蓝牙4.0低功耗接收机自适应均衡器及其实现方法与流程

本发明涉及一种蓝牙4.0低功耗接收机自适应均衡器及其实现方法，属于无线局域网传输技术领域。

背景技术：
2009年12月，蓝牙技术联盟（BluetoothSpecialInterestGroup，SIG）首度先行推出蓝牙4.0版本，并在2010年底，于西雅图正式公布蓝牙核心规格4.0版本的相关数据，蓝牙4.0版本将过去三种蓝牙规格包括传统蓝牙技术、蓝牙低功耗技术及蓝牙高速技术等三种规格合而为一。低功耗技术可说是蓝牙4.0版本的重大突破，具备超低峰值（Peak）、平均值与待机功耗，透过标准钮扣电池足以使用数年，支持多种设备之间的兼容性，并加强射程。支持很短的数据封包，8octet至27octet，其传输速度高达1Mbps。蓝牙低功耗技术和其他版本的蓝牙技术一样都是使用自适应跳频，以尽量减少2.4GHzISM波段其他技术的干扰。蓝牙低功耗设计主要提供3种应用方案：独立运作模式（Stand-alone）、双模工作模式（DualMode）及整合模式。在双模应用中，蓝牙低功耗的功能会整合至现有的传统蓝牙控制器中，共享传统蓝牙技术既有的射频和功能，相较于传统的蓝牙技术增加的成本更小。除此之外，制造商可利用升级版蓝牙低功耗技术的堆栈，整合目前的蓝牙3.0高速版本、或2.1+EDR等传统蓝牙芯片组，增进传统蓝牙装置的新效能。另外，低功耗的独立运作芯片组则是一个高度集成的装置，具备轻量的链路层（LinkLayer），能在最低成本的前提下，支持低功耗的待机模式、简易的装置发现、可靠的点对多点的数据传输、安全的加密连结等；位于上述控制器中的链路层，适用于网络连接传感器，并确保在无线传输中，皆能通过蓝牙低功耗传输。BT4.0LE（蓝牙4.0低功耗技术）中物理层使用h=0.5的GFSK为其调制方式，并结合自适应跳频技术（AFH）使其在40个可能的频道上随机跳频。其帧结构具有一般通信技术中物理层帧结构的特点，帧由一个8bit的前导码（Preamble）为起始，后面紧跟着32bit的接入地址（AccessAddress），之后是PDU和CRC字节。Preamble和AccessAddress在传输过程中不会被加扰。由于BT4.0LE为GFSK调制，所以所有的传输信息全部包含于接收信号瞬时频率中，为了是发射信号的频谱更加紧凑，GFSK的调频信号在进行调频前经过了高斯低通滤波以减少待调信号的高频分量。这样的做法的副作用是引入了符号间干扰（ISI），ISI在通信中对接收性能有着至关重要的影响。对BT4.0LE中物理帧的接收是使用鉴频方式的非相干解调方法，解调后的信号根据符号同步估计得到的采样相位对鉴频器输出进行直接抽样得到以符号率采样的解调信号，并直接硬判决得到信息比特。由于加性噪声的存在和高斯滤波引入的符号间干扰（ISI）的影响，使得此时直接硬判决产生的输出比特中容易产生误码，同时符号同步得到的采样相位总是会存在一定的误差，这个相位进一步引入了码间干扰，而且这个码间干扰是不可预知的，因此符号同步相位误差的存在使得直接硬判决的输出误码性能急剧下降，而这些误码在现有的技术中并没有得到专门消除和降低的机会。

技术实现要素：
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种蓝牙4.0低功耗接收机自适应均衡器及其实现方法。本发明的目的通过以下技术方案来实现：蓝牙4.0低功耗接收机自适应均衡器，特点是：包括前向均衡器FFE、后向均衡器FBE、第一抽头系数更新器、第二抽头系数更新器、判决器以及误差产生器，前向均衡器FFE经加法器与判决器相连，判决器的输出端连接后向均衡器FBE，误差产生器的输入端与判决器的输入端和输出端相连，误差产生器的输出端与第一抽头系数更新器的输入端和第二抽头系数更新器的输入端相连，第一抽头系数更新器的输出端连接前向均衡器FFE，第二抽头系数更新器的输出端连接后向均衡器FBE，后向均衡器FBE的输出端与加法器相连；信号输入至前向均衡器FFE，判决器的输出信号送给后向均衡器FBE，误差产生器采用判决器的输入信号和输出信号产生用于进行抽头系数更新的误差分量，第一抽头系数更新器、第二抽头系数更新器根据误差产生器的输出和当前均衡器的输入值调整更新均衡器的每一个抽头系数。进一步地，上述的蓝牙4.0低功耗接收机自适应均衡器，所述前向均衡器FFE为ffe_N阶的FFE均衡器，所述ffe_N为大于1的整数；所述后向均衡器FBE为fbe_N阶的FBE均衡器，所述fbe_N为大于1的整数。更进一步地，上述的蓝牙4.0低功耗接收机自适应均衡器，所述前向均衡器FFE和后向均衡器FBE为FIR有限冲击响应滤波器。更进一步地，上述的蓝牙4.0低功耗接收机自适应均衡器，所述前向均衡器FFE和后向均衡器FBE为横向滤波器或者转置形式滤波器。本发明实现自适应均衡的方法，接收的基带采样信号rx（n）经过低通滤波器将带外干扰和噪声进行抑制后由鉴频器运算，其输出为FD（n），当接收机的符号同步估计模块判断出符号定时相位后，FD（n）从初始采样速率降采样到符号速率得到FD（OSR*n+offset）并送入自适应均衡器，其中整数offset表示符号采样相位，由符号定时模块确定，OSR为正整数，表示初始采样率与符号率的比值，0<offset<OSR；自适应均衡器工作时，每个符号间隔内前向均衡器FFE的输入端有一个新的鉴频器输出值FD（OSR*n+offset）进入前向均衡器FFE；FFE_out(n)为FFE在第n个符号间隔内的输出值，FBE_out(n)为后向均衡器FBE在第n个符号间隔内的输出值，EQ_out(n)为判决器在第n个符号间隔内的输入值；以上各个值在每一个符号周期内的运算通过以下公式计算，其中，ffe_coef（k,n）和fbe_coef(k,n)分别表示前向均衡器FFE和后向均衡器FBE在n时刻的第k个抽头系数；EQ_out(n)=FFE_out(n)+FBE_out(n)同时抽头系数在每个符号周期内都按照以下更新公式迭代更新：ffe(k,n+1)=ffe(k,n)+μ·err(n)·FD[OSR(n-k)+offset]fbe(k,n+1)=fbe(k,n)+μ·err(n)·sign[EQ_out(n-k)]err(n)=sign[EQ_out(n)]-EQ_out(n)其中err(n)为误差产生器在每个符号周期内产生的用于抽头系数调整的误差信号；μ为调整步长；sign()为取符号运算，EQ_out(n)为判决器的输入，sign[EQ_out(n)]为判决器的输出；判决器的输出sign[EQ_out(n)]作为自适应均衡器的最终有效输出送入接收机的下一级模块用以恢复接收到的信息。本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：①对接收机中在频率解调后的信号在进行硬判决之前使用自适应滤波器进行信号处理，消除由发送端的高斯滤波器引入的符号（比特）间干扰同时扩大了对采样相位偏差的容忍度；由于滤波器也有部分FIR结构的前馈抽头，因此该自适应滤波器具有自适应调整采样相位的作用，当符号同步时刻存在一定的相位误差时滤波器可以自适应调整错误的采样相位至最佳采样相位上，从而达到提高接收机误码性能的作用；②相对现有技术的在消除ISI和容忍符号定时相位误差方面做出了优化和改善，使用符号间隔的判决反馈均衡器来消除发端引入的确知码间干扰，同时通过特意选择的自适应算法使均衡器能够纠正一定范围内的符号定时相位误差，因此有利于BT4.0LE信号接收端减小PER，提高接收机的稳定性。附图说明下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：图1：本发明均衡器的结构示意图；图2：均衡器应用示意图。具体实施方式如图1所示，蓝牙4.0低功耗接收机自适应均衡器，包括前向均衡器FFE1、后向均衡器FBE6、第一抽头系数更新器4、第二抽头系数更新器7、判决器3以及误差产生器5，前向均衡器FFE1经加法器2与判决器3相连，判决器3的输出端连接后向均衡器FBE6，误差产生器5的输入端与判决器3的输入端和输出端相连，误差产生器5的输出端与第一抽头系数更新器4的输入端和第二抽头系数更新器7的输入端相连，第一抽头系数更新器4的输出端连接前向均衡器FFE1，第二抽头系数更新器7的输出端连接后向均衡器FBE6，后向均衡器FBE6的输出端与加法器2相连；信号输入至前向均衡器FFE1，判决器3的输出信号送给后向均衡器FBE6，误差产生器5采用判决器3的输入信号和输出信号产生用于进行抽头系数更新的误差分量，第一抽头系数更新器4、第二抽头系数更新器7根据误差产生器5的输出和当前均衡器的输入值调整更新均衡器的每一个抽头系数。其中，前向均衡器FFE1为ffe_N阶的FFE均衡器，ffe_N为大于1的整数；后向均衡器FBE6为fbe_N阶的FBE均衡器，fbe_N为大于1的整数。前向均衡器FFE1和后向均衡器FBE6为FIR有限冲击响应滤波器。前向均衡器FFE1和后向均衡器FBE6为横向滤波器或者转置形式滤波器，其滤波器系数分别由对应的两个抽头系数更新器给出。具体应用时，如图2所示，接收的基带采样信号rx（n）经过低通滤波器将带外干扰和噪声进行抑制后进行鉴频器运算，其输出为FD（n），当接收机的符号同步估计模块判断出符号定时相位后，FD（n）从初始采样速率降采样到符号速率得到FD（OSR*n+offset）并送入自适应均衡器，其中整数offset表示符号采样相位，由符号定时模块确定，OSR为正整数，表示初始采样率与符号率的比值，0<offset<OSR；自适应均衡器工作时，每个符号间隔内前向均衡器FFE的输入端有一个新的鉴频器输出值FD（OSR*n+offset）进入前向均衡器FFE；FFE_out(n)为FFE在第n个符号间隔内的输出值，FBE_out(n)为后向均衡器FBE在第n个符号间隔内的输出值，EQ_out(n)为判决器在第n个符号间隔内的输入值；以上各个值在每一个符号周期内的运算通过以下公式计算，其中，ffe_coef（k,n）和fbe_coef(k,n)分别表示前向均衡器FFE和后向均衡器FBE在n时刻的第k个抽头系数；EQ_out(n)=FFE_out(n)+FBE_out(n)同时抽头系数在每个符号周期内都按照以下更新公式迭代更新：ffe(k,n+1)=ffe(k,n)+μ·err(n)·FD[OSR(n-k)+offset]fbe(k,n+1)=fbe(k,n)+μ·err(n)·sign[EQ_out(n-k)]err(n)=sign[EQ_out(n)]-EQ_out(n)其中err(n)为误差产生器在每个符号周期内产生的用于抽头系数调整的误差信号；μ为调整步长；sign()为取符号运算，EQ_out(n)为判决器的输入，sign[EQ_out(n)]为判决器的输出；判决器的输出sign[EQ_out(n)]作为自适应均衡器的最终有效输出送入接收机的下一级模块用以恢复接收到的信息。综上所述，本发明对接收机中在频率解调后的信号在进行硬判决之前使用自适应滤波器进行信号处理，消除由发送端的高斯滤波器引入的符号（比特）间干扰同时扩大了对采样相位偏差的容忍度。由于发端的高斯滤波器响应是确知的，所以引起的符号间干扰也是确知的，因此根据高斯滤波器的响应设计出一个符号间隔判决反馈结构的滤波器来消除符号间干扰。由于滤波器也有部分FIR结构的前馈抽头，因此该自适应滤波器具有自适应调整采样相位的作用，当符号同步时刻存在一定的相位误差时滤波器可以自适应调整错误的采样相位至最佳采样相位上，从而达到提高接收机误码性能的作用。本发明相对现有技术的在消除ISI和容忍符号定时相位误差方面做出了优化和改善。使用符号间隔的判决反馈均衡器来消除发端引入的确知码间干扰，同时通过特意选择的自适应算法使得该均衡器能够纠正一定范围内的符号定时相位误差，因此有利于BT4.0LE信号接收端减小PER，提高接收机的稳定性。使用一个符号间隔的自适应判决反馈均衡器来消除发端引入的确知码间干扰，同时通过特意选择的自适应算法使得该均衡器能够纠正一定范围内的符号定时相位误差。均衡器由前馈均衡器（FFE）和反馈均衡器（FBE）构成，主抽头位于前馈均衡器且其位置可通过寄存器配置；前馈均衡器的输入是经过符号定时的鉴频器输出，而反馈均衡器的输入是整个均衡器的输出判决值（2电平）。自适应均衡算法使用“判决引导最小均方误差”算法（DD-LMS）。需要理解到的是：以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。