 in der Frequenz-Zeit-Ebene;
3a und 3b ein bekanntes Synchronisationssignal und -verfahren;
4 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Synchronisieren eines Chirp-Empfängers mit einem von einem Chirp-Sender empfangenen Synchronisationssignal;
5 eine Korrelatorausgabe;
6 fraktionale Timing-Offsets verschiedener Korrelatorausgaben;
7 ein Schaltbild eines Chirp-Empfängers; und
8 einen beispielhaften Korrelator.
Die folgende Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Synchronisieren eines Empfängers mit einem Sender für Chirp-Übermittlungen. Jedes Symbol eines Chirp-Signals weist eine Vielzahl konfigurierbarer Eigenschaften auf, von denen eine sein Gradient ist. Ein Synchronisationssignal wird von dem Sender zu dem Empfänger gesendet. Das Synchronisationssignal umfasst wenigstens zwei Symbole, die Gradienten mit verschiedenen Beträgen aufweisen. Vorzugsweise wird die Sequenz von Gradienten in dem Synchronisationssignal im Voraus zwischen dem Sender und dem Empfänger vereinbart. Der Empfänger empfängt das Synchronisationssignal und korreliert es mit einem erwarteten Synchronisationssignal. Der Empfänger bestimmt die Timing- und Frequenzoffsets zwischen dem Sender und dem Empfänger aus der Korrelatorausgabe und justiert das relative Timing und die relative Frequenz des Empfängers und des Synchronisationssignals um die bestimmten Offsets. Verschiedene Mengen von Sendern und Empfängern in dem System vereinbaren im Voraus verschiedene Sequenzen von Gradienten für die Synchronisationssignale. Geeigneterweise benutzen Ausstrahlungssender öffentlich bekannte Synchronisationssequenzen, mit denen sich jeder Empfänger synchronisieren und die er anhören kann. Deshalb ist ein Empfänger in der Lage, schnell zu bestimmen, ob ein Synchronisationssignal für ihn bestimmt ist, indem bestimmt wird, ob das Signal die erwartete Gradientensequenz aufweist. Wenn andere Benutzer andere Gradienten-Chirps in demselben Hochfrequenzband zur selben Zeit wie ein erwünschter Sender senden, kann sich ein Empfänger mit dem erwünschten Sender synchronisieren, weil der Korrelationsprozess die erwartete Gradientensequenz verstärkt und unerwünschte Gradientensequenzen unterdrückt. Die durch Synchronisationssignale, die mit anderen Benutzern in dem System assoziiert sind, verursachten Störungen werden somit wesentlich verringert, wodurch mehrere Empfänger in demselben System Frequenz- und Timingsynchronisation erzielen können. Der Prozess wird in den folgenden Beispielen ausführlicher beschrieben.
Wie zuvor beschrieben, kann ein Chirp in dem Chirp-Signal durch eine Sequenz von N Abtastwerten dargestellt werden. Ein oder mehrere identische zusammenhängende Chirps können ein Symbol bilden, das einen zu übermittelnden Datenwert darstellt. Mathematisch kann ein Chirp-Signal folgendermaßen dargestellt werden:
Dabei ist g der Gradient des Chirp, N die Anzahl der Abtastwerte in der Sequenz, n ein Abtastwert in der Sequenz, p ein Symbolwert, fn(p) eine Funktion, die p auf den empfangenen Chirp kodiert, der implizit auch eine Funktion von g, n, N und anderen Konstanten sein kann, und C ist die empfangene Chirp-Sequenz, die normalerweise für alle ganzzahligen Werte von n von 0 bis zur Ordnung N – 1 ausgewertet wird. Die Anzahl gültiger Werte von p ist die Symbolmengengröße, die nominal N ist. Die Symbolmengengröße kann jedoch abhängig von der Qualität der Strecke größer oder kleiner als N sein. Der Wert von g kann einen beliebigen Wert von größer als 0 und kleiner als N aufweisen. Vorzugsweise ist g eine ganze Zahl zwischen 1 und N – 1. Aufgrund der modularen Beschaffenheit dieses Ausdrucks werden von N – 1 rückwärts negative Gradienten erhalten. Daher ist N – 2 einem negativen Gradienten von –2 äquivalent. Wenn es mehr als einen identischen zusammenhängenden Chirp in einem Symbol gibt, übermittelt jeder Chirp einzeln denselben Wert, der der Symbolwert des Symbols ist.
Bei dem hier beschriebenen Synchronisationsverfahren erzeugt ein Sender ein Synchronisationssignal, das eine Sequenz von Symbolen umfasst. Jedes Symbol umfasst einen oder mehrere identische Chirps. Vorzugsweise umfasst jedes Symbol zwei oder mehr identische Chirps. Die Chirps werden gemäß Gleichung 1 erzeugt. Der Symbolwert p des Chirps aus Gleichung 1 ist sowohl dem Sender als auch dem Empfänger bekannt und ist typischerweise null. Vorzugsweise vereinbaren vor dem Erzeugen des Synchronisationssignals im Sender der Sender und der Empfänger im Voraus eine Menge von zwei oder mehr Symbolgradienten zur Verwendung in dem Synchronisationssignal. Geeigneterweise handeln der Sender und der Empfänger diese Gradienten aus. Als Alternative können die Gradienten öffentlich bekannt oder privat bekannt sein. Geeigneterweise handeln der Sender und der Empfänger auch andere konfigurierbare Eigenschaften des Signals aus, zum Beispiel die Bandbreite jedes Symbols, die Mittenfrequenz jedes Symbols, wie oft ein Chirp in einem Symbol wiederholt wird und die Anzahl der Abtastwerte N in jedem Chirp. Die Beträge der im Voraus vereinbarten Gradienten sind größer als Eins. Vorzugsweise sind die Beträge der im Voraus vereinbarten Gradienten kleiner als N. Typischerweise sind die Gradienten größer als Zwei. Die Beträge von wenigstens zwei der im Voraus vereinbarten Gradienten sind verschieden. Vorzugsweise umfasst das Synchronisationssignal mehr als zwei Symbole, und der Betrag des Symbolgradienten jedes Symbols ist von dem Betrag des Symbolgradienten eines anderen Symbols verschieden. Der Sender sendet das erzeugte Synchronisationssignal zum Empfänger.
Ein Empfänger, der beabsichtigt, einem bestimmten Sender zuzuhören, ist ausgelegt, nach der Sequenz erwünschter Chirp-Gradienten von diesem Sender zu horchen. Diese Sequenz kann wenig häufig auftreten. Geeigneterweise horcht der Empfänger somit kontinuierlich. Der Empfänger füllt seinen Empfangspuffer mit Funkabtastwerten, die in Bezug auf Länge einem gesamten Chirp äquivalent sind. Da das Timing unbekannt ist, kann der Empfangspuffer eine beliebige der folgenden Alternativen oder eine Kombination davon enthalten:

1) Funkrauschen, falls der Sender ausgeschaltet ist.
2) Einen Chirp von dem erwünschten Sender, aber mit dem falschen Gradienten. Dazu kann es zum Beispiel kommen, weil der Sender sich gerade mitten in einer vorherigen Übertragung befindet.
3) Teilweise Funkrauschen und teilweise einen erwünschten Chirp (während sich der Sender einschaltet).
4) Teilweise einen erwünschten Chirp und teilweise einen nachfolgenden Chirp mit einem anderen Gradienten.
5) Einen vollständigen Chirp mit dem erwünschten Gradienten.

Um sich zu synchronisieren, empfängt der Empfänger geeigneterweise einen vollständigen Chirp mit demselben und erwünschten Gradienten. Vorzugsweise sendet der Sender zwei oder mehr identische und zusammenhängende Chirps. Somit detektiert der Empfänger einen vollständigen Chirp auch in diesem unsynchronisierten Zustand. Wenn weniger als zwei Chirps gesendet werden oder wenn nur ein teilweiser Chirp empfangen wird, kann Korrelation möglich sein, ist aber weniger empfindlich.
Es wird nun auf 4 verwiesen. In der die betreffenden Schritte eines Verfahrens zum Synchronisieren eines Empfängers mit einem empfangenen Synchronisationssignal der in den vorausgehenden Abschnitten beschriebenen Form dargestellt sind. Im Schritt 400 korreliert der Empfänger die empfangenen Symbole in dem Synchronisationssignal mit den erwarteten Symbolen. Vorzugweise wird diese Korrelation durchgeführt, indem zuerst jeder empfangene Chirp C(g) mit einem erzeugten Chirp C(1 – g) multipliziert wird, der einen Gradienten von 1 minus dem Gradienten des empfangenen Chirps aufweist, um so zu einem multiplizierten Chirp zu führen, der einen Einheitsgradienten aufweist. Geeigneterweise wird dann jeder multiplizierte Chirp in der resultierenden Sequenz multiplizierter Chirps mit einem erzeugten Chirp korreliert, der einen Einheitsgradienten aufweist. Als Alternative wird die Korrelation durchgeführt, indem jeder empfangene Chirp mit einem erwarteten Chirp korreliert wird, der einen Gradienten aufweist, der mit dem Gradienten des empfangenen Chirps übereinstimmt. Vorzugsweise ist dieser erwartete Chirp eine Konjugation des empfangenen Chirps. Vorzugweise ist der Korrelator ein zyklischer Korrelator. Der Korrelator führt eine Korrelation zwischen dem erzeugten Einheitschirp und N zyklischen Phasen des multiplizierten Chirps (oder empfangenen Chirps) durch, wodurch N Ausgaben erzeugt werden. N ist die Anzahl der Abtastwerte in einem Chirp. Der Korrelator gibt eine starke Korrelationsspitze aus, wenn die zyklische Phase des multiplizierten Chirps (oder empfangenen Chirps) mit der des erzeugten Einheitschirps übereinstimmt, und kleinere Werte an anderen Positionen.
Im Schritt 401 bestimmt der Empfänger, ob der Empfänger die zwei oder mehr Chirps mit erwünschten Gradienten korrekt identifiziert hat. Hierzu schätzt er den Rauschabstand der Korrelatorausgangsspitze und vergleicht ihn mit einer Schwelle. Wenn die Schwelle nicht überschritten wird, kann Schritt 400 wiederholt werden. Wenn die Schwelle überschritten wird, geht das Verfahren zu Schritt 402 über. Geeigneterweise versucht der Empfänger eine Synchronisation, wenn mehr als zwei Symbole in der Synchronisationssequenz vorliegen und eine oder mehrere der Korrelatorspitzen einen geschätzten Rauschabstand aufweist, der unter der Schwelle liegt, und zwei oder mehr der Korrelatorspitzen einen geschätzten Rauschabstand aufweisen, der über der Schwelle liegt. Der Grund dafür besteht darin, dass ausreichende Informationen vorliegen können, um voranzuschreiten. Zum Beispiel kann ein Chirp durch eine Bluetooth-Übertragung verfälscht worden sein, aber die anderen Chirps können annehmbar sein.
Im Schritt 402 bestimmt der Empfänger Timing- und Frequenzoffsets zwischen dem Sender und dem Empfänger durch Analysieren der Korrelatorausgabe. Zum Beispiel analysiert der Empfänger die Position der größten Spitze und die Beträge spezifischer Nachbarn, die nachfolgend definiert werden. Geeigneterweise sind diese Offsets ganzzahlige Offsets. Als Alternative sind diese Offsets fraktionale Offsets. Vorzugsweise sind diese Offsets sowohl ganzzahlige als auch fraktionale Offsets.
5 zeigt eine Korrelatorausgabe. Die Position der Korrelationsspitze in Abtastwerten i für ein Symbol n ist Funktion des ganzzahligen Timing-Offsets und des ganzzahligen Frequenz-Offsets. Vorzugsweise wird das empfangene Signal zuerst mit der Konjugation eines Chirps mit dem Gradienten g_n – 1 multipliziert und dann zyklisch mit der Konjugation eines Einheitsgradientenchirps korreliert. In diesem Fall wird die erwartete ganzzahlige Position der Korrelatorspitzenausgabe für das n-te Symbol i_n gegeben durch: i_n = g_n⌊t⌋ – ⌊f⌋(modN) (Gleichung 4)
Dabei ist g_n der Gradient des n-ten Symbols und ⌊t⌋ ist das ganzzahlige Timing-Offset in Abtastwerten und ⌊f⌋ ist das ganzzahlige Frequenzoffset, ausgedrückt in Abtastwerten, wobei ein Abtastwert Fs/N Hz äquivalent ist und wobei N die Anzahl der Abtastwerte in einen Chirp ist und wobei Fs die Abtastrate in Hz ist. Der Empfänger bestimmt die ganzzahligen Timing- und Frequenzoffsets durch Analysieren der Korrelatorspitzenpositionen von wenigstens zwei empfangenen Symbolen, die Gradienten mit verschiedenen Beträgen aufweisen.
Für die erste Korrelationsspitze des ersten Symbols gilt: i₁ = g₁⌊t⌋ – ⌊f⌋(mod) (Gleichung 5)
Für die zweite Korrelationsspitze des zweiten Symbols gilt: i₂ = g₂⌊t⌋ – ⌊f⌋(modN) (Gleichung 6)
Folglich gilt ⌊t⌋ = (i₁ – i₂)(g₁ – g₂)^–1(modN) (Gleichung 7) ⌊f⌋ = g₁⌊t⌋ –i₁(modN) (Gleichung 8)
In Umgebungen mit niedrigem Signalpegel oder bei Anwesenheit von Störungen kann die Spitzenposition falsch bestimmt werden. Dies könnte zu einer unkorrekten Synchronisation führen.
Geeigneterweise werden mehr als zwei Symbole mit verschiedenen Gradienten gesendet. Dies verbessert die Synchronisationsrobustheit wie folgt. Für jedes weitere Symbol n wird die Korrelationsspitze durch Gleichung 4 gegeben. Paare von simultanen Gleichungen 4 werden gelöst, um eine Menge von Schätzungen des ganzzahligen Offsets sowohl für Zeit als auch für Frequenz zu erhalten. Unter guten Signalbedingungen sind alle Schätzungen des ganzzahligen Zeitoffsets gleich und alle Schätzungen des ganzzahligen Frequenzoffsets sind gleich. Unter schlechten Signalbedingungen können jedoch eines oder mehrere der Symbole entweder durch Rauschen oder durch Störungen verfälscht sein. In diesem Fall können bestimmte der Spitzenpositionen falsch sein und daher können die Schätzungen des ganzzahligen Zeit- und Frequenzoffsets falsch sein. In diesem Fall werden die Schätzungen des ganzzahligen Zeit- und Frequenzoffsets ausgewählt, die am häufigsten auftreten. Somit können fehlende oder verfälschte Symbole gemindert werden. Geeigneterweise wird das Verhältnis der Anzahl von Malen, wie oft die häufigsten Schätzungen des ganzzahligen Zeit- und Frequenzoffsets erhalten werden, zu der Anzahl von Malen, wie oft andere Offsetschätzungen erhalten werden, als Maß für die Konfidenz bei der Synchronisationsprozedur verwendet.
Geeigneterweise werden mehr als zwei Chirps pro Symbol gesendet. Vorzugsweise sind die Chirps eines Symbols identisch. Dies verbessert die Synchronistionsempfindlichkeit wie folgt. Aufeinanderfolgende Korrelatorausgaben werden unter Verwendung eines Filters gemittelt. Geeigneterweise ist das Filter entweder ein FIR- oder ein IIR-Filter. Geeigneterweise werden die Ergebnisse kohärent kombiniert. Als Alternative werden die Ergebnisse nicht kohärent aus den Absolutwerten der Korrelatorausgaben kombiniert. Vorzugsweise wird kohärente Integration angewandt, wenn das Frequenzoffset unter einem Schwellenwert liegt. Vorzugsweise wird nicht kohärente Integration angewandt, wenn das Frequenzoffset über einem Schwellenwert liegt. Während mehrere identische Chirps das Mittelungsfilter durchlaufen, nimmt der Betrag der Spitzen in sukzessiven Korrelatorausgaben auf ein Maximum zu, bevor er auf ein Minimum zwischen Symbolen abfällt. Es wird die Korrelatorausgabemenge ausgewählt, die die maximale Spitze enthält. Somit werden der Rauschabstand und daher die Empfindlichkeit der Synchronisationsprozedur vergrößert.
Das fraktionale Timing-Offset ist Funktion des Betrags der Korrelatorausgabe bei: dem erwarteten ganzzahligen Timing-Offset; g Abtastwerten vor dem erwarteten ganzzahligen Timing-Offset; und g Abtastwerten nach dem erwarteten ganzzahligen Timing-Offset (wobei g der Gradient des empfangenen Symbols ist). 6a, 6b und 6c veranschaulichen dieses Konzept. In 6 beträgt das erwartete ganzzahlige Timing-Offset 5,0. In 6a beträgt das tatsächliche Timing-Offset 5,0. In 6b beträgt das tatsächliche Timing-Offset 5,3. In 6c beträgt das tatsächliche Timing-Offset 4,7. Der Betrag der Korrelatorausgabe an der Abtastwertposition, die dem Timing-Offset 5,0 entspricht (in den Figuren durch A dargestellt) und der Betrag der Korrelatorausgabe g Abtastwerte zu jeder Seite dieser Abtastwertposition (in den Figuren durch B und C dargestellt) werden aufgezeichnet. Mathematisch gilt: A = c[i_n] (Gleichung 9) B = c[i_n – g_n(modN)] (Gleichung 10) C = c[i_n + g_n(modN)] (Gleichung 11)
Dabei ist c[0] der erste Abtastwert in der Korrelatorausgabe. Die tatsächliche Korrelationsspitzenposition innerhalb dieser 2g Abtastwerte (und daher das fraktionale Timing-Offset) wird durch Einsetzen der aufgezeichneten Werte A, B und C in eine Gleichung, die das Profil der Korrelatorausgabe in der Umgebung der Spitzenposition beschreibt, geschätzt. Das Profil der Korrelationsspitze wird durch ein geeignetes Modell beschrieben. Die Wahl des Modells richtet sich nach der verfügbaren Verarbeitungsleistung und der gewünschten Genauigkeit. Zum Beispiel ist ein Modell, das relativ niedrige Leistung aufweist, aber auch relativ annähernd ist, eine Dreieckfunktion. Ein Modell mit höherer Leistung, das aber genauer ist, basiert auf einer Sinc-Funktion. Ein noch genaueres Modell berücksichtigt die Gesamtkanalantwort zwischen dem Sender und dem Empfänger.
Ähnlich ist das fraktionale Frequenzoffset Funktion des Betrags der Korrelatorausgabe bei: dem erwarteten ganzzahligen Timing-Offset (A); 1 Abtastwert vor dem erwarteten ganzzahligen Timing-Offset (D); und 1 Abtastwert nach dem erwarteten ganzzahligen Timing-Offset (E). Mathematisch gilt A = c[i_n] (Gleichung 9) D = c[i_n – 1(modN)] (Gleichung 12) E = c[i_n + 1(modN)] (Gleichung 13)
Die tatsächliche Korrelationsspitzenposition (und daher das fraktionale Frequenzoffset) innerhalb dieser zwei Abtastwerte wird durch Einsetzen der aufgezeichneten Werte A, D und E in eine Gleichung, die das Profil der Korrelatorausgabe in der Umgebung der Spitzenposition beschreibt, geschätzt. Das Profil der Korrelationsspitze wird durch ein geeignetes Modell beschrieben. Die Wahl des Modells richtet sich nach der verfügbaren Verarbeitungsleistung und der gewünschten Genauigkeit. Zum Beispiel ist ein Modell mit relativ niedriger Leistung, das aber auch relativ annähernd ist, eine Dreieckfunktion. Ein Modell mit höherer Leistung, das aber genauer ist, basiert auf einer Sinc-Funktion.
Die Kombination des ganzzahligen und fraktionalen Timing-Offsets ergibt ein Gesamtzeitoffset. Ähnlich ergibt die Kombination des ganzzahligen und fraktionalen Frequenzoffsets ein Gesamtfrequenzoffset. Im Schritt 404 in 4 werden das relative Timing und die relative Frequenz des Empfängers und des Synchronisationssignals um die bestimmten Offsets justiert. Geeigneterweise werden das relative Timing und die relative Frequenz des Empfängers und des Synchronisationssignals sowohl für das ganzzahlige als auch das fraktionale Offset justiert. Als Alternative werden das relative Timing und die relative Frequenz des Empfängers und des Synchronisationssignals nur für das ganzzahlige Offset justiert.
Wenn im Schritt 400 die Korrelation durch Korrelieren jedes empfangenen Chirp mit einer Konjugation des empfangenen Chirps durchgeführt wird, dann wird die erwartete ganzzahlige Position der Korrelatorspitzenausgabe für das n-te Symbol i_n gegeben durch: i_n = ⌊t⌋ – g_n⌊f⌋(modN) (Gleichung 14)
Die Gleichungen 5 bis 13 werden ähnlich modifiziert. Als Alternative kann im Schritt 400 das empfangene Signal mit einem Gradienten von g_n mit der Konjugation eines Chirps mit einem Gradienten g_a multipliziert werden, wobei 1 < |g_a| < N ist, und dann zyklisch mit der Konjugation eines Chirps mit einem Gradienten von g_n – g_a korreliert werden.
Es wird nun auf 7 verwiesen, einem Schaltbild der beispielhaften Komponenten eines Chirp-Empfängers zum Implementieren des hier beschriebenen Synchronisationsverfahrens. 7 umfasst weitere Komponenten, die nicht unbedingt erforderlich sind, um das hier beschriebene Synchronisationsverfahren zu implementieren.
Ein Chirp-Synchronisationssignal, das wenigstens zwei Symbole umfasst, wird in dem Chirp-Empfänger empfangen und die Abtastwerte eines empfangenen Chirps des Chirp-Signals werden in das Puffermodul 700 eingegeben. Geeigneterweise umfasst das Puffermodul 700 zwei Puffer. Dadurch kann ein Eingangspuffer Abtastwerte empfangen, während der Ausgangspuffer gelesen wird. Wenn der Eingangspuffer voll wird, werden die zwei Puffer übergewechselt, so dass Eingangsabtastwerte ohne Verlust weiter abgetastet und gespeichert werden können. Der Ausgangspuffer kann mehrmals gelesen werden. Mit entsprechend schnellen digitalen Verarbeitungstaktraten können diese Puffer ein Mittel zum Decodieren und Verfolgen von empfangenen Chirps in Echtzeit bereitstellen.
Die von dem Puffermodul 700 ausgegebenen empfangenen Chirp-Abtastwerte werden in die Justierungseinheit 732 eingegeben, die später beschrieben wird. Die von der Justierungseinheit 732 ausgegebenen Chirp-Abtastwerte werden in den Chirp-Multiplizierer 708 eingegeben. Unter der Kontrolle des Prozessors 712 erzeugt der Chirp-Generator 710 einen Referenz-Chirp, der einen Gradienten g' aufweist, der um einen festen Wert v von dem erwarteten Gradienten g des von dem Puffermodul 700 ausgegebenen Chirp verschieden ist. Vorzugsweise beträgt dieser feste Wert 1. Vorzugsweise ist g' = –1 – g. Vorzugsweise weist der Referenz-Chirp dieselbe Anzahl von Abtastwerten in einem Chirp N, dieselbe Abtastrate (Bandbreite) und Mittenfrequenz wie die, von der der Empfänger erwartet, dass sie der von dem Puffermodul 700 ausgegeben Chirp aufweist.
Vor dem Empfang des Synchronisationssignals im Empfänger vereinbart der Prozessor 712 im Voraus die Gradienten der Symbole in dem Synchronisationssignal mit dem Sender des Synchronisationssignals. Daher kann der Prozessor den Chirp-Generator steuern, Chirps zu erzeugen, die wie beschrieben mit den empfangenen Chirps in Beziehung stehen.
Geeigneterweise multipliziert der Chirp-Multiplizierer 708 den empfangenen Chirp mit der Konjugation des durch den Chirp-Generator 710 erzeugten Referenz-Chirp. Der von dem Chirp-Multiplizierer 708 ausgegebene multiplizierte Chirp wird in den Quantisierer 714 eingegeben. Die Ausgabe des Quantisierers wird in den Korrelator 716 eingegeben.
Geeigneterweise korreliert der Korrelator 716 den multiplizierten Chirp mit einer Konjugation des festen Korrelationschirp. Der feste Korrelationschirp weist einen Gradienten auf, der gleich dem festen Wert v ist. Der feste Korrelationschirp wird in dem Speicher 718 gespeichert. Vorzugweise weist der feste Korrelationschirp einen Einheitsgradienten auf. 8 zeigt ein ausführlicheres Diagramm eines beispielhaften Korrelators 716. Die N Abtastwerte des von dem Chirp-Multiplizierer 708 ausgegebenen multiplizierten Chirp-Signals werden zuerst in das N-stufige zirkulare Schieberegister 802 geladen. Das Festgradienten-Korrelationschirpsignal besteht aus einem Chirp von N Abtastwerten, die in das Korrelationschirpmodul 808 vorgeladen werden. Der Verschiebungszähler 804 wird mit der Anzahl der Verschiebungen und daher der Anzahl der Ausgaben des Korrelators 716 vorgeladen. Während des Normalbetriebs wird der Verschiebungszähler 804 mit N vorgeladen, wenn aber reduzierte Symbolalphabete verwendet werden oder wenn N nicht prim ist, könnte der Verschiebungszähler 804 kleiner als N sein. Der Korrelator 716 umfasst N komplexe Multiplizierer 806, die jeweils eine komplexe Eingabe von den Abtastwerten des N-stufigen zirkularen Schieberegisters 802 und die entsprechende komplexe Eingabe aus dem Korrelationschirpmodul 808 nehmen. Die Ausgabe der N komplexen Multiplizierer wird dann in dem Addierer 810 summiert, um einen einzigen komplexen Korrelatorabtastwert zu ergeben, der von dem Korrelator 716 ausgegeben wird. Für jede sukzessive Korrelation rotiert das N-stufige zirkulare Schieberegister 802 um Eins. Wenn der Abtastwert am Anfang des N-stufigen zirkularen Schieberegisters für eine Korrelation s ist, dann ist der Abtastwert am Anfang des N-stufigen zirkularen Registers für die nächste Korrelation s – 1. Auf diese Weise führt der Korrelator eine Korrelation zwischen dem Festgradienten-Korrelationschirp und N zyklischen Phasen des multiplizierten Chirps durch, wodurch N Ausgaben erzeugt werden. Wenn der empfangene Chirp, der Referenzchirp und der feste Korrelationschirp Gradienten dergestalt aufweisen, dass g' ≠ v – g gilt, gibt der Korrelator für alle zyklischen Phasen kleine Werte aus. Dies ist der Fall, wenn der Chirp-Empfänger nicht dafür konfiguriert ist, das Chirp-Signal korrekt zu empfangen. Wenn der empfangene Chirp, der Referenzchirp und der feste Korrelationschirp Gradienten dergestalt aufweisen, dass g' = v – g gilt, gibt der Korrelator eine starke Korrelationsspitze aus, wenn die zyklische Phase des multiplizierten Chirps mit der des Festgradienten-Korrelationschirps übereinstimmt, und an anderen Positionen kleinere Werte.
Bei einer alternativen Implementierung werden die empfangenen Chirps nicht mit Referenzchirps gemischt, um Chirps zu bilden, die einen Einheitsgradienten aufweisen. Bei dieser alternativen Implementierung wird jeder empfangene Chirp mit einem Korrelationschirp korreliert, der einen Gradienten aufweist, der mit dem erwarteten Gradienten des empfangenen Chirps übereinstimmt.
Geeigneterweise wird die Ausgabe des Korrelators 716 in die Puffer 720 eingegeben. Wenn ein empfangenes Symbol eine Vielzahl identischer Chirps umfasst, wird die Korrelatorausgabe für jeden bestandteiligen Chirp in den Puffern 720 gespeichert. Die Korrelatorausgaben der identischen Chirps werden dann in dem kohärenten Integrierer 722 kohärent integriert.
Geeigneterweise wird die Ausgabe der Puffer 720 in ein Absolutwertmodul 724 eingegeben. Das Absolutwertmodul gibt den Betrag des von dem Korrelator 716 eingegebenen komplexen Signals zurück. Die Ausgabe des Absolutwertmoduls 724 wird in weitere Puffer 726 eingegeben. Das Spitzenlokalisierermodul 728 detektiert dann die Position der Korrelationsspitzen und führt die hier beschriebene Bestimmung der Frequenz- und Zeitoffsets durch. In dem nichtkohärenten Integrierer 730 wird nicht kohärente Integration durchgeführt.
Geeigneterweise wird der Linearinterpolierer 706 in der Justierungseinheit 732 verwendet, um das fraktionale Timing-Offset zu korrigieren, während der Rest des Synchronisationssignals immer noch empfangen wird. Der Interpolator erreicht dies durch Justieren der Phase des Interpolators. Geeigneterweise wird der Frequenzmischer 702 in der Justierungseinheit 732 verwendet, um das fraktionale Frequenzoffset zu korrigieren, während der Rest des Synchronisationssignals immer noch empfangen wird. Folglich werden die empfangenen Chirps nach dem ersten Chirp in Bezug auf die fraktionalen Offsets korrigiert, bevor sie korreliert werden. Dies ermöglicht eine genauere nachfolgende Bestimmung der Timing- und Frequenzoffsets.
Das mit dem beschriebenen Ansatz erhaltene Timing ist modulo N Abtastwerte. Das bedeutet, dass, wenn jedes Symbol R Chirps aufweist, es mehrdeutig ist, auf welchen der R Chirps sich das Timing-Offset bezieht. Geeigneterweise werden die empfangenen Symbole des empfangenen Synchronisationssignals in dem Puffer 700 gespeichert. Eine erste Bestimmung der ganzzahligen Timing- und Frequenzoffsets erfolgt nach der Analyse der ersten zwei Symbole des Synchronisations-Chirps. Geeigneterweise werden die gepufferten Symbole dann von dem Puffer ein zweites Mal ausgegeben. Timing und Frequenz der gepufferten Symbole werden durch die Justierungseinheit 732 wie zuvor beschrieben justiert. Die gepufferten Symbole werden dann in dem Korrelator 716 wie zuvor beschrieben korreliert. Das Ende eines Symbols und der Anfang des nächsten ist aus der Korrelatorausgabe detektierbar. Anstatt die empfangenen Symbole zu speichern und sie ein zweites Mal von dem Puffer auszugeben, kann ein längeres Synchronisationssignal verwendet werden. In diesem Fall werden die Offsets nach zwei Symbolen bestimmt und auf das dritte und weitere Symbole in dem Synchronisationssignal angewandt. Die Chirps des dritten Symbols und bestimmte Chirps des zweiten und vierten Symbols werden alle mit einem erzeugten Chirp multipliziert, der einen Gradienten von 1 minus dem erwarteten Gradienten des dritten Symbols aufweist. Bei dieser nachfolgenden Korrelation sind die Chirps, die das dritte Symbol bilden, identifizierbar, da sie die höchsten Korrelationsspitzen ergeben. Folglich wurde der Anfang des Symbols identifiziert.
Die Analyse von dritten und weiteren Symbolen in dem Synchronisationssignal ermöglicht es dem Empfänger, die fraktionalen Timing- und Frequenzoffsets genauer zu bestimmen.
Wenn das empfangene Signal Timing- und Frequenzoffsets aufweist, die nicht exakte ganze Zahlen sind, wird die Größe des Hauptspitzenbetrags reduziert. Im ungünstigsten Fall könnten die fraktionalen Frequenz- und Timing-Offsets 0,5 betragen und der Signalpegel würde sich auf 0,25 seines Maximalpegels reduzieren. Dies reduziert die Empfindlichkeit des Empfängers gegenüber dem empfangenen Signal. Geeigneterweise werden die empfangenen Symbole des Synchronisationssignals in dem Puffer 700 gepuffert und werden nach einer ersten Bestimmung der Timing- und Frequenzoffsets wieder ausgegeben. Auf die gepufferten Chirps werden unter Verwendung des Interpolators 706 fraktionale Timing-Offsets angewandt. Fraktionale Frequenzoffsets werden unter Verwendung des Mischers 702 auf die gepufferten Chirps angewandt. Geeigneterweise wird eine Vielzahl von Kombinationen von fraktionalen Timing- und Frequenzoffsets auf die gepufferten Chirps angewandt, und jede dieser Kombinationen wird dann weiterhin wie zuvor beschrieben mit einem erzeugten Chirp gemischt und korreliert. Die Kombination von fraktionalen Offsets, die die größte Korrelationsspitze ergibt, wird als das fraktionale Offset angebend ausgewählt. Auf der Basis dieser Messungen wird die weitere Justierung des relativen Timings und der relativen Frequenz des Empfängers und des empfangenen Signals durchgeführt. Dieser Ansatz vergrößert die Empfindlichkeit des Empfängers während der Synchronisation.
Typischerweise liegt der Fehler der Kristalle in dem Sender und dem Empfänger in der Größenordnung von 50 ppm oder mehr. Um die Empfindlichkeit zu verbessern und Störungen anderer Benutzer zu verringern, ist es wünschenswert, die zur Synchronisation benutzte Bandbreite zu minimieren. Dies führt jedoch zu einer Situation, bei der die Fehler in der Frequenz des Signals größer als die Bandbreite des Signals sein können. Geeigneterweise werden die Daten aus dem Empfänger überabgetastet, um die Unbestimmtheit der Frequenz des empfangenen Signals zu erlauben. Zum Beispiel beträgt die Abtastrate in den Puffer geeigneterweise 400 kHz, während die Chirp-Abtastrate 100 kHz beträgt. In diesem Fall kann das 400-kHz-Signal sieben Mal gelesen werden, um den Frequenzunbestimmtheitsbereich von –150 bis +150 kHz in Schritten von 50 kHz abzudecken. Die überabgetasteten Daten werden in Puffern 700 gespeichert. Die Ausgabe der Puffer wird von jeder einer Vielzahl von in Frage kommenden Frequenzoffsets in dem Mischer 702 auf Gleichstrom herabgemischt. Beliebige dieser in Frage kommenden Frequenzoffsets können das Synchronisationssignal umfassen. Die Daten werden dann in dem Tiefpassfilter 704 gefiltert und dann unter Verwendung des Interpolators 706 abgetastet, um ein Chirp-Raten-Basisbandsignal zu ergeben. Dieser Prozess wird für jedes der in Frage kommenden Frequenzoffsets wiederholt. Das hier beschriebene Synchronisationsverfahren wird für jedes dieser in Frage kommenden Frequenzoffsets ausgeführt. Das in Frage kommende Frequenzoffset, das die größte Korrelatorspitzenausgabe ergibt, wird unter Verwendung der oben beschriebenen Techniken zu dem Ergebnis der Frequenzschätzung addiert. Dies ergibt das Gesamtfrequenzoffset des empfangenen Signals. Nachdem die in Frage kommende Frequenz ermittelt wurde, können nachfolgende Teile des Synchronisationssignals und der Rest der Nachricht mit der niedrigeren Basisband-Chirp-Rate beschafft werden, indem die Frequenz des Signals in den Puffer justiert und es mit einer niedrigeren Rate abgetastet wird. Dies verbessert die Leistungsperformance des Empfängers.
7 zeigt ein Schaltbild mit beispielhaften Komponenten eines Empfängers gemäß dem hier beschriebenen Verfahren. Diese Figur zeigt das Layout des Empfängers über Funktionskästen ausgedrückt. Die Operationen eines oder mehrerer dieser Funktionskästen können kombiniert werden. Es versteht sich, dass diese Figur die herkömmlichen Komponenten eines Empfängers, die Fachleuten bekannt sind, nicht zeigt.
In einem speziellen Beispiel umfasst das empfangene Synchronisations-Chirp-Signal Chirps, wobei jeder Chirp durch einen Zadoff-Chu-Code beschrieben wird. Geeigneterweise weisen zusammenhängende Symbole verschiedene Zadoff-Chu-Codes auf. Geeigneterweise weisen zusammenhängende Symbole auch verschiedene Mittenfrequenzen auf. Die Verwendung verschiedener Zadoff-Chu-Codes für jedes Symbol gewährleistet einen Grad codierter Trennung, wodurch mehr als ein Benutzer das Frequenzspektrum auf einmal benutzen kann.
Geeigneterweise ist der Frequenzkanal während der Synchronisation fest, d. h. es erfolgt kein Frequenzspringen in dem Synchronisationssignal.
Geeigneterweise werden der hier beschriebene Empfänger und Sender in einem System implementiert, das gemäß Bluetooth-Protokollen arbeitet.
Vorzugweise werden der hier beschriebene Empfänger und Sender in Hardware implementiert. Als Alternative können der hier beschriebene Empfänger und Sender in Software implementiert werden.
Geeigneterweise werden der hier beschriebene Empfänger und Sender bei der Funkkommunikation über große Entfernungen implementiert. Typischerweise werden Chirps für Implementierungen verwendet, die eine niedrige Datenrate und niedrige Leistung verwenden. Der Empfänger und Sender eignen sich zur Verwendung bei der Hochempfindlichkeits-Funkkommunikation. Beispielhafte Implementierungen des Empfängers und Senders sind in einem Temperatursensor, einem Walkie-Talkie oder einem drahtlosen Headset.
Die Anmelderin verweist auf die Tatsache, dass die vorliegende Erfindung jedes Merkmal oder jede Kombination von Merkmalen, die hier offenbart werden, entweder implizit oder explizit oder eine beliebige Verallgemeinerung davon umfassen kann, ohne Beschränkung des Schutzumfangs irgendwelcher der vorliegenden Ansprüche. Angesichts der obigen Beschreibung ist es Fachleuten ersichtlich, dass verschiedene Modifikationen innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung vorgenommen werden können.

Claims

Verfahren zum Synchronisieren der Frequenz und des Timings eines Empfängers mit einem Synchronisations-Chirp-Signal von einem Sender, umfassend: Empfangen des Synchronisations-Chirp-Signals, wobei das Synchronisations-Chirp-Signal eine Sequenz von Symbolen umfasst, wobei die Sequenz von Symbolen wenigstens ein erstes Symbol mit einem ersten Gradienten g₁ und ein zweites Symbol mit einem zweiten Gradienten g₂ umfasst, wobei die Beträge des ersten Gradienten und des zweiten Gradienten beide größer als Eins sind und der Betrag des ersten Gradienten von dem Betrag des zweiten Gradienten verschieden ist; Korrelieren der Sequenz empfangener Symbole mit erwarteten Symbolen, um eine Korrelatorausgabe zu bilden; Bestimmen von Timing- und Frequenzoffsets zwischen dem Sender und dem Empfänger aus der Korrelatorausgabe; und Justieren des relativen Timings und der relativen Frequenz des Empfängers und des Synchronisationssignals um die bestimmten Timing- und Frequenzoffsets.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen der Timing- und Frequenzoffsets das Bestimmen von fraktionalen Timing- und Frequenzoffsets zwischen dem Sender und dem Empfänger umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei jedes empfangene Symbol einen oder mehrere identische Chirps umfasst, wobei jeder Chirp N Abtastwerte aufweist und wobei das fraktionale Timing-Offset eine Funktion des Betrags der Korrelatorausgabe bei dem erwarteten ganzzahligen Timing-Offset und eine Funktion des Betrags der Korrelatorausgabe bei g Abtastwerten von dem erwarteten ganzzahligen Timing-Offset entfernt ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das fraktionale Timing-Offset eine Funktion des Betrags der Korrelatorausgabe bei dem erwarteten ganzzahligen Timing-Offset und eine Funktion des Betrags der Korrelatorausgabe g Abtastwerte vor dem erwarteten ganzzahligen Timing-Offset ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das fraktionale Timing-Offset eine Funktion des Betrags der Korrelatorausgabe bei dem erwarteten ganzzahligen Timing-Offset und eine Funktion des Betrags der Korrelatorausgabe g Abtastwerte nach dem erwarteten ganzzahligen Timing-Offset ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei jedes empfangene Symbol einen oder mehrere identische Chirps umfasst, jeder Chirp N Abtastwerte aufweist und wobei das fraktionale Frequenzoffset eine Funktion des Betrags der Korrelatorausgabe bei dem erwarteten ganzzahligen Timing-Offset und eine Funktion des Betrags der Korrelatorausgabe bei einem Abtastwert von dem erwarteten ganzzahligen Timing-Offset ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das fraktionale Frequenzoffset eine Funktion des Betrags der Korrelatorausgabe bei dem erwarteten ganzzahligen Timing-Offset und eine Funktion des Betrags der Korrelatorausgabe bei einem Abtastwert vor dem erwarteten ganzzahligen Timing-Offset ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das fraktionale Frequenzoffset eine Funktion des Betrags der Korrelatorausgabe bei dem erwarteten ganzzahligen Timing-Offset und eine Funktion des Betrags der Korrelatorausgabe bei einem Abtastwert nach dem erwarteten ganzzahligen Timing-Offset ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen der Timing- und Frequenzoffsets das Bestimmen von ganzzahligen Timing- und Frequenzoffsets zwischen dem Sender und dem Empfänger umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, das das Bestimmen von ganzzahligen Timing- und Frequenzoffsets von der Korrelatorspitzenposition des ersten Symbols und der Korrelatorspitzenposition des zweiten Symbols umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Sequenz von Symbolen wenigstens das erste Symbol, das zweite Symbol und ein drittes Symbol, das einen dritten Gradienten g₃ aufweist, umfasst, wobei der Betrag des dritten Gradienten größer als 1 ist und der Betrag des dritten Gradienten von den Beträgen des ersten und zweiten Gradienten verschieden ist, umfassend das Bestimmen von mehr als einer Menge von ganzzahligen Timing- und Frequenzoffsets zwischen dem Sender und dem Empfänger und Justieren des relativen Timings und der relativen Frequenz des Empfängers und des Synchronisationssignals um die am häufigsten bestimmten Timing- und Frequenzoffsets.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Korrelierens das Korrelieren jedes empfangenen Symbols in der Sequenz empfangener Symbole mit einem erwarteten Symbol, das einen Gradienten aufweist, der mit dem erwarteten Gradienten des empfangenen Symbols übereinstimmt, umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Schritt des Korrelierens umfasst: Mischen des ersten Symbols mit einem erzeugten Symbol, das einen Gradienten 1 – g₁ aufweist, um ein erstes gemischtes Symbol zu bilden; Mischen des ersten Symbols mit einem erzeugten Symbol, das einen Gradienten 1 – g₂ aufweist, um ein zweites gemischtes Symbol zu bilden; und Korrelieren sowohl des ersten gemischten Symbols als auch des zweiten gemischten Symbols mit einem Symbol, das einen Einheitsgradienten aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes Symbol wenigstens zwei identische Chirps umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner vor dem Empfangen des Synchronisations-Chirp-Signals das Aushandeln der Gradienten der Symbole in dem Synchronisations-Chirp-Signal zwischen dem Sender und dem Empfänger umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: Puffern der empfangenen Symbole; Extrahieren der gepufferten empfangenen Symbole nach dem Schritt des Justierens des relativen Timings und der relativen Frequenz des Empfängers und des Synchronisationssignals; Korrelieren der Sequenz gepufferter empfangener Symbole mit erwarteten Symbolen, um eine Korrelatorausgabe zu bilden; Bestimmen von Timing- und Frequenzoffsets zwischen dem Sender und dem Empfänger aus der Korrelatorausgabe; und Justieren des relativen Timings und der relativen Frequenz des Empfängers des Synchronisationssignals um die bestimmten Timing- und Frequenzoffsets.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner umfasst: Puffern der empfangenen Symbole; Extrahieren der gepufferten empfangenen Symbole nach dem Schritt des Justierens des relativen Timings und der relativen Frequenz des Empfängers und des Synchronisationssignals; Anwenden von fraktionalen Zeitoffsets und fraktionalen Frequenzoffsets auf die extrahierten gepufferten empfangenen Symbole, um eine Menge von versetzten empfangenen Symbolen zu bilden; Korrelieren der Sequenz von versetzten empfangenen Symbolen mit erwarteten Symbolen, um eine Korrelatorausgabe zu bilden; Bestimmen von Timing- und Frequenzoffsets zwischen dem Sender und dem Empfänger aus der Korrelatorausgabe; und Justieren des relativen Timings und der relativen Frequenz des Empfängers und des Synchronisationssignals um die bestimmten Timing- und Frequenzoffsets.
Chirp-Empfänger, der umfasst: eine Empfangseinheit, die ausgelegt ist, ein Synchronisations-Chirp-Signal zu empfangen, wobei das Synchronisations-Chirp-Signal eine Sequenz von Symbolen umfasst, wobei die Sequenz von Symbolen wenigstens ein erstes Symbol mit einem ersten Gradienten g₁ und ein zweites Symbol mit einem zweiten Gradienten g₂ umfasst, wobei die Beträge des ersten Gradienten und des zweiten Gradienten beide größer als Eins sind und der Betrag des ersten Gradienten von dem Betrag des zweiten Gradienten verschieden ist; einen Korrelator, der ausgelegt ist, die Sequenz empfangener Symbole mit erwarteten Symbolen zu korrelieren, um eine Korrelatorausgabe zu bilden; eine Bestimmungseinheit, die ausgelegt ist, aus der Korrelatorausgabe Timing- und Frequenzoffsets zwischen dem Sender und dem Empfänger zu bestimmen; und eine Justierungseinheit, die ausgelegt ist, das relative Timing und die relative Frequenz des Empfängers und des Synchronisationssignals um die bestimmten Timing- und Frequenzoffsets zu justieren.
Chirp-Empfänger nach Anspruch 18, wobei die Bestimmungseinheit ausgelegt ist, fraktionale Timing- und Frequenzoffsets zwischen dem Sender und dem Empfänger zu bestimmen.
Chirp-Empfänger nach einem der Ansprüche 18 bis 19, wobei die Bestimmungseinheit ausgelegt ist, die ganzzahligen Timing- und Frequenzoffsets zwischen dem Sender und dem Empfänger zu bestimmen.
Chirp-Empfänger nach einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei der Korrelator ausgelegt ist, jedes empfangene Symbol in der Frequenz empfangener Symbole mit einem erwarteten Symbol zu korrelieren, das einen Gradienten aufweist, der mit dem Gradienten des empfangenen Symbols übereinstimmt.
Chirp-Empfänger nach einem der Ansprüche 18 bis 21, wobei der Korrelator ausgelegt ist zum: Mischen des ersten Symbols mit einem erzeugten Symbol, das einen Gradienten 1 – g₁ aufweist, um ein erstes gemischtes Symbol zu bilden; Mischen des zweiten Symbols mit einem erzeugten Symbol, das einen Gradienten 1 – g₂ aufweist, um ein zweites gemischtes Symbol zu bilden; Korrelieren sowohl des ersten gemischten Symbols als auch des zweiten gemischten Symbols mit einem Symbol, das einen Einheitsgradienten aufweist.
Chirp-Empfänger nach einem der Ansprüche 18–22, der ferner einen Prozessor umfasst, der ausgelegt ist, die Gradienten der Symbole in dem Synchronisations-Chirp-Signal zwischen dem Sender und dem Empfänger auszuhandeln.
Chirp-Empfänger nach einem der Ansprüche 18 bis 23, der ferner einen Puffer umfasst, der ausgelegt ist, die empfangenen Symbole zu puffern.
Chirp-Empfänger nach einem der Ansprüche 18 bis 24, ferner umfassend: einen Puffer, der ausgelegt ist, die empfangenen Symbole zu puffern; einen Linearinterpolator, der ausgelegt ist, fraktionale Zeitoffsets auf die gepufferten empfangenen Symbole anzuwenden; und einen Mischer, der ausgelegt ist, ein fraktionales Frequenzoffset auf die gepufferten empfangenen Symbole anzuwenden.