一种低功耗蓝牙基带接收方法与流程

1.本发明提供了一种低功耗蓝牙基带接收方法，属于无线通信技术领域。


背景技术：

2.低功耗蓝牙技术目前是全球最热门的短距离无线通信技术之一，具有良好的市场应用前景。虽然低功耗蓝牙具有功耗低、延时低、成本低等优点，但低功耗蓝牙的抗噪声能力较弱、对外界干扰敏感、传输距离较短等缺点制约着低功耗蓝牙的进一步发展，在通信环境恶劣的场景下进行应用和推广时低功耗蓝牙的通信效果也受到很大的影响。
3.低功耗蓝牙主要采用gfsk作为调制方式，并且基于gfsk调制进行接收机的设计。高斯频移键控gfsk(gauss frequency shift keying)以其功率谱集中、能抑制带外辐射、压缩信号功率和容易实现等特点，被广泛应用于无线移动通信领域中。基于gfsk调制的接收机在接收时通过模数转换和下变频将模拟高频信号转化为数字基带信号，由于低功耗蓝牙技术对噪声干扰敏感，数据传输的稳定性和可靠性较差；此外接收机的接收性能受到噪声干扰影响较大，导致接收到的有用信息较少。目前的解决方案为对数字基带信号进行滤波处理和固定增益调整，但对数字基带信号采用固定增益进行调整，会导致信号在增益调整后的解调过程出现错误，与发送方的信号不一致，影响传输的稳定性。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种低功耗蓝牙基带接收方法，以解决对基带信号进行固定增益调整导致的解调过程信号出现错误、影响传输可靠性的问题。
5.为了实现上述目的，本发明提供了一种低功耗蓝牙基带接收方法，包括如下步骤：1)对接收到的数字基带信号进行预处理，得到预处理后信号及预处理后信号的初始固定数字增益；
6.2)按照第一设定窗长，对预处理后的信号进行滑动窗口平均处理，计算各个滑动窗口的平均功率，并与表示接收功率上限的目标功率进行比较，确定对应滑动窗口的数字增益：
7.若当前滑动窗口的平均功率低于目标功率，且当前滑动窗口的平均功率与目标功率的比值低于最小数字增益与初始固定数字增益之比的平方，则对应滑动窗口的动态数字增益为最小数字增益；若当前滑动窗口的平均功率低于目标功率，且当前滑动窗口的平均功率与上一滑动窗口的平均功率的比值大于2或小于1/2，则当前滑动窗口的动态数字增益系数为当前滑动窗口的平均功率与目标功率的比值再开方后的结果的倒数，当前滑动窗口的动态数字增益为当前滑动窗口的动态数字增益系数与初始固定数字增益的积；
8.3)根据各个滑动窗口的动态数字增益对相应滑动窗口内的信号进行增益调整，得到增益调整后信号；
9.4)对增益调整后信号进行解调，得到解调后信号。
10.受接收机模数转换位宽限制，接收机允许的最大功率即为目标功率，因此对于滑
动窗口的平均功率小于目标功率的情况，需要根据滑动窗口的平均功率与目标功率的具体数值，调整滑动窗口内的信号以增强接收效果，并使其不超过接收机的最大接收能力。当前滑动窗口的平均功率与目标功率的比值为功率调整量，最小数字增益与初始固定数字增益的比值为单次最小幅度增益调整量，若功率调整量低于单次最小幅度增益调整量的平方，说明此时数字增益应当取最小值，即为最小数字增益。通过本发明的动态数字增益调整过程，能够实现数字基带信号的准确、高效接收，增强数据传输的稳定性和可靠性。
11.进一步地，在上述低功耗蓝牙基带接收方法中，步骤2)中若当前滑动窗口的平均功率超过目标功率，则当前滑动窗口的动态数字增益为初始固定数字增益。
12.当前滑动窗口的平均功率超过接收机的最大接收功率，说明应当调整滑动窗口内的信号以降低滑动窗口的平均功率，则此时动态数字增益为预处理得到的初始固定数字增益。
13.进一步地，在上述低功耗蓝牙基带接收方法中，步骤2)中若当前滑动窗口的平均功率与上一滑动窗口的平均功率相等，则当前滑动窗口的动态数字增益与上一滑动窗口的动态数字增益相同。
14.动态数字增益需经过若干滑动窗口的增益计算以收敛到稳定状态，因此若滑动窗口的平均功率与上一滑动窗口的平均功率相等，说明对应的动态数字增益也应当相同，不发生变化。
15.进一步地，在上述低功耗蓝牙基带接收方法中，步骤1)中还按照第二设定窗长对预处理后的信号进行滑动窗口平均处理，计算各个滑动窗口的平均功率，根据滑动窗口的平均功率进行有用信号检测，对检测的有用信号进行动态增益调整：
16.若当前滑动窗口的平均功率大于平均功率阈值，且上一滑动窗口的平均功率小于平均功率阈值，则判断当前滑动窗口的信号为有用信号。
17.若滑动窗口的平均功率小于平均功率阈值，说明该窗口内低功率的噪声信号较多，高功率的有用信号较少；若滑动窗口的平均功率大于平均功率阈值，说明该窗口内有用信号较多；此外通过两个连续滑动窗口的平均功率与平均功率阈值的关系能够判断有用信号的起始位置，能够准确实现对有用信号的检测。只选择有用信号较多的滑动窗口进行增益调整处理，可以减少处理量，提高信号处理效率。
18.进一步地，在上述低功耗蓝牙基带接收方法中，检测到有用信号后，若存在连续设定数量个滑动窗口的平均功率增量之和大于平均功率增量阈值，则不再对当前检测到的有用信号进行处理，并重新进行有用信号检测。
19.有用信号的变化通常较为缓慢，若有用信号的平均功率增量大于平均功率增量阈值，说明该有用信号变化过快，判断出现错误，可能是将特殊的噪声信号视为有用信号，因此需要重新判断有用信号。通过上述有用信号检验过程，能够进一步地提高有用信号的判断准确性。
20.进一步地，在上述低功耗蓝牙基带接收方法中，若数字基带信号采用gfsk调制方法，则步骤4)中对增益调整后的信号进行相位差分解调得到解调后信号。
21.进一步地，在上述低功耗蓝牙基带接收方法中，还对解调后信号重新进行信号调制得到重调制信号，计算所述重调制信号的相位信息与对应数字基带信号的相位信息之差作为相位误差，根据相位误差对后续解调后信号的相位进行调整。
22.由于无线信道的噪声干扰会影响解调性能，且当连续接收多个数据包时，相位误差变化较小，因此，通过相位误差计算和校正能一定程度上消除噪声干扰对解调后信号的相位的影响，提高信号的解调性能。
23.进一步地，在上述低功耗蓝牙基带接收方法中，所述第二设定窗长与数字基带信号的前导序列长度有关。
24.进一步地，在上述低功耗蓝牙基带接收方法中，所述预处理包括对数字基带信号经过fir滤波器进行低通滤波，并对滤波后的数字基带信号进行初始固定数字增益调整。
25.在低功耗蓝牙系统中，由于无线信道环境复杂多变，噪声干扰严重，因此对数字基带信号进行低通滤波处理，以滤除带外噪声干扰，避免噪声干扰对接收性能产生影响。此外，为了避免信号经过低通滤波后产生较大增益，使滤波器输出信号出现限幅的情况，在低通滤波器输出前，对滤波后的数字基带信号进行数字增益调整。
26.进一步地，在上述低功耗蓝牙基带接收方法中，步骤2)中对预处理后信号通过两级平均方法计算各个滑动窗口的平均功率。
27.采用二级平均估计方法，首先按照设定时间将各个滑动窗口内的采样点分为一组，计算每组平均功率，然后计算单个滑动窗口内所有分组的平均功率，完成平均功率计算。通过分组分级方式计算平均功率，可以消除功率突变点对平均功率值的影响。
附图说明
28.图1为本发明的基带接收方法流程图；
29.图2为本发明的平均功率估计和gfsk信号检测流程图；
30.图3为本发明的gfsk信号动态数字增益调整流程图。
具体实施方式
31.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
32.方法实施例：
33.如图1所示，本发明的低功耗蓝牙基带接收方法包括如下步骤：
34.1)接收基带信号，并对其进行预处理。
35.在接收机侧，一般需要对接收到的调制基带信号进行下变频和模数转换得到相应的数字基带信号。由于数字基带信号中存在大量的噪声干扰，因此需要对数字基带信号进行低通滤波处理，以滤除带外噪影响，并对滤波后的信号进行初始固定增益调整，避免滤波后的信号出现较大增益使滤波器输出信号出现限幅的情况。具体地，在低功耗蓝牙系统物理层中，系统架构参考蓝牙5.0协议物理层部分，所用低功耗蓝牙模式为有编码模式s＝8(le coded s＝8phy)，设数字基带信号为z(k)，则经过低通fir滤波器后的数字基带信号r(k)可表示为：
[0036][0037]
其中，k＝0,1,2,
…
；h(n)为fir滤波器的抽头系数；n为抽头系数的数目。
[0038]
fir滤波器的抽头系数可根据不同的采样频率和截止频率，采用窗函数法通过
taylor窗生成，通常截止频率取650khz，采样频率为12mhz。r(k)经过初始固定数字增益g
fixed
调整后得到用于计算平均功率估计值的数字基带信号y
′
(k)，y
′
(k)的表达式为：
[0039]y′
(k)＝r(k)
·gfixed
[0040]
2)对于预处理的数字基带信号进行有用信号检测。
[0041]
预处理后的数字基带信号仍然包含有大量的噪声，若直接对预处理后的数字信号进行调整，会导致其中的噪声信号也经过调整处理，增加了处理量。因此在接收机接收数字基带信号时，需要进行有用信号检测，以减少后续增益调整的处理量。如图2所示，对增益调整后的数字基带信号进行平均功率估计和信号检测，确定有用信号的起始位置。具体地，采用如下两级平均方法以根据固定增益调整后的数字基带信号计算得到平均功率估计值：
[0042]
首先采样频率fs对应1μs内的采样点数为fs，可知1μs内采样点个数为12，计算1μs内采样点数的功率平均值即一级平均功率值。的表达式为：
[0043][0044]
其中，fs为采样频率，单位为mhz；n＝0,1,2,
…
；[
·
]
*
为取复共轭计算。
[0045]
然后根据低功耗蓝牙系统数据包前导序列长度，选取适当的滑动窗口窗长大小，通过滑动窗口平均方法，计算滑动窗口内所有1μs分组的平均功率即二级平均功率值。由于低功耗蓝牙具有两大类数据传输模式：le uncoded phy模式和le coded phy模式，两种数据传输模式下数据包的前导序列具有不同的长度，le uncoded phy模式下前导序列长度为8μs，le coded phy模式下前导序列长度为80μs。因此对应不同传输模式下前导序列的长度不同，划分的滑动窗口长度也不同，le uncoded phy模式下窗长为2μs，le coded phy模式下窗长为8μs。本实施例中低功耗蓝牙采用le coded phy模式，因此数据包的前导序列长度为80μs，则设定滑动窗口的长度为8μs。的表达式为：
[0046][0047]
其中，m＝0,1,2,
…
；w为滑动窗口长度。由此得到的二级平均功率值即为平均功率估计值(与下文滑动窗口平均功率相同)，平均功率估计值用于检测gfsk信号起始位置。通过分组分级方式计算平均功率，可以消除功率突变点对平均功率值的影响，且计算复杂度低。
[0048]
根据平均功率估计值，检测gfsk信号起始位置的步骤如下(实施例中，平均功率阈值pow_thr＝28，平均功率增量阈值pow_raise_thr＝25，初始固定数字增益g
fixed
＝27最小数字增益g
min
＝22)：
[0049]
a)计算当前滑动窗口平均功率并判断其与平均功率阈值pow_thr的关系：
[0050]
若当前滑动窗口平均功率低于平均功率阈值pow_thr，即满足条件：
[0051][0052]
则认为未检测到gfsk信号，此时不接收信号，并继续计算下一滑动窗口平均功率
[0053]
若当前滑动窗口平均功率超过平均功率阈值pow_thr，且上一滑动窗口平均功率低于平均功率阈值pow_thr，即满足条件：
[0054][0055]
则认为检测到gfsk信号，此时开始接收gfsk信号，并继续计算下一滑动窗口平均功率和前后两个相邻滑动窗口的平均功率增量
[0056]
b)检测到gfsk信号后，若存在连续四个滑动窗口的平均功率增量之和超过平均功率增量阈值pow_raise_thr，即满足条件：
[0057][0058]
其中，t为检测到gfsk信号的滑动窗口时刻。若满足上述条件，则认为平均功率的变化过快，不存在gfsk信号，此时重置接收状态为不接收信号，并返回步骤a)重新检测gfsk信号。
[0059]
c)检测到gfsk信号后，若直到窗口滑动到gfsk信号前导序列的末尾，连续四个滑动窗口的平均功率增量之和均低于平均功率增量阈值pow_raise_thr，则结束平均功率估计和gfsk信号检测。
[0060]
3)对有用信号再次划分滑动窗口，并在各个滑动窗口内计算动态数字增益。
[0061]
如图3所示，根据平均功率估计值，进行动态数字增益计算和调整。设目标功率为p
tar
，表示接收机允许的最大功率，实施例中模数转换器的输出位宽为14位，其中1位为符号位，其余13位数字位代表量化精度，故目标功率p
tar
＝2
13
×2＝2
26
，动态数字增益的计算方法如下：
[0062]
a)若当前滑动窗口平均功率不等于上一滑动窗口平均功率即：
[0063][0064]
满足上式条件后，则开始计算当前滑动窗口的动态数字增益，具体计算如下：
[0065]
若当前滑动窗口超过目标功率p
tar
，即满足条件：
[0066][0067]
则动态数字增益g
dyn
为最大数字增益即初始固定数字增益g
fixed
；
[0068]
若当前滑动窗口低于目标功率p
tar
，且同时满足如下条件：
[0069][0070]
即当前滑动窗口的平均功率到目标功率p
tar
的功率调整量低于单次最小幅度增益调整量g
min
/g
fixed
的平方，则动态数字增益g
dyn
为最小数字增益g
min
；
[0071]
若当前滑动窗口低于目标功率p
tar
，且同时满足如下条件：
[0072]
或
[0073]
即当前滑动窗口的平均功率是上一滑动窗口的平均功率的2倍或1/2，则动态数字增益g
dyn
可表示为：
[0074][0075]
b)若当前滑动窗口平均功率等于上一滑动窗口平均功率即满足条件：
[0076][0077]
则当前滑动窗口的动态数字增益g
dyn
与上一滑动窗口的数字增益g
′
dyn
相同。
[0078]
c)对当前滑动窗口内的gfsk信号rw(k)进行增益调整后得到的yw(k)可表示为：
[0079]yw
(k)＝rw(k)
·gdyn
[0080]
d)经过若干个滑动窗口动态增益计算后，可得经过动态增益调整后的gfsk信号y(k)可表示为：
[0081]
y(k)＝r(k)
·gdyn_last
[0082]
其中，g
dyn_last
为最后一个滑动窗口计算得到的增益值。
[0083]
作为其他实施例，也可以对滤波器的输出结果直接进行动态增益调整。此外步骤2)中划分滑动窗口是为了以窗口为单元进行有用信号检测，滑动窗口的长度与前导序列的长度有关，步骤3)中划分滑动窗口是为了以窗口为单元进行动态增益调整，滑动窗口的长度只与调整的精度有关，若要调整的精度比较高，可将滑动窗口的长度设置的小一点，否则，可将其设置的大一点。但为了实现简化处理流程的目的，二者划分窗口的窗口长度可以取相同值。
[0084]
4)对动态数字增益调整后的信号进行解调。
[0085]
由于本实施例中的信号采用gfsk信号调制方法，因此需要对动态数字增益调整后的信号进行相位差分解调。对动态数字增益调整后的gfsk信号取辐角后，得到gfsk相位信息，对该相位信息进行差分处理，得到gfsk软比特信息。此外还能够采用平滑滤波和累加平均合并处理以消除幅值抖动。具体地，滑动平均滤波器采用抽头系数全为1的fir滤波器，滤波器阶数为以mhz为单位的采样频率fs。下采样采用累加合并的方式，以fs点为一组进行分组累加平均。经过相位检测后gfsk信号的相位可表示为：
[0086][0087]
对进行差分处理，可得gfsk解调后的过采样软比特信息b
′
(k)，可表示为：
[0088][0089]
利用滑动平均滤波器对b
′
(k)进行平滑滤波后得到曲线平滑后的过采样软比特信息b
′
avg
(k)可表示为：
[0090][0091]
其中，g(m)为滑动平均滤波器的抽头系数，g(m)＝1,m＝0,1,2,
…
,fs。对b
′
avg
(k)进行累加平均合并，可得下采样后的软比特信息b(n)可表示为：
[0092][0093]
其中，n＝0,1,2,
…
,l/fs，l为gfsk信号长度，fs为采样频率，单位mhz。对累加平均合并后的软比特信息b(n)进行解调判决，可得比特信息x(n)为：
[0094][0095]
5)进行相位误差估计和校正。
[0096]
解调后得到的信息还会存在一定的相位误差，由于连续接收多个数据包时，相位误差的变化较小，因此通过计算出第一次数据包的相位误差，就能消除后续数据包的相位误差。具体地，根据当前解调判决后的比特信息x(n)，重新对其进行gfsk调制，得到相位信息则相位误差的估计值ε可表示为：
[0097][0098]
在下一个gfsk信号接收解调时进行相位误差校正。设下一个gfsk信号的相位为ψ(k)，根据相位误差的估计值ε，可得校正后的相位ψc(k)可表示为：
[0099]
ψc(k)＝ψ(k) ε
[0100]
至此，实现了gfsk数字基带信号的接收。对于低功耗蓝牙系统，本发明的gfsk调制基带接收方法实现简单，电路复杂度低，能够在满足低功耗、低延时要求的基础上，提高系统的抗干扰能力，有效提高接收性能，节约接收机成本。