数字无线电通信的制作方法

本发明涉及用于使用相关器解调数字无线电信号的方法和装置。更特别地但非排外地，本发明涉及用于识别从相关器接收的输出信号中的相关峰的方法和装置，以在诸如无线电通信中的符号定时恢复和帧同步等操作中使用。

背景技术：

已知用于传输二进制消息数据的多种无线电通信系统。示例包括蓝牙^tm和蓝牙低功耗^tm。对于数字无线电接收器来说重要的是快速地且准确地从接收的数据包(也称为数据帧)确定定时同步，从而能够可靠地解码消息数据。众所周知，在每帧的开端附近包括发射器和接收器二者已知的预定同步字，接收器可以在解码来自该帧的消息数据之前使用该预定同步字执行操作，诸如符号定时恢复、帧同步、频率偏移补偿和自动增益控制(automaticgaincontrol，agc)训练。

当接收的无线电信号很弱时，对于接收器来说可能更加难以可靠地执行这些操作。在通过引用并入本文中的wo2015189584a1中，本申请人先前设想在数据包中包括同步字，该同步字由两个或更多个相同同步序列组成以提供更准确的符号定时恢复、帧同步和频率偏移补偿。该方法允许接收器使用相对短的相关器，该相关器针对存储的同步序列的一个实例重复地对输入信号进行相关处理。这与针对更长的、非重复的同步序列的相关处理相比功耗更低。除了相关器输出幅度的基础匹配度量标准之外，同步电路/处理器还可以使用连续相关器匹配(用于连续同步序列)之间的时间距离来获得符号定时恢复。

上述技术的缺点在于，除了通常在相关器中存储的同步序列匹配所接收的数据包中的同步序列时出现的相关峰之外，相关函数还产生旁瓣峰。旁瓣峰通常在相关器仅将其存储的一些同步序列与接收包中的同步序列匹配时，而不是在匹配所存储的大多数或全部的同步序列时出现。虽然旁瓣峰的幅度低于完整相关峰，尽管如此，旁瓣峰的幅度可以为显著的，这会使得难以将旁瓣峰与完整峰区别开，尤其在噪声环境中。

如上所述，相关器面临的另一困难是，在接收的数据包中的噪声可能引起相关输出中的噪声峰。旁瓣峰和噪声峰是不受欢迎的，这是因为它们使得难以针对诸如符号定时恢复和帧同步的操作准确地识别相关峰。

为了将相关峰与相关器输出中的伪峰(例如旁瓣峰和噪声峰)区分，同步电路可以使用阈值来确定是否找到相关峰(即相关匹配)。这类技术依赖于幅度大于旁瓣峰和噪声峰的相关峰。通常，可取的是保持该阈值尽可能低(例如，对于经归一化的相关器输出，<0.6)，因为接收器的敏感度随着阈值增大而降低。然而，这并不总是可能的，因为在一些情况下，诸如当接收的数据包具有高信噪比时，旁瓣峰可能具有与相关峰相当的幅度。因此，可能需要高阈值来识别一些相关峰。然而不幸地，一些相关峰可能不具有超过阈值的幅度，因此同步电路可能无法检测那些相关峰。如果没有识别出足够的相关峰，则同步电路可能无法执行诸如符号定时恢复和帧同步的操作，这是因为这类操作通常需要识别出最小数量的相关峰。

技术实现要素：

从第一方面，本发明提供了一种操作数字无线电接收器的方法，包括：

接收无线电信号；

将所述无线电信号传递到相关器，所述相关器用于对所述无线电信号与预定图案进行相关处理以提供输出信号，所述输出信号包括时间上分离的多个峰；

确定所述多个峰中的第一峰的幅度；

基于所述第一峰的幅度计算选择阈值；

确定所述多个峰中的第二峰的幅度；

将所述第二峰的幅度与所述选择阈值相比较；以及

如果所述第二峰的幅度大于所述选择阈值，则将所述第二峰识别为相关峰。

本发明延伸到一种装置，该装置包括用于接收无线电信号的数字无线电接收器且布置成：

将所述无线电信号传递到相关器，所述相关器用于对所述无线电信号与预定图案进行相关处理以提供输出信号，所述输出信号包括时间上分离的多个峰；

确定所述多个峰中的第一峰的幅度；

基于所述第一峰的幅度计算选择阈值；

确定所述多个峰中的第二峰的幅度；

将所述第二峰的幅度与所述选择阈值相比较；以及

如果所述第二峰的幅度大于所述选择阈值，则将所述第二峰识别为相关峰。

本发明还延伸到一种包括软件的非暂时性计算机可读介质，所述软件在数据处理装置上运转时适用于：

从数字无线电接收器接收无线电信号；

对所述无线电信号与预定图案进行相关处理以提供输出信号，所述输出信号包括时间上分离的多个峰；

确定所述多个峰中的第一峰的幅度；

基于所述第一峰的幅度计算选择阈值；

确定所述多个峰中的第二峰的幅度；

将所述第二峰的幅度与所述选择阈值相比较；以及

如果所述第二峰的幅度大于所述选择阈值，则将所述第二峰识别为相关峰。

因此可见，第一峰的幅度用于确定选择阈值应当是什么，以便使第二峰符合相关峰。该确定背后的原理在于，通常第二相关峰(及其可具有的任何相关联的旁瓣峰)的幅度相对于第一峰可能只有很小的变化量。采用该方式，本发明使用在输出信号中分析的第一峰的幅度来动态地调整用于准确地确定第二峰是否为相关峰的选择阈值。该方法允许检测宽范围的相关峰以改善接收器敏感度，同时保持抵抗误检(例如旁瓣检测)的稳健性，因为不需要在敏感度和选择性之间进行预定妥协。这进而使例如较低比特相关器(例如8比特相关器)能够用在接收器中以在低接收器复杂度下实现高敏感度。

在输出信号中的多个峰可以包括相关峰和无效峰(例如旁瓣峰)。优选地，相关峰在时间上按固定量分离。

选择阈值可以在本文中也被称为旁瓣阈值。

在一组实施方式中，计算多个峰中的第一峰和第二峰之间的时间间隔。在一组这类实施方式中，如果该时间间隔不为期望值或不在期望范围内，则进行关于第二峰的幅度是否大于选择阈值的确定。即，只有当时间间隔不像预期的那样时，才进行针对选择的比较。相反地，如果时间间隔像预期的那样，则可以将第二峰识别为相关峰。根据本发明的实施方式，这提供了优于仅仅依赖于时间间隔的优势，这是因为噪声可能使得难以准确地确定时间间隔，导致难以准确地识别相关峰。在时间间隔不像预期的那样(可能由于噪声效应)的情况下，第二峰的幅度相对于选择阈值的比较提供了用于确定第二峰是否为相关峰的附加测试。这提供了抵抗误检的额外的稳健性层，且有利地，该测试不易受噪声效应影响，因为该测试基于幅度级而非时间点。

另外，因为仅当第二峰在相对于第一峰的期望时间范围之外时，将第二峰与选择阈值相比较，因此可以实现处理上的节省。进而，这可以用于在接收器中提供更快速的同步、符号定时恢复和频率偏移校正，同时改善抵抗误检(例如旁瓣检测)的稳健性。

来自相关器的输出信号可以包括作为两个信号之间的互相关的结果的时间上分离的一系列峰。互相关可以是在(i)编码包括重复比特序列的数据流的无线电信号和(ii)基准比特序列之间进行。通常，该基准比特序列为存储在无线电接收器中的预定序列。在一组实施方式中，基准序列包括重复的比特序列的一部分、或优选地全部。

另外，数据流可以包括根据预定通信协议的数据包或数据帧，该预定通信协议诸如蓝牙^tm、蓝牙低功耗^tm或蓝牙远程^tm。在一组实施方式中，使用直接序列扩频(direct-sequence-spread-spectrum，dsss)编码法来编码数据流中的至少一些比特，其中，固定码片序列用于表示特定比特或比特序列。接收器可以在对数据流进行相关处理之后对接收的数据流进行解扩。

通常，来自相关器的输出信号中的峰将在时间上间隔开与重复比特序列的长度对应的量。

在一组实施方式中，将另一固定阈值应用于第一峰和/或第二峰的幅度。可以使用该固定阈值过滤出至少一些旁瓣峰。通过适当地将固定阈值设置得很低，针对动态选择阈值分析更小的峰子集，而不失去太多敏感性。

在一组实施方式中，动态选择阈值附加地基于固定阈值。已发现这提供了用于确定第二峰是否符合相关峰的更准确的选择阈值。

在一组实施方式中，根据如下公式计算动态选择阈值：

th旁瓣＝α1·q上一峰+α2·th

其中，th旁瓣为选择阈值，q上一峰为第一峰的幅度，th为固定阈值，且α1和α2是合计为1的正组合系数。这进一步改善用于确定第二峰是否符合相关峰的选择阈值的准确度。

在一组实施方式中，无线电接收器使用第一峰和第二峰来进行符号定时恢复或帧同步或依赖于相关峰的识别的其它无线电通信进程。

附图说明

下面将仅通过示例方式、参照附图描述本发明的特定实施方式，附图中：

图1为体现本发明的无线电通信系统的示意图；

图2为可由无线电通信系统发送和接收的数据包的图；

图3为体现本发明的无线电接收器的一部分的示意图；

图4示出由体现本发明的无线电接收器生成的互相关输出的示例；

图5为根据本发明的用于无线电接收器的状态图。

具体实施方式

图1示出了与智能手机7通信的无线心率监控器1。这两个设备体现本发明。

无线心率监控器1具有连接到微处理器3(诸如arm^tmcortexm系列)的心率传感器2。微处理器3连接到无线电发射器4。无线电发射器4包括编码器5(还有其它组件)。还存在其它常规组件(诸如存储器、电池等)，但是为了简洁起见而从图中省略。可以将微处理器3和无线电发射器4集成在单个硅芯片上。监控器1具有无线电天线6，该无线电天线6可以集成在这类芯片上或这类芯片外部。

除了其它常规组件(未示出)之外，智能手机7还具有天线8，该天线8适合于从无线个人区域网络设备接收短程无线电通信，该天线8连接到无线电接收器9。除了其它组件之外，无线电接收器9还包括同步和解码逻辑10。无线电接收器9连接到微处理器11(诸如arm^tmcortexm系列)，该微处理器11可以输出用于显示在屏幕12上的数据，可能借助其它组件，诸如运转操作系统和合适软件应用的另一微处理器(未示出)。

在使用中，无线心率监控器1从心率传感器2针对人类用户接收周期性心率读数。微处理器3将读数处理为适合于传输的格式，并将消息数据发送到无线电发射器4。在一些实施方式中，可以已经不同地编码消息数据，从而提高无线电接收器9上的解码操作的效率。无线电发射器4确定消息数据是否可以适合放在单个数据包内或消息数据是否必须被分解在两个或更多个数据包上。无线电发射器4中的编码器5使用基于卷积的前向纠错码来编码消息数据。它将链路层访问地址(link-layeraccessaddress，caa)和速率指示器(rateindicator，ri)前置到所编码的消息数据以创造有效负载。然后发射器4将包括同步字的前导码前置到该有效负载。同步字包括预定序列s1[00111100](例如)的10次重复。可以使用固定码片序列对发送包中的每个比特进行直接序列扩频(dsss)编码。例如，每个‘1’比特可以由4比特序列[1100]表示且每个‘0’比特可以由序列[0011]表示。当然，可以使用其它长度的码片序列，其可以或可以不为2的幂。

然后无线电发射器4发送来自天线6的、使用调制指数为0.5的双级gfsk来调制在射频载波(例如处于大约2.4ghz)上的编码数据包。可替选地，无线电发射器4可以使用fsk调制。

图2示出了示例性数据包结构。该数据包结构可以布置用于蓝牙低功耗远程通信、或其它类型的无线射频通信(例如lte、zigbee和wi-fi通信)。在本示例中，该结构包括前导码和两个前向纠错(forward-error-corrected，fec)块。第一fec块包括编码访问地址(codedaccessaddress，caa)和速率指示器(rateindicator，ri)。该速率指示器包含关于对第二fec块的编码的数据，该第二fec块本身包含协议数据单元(protocoldataunit，pdu)(数据有效负载)、循环冗余校验(cyclicredundancycheck，crc)位、和终止(ter)位，例如‘000’的编码版本。

在使用中，智能手机7在天线8处接收无线电数据包。无线电接收器9使用同步和解码逻辑10处理gfsk信号。接收器9首先对接收的信号与所存储的同步序列(例如[00111100])进行相关处理，从而确定符号定时恢复和频率偏移校正。优选地，存储的同步序列对应于前导码中的预定序列(即s1)。

在相关处理中的相关峰提供定时同步信息且因此提供帧同步信息，这些信息随后可以用于解码数据有效负载。下文更详细地阐述该操作。

无线心率监控器1和智能手机7可以被配置使得实质上根据蓝牙低功耗(bluetoothlowenergy，btle)^tm核心协议版本4.0将心率消息数据从无线心率监控器1传递到智能手机7，除了物理层之外。无线心率监控器1和智能手机7可以被装配成用于双向无线电通信，在相反方向上使用相应组件进行无线电传输，但是这不是必要的。

图3示出了体现本发明的无线电接收器的数字基带处理阶段的细节。这可以为如上所述的相同无线电接收器9，或它可以为不同的无线电接收器。

为了简洁而未示出诸如过滤和冗余频率偏移跟踪的步骤。无线电接收器的设计旨在优化敏感度，同时容许现实信道状况(载波频率偏移、载波漂移、衰减等)。

示出了复值基带样本从图3的左侧进入。将这些样本传递到坐标旋转数字计算机(coordinaterotationdigitalcomputer，cordic)单元18，并从此处传递到解扩单元19。解扩单元19执行输入数据与存储的一个或多个码片序列之间的互相关。解扩单元19的输出被传递到位级编码访问地址相关单元20，然后转发到维特比(viterbi)解码器单元21。还将输入样本传递到同步单元22，该同步单元22执行定时同步和初始载波频率偏移评估。

图3包含如下缩写：

n＝码片索引；

m＝符号索引；

z(n)＝复基带样本；

z'(n)＝经载波频率偏移(carrier-frequencyoffset，cfo)补偿的z(n)；

h(n)＝来自解扩数据的硬判决位；

caa＝期望编码访问地址的副本；

p(k)＝表示fsk调制之后在相位柱面上的数据码片序列的复值。

同步单元22包括数据辅助的联合型定时和频率评估器，该评估器利用在接收的符号中的数据知识来消除调制对常规延迟和相关类型的载波频率偏移评估器的影响。由本申请人在wo2014/167318中描述了同步背后的原理，该申请的全部内容通过引用并入在本文中。

因为接收重复的同步序列，所以可以(至少部分地)使用对连续幅度响应之间的时域距离的检查来过滤出误检(即旁瓣峰和噪声峰)且从而识别有效检测(即相关峰)。这意味着可以使用具有较低检测阈值的较短相关器来实现给定级别的敏感度，降低接收器复杂度。图3中的“联合定时和频率偏移同步”同步单元22针对每个输入基带样本zn＝i(n)+jq(n)执行如下互相关：

(公式1)

其中，l为表示上采样的“同步字”的样本的数量，其被定义为上述序列s1的重复次数；其中，d为在设计时决定的滞后，且t为采样周期。

系数被给定为di＝pi^*pi+d，其中，pi^*和pi+d为构成经上采样且调制的同步字比特的样本。应当在正确的时间点对相关器采样以使得频率偏移评估有效，且该时刻为在互相关输出mn中观察到“相关峰”的时间，该互相关输出mn由如下公式给出：

(公式2)其中，且

在设计时计算系数di＝pi^*pi+d。

在图4中给出了作为时间的函数的经归一化的互相关输出的示例。互相关输出包括多个相关峰401-409，这些相关峰401-409对应于对重复的“同步字”的各实例进行相关处理且因此在时间上间隔开与同步字的长度对应的量(在误差δ的范围内，例如+/-1样本索引，这考虑了由于噪声造成的变化)。互相关输出还包括位于各相关峰的任一侧的多个旁瓣峰(例如401a-b、403a-b、405a-b)。将理解，为了简洁，在图4中仅标记了一些旁瓣峰。旁瓣峰可能例如在相关器中存储的序列的开端不出现在采样序列的开端时出现。在该情况下，在存储的序列与采样序列之间存在时间偏移，因此，仅一些采样序列可能与存储的序列匹配。

同步单元22基于可变旁瓣阈值检查来确定互相关输出中的相关峰。将旁瓣阈值检查应用于互相关输出中相邻的一对或多对峰。该检查确定互相关输出中的两个相邻峰中的后一个峰(即第二峰，例如峰403)是否超过动态旁瓣阈值。对动态旁瓣阈值的计算基于这对相邻峰中的前一个峰(即第一峰，例如峰402)的幅度。下文参照图5更详细地讨论如何使用可变旁瓣阈值检查来确定相关峰的示例。

使用另一固定阈值(例如0.4)作为首次检查以识别互相关输出中的潜在相关峰且过滤出噪声。选择阈值使得预计所有的真正相关峰都超过该阈值。该过滤阶段应当造成大多数相关峰保持且可能伴有一些伪峰，诸如旁瓣峰。例如，可以将可编程阈值0.4应用于图4的互相关输出以去除0.4以下的所有峰和噪声，从而产生相关峰401-408和具有超过0.4的幅度的任何旁瓣峰(例如403a-b和405a-b)。

仅当一个峰与前一个峰间距超出预期范围时，应用动态旁瓣阈值检查，该预期范围为同步字长度加上或减去误差裕度δ以考虑到噪声。

对旁瓣阈值(th旁瓣)的计算可以由如下公式给出：

(公式3)th旁瓣＝α1·q上一峰+α2·th

其中，q上一峰为当前分析的一对相邻峰中的第一峰的幅度，th为预定阈值，以及α1和α2是合计为1的正组合系数。

重复的同步序列连同可变旁瓣阈值检查具有如下优势：同步逻辑10可以基于更早相邻峰的幅度过滤出旁瓣峰(更确切地说，限定相关峰)，这相比于任意选择的固定阈值提供了下一个峰的可能幅度的更准确预测。由于旁瓣阈值为动态的，因此增大或减小该旁瓣阈值以针对相关输出中的相关峰的幅度的变化而进行调整。这允许检测更宽范围的相关峰以提高接收器敏感度，同时保持抵抗误检(例如旁瓣检测)的稳健性。这进而意味着，例如可以使用8比特相关器在较低接收器复杂度下实现高敏感度。

该脉冲串同步的另一优势在于，如果使用比重复序列更长的相关器帧，如在一些实施方式中可以是这样的，则接收器相关器系数也将为重复序列。这简化了更长相关器的实现，同时保持其基础噪声平均质量。

现在将更详细地描述上文提到的过程。

返回参照图3，通过数字基带相关器解扩单元19处理复基带样本z'(n)的经载波频率偏移(cfo)补偿的序列。这计算并将实值softbits(软比特)＝|c1|²-|c0|²输出到位级编码访问地址相关单元20和维特比解码器单元21。

编码访问地址相关单元20使用编码访问地址的存储版本执行相关操作从而为输入数据帧确定帧同步。

然后通过维特比解码器单元21确定消息数据比特，该维特比解码器单元21以常规方式操作。

图5示出了如图3所示的无线电接收器中的可编排相关峰检测过程(其可以在图3的同步单元22中执行)的有限状态机(finitestatemachine，fsm)。

该fsm的状态由可变同步态给出。在框510，fsm接收互相关输出且开始于同步态＝0、时间t＝0且mncnt＝0。同步态＝0指示fsm还未发现用于诸如符号定时恢复和帧同步的过程的所需数量的相关峰。mncnt为计数器，该计数器计数被确定为具有超过预定阈值和旁瓣阈值的幅度且被确定为与更早的相邻相关峰具有特定时间间隔的相关峰的数量。当已确定足够的最小数量maxmncnt的相关峰时，在框580，将同步态设置为1，然后接收器可以将确定的相关峰的时序用于诸如定时和载波频率偏移同步以及帧同步等过程。

在处理框515，fsm在接收的互相关输出中选择一个峰以供分析。在该阶段，还未确定所选的峰是否为相关峰或伪峰(例如旁瓣峰)。按照出现的时间顺序选择多个峰，其中，首先选择最早的峰且最后选择最近期的峰。将所选的峰传递到判定框520。

在判定框520，fsm确定所选的峰的幅度是否超过阈值th。该阈值th为固定的且被预编程到fsm中。优选地，将阈值th保持足够低，使得至少大多数相关峰的各自幅度超过阈值th。将理解，该阈值的应用可以过滤出一些旁瓣峰。然而，由于将th保持足够低使得检测到大多数相关峰，因此可能存在通过该阈值测试的一部分旁瓣峰(即，可能存在幅度超过阈值th的一部分旁瓣峰)。

如果发现所选的峰超过阈值th，则fsm记录该峰出现的时间并将所选的峰传递到框525，以供进一步处理和测试。如果所选的峰的幅度不超过阈值th，则fsm前进到判决框585，在此确定是否已发生超时。假定还未发生超时，则fsm配置成返回到框515以在互相关输出中选择下一个峰以供评估。如果已发生超时，则fsm前进到框575以重置定时器和mncnt。

在判决框525，fsm确定是否已确定最小数量maxmncnt的相关峰。

判决框530评估mncnt是否等于零。当mncnt等于零时，将所选的峰标记且处理为“第一”峰，以及当mncnt不等于零时，将所选的峰标记且处理为“第二”峰。将第一峰传递到处理框535且将第二峰传递到处理框540。

每当将一个峰传递到框535(可以来自框530或框550)时，它将该峰出现的时间存储为t(mncnt)，将mncnt增加1，并将该峰的幅度存储为q上一峰。在框540，使用t(mncnt)来评估“第一”峰和“第二”峰之间的时间间隔时段。在框555，使用q上一峰来确定旁瓣阈值。可以附加地将所存储的值用于诸如定时和载波频率偏移同步以及帧同步等过程。

在框540，fsm确定“第二”峰出现的时间且然后计算第一”相关峰和“第二”相关峰之间的时间间隔时段(即d＝t-t(mncnt))。

然后判决框545评估第一峰和第二峰是否在时间上间隔开在误差裕度δ内的与“同步字”长度对应的量以考虑噪声。如果这两个峰以该量间隔开，则将mncnt增加1且然后在框550进行评估以确定是否已发现最小数量maxmncnt的相关峰。当还未发现最小数量maxmncnt的相关峰时，将“第二”峰传递到框535，以被标记且处理为“第一”峰。即，然后将“第二”峰视为“第一”峰，以用于对由框515选择的下一个峰的分析。另一方面，当已发现最小数量maxmncnt的相关峰时，fsm前进到框580。

如果第一峰和第二峰在时间上不间隔开与“同步字”长度对应的量(+/-δ)，则框555使用上述公式(公式3)、来自框535的th的值和q上一峰来计算旁瓣阈值th旁瓣。

在判决框565，评估第二峰以确定它是否为相关峰或伪峰(例如旁瓣峰)。这通过确定“第二”峰的幅度是否超过从框555计算的旁瓣阈值th旁瓣来完成。如果“第二”峰超过计算的旁瓣阈值th旁瓣，则将第二峰确定为相关峰，然后fsm接着将mncnt设为等于1且在互相关输出中选择下一个峰以供在框515进行评估。另一方面，如果“第二”峰不超过计算的旁瓣阈值th旁瓣，则将第二峰确定为伪峰，然后fsm转到框515而不改变mncnt或定时器。

可以重复本文中的方法以细调相关峰的确定且从而细调诸如定时和载波频率偏移同步以及帧同步的后续过程。一次或多次迭代可以基于在该方法的第一次迭代中使用的相同数据包、或可替选地基于由接收器接收的不同数据包。将理解，一次或多次迭代提高同步准确度。

根据本发明的方法的一次或多次迭代(例如第二次迭代)可以使用与在前次迭代(例如第一次迭代)中不同的阈值th。优选地，在每次后续迭代中使用较低阈值th来提高接收器的敏感度。

本领域的技术人员将领会到，虽然已使用多种具体特征例证本发明，但是这些特征是非限制性的且可以进行许多修改和变型而不脱离本发明的范围。