专利名称：一种短程无线网络中扩频解码方法
技术领域：
本发明涉及一种短程无线网络中扩频解码方法，尤其涉及短程无线网络中的数据 接收和解调方法，属于无线通信的技术领域。
背景技术：
现代的无线网络通信采用包传输机制，接收机在检测到发给自己的信号后，通过 射频将无线信号接收下来，再经过采样后得到基带接收信号。对于基带接收信号，首先利用 包头数据完成时间、载波同步和帧定界操作，找到有效传送信息在包结构数据信息中的位置。利用基带接收信号完成传送信息的恢复就是数据解调，它直接决定了接收信号与 真实发送信息的一致性，决定了整个收发性能的好坏。因此，数据解调是现代无线网络通信 系统中至关重要的问题。扩频通信是现在一种常用的通信方式，扩频系统中扩频序列一般都具有良好的自 相关特性，通过使用已知的扩频序列作为接收机本地的参考信号，常规的数据解调可以靠 接收信号和接收机本地的参考信号之间做匹配相关来完成。当接收信号中的扩频序列和本 地参考信号中的扩频序列对齐且完全匹配时，相关值会表现出一个峰值，而在其它情况下， 相关值接近于零。但是，当接收信号中存在频率偏移时，接收信号和接收机本地参考信号的 相关值会受到很大影响，特别是在大频偏条件下，即使接收信号中的扩频序列和参考信号 中的扩频序列对齐时，相关值也不再是最大相关值。为了能够使用匹配相关的方法完成数据解调同步，需要先估计出频偏的大小并根 据估计值对接收信号予以校正。前后差分是频偏估计中常用的一种方法，它利用接收信号 中前同步头处扩频序列的周期性，相隔一个扩频序列周期对前后两个采样点进行差分，即 后一个点乘以前一个点的共轭，以去掉接收信号中扩频序列本身的相位，只留下频偏造成 的相位差，从而估计出频偏的值。但是，因为相位估计的区间是-η n，所以这种方法只 能估计出-1/2TS 1/2TS之间的频偏，这里Ts是扩频序列的周期。另外，估计误差和相位 补偿操作引入的误差会进一步影响解调性能。
发明内容
本发明的目的是提出一种短程无线网络中扩频解码方法，首先利用本地16组扩 频调制序列构造不同频率偏移情况下新的本地相关值序列；将接收信号序列分别与本地频 率偏移序列相关，得到一组相关值序列，寻找最大相关值位置的二进制表示，作为数据解调 的结果。本发明提出的短程无线网络中扩频解码方法，包括以下各步骤(1)接收短程无线网络中发送端发出的射频信号，进行下变频得到基带接收信号， 对该基带接收信号进行2倍采样得到采样接收信号，采样时间间隔记为Tc ；(2)短程无线网络中的接收端从上述接收信号中的时间同步点开始，读取一个码元周期长度的接收信号，该接收信号序列记为r = [Γι，r2，. . .，rN]，其中N表示一个码元周 期长度内的采样信号个数；(3)根据测试得到本地扩频调制复序列对载波频率偏移的容忍范围[-P P)，该最 大容忍值记为P，单位为弧度；(4)在载波频率偏移[-DP DP)弧度范围内，以2P为步长得到一组包含D个载波频 率值的序列，记为P'=孔]，其中卩11 = -(0-211+1)卩，11= 1， (5)将上述载波频率值序列中的D个载波频率值作为载波频率偏移值，以T。为采 样时间间隔，分别构造D个码元周期长度内的相位偏移序列，记为 (4)短程无线网络中的接收端分别对16组本地扩频调制复序列Sj = [Sja, Sj, 2，...Sj,N]，j = 1，2，...，16与D个相位偏移序列进行逐点相乘，得到新的16XD组本地载 波频率偏移扩频复序列，记为Lj,u = [Ij^1, Ij,^,.. ·，1^Ν]，其中I^i = Sja · ，j = 1, 2, . . . , 16 ;i = (5)将上述接收信号序列r进行共轭后，分别与上述16 X D组本地载波频率偏移扩 频复序列 Lj,u 进行相关，得到相关值序列 R = (R1,1；
R16VR16V.，R16,D}，其中 ^rtLju =K -Ihui , ( · )* 表示共轭操作；(6)从上述第二次相关值序列中找到最大值。=argmaX|R|；}，与该最大相关值相
对应的序列位置j值减去一，可以得到其二进制表示，即为接收解码的结果，也就是发送端 的数据比特。上述解码方法中，根据测试得到本地扩频调制复序列对载波频率偏移的容忍范围 [-P P)的方法，包括以下步骤(1)从零相位的载波频率偏移开始，以载波频率&的百万分之五为步长，得到第一 次测试的载波频率偏移值，记为P1 = 2 π fQ · 1 · Step，其中Step = 5e_6，1 = 1；(2)根据载波频率偏移值P1，以Τ。为采样时间间隔，构造一个码元周期长度内的相 位偏移序列，记为 Q1= [a u，Qij2,... , ^^,!^，其中 ，="2 '^)，/ = ^,…,"；(3)短程无线网络中的接收端分别对16组本地扩频调制复序列Sj = [Sja, Sj, 2，...，Sj,N]，j = 1,2,... ,16与频率偏移序列进行逐点相乘，得到新的16组本地偏移测试 扩频复序列，记为 L' j = [l' Ja, 1'」,2，...，Γ」』]，其中1' ^i = Sj,,. Q1^jJ = I, 2，· · ·，16 ;i = 1，2，…，N ；(4)依次将 16 组本地扩频调制复序列 Sj = [Sjjl, Sj,2，· · ·，Sj,N]，j = 1，2，…，16 分别与16组本地偏移测试扩频复序列L'彳进行相关，得到16组频偏相关值，记为R' j =
N
{R' ja,R' j,2，…，R' j,16}，其中《“二 St7Iyk=Zdi ’ 众二1,2”..，16;
/=1(5)从上述频偏相关值序列中找到最大值巧=argmax{R'/|}；
k(6)如果对于16组本地扩频调制复序列中的所有 其对应的频偏相关值序 列中最大值巧对应的位置石等于本地扩频调制复序列的序号j，那么说明本地扩频调制复
5序列能够容忍当前的载波频率偏移值P1，将1加1，得到新的当前载波频率偏移值P1 = 2 π fο · 1 · Step，重复(2) (6)的操作；否则，只要任一个本地扩频调制复序列中 其对 应的频偏相关值序列中最大值巧对应的位置^不等于本地扩频调制复序列的序号j，那么说 明本地扩频调制复序列已经无法容忍当前的载波频率偏移值P1,得到本地扩频调制复序列 对载波频率偏移的最大容忍值P = 2Jif0 · (1-1) · Stepo本发明提出的短程无线网络中扩频解码方法，具有以下优点(1)本发明方法使用本地序列补偿频偏的方法，避免了载波频率偏移对解码算法 性能的影响，有效提高解码的准确度；(2)本发明方法的解码算法无需先对接收信号进行频偏补偿后再与本地序列进行 相关解码，避免了频偏估计和补偿过程中带来的估计误差，提高了解码的准确性；(3)本发明方法不需要对载波频率进行估计和补偿，降低了接收系统在导频序列 时间需要完成的计算复杂度；(4)本发明方法结构简单通用，降低了实现系统的硬件复杂度。
图1是本发明提出的接收数据解码方法的流程框图。
具体实施例方式本发明提出的短程无线网络中扩频解码方法，其流程框图如图1所示，首先接收 短程无线网络中发送端发出的射频信号，进行下变频得到基带接收信号，对该基带接收信 号以T。为时间间隔进行采样，得到基带2倍采样接收信号；然后从上述接收信号的时间同 步点开始，读取一个码片周期长度的接收信号，该接收信号序列记为r = Lr1, r2, . . . , rN], 其中N表示一个码元周期时间的采样信号个数；根据测试得到本地扩频调制复序列对载波 频率偏移的容忍范围[-P P)，该最大容忍值记为P，单位为弧度；在载波频率偏移[-DP DP) 弧度范围内，以2P为步长得到一组包含D个载波频率值的序列，记为P' = [Pu]，其中Pu =-(D-2u+l)P,u = 1,2,.. .，D ；将上述载波频率值序列中的D个载波频率值作为载波频率 偏移值，以T。为采样时间间隔，分别构造D个码元周期长度内的频率偏移序列，记为β u = [^ua' β u,2'···' 3U,J，其中3^ = 2”^ (iTc)；短程无线网络中的接收端分别对16组 本地扩频调制复序列Sj = [SjajSjj2,... ,Sj,N],j = 1，2，...，16与D个频率偏移序列进行 逐点相乘，得到新的16XD组本地载波频率偏移扩频复序列，记为Lj,u = [Ijiua, lj,u,2,...， Ij,u,J，其中 Ij.u.i = Sjji · ^uji, j = 1,2, ... ,16 ；i = 1，2，···，N;u = 1,2, ... , D ；将上 述接收信号序列r进行共轭后，分别与上述16XD组本地载波频率偏移扩频复序列k 进 行相关，得到相关值序列 R = IRljl' Rl,2'…，Rl,D' R2,!' R2,2，…，R2,D'…，Rl6,1' R16,2，…，
R16,D}，其中
广表示共轭操作；从上述第二次相关值序列中找到
最大值& = a^max jRli，与该最大相关值相对应的序列位置j值减去一，可以得到其二进
制表示，即为接收解码的结果，也就是发送端的数据比特。下面结合附图和实施例详细介绍本发明的方法。
6
本发明提出的短程无线网络中扩频解码方法如图1所示，首先对接收信号进行下 变频处理和采样，采样周期T取码片周期T。的一半。在IEEE802. 15. 4b标准中规定了码元 周期Ts是码片周期T。的16倍，因此每个周期的码元信号采样得到N = Ts/T = 32个采样 点。在IEEE802. 15. 4b标准中规定了无线数据结构采用包传输结构，即每次只传送一定量 的数据，在每个数据包的前面需要首先传送导频序列，用来让接收机知道数据是否达到接 收机前端，并用来完成接受增益控制、时间同步和载波频率同步。在该实施例中，考虑前端 的时间同步已经完成，并以该时间同步点为起始选取基带数字接收信号中一个周期长度为 N的接收序列，记为r = Lr1, r2, . . . , rN]。通常的数据解码都是将接收信号分别与本地扩频序列相关，得到一组相关值序 列，再通过寻找最大相关值相对应的序列位置的二进制表示，得到解码的结果。但是对于存 在频率偏移的无线通信系统来说，接收信号与本地序列的相关值会受到频偏的严重影响， 最大相关值已不再对应接收信号与本地序列的匹配程度，因此在频偏情况下直接相关来完 成数据解码是不可行的。考虑到频率偏移对接收信号主要造成相位偏移的影响，并且对于相同时间间隔的 采样点来说，接收信号的相位叠加了线性变化的相位。考虑到一定程度的频率偏移不会对 接收信号与本地扩频序列的相关特性造成致命影响，仍然能够通过接收信号分别与本地扩 频序列相关的方法进行数据解码，即接收性能对频率偏移有一定的容忍度。目前的方法是 估计出频率偏移，并补偿到接收信号后再与本地扩频序列进行相关，从而实现数据解码。同 样，也可以将估计的频率偏移补偿到本地扩频序列后与接收信号相关进行数据解码。为 了避免估计的频率偏移在和本地扩频序列相关时引入的计算精度下降，以及估计误差的影 响，可以考虑将不同频率偏移值对应的相位偏移序列和本地扩频序列进行相关，得到新的 本地频偏扩频序列。只要保证接收信号的实际频率偏移至少与其中某一个本地频偏扩频序 列对应的频率偏移的数值差在容忍度范围内，那么就能保证数据的正确解码。首先，需要根据测试得到本地扩频调制复序列对载波频率偏移的容忍范围[-P P)，该最大容忍值记为P，单位为弧度。从零相位的载波频率偏移开始，以载波频率fo的百万 分之五为步长，得到第一次测试的载波频率偏移值P1 = 2 π f0 · 1 · Step,其中，Step= 5e_6，1 = 1。根据载波频率偏移值P1，以Τ。为采样时间间隔，可以得到一个码元周期内的相位 偏移值 因此，构造一个码元周期长度内的频率偏移序列，记为Ci1= [ala, alj2,... , Qlj
N] ο短程无线网络中的接收端分别对16组本地扩频调制复序列Sj = Isj,Sj,2,...， Sj, N], j = 1,2, ...,16与频率偏移序列进行逐点相乘，第j组本地扩频序列的第i个信号 与当前频率偏移值P1在第i个信号时间引起的相位偏移相乘结果为1' Jji = Sjji ‘ α j = 1,2, . . . ,16 ;i = 1,2, . . . , N,可以得到新的16组本地偏移测试扩频复序列，记为L' j = [l' Μ，Γ 1 ‘
丄j,N」°
依次将16 组本地扩频调制复序列 Sj = [sja, Sj,2, . . .，Sj,N]，j = 1，2，. . .，16 分 别与16组本地偏移测试扩频复序列L' j进行相关，第j组本地扩频序列相关值为 得到16组频偏相关值，记为R' j = {R' ja,R'」,2，. . .，R'」,16}。从上述频偏相关值序列中找到最大值
，如果对于I6组本地扩频
调制复序列中的所有Sp其对应的频偏相关值序列中最大值巧对应的位置《等于本地扩频 调制复序列的序号j，那么说明本地扩频调制复序列能够容忍当前的载波频率偏移值P1, 将1加1后得到新的当前载波频率偏移值Pw = ZJIfci* (1+1) · Step，重复上述的操作； 否则，只要任一个本地扩频调制复序列中Sp其对应的频偏相关值序列中最大值K对应的 位置《不等于本地扩频调制复序列的序号j，那么说明本地扩频调制复序列已经无法容忍 当前的载波频率偏移值P1,得到本地扩频调制复序列对载波频率偏移的最大容忍值P = 2 JIf0- (1-1) · Step0根据得到的本地扩频调制复序列对载波频率偏移的容忍范围[-P P)， 其中最大容忍值为P，单位为弧度。在载波频率偏移[-DP DP)弧度范围内，以2P为步长得到一组包含D个载波频 率值的序列，记为P'=孔]，其中卩11 = -(0-211+1) ，u = 1，2，...，D，结合国际标准IEEE 802. 15. 4，根据设计需要取值D = 8。将上述载波频率值序列中的D个载波频率值作为载波频率偏移值，以T。为采样时 间间隔，可以得到一个码元周期内不同采样时间对应的相位偏移值 构造D个码元周期长度内的频率偏移序列，记为i3u= [^ua, 3u,2，...，3u,n]，U 1. f 2 f · · · j D ο短程无线网络中的接收端分别对16组本地扩频调制复序列Sj = [sja, Sj,2，
Sj, N], j = 1,2, ...，16与D个相位偏移序列进行逐点相乘，第j组本地扩频序列的第i个 信号与当前频率偏移值P1在第i个信号时间引起的相位偏移相乘结果为lJjUji = Sjji · ^uji, j = 1,2, . . . ,16 ;i = 1,2, . . . , N ;u = 1,2, . . . , D,得到新的16XD组本地载波频率偏移扩频复序列，记为Lj,u = [I^1, lj,u,2,...，
u, N] °将上述接收信号序列r进行共轭后，分别与上述16XD组本地载波频率偏移扩频 复序列!^、进行相关，与第j组本地频率偏移扩频序列相关值为 得到相关值序列R = {R1,1, Rlj2, · · ·，R1,D, R2a, R2j2, · · ·，R2,D，· · ·，R16jl, R16j2, · · ·， R16,J，其中，(·广表示共轭操作；从上述第二次相关值序列中找到最大值义
，与该最大相关值相对应
的序列位置j值减去一，可以得到其二进制表示，即为接收解码的结果，也就是发送端的数 据比特。
权利要求
一种短程无线网络中扩频解码方法，其特征在于该方法包括以下各步骤(1)接收短程无线网络中发送端发出的射频信号，进行下变频得到基带接收信号，对该基带接收信号进行2倍采样得到采样接收信号，采样时间间隔记为TC；(2)短程无线网络中的接收端从上述接收信号中的时间同步点开始，读取一个码元周期长度的接收信号，该接收信号序列记为r＝[r1，r2，...，rN]，其中N表示一个码元周期长度内的采样信号个数；(3)根据测试得到本地扩频调制复序列对载波频率偏移的容忍范围[ P P)，该最大容忍值记为P，单位为弧度；(4)在载波频率偏移[ DP DP)弧度范围内，以2P为步长得到一组包含D个载波频率值的序列，记为P′＝[Pu]，其中Pu＝ (D 2u+1)P，u＝1，2，...，D；(5)将上述载波频率值序列中的D个载波频率值作为载波频率偏移值，以TC为采样时间间隔，分别构造D个码元周期长度内的相位偏移序列，记为βu＝[βu，1，βu，2，...，βu，N]，其中(4)短程无线网络中的接收端分别对16组本地扩频调制复序列sj＝[sj，1，sj，2，...，sj，N]，j＝1，2，...，16与D个相位偏移序列进行逐点相乘，得到新的16×D组本地载波频率偏移扩频复序列，记为Lj，u＝[lj，u，1，lj，u，2，...，lj，u，N]，其中lj，u，i＝sj，i·βu，i，j＝1，2，...，16；i＝1，2，...，N；u＝1，2，...，D；(5)将上述接收信号序列r进行共轭后，分别与上述16×D组本地载波频率偏移扩频复序列Lj，u进行相关，得到相关值序列R＝{R1，1，R1，2，...，R1，D，R2，1，R2，2，...，R2，D，...，R16，1，R16，2，...，R16，D}，其中(·)*表示共轭操作；(6)从上述第二次相关值序列中找到最大值与该最大相关值相对应的序列位置j值减去一，可以得到其二进制表示，即为接收解码的结果，也就是发送端的数据比特。F2009100849192C0000011.tif,F2009100849192C0000012.tif,F2009100849192C0000013.tif
2.如权利要求2所述的方法，其特征在于根据测试得到本地扩频调制复序列对载波频 率偏移的容忍范围[-P P)的方法，包括以下步骤(1)从零相位的载波频率偏移开始，以载波频率&的百万分之五为步长，得到第一次测 试的载波频率偏移值，记为P1 = 2 π f。· 1 · Step，其中Step = 5e_6，1 = 1；(2)根据载波频率偏移值P1，以Τ。为采样时间间隔，构造一个码元周期长度内的相位偏 移序列，记为 (3)短程无线网络中的接收端分别对16组本地扩频调制复序列Sj=[SjajSji2,..., Sj, N]，j = 1，2，. . .，16与相位偏移序列a ！进行逐点相乘，得到新的16组本地偏移测试扩频复 序列，记为 L' j = [1' Ja, 1' Jj2, ... , 1' 口]，其中1' Jji = Sjji · Qlji, j = 1,2,..., 16 ;i = 1，2，…，N ；(4)依次将16组本地扩频调制复序列Sj= [sja, Sj,2，... , Sj, J，j = 1，2，· · ·，16分 别与16组本地偏移测试扩频复序列L' 1进行相关，得到16组频偏相关值，记为R' j = 其中 (5)从上述频偏相关值序列中找到最大值 (6)如果对于16组本地扩频调制复序列中的所有 其对应的频偏相关值序列中 最大值巧对应的位置《等于本地扩频调制复序列的序号j，那么说明本地扩频调制复序 列能够容忍当前的载波频率偏移值P1，将1加1，得到新的当前载波频率偏移值P1+1 = 2 Jif0- (1+1) · Step，重复⑵ (6)的操作；否则，只要任一个本地扩频调制复序列中 其对应的频偏相关值序列中最大值K对应的位置《不等于本地扩频调制复序列的序号j，那 么说明本地扩频调制复序列已经无法容忍当前的载波频率偏移值P1,得到本地扩频调制复 序列对载波频率偏移的最大容忍值P = 2 π & · (1-1) · Step0
全文摘要
本发明涉及一种短程无线网络中扩频解码方法，属于无线通信技术领域。首先根据测试得到接收系统对频率偏移容忍度范围；根据该容忍度最大值对本地扩频调制序列进行相位偏移补偿，得到新的本地频率偏移相关值序列；将接收相关值序列分别与本地相关值序列进行相关，得到一组相关值序列；根据所有相关值的最大值对应的序列位置，从而实现数据解码。本发明时频同步方法，提高了频率偏移影响下数据解码的性能，使接收机具有更低的功耗以及在更大频率偏移情况下的接收性能，提高了频率偏移补偿时的运算精度，有效改善接收机性能。
文档编号H04B1/69GK101902244SQ200910084919
公开日2010年12月1日 申请日期2009年5月27日 优先权日2009年5月27日
发明者张良, 赵振丰 申请人:北京威讯紫晶科技有限公司