一种蓝牙接收机coded模式下的高灵敏度接收方法与流程

1.本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种蓝牙接收机coded模式下的高灵敏度接收方法。


背景技术：

2.相对于uncoded模式，蓝牙5.0 coded模式为延伸传输距离，对preamble(以下简称帧头)部分和pdu部分的格式都进行了修改。preamble部分由10段重复的“00111100”符号序列组成，pdu部分加入了码率为1/8或1/2的纠错编码。为此，需要有别于uncoded模式的接收方法，以提高接收机的灵敏度，延伸通信距离。如何能够在相同的发射功率条件下，解决因距离延伸接收信号强度下降、信噪比减低而影响接收机灵敏度的问题，是蓝牙5.0 coded模式面临的技术难点。


技术实现要素：

3.发明目的：为了解决现有技术中，蓝牙接收机在5.0 coded模式下灵敏度差的问题，本发明提供一种蓝牙接收机coded模式下的高灵敏度接收方法。
4.技术方案：一种蓝牙接收机coded模式下的高灵敏度接收方法，包括以下步骤：步骤一、对接收信号进行采样，通过差分运算的方式检测出帧头，获得采样点差分求和运算结果；步骤二、设总频偏估计值为 ，建立的组成：
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（1）其中，，t为码元传输周期，j可能取值
‑
1、0、+1；步骤三、分别假设j取值为
‑
1、0、+1，对接收信号进行频偏补偿，得到三种频偏补偿结果；构建本地训练序列，，ts为采样周期，表示发送信号；将本地训练序列分别与所述三种频偏补偿结果进行相关运算，取最大相关值对应的频偏补偿结果的j值，将j值带入式（1）中，得到总频偏估计值；步骤四、确定接入码的起始位置；步骤五、使用步骤三得到的总频偏估计值对接收信号进行频率补偿，对频率补偿后的信号进行误差检测得到残留频偏估计值，残留频偏估计值经过环路滤波器滤波后与总频偏估计值累加，更新总频偏估计值，利用更新后的总频偏估计值进行频率补偿，采用准相干解调法对频率补偿后的信号解调。
5.进一步地，步骤一中检测帧头的方法为：令发送信号表示为，接收信号表示为，其中为加性高斯白噪声，为收发双方的频偏，设码元传输周期为t，每个码元传输周期的采样数为l，采样间隔为ts=t/l，计算：
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(2)
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(3)表示相隔8t时间的两个样值进行差分运算的结果,为中间参数,表示参与差分运算的样值数，定义检测指标为，
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(4)当检测指标超过门限时，认为接收信号中包含帧头信号，记录首次出现超门限的时刻。
6.进一步地，步骤三中，根据假设计算频偏补偿结果的方法为：分别假设j取值为+1、
‑
1、0，构建k长度的序列，
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(5)其中，，分别用序列与接收信号进行如下运算：
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(6)分别是假设频偏为、和后进行频偏补偿的结果。
7.进一步地，步骤三中，所述相关运算中，分别令其相位为、和0，则对应元素的取值从集合中选择，而相位为其他取值的元素强制为零，的取值从中选取，然后进行如下相关运算：
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(7)在范围内搜索式（7）中的最大相关值，分别为设定的下限和上限，出现最大相关值对应的频偏补偿值就是正确的频偏估计值。
8.进一步地，步骤四根据帧头的大致位置，采用基于接入码的抗干扰高精度信号同步方法确定接入码的位置，完成信号同步捕获。
9.进一步地，步骤五，通过误差检测获取残留频偏估计值的方法为：
设调制后的蓝牙信号的相位表示为，接收信号的相位表示为，残留频偏为，残留频偏估计值为，
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（8）其中，为传输的第n个码元，其取值为+1或
‑
1；h为调制指数，其取值为0.5；为码元周期长度的矩形脉冲通过高斯滤波器的响应，满足；nt表示积分时间长度，由式（9）计算出nt的值，
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（9）忽略噪声的影响，则有：
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（10）根据式（9）和（10）可估算得到：
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（11）计算出残留频偏估计值即为误差检测的结果。
10.进一步地，若接收信号的采样为过采样，则计算公式（11）时用求和代替。
11.进一步地，所述环路滤波器采用一阶或二阶环路滤波器。
12.进一步地，步骤五中，采用基于判决的1比特差分解调法，或者采用基于laurent分解的准相干解调法对频率补偿后的信号解调。
13.一种蓝牙接收机，包括处理器、存储器及存储在存储器中并可被处理器执行的软件程序，当处理器执行该软件程序时可实现如上述的蓝牙接收机coded模式下的高灵敏度接收方法。
14.有益效果：本发明提供一种蓝牙接收机coded模式下的高灵敏度接收方法，相比较现有技术，可以在大频偏、低信噪比的场景下实现信号的同步捕获，即使信噪比低至0db，也可以获得正确的频偏估计值和抽样位置估计值，在可以正确估计频偏值的条件下，大幅度降低运算复杂度。并且在捕获到信号后，基于信号发送的伪随机特性提出了一种频偏跟踪环路进行残留频偏的跟踪，可以随时跟踪信号频率，以尽量降低频偏对蓝牙gmsk信号解调的影响，为信号的解调奠定基础，从而使得接收机可以采用准相干解调来提高gmsk信号的解调性能。
附图说明
15.图1为定时同步受信噪比影响的性能图；图2为信噪比为0db的定时偏差情况；图3为频偏估计受信噪比影响的性能图；图4为本发明方法的流程示意图。
具体实施方式
16.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释说明。
17.一种蓝牙接收机，包括处理器、存储器及存储在存储器中并可被处理器执行的软件程序，当处理器执行该软件程序时可实现下述蓝牙接收机coded模式下的高灵敏度接收方法。
18.蓝牙接收机coded模式下的高灵敏度接收方法，如图4，包括以下步骤：步骤一、对接收信号进行采样，由于帧头部分是由10段重复的“00111100”符号序列组成的，因此可以利用帧头部分的规律重复性进行信号检测，使得接收机检测到接收信号中帧头部分的信息。在检测帧头的过程中，可以获得采样点差分求和运算结果；通过差分运算的方式检测帧头的方法为：令发送信号表示为，符号周期为，则。假设只受白噪声的影响，则接收信号表示为，其中为加性高斯白噪声，为收发双方的频偏。设码元传输周期为t，每个码元传输周期的采样数为l，采样间隔为ts=t/l，计算：
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(1)
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(2)其中表示对取共轭的结果，表示相隔8t时间的两个样值进行差分运算的结果，表示参与差分运算的样值数，为中间参数，定义检测指标为，
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(3)当检测指标超过预先设定的门限时，认为接收信号中包含帧头信号。记录首次出现超门限的时刻。
19.由于帧头部分的信号重复性，如果忽略噪声的影响，同时假设时刻为帧头部分第一个样值对应的时刻，即信号检测做到了位置完全准确，式（1）可以简化为
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(4)本步骤在检测帧头的同时还获得了采样点差分求和的结果，用于下一步频偏估计。
20.步骤二、考虑相位模糊性，如果频偏，则其估计值，t为码元传输周期，否则。令，则：
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（5）其中，，，考虑到协议中有关最大频偏的规定，j可能的取值为
‑
1、0或+1。接下来就需要估计出j的取值。
21.步骤三、分别假设j取值为+1、0、
‑
1，构建k长度的序列，
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(6)其中，。显然，以上序列分别假设频偏为、和。
22.然后分别用以上序列与接收信号进行如下运算：
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(7)分别是假设频偏为、和后进行频偏补偿的结果。
23.获得三种频偏补偿的结果后，构建本地训练序列，，ts为采样周期，表示发送信号；将本地训练序列分别与所述三种频偏补偿结果进行相关运算，取最大相关值对应的频偏补偿结果的j值，将j值带入式（5）中，得到总频偏估计值；由于蓝牙的发送信号采用gmsk恒包络调制方式，因此由式(7)构建的序列是一个复值序列，在进行相关运算会带来较大的复杂度。为此，可以只取序列中相位接近、和0的元素，分别令其相位为、和0，则对应元素的取值从集合中选择，而相位为其他取值的元素强制为零。至此，的取值从中选取。然后进行如下相关运算：
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(8)虽然在步骤一中通过检测的方式大致找到了帧头的位置，但并不是确切的位置，因此需要在一定的范围内进行如下的相关运算，例如限定一个范围，在该范围内搜索式（8）中的最大相关值，分别为设定的下限和上限，出现最大相关值对应的频偏补偿值就是正确的频偏估计值。例如在本实施例中，中出现了最大相关值，则总频偏估计值为。同时记录出现相关峰值的位置为。
24.步骤四、通过步骤三已经获得正确的估计值，接下来需要获取正确的信号抽样位置，在总频偏估计值的确定环境已经获得了大致的位置，还需进一步搜索更精确的位置。由于蓝牙通信协议在帧头之后发送接入码，因为接入码对于收发双方都是预知的，而且接入码具有较好的随机性。因此可以基于本技术人另一篇专利号为2020111383050的专利《蓝牙接收机中基于接入码的抗干扰高精度信号同步方法》，利用接入码实现精确的接入码
起止位置的搜索，实现信号的同步捕获，从而为后面的信号解调做好充分的准备。
25.如图1显示了利用本方法进行信号同步捕获时各种信噪比条件下定时同步的性能。即使信噪比低至0db时，错误同步（漏同步和假同步）的概率也只有3%。图2显示了过抽样因子l为8的情况下定时偏差的分布情况。信噪比为0db时，绝大多数的定时偏差都控制在两个样值内。图3显示了各种信噪比条件下的频偏估计性能，坐标轴的纵轴显示的是相对于符号速率归一化后的均方根误差。由此可见，频偏估计的均方根误差基本控制在2khz以内。
26.步骤五、从以上步骤，已经实现了信号的同步捕获，但是从蓝牙协议来看，蓝牙信号在发送过程中最大频率漂移率可达。因此，还需要接续对频偏进行跟踪，以尽量降低频偏对蓝牙gmsk信号解调的影响。为此，提供了频偏跟踪环的跟踪方法。
27.使用步骤三得到的总频偏估计值对接收信号进行频率补偿，经过频偏补偿后的接收信号中还存在一定的残留频偏，对频率补偿后的信号进行误差检测得到残留频偏估计值，残留频偏估计值经过环路滤波器获得较为准确的残留频偏估计值。
28.具体的获取的方法为：设调制后的蓝牙信号的相位表示为，接收信号的相位为，残留频偏为，残留频偏估计值为，残留频偏估计值为
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（9）其中，为传输的第n个码元，其取值为+1或
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1；h为调制指数，其取值为0.5；为码元周期长度的矩形脉冲通过高斯滤波器的响应，满足；由于为随机的+1、
‑
1序列，因此我们基于蓝牙信号发送的伪随机特性，可以认为在一段时间内对积分的结果，设nt表示积分时间长度，由式（10）计算出nt的值，
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（10）接收端由于存在频偏，忽略噪声的影响，则有：
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（11）因此相应的积分结果，其中表示残留频偏，也即跟踪阶段的跟踪误差。
29.进一步计算出残留频偏估计值，
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（12）。
30.若接收信号的采样为过采样，则计算公式（12）时可以用求和代替。
31.将误差检测出的残留频偏估计值送入环路滤波器，尽量消除噪声的影响，获得更加准确的估计值。环路滤波器可以采用一阶或二阶环路滤波器。
32.将残留频偏估计值与前一时刻的频偏估计值累加，获得当前时刻的频偏估计值，利用更新后的进行频率补偿，经过频偏补偿后可以进行解调，关于gmsk信号的
解调可以采用基于判决的1比特差分解调法，或者采用基于laurent分解的准相干解调法等。