利用多個相關器確定信號發送和頻率偏移的制作方法
【專利摘要】一種數字無線電接收器54適于接收其使用連續相位調制所調制的無線電信號。所述接收器包括用于接收具有載波頻率的模擬無線電信號的裝置；每一個對應于不同的位序列的多個相關器6、8，它們共用共同估計器4，所述共同估計器用于估算所述載波頻率和標稱載波頻率之間的頻率偏移，和裝置12，其用于確定所述相關器6、8中的哪一個產生所需的輸出信號。
【專利說明】
利用多個相關器確定信號發送和頻率偏移
技術領域
[0001]本發明涉及用于解碼數字無線電傳輸的裝置和方法。
【背景技術】
[0002]在便攜式設備中，有一個降低功耗的基本要求。這一要求延伸到用于通信方法的功率，這可能會限制能有效地發生的通信的范圍。
[0003]盡管存在許多不同的通信協議，例如藍牙、無線個域網，但是他們的執行具有共同限制。特別是，信號變得易受噪聲影響，尤其是在長距離傳輸中信號隨著距離衰減。當不能準確地接收數據時，這導致位和數據包錯誤。使得信號較小地被噪聲影響的一種方法當然是增加傳輸的功率，因為這增加了信噪比。然而，這與減少功耗的努力不一致，而且兩個要求必須平衡。
[0004]在數字系統中用于改善傳輸質量的一種可能的方法是使用擴頻調制，由此位的每個位或序列在傳輸中來通過若干芯片表示。這減少了損失單個芯片的影響，因為它并不代表一個整位并且如果仔細選擇芯片序列，即使一些芯片丟失它們也仍然可以被區分。然而，雖然這可能有助于增加理想條件下的范圍，但它可能無法存在載波頻率偏移或漂移。當接收到信號時，這些可能造成數據被誤讀的問題。

【發明內容】

[0005]從第一方面看時，本發明提供了一種數字無線電接收器，其適合于接收使用連續相位調制而被調制的無線電信號，所述接收器包括:用于接收具有載波頻率的模擬無線電信號的裝置，每一個對應于不同的位序列的多個相關器，所述相關器共享公共估計器(common estimator)，所述估計器用于估計在所述載波頻率和標稱載波頻率之間的頻率偏移，以及用于確定哪一個所述相關器產生期望的輸出信號的裝置。
[0006]正如本領域的技術人員根據本文所公開的內容所理解的，提供了一種數字接收器，其可以提供由于使用多個相關器而改善載波頻率偏移的靈敏度。正如本領域技術人員熟悉的技術中，相關器可被用于計算在輸入波形和已知波形之間的互相關，其表示在數據包中所希望的模式。多個相關器的使用對于多種原因都特別有利。相關器能夠相對快速的操作，因為它是沒有必要執行搜索或操作的學習類型。此外，相關器可以提供時間和頻率偏移的估計，允許實現應用中有利的快速時間同步，如藍牙協議中允許存在有限的時間同步。此外，在相關器輸出的有效“峰值”還可以作為有效的數據包(幀)同步。最后，已經發現適當設計的相關器可在低信噪比(SNR)下令人滿意地工作，S卩，相關器不成為限制因素。
[0007]多個相關器的使用允許低能量傳輸在較長的范圍內執行，因為接收器更容易能夠確定位模式。通過比較多個相關器的輸出，每個位的值可以很容易地和迅速地被確定，因為每個相關器只是尋找單一位模式，而不是需要執行不同位模式的多個比較。然后可以比較相關器輸出以便選擇相關的一個，從而找到正確的位模式。通過與已知值的若干直接比較，信號的降解變得不那么重要，因為需要相對信號(如最高的輸出)，而不是一個特定的絕對值。在一組實施例中，所需的輸出信號是最高的輸出信號。
[0008]與相關器有關聯的位序列可以是直接位序列，但在一組實施例中相關器對應的位序列包括直接序列擴頻(DSSS)方案中的芯片序列，即無線電信號至少包括部分的直接序列擴頻信號。在DSSS中，數據包的一些或全部原始位被分(或“傳播”)到一系列的芯片，以便每個這樣的原始位由序列表示。有可能只是兩個序列，一個代表I，另一個代表0，例如每個’I’位可以由序列“1101”表示，每個“O”位由“0010”表示。或者可能有大量的序列，如更長的位模式。當然可以使用不同的序列，特別是可以使用不同長度的序列。每個相關器可能會因此被關聯到一個特定序列的芯片，相關器產生所需的輸出信號代表相應的位或位序列。整個數據包可能是芯片的序列，但在一組實施例中，只有一部分數據包，如負載、被分到芯片。因此每一“位”，依照本發明是指可能是一個直接位，或可能是一個接著信號傳播的芯片。
[0009]通過使用芯片序列，可以提高接收的信號的質量。這是因為每個原始位被分散到若干芯片。對于整個數據包傳輸，一定數量的芯片可能會在發射器和接收器之間丟失。它的優點是容易恢復代表的原始位即使一些傳輸的實際位(芯片)不被接收或不被可靠地恢復。這意味著設備的指定的位誤碼率(BER)可以用于代表原始位而被獲得同時“無線”位的位誤碼率(BER)要高得多。就實踐而言，這意味著對于一個給定的傳輸功率和接收器增益，按照協議連接可能擴展到比編碼方案沒有被應用更大的距離。這樣操作可以因此被視為一個遠程模式。通過具有非常不同的芯片序列，如彼此正交，部分傳輸仍然可以從其他序列中很容易被認出來。
[0010]本領域技術人員應理解的代表了每個數據位通過多個芯片降低了可以獲得的有效的數據率。更具體地說，每個數據位由一個固定長度的序列表示，有效的數據率是芯片率除以序列長度。因此存在一個序列長度和數據率之間的權衡。另一方面使用的序列越長，可以實現對給定的數據BER的范圍越大，因為較長的序列給予丟失的芯片(dropped chips)更大的包容。
[0011]在一組實施例中，共同估計器是一個數據輔助聯合定時和頻率偏移估計器。這種已知的估計器與多個相關器一同使用，以便表示多個位或芯片序列。通過使用共同估計器，相關器都使用相同的定時信息，并且因此更容易進行同步。
[0012]在另一組實施例中，共同估計器用于信號的解擴和用于相關器與輸入信號的的同步。這消除了對解擴(即，從芯片重建位)和同步單獨模塊的需要，同時降低了接收器的尺寸和制造成本。標準藍牙前導碼(preamble)就足夠了，其中每個前導碼位被替換為相應的芯片序列。這消除了較長的前導碼在擴頻方案中頻繁使用的需要。通過使用用于解擴和同步的相同模塊，由于每個相關器本質上是一個頻率偏移估計器，所得到的數據在頻率估計器的范圍是更穩健的載波頻率偏移。該系統的載波頻率偏移的公差是由估計器的范圍給出的，這通過在相關器前面的差分濾波器的差分延遲是可控的。
[0013]在一組實施例中，數字無線電接收器被設置為當所需的輸出信號被測量時來記錄時間戳，并且下次對所述信號進行測量，由于先前的信號被測量進而執行已取樣的預定數量的樣本的檢查。這可以用來防止偽數據影響傳輸，因為在一定的誤差容限內接收器知道何時預期下一個信號。
[0014]本發明延伸到一種操作數字無線電接收器的方法，包括:
[0015]接收具有載波頻率的模擬無線電信號，其是使用連續相位調制來調制的；
[0016]使用多個相關器來共享共同估計器，每個相關器對應于不同的位序列；
[0017]使用共同估計器估算所述載波頻率和標稱載頻之間的頻率偏移；以及
[0018]確定哪一個所述相關器產生期望的輸出信號。
[0019]本發明進一步擴展到用于操作數字無線電接收器的計算機軟件，所述數字無線電接收器適于:
[0020]接收具有載波頻率的模擬無線電信號，其是使用連續相位調制來調制的；
[0021]使用多個相關器來共享共同估計器，每個相關器對應于不同的位序列；
[0022]使用共同估計器估算所述載波頻率和標稱載頻之間的頻率偏移；以及
[0023]確定哪一個所述相關器產生所需的輸出信號。
【附圖說明】
[0024]現在將僅通過實例，參見附圖來描述本發明的實施例，其中:
[0025]圖1所示為根據本發明的用于數字接收器的處理器的示意圖；
[0026]圖2所示為圖1中的包括處理器的接收器的操作流程圖；
[0027]圖3所示為數據包結構和可以被應用的可能的編碼方案；
[0028]圖4所示為根據本發明的設備的概觀圖；以及
[0029]圖5所示為例如圖4的設備的整體操作的示意圖。
【具體實施方式】
[0030]圖1示出了根據本發明的數字接收器的典型的處理器2。處理器2主要是由估計器4和一對相關器6、8組成。相關器6、8具有相同的物理設置，但各個與不同的芯片序列相關聯。參考圖2對其進行了更詳細的解釋。
[0031]在這個例子中有兩個相關器，但在實踐中根據需要代表的序列的數量，相關器的數目可能超過兩個。相關器6、8和估計器4的組合形成數據輔助聯合定時和頻率偏移估計器。
[0032]在使用中，共同估計器4用于同步相關器6、8。相關器6、8也利用有限狀態機(FSM)10與輸入信號同步，所述有限狀態機調度輸入信號的抽樣以便樣品被認為是適于所接收的位模式。由于輸入信號已采用直接序列擴頻(DSSS)編碼傳播，每個位模式是由一系列的芯片代表。這些序列可能是簡單地代表I和0，因為在這個例子中有兩個相關器，或可能是較長的位模式。當樣本被取樣，這兩個相關器的輸出被輸入到決策單元12，以便知曉哪一個具有所需的輸出信號。在這個例子中，所需的輸出是最大的輸出信號，表示最強的相關性。通過使接收到的信號通過兩個相關器6、8，有可能分辨哪一個代表的模式是更接近從接收到的信號測定的芯片序列。在這個例子中，使用正交碼片序列，這樣在兩個選擇之間可能有很大的差異。一旦芯片序列已被建立，所代表的位模式是來自處理器的輸出。
[0033]圖2顯示了一個流程圖，演示了如何操作參考圖1描述的處理器。在步驟20中，系統初始化為零，準備數據采集。在步驟22中，在對系統狀態進行測試之后，它進行到步驟24，在該步驟中，它被測試是否檢測到峰值。這會被執行要看閾值是否已經被相關器6，8的任何一個輸出超過。如果沒有檢測到峰值，系統返回步驟22。然而，如果檢測到一個峰值，則測量與以前的峰值的時間距離。此測量是為了防止雜散噪聲對信號的影響，因為應當定期確定峰值。例如，在采用十六芯片代表每一位的系統中，具有八倍的過采樣，峰值被預計為每128±I樣品。如果該差值與所期望樣本數不對應，在系統返回步驟22之前，則在步驟28中設置測量計數器。
[0034]如果樣本數量在預定的接受范圍，在計數器值與最小值相比(步驟32)之前計數器是遞增的(步驟30)。所述最小值是在確定系統在開始讀取被發送的信息之前是否已被正確同步。如果計數器值仍低于最小值，則返回步驟22，以便確定另一個峰值。然而，一旦它已經達到最小值，系統的同步狀態則可以設置為等于1(步驟34)，因為它現在被認為是同步的。這就允許設置系統的選通時間(步驟36)，因為峰值的最小值(例如至少2)的位置是已經知道的。
[0035]當系統返回到步驟22，由于同步狀態改變了則系統現在可以記錄有效載荷。如果選通時間是正確的，在步驟38進行測試，當選取下一個樣本時，就可以比較(步驟40)相關器的輸出，以便知曉哪一個具有最高的輸出。一旦被記錄下來，則運行看門狗(watchdog)(步驟42)。這種看門狗檢查在芯片序列中系統是否已同步。如果是同步的，則同步狀態將返回到零(步驟44)，因為系統沒有正確地進行同步。然后系統返回到步驟22，是否同步狀態是一或零。然后系統將是重新同步，或者繼續檢測芯片序列和識別數據包。
[0036]圖3顯示了典型的數據包結構。數據包被分成四個不同長度的獨立字段。第一部分是前導碼46。這是由交替位的單字節構成的，其可被接收器用于頻率恢復、定時恢復等，以下是一些例子，四次DSSS編碼增益可以應用于前導碼’10101010’，其中的編碼增益增加接收數據的能力，編碼序列已被應用到所述數據上。在上面的例子中，原來的序列只是簡單重復了四次。這是典型的前導碼，選擇性的位模式可作為前導碼。因此，在原來的字符串中的位置η的位由擴展的序列中的四位(或’芯片’)表示，即那些在位置n、n+8、n+16和n+24的擴展字符串。
[0037]在核心的例子中，每一位重復四次。再次，在原始字符串中的每個位清楚地由擴展字符串中的四個芯片表示。
[0038]在下面的例子中使用了直接序列擴頻。在這個例子中，每一個“I”位都是由序列“1101”表示，每一個“O”位由“0010”表示。當然，可以使用不同的序列，特別可以根據所需的編碼增益使用不同長度的序列。重要的是，所選擇的序列具有良好的自相關特性，以用于適當的同步。
[0039]圖4顯示的是根據本發明的典型裝置。其可以作為集成的半導體元件，通常被稱為’芯片上的系統’或’SoC’排列。裝置54可以被納入任何的各種不同的應用程序中，無論是固定的或移動的，并可以配置為發送、接收或兩者。
[0040]裝置54的核心是處理器62，其與存儲器64相通信。處理器62也與無線電接收器58和無線電傳輸56通信，無線電接收器58和無線電傳輸56共享公共天線60且允許無線信號通過設備被接收和發送，Soc裝置的一般設計和操作對本領域技術人員而言是眾所周知的的技術，因此這里對其進行進一步的細節描述是沒有必要的。
[0041]根據本發明的裝置54的整體操作可以在圖5中看到。本發明描述的實施例提供了一種用于長距離、低能量傳輸的改進的數字接收器58。通過采用DSSS信號，提高了接收器靈敏度，因為一些芯片的損失在傳輸過程中一般不會導致整個位的損失。這減少了傳輸噪聲的影響，以及在長距離、低能量傳輸中所產生的其他問題。
[0042]在裝置中從發射器56發送信號(步驟66)。在稍后的時間點上，通過接收器58接收輸入信號(步驟68)。如圖1所描述的，接收器60包括共同估計器4和一些相關器6、8，其中每一個檢測不同的芯片序列。共同估計器4用于輸入信號的解擴和相關器6、8與輸入信號的同步(步驟70)。相關器6、8都運行離開共同估計器4中的時鐘。在選通時間，它們每個與輸入信號(步驟72)相比，且它們的輸出都可以進行比較(步驟74)，允許估計器確定相關器6、8中的哪一個具有最高的輸出(步驟76)。最高的輸出對應于最強的相關性，并且產生該輸出的相關器6、8的值可以作為在該時刻的位值。該值然后從處理器62輸出(步驟78)。通過比較定期的(例如，每個芯片模式的長度)相關器的輸出，可以確定代表輸入信號的一系列的位。
[0043]每個相關器6、8，連同其余的硬件，基本上構成頻率偏移估計器。這使得解擴對載波頻率偏移和漂移非常強大。這是因為兩點原因。首先是所有的相關性都在同一時間進行，因此，載波頻率不能改變，而芯片模式被確定。其次，由于相關性是同時的，相關器6、8每個經歷相同的載波頻率，所以都以相同的方式被任意位移影響。這減少了位模式被讀錯的可能性。
[0044]包括具有估計器的看門狗42可以檢查估計器與數據包的開始是否同步，以及如果是與數據包的中間同步，則逃避數據采集回路，減少錯誤數據收集的機會。
[0045]以上過程產生表示接收的信號的一系列位，然后可以被包含無線電接收器58的裝置54使用。
【主權項】
1.一種適于接收采用連續相位調制所調制的無線電信號的數字無線電接收器，所述接收器包括:用于接收具有載波頻率的模擬無線電信號的裝置，每個對應不同的位序列的多個相關器，所述相關器共享共同估計器，所述共同估計器用于估算在載波頻率和標稱載波頻率之間的頻率偏移，和用于確定哪一個所述相關器產生所需的輸出信號的裝置。2.根據權利要求1所述的數字無線電接收器，其中所述的所需的輸出信號是最高的輸出信號。3.根據權利要求1或2所述的數字無線電接收器，其中所述無線電信號至少部分地包括直接序列擴頻信號。4.根據權利要求3所述的數字無線電接收器，其中使用兩個直接序列擴頻信號。5.根據權利要求3或4所述的數字無線電接收器，其中只有有效負載被分到芯片。6.根據前述權利要求中任一項所述的數字無線電接收器，其中所述共同估計器是數據輔助聯合定時和頻率偏移估計器。7.根據前述權利要求中任一項所述的數字無線電接收器，其中所述共同估計器用于信號的解擴和用于所述相關器與輸入信號的同步。8.根據前述權利要求中任一項所述的數字無線電接收器，其中所述無線電信號包括標準藍牙前導碼。9.根據前述權利要求中任一項所述的數字無線電接收器，包括當所需的輸出信號被測量時來記錄時間戳的裝置，并且下次所述信號被測量，由于先前的信號被測量從而執行已取樣的預定數量的樣本的檢查。10.一種操作數字無線電接收器的方法，包括: 接收具有載波頻率的模擬無線電信號，所述模擬無線電信號是使用連續相位調制來調制的； 使用多個相關器共享共同估計器，每個相關器對應于不同的位序列； 使用所述共同估計器估算在所述載波頻率和標稱載頻之間的頻率偏移；以及 確定哪一個所述相關器產生所需的輸出信號。11.根據權利要求10所述的方法，其中所述的所需的輸出信號是最高的輸出信號。12.根據權利要求10或11所述的方法，其中所述無線電信號至少部分地包括直接序列擴頻信號。13.根據權利要求12所述的方法，包括使用兩個直接序列擴頻序列。14.根據權利要求12或13所述的方法，其中只有有效負載被分到芯片。15.根據權利要求10至14中任一項所述的方法，其中所述共同估計器是數據輔助聯合定時和頻率偏移估計器。16.根據權利要求10至15中任一項所述的方法，包括使用所述共同估計器用于信號的解擴和用于所述相關器與輸入信號的同步。17.根據權利要求10至16中任一項所述的方法，包括使用用于所述無線電信號的標準藍牙前導碼。18.根據權利要求10至17中任一項所述的方法，包括當所需的輸出信號被測量時來記錄時間戳，并且下次所述信號被測量，由于先前的信號被測量從而執行已取樣的預定數量的樣本的檢查。19.一種用于操作數字無線電接收器的計算機軟件，其適于: 接收具有載波頻率的模擬無線電信號，所述模擬無線電信號是使用連續相位調制來調制的； 使用多個相關器共享共同估計器，每個相關器對應于不同的位序列； 使用所述共同估計器估算在所述載波頻率和標稱載頻之間的頻率偏移；以及 確定哪一個所述相關器產生所需的輸出信號。20.根據權利要求19所述的計算機軟件，其中所述的所需的輸出信號是最高的輸出信號。21.根據權利要求19或20所述的計算機軟件，其中所述無線電信號至少部分地包括直接序列擴頻信號。22.根據權利要求21所述的計算機軟件，適于使用兩個直接序列擴頻序列。23.根據權利要求21或22所述的計算機軟件，其中只有有效負載被分成芯片。24.根據權利要求19至23中任一項所述的計算機軟件，其中所述共同估計器是數據輔助聯合定時和頻率偏移估計器。25.根據權利要求19至24中任一項所述的計算機軟件，適于使用共同估計器用于信號的解擴和用于所述相關器與輸入信號的同步。26.根據權利要求19至25中任一項所述的計算機軟件，適于使用用于所述無線電信號的標準藍牙前導碼。27.根據權利要求19至26中任一項所述的計算機軟件，適于當所需的輸出信號被測量時來記錄時間戳，并且下次所述信號被測量，由于先前的信號被測量從而執行已取樣的預定數量的樣本的檢查。
【文檔編號】H04B1/7087GK105917587SQ201480069587
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2014年12月10日
【發明人】大衛·亞歷山大·恩格林恩-洛佩斯, 斯韋勒·維馳隆德, 菲爾·科比什利
【申請人】北歐半導體公司