一种BR蓝牙的频偏估计方法与流程

一种br蓝牙的频偏估计方法
技术领域
1.本发明属于数字通信同步技术，具体涉及一种br蓝牙的频偏估计方法。


背景技术：

2.蓝牙无线技术系统有两种形式，分别是基本速率（br）和低功耗（le）。其中，br蓝牙又包括可选的增强型数据速率（edr）扩展。
3.在蓝牙系统中，物理信道上的所有传输都以接入码开始。br/edr蓝牙的接入码完全一致，采用gfsk（高斯频移键控）调制，如图1所示，其接入码由前导码、同步字和尾码（可选）组成，接入码可用于接收机的定时同步和偏移补偿。接收机利用滑动相关器搜索接入码中的同步字，可以获得非常可靠的定时信息。
4.由gfsk调制解调的原理可知，频偏在gfsk解调后的频率信息中表现为直流偏置，所以对gfsk信号而言，对解调后的频率信号进行去直流即频偏纠正，但由于gfsk调制在高斯滤波时引入了符号间干扰（isi），导致符号之间在幅值上出现差别，常规的统计平均方法无法满足需求。
5.现有针对br蓝牙的频偏估计方法或者计算过程复杂，或者性能易受噪声影响，又或者要求固定agc（自动增益控制）保证完整前导码，存在不足。


技术实现要素：

6.针对上述问题，本发明的目的在于提供一种br蓝牙的频偏估计方法，不仅实现过程简单，而且具有抗噪声性能。
7.实现本发明目的的具体技术方案为：
8.一种br蓝牙的频偏估计方法，包括以下步骤：
9.步骤1、基于快速agc对br蓝牙输入的中频信号的功率进行调整；
10.步骤2、对调整后的br蓝牙中频信号进行gfsk解调，获得基带频率信号；
11.步骤3、在基带频率信号中搜索同步字，确定接入码的位置；
12.步骤4、基于确定接入码的位置和同步字对br蓝牙的初始频偏值进行估计。
13.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
14.（1）本发明的方法在频偏估计的过程中仅涉及简单的平均运算，并尽可能充分利用接入码，实现过程简单，且可以达到抗噪声的效果；
15.（2）本发明的方法对蓝牙的输入信号要求低，仅要求当前输入信号的功率在稳定后保持不变，而非要求每次输入信号的功率相同，尤其适合快速agc的应用场景；
16.（3）本发明的方案基于gfsk符号之间幅值不同的根本原因，方便采用常规的统计平均方法，符合蓝牙的低成本设计宗旨。
附图说明
17.图1为br蓝牙的接入码格式示意图。
18.图2为本发明的br蓝牙的频偏估计方法步骤流程示意图。
19.图3为本发明实施例中采用的quadricorrelator解调模块结构示意图。
20.图4为本发明实施例中的gfsk眼图。
21.图5为本发明实施例中的gfsk调制中高斯滤波的输出波形示意图。
22.图6为本发明实施例中br蓝牙信号的解调输出波形示意图。
具体实施方式
23.一种br蓝牙的频偏估计方法，包括以下步骤：
24.步骤1、基于快速agc对br蓝牙输入的中频信号的功率进行调整；
25.快速agc一般用于突发通信，只要模拟/数字变换器的输入信号的幅度不饱和也不过小，就保持前端放大器的增益不变，所以在没有有用信号时，放大器增益往往会被放至最大，在有用信号到达时又会被迅速减小并保持，重新使得模拟/数字变换器的输入信号的幅度不饱和也不过小，直至有用信号消失时，放大器增益将会被再次调整。
26.本技术中，因为不涉及与信号功率相关的门限值，所以快速agc只需要将信号功率调整至设定范围即可，而不是调整为固定功率。
27.步骤2、对调整后的br蓝牙中频信号进行gfsk解调，获得基带频率信号：
28.gfsk解调目前存在多种算法，本技术采用传统的quadricorrelator方法，基于混频器将br蓝牙的gfsk信号从射频或中频下变频至基带，再由互相关器将gfsk基带信号的相位信息转换成频率信息，获得br蓝牙的基带频率信号。
29.步骤3、在基带频率信号中搜索同步字，确定接入码的位置：
30.基于帧同步，利用滑动相关器在步骤2获得的基带频率信号中搜索同步字，若搜索到同步字则转入步骤4，否则继续搜索。
31.步骤4、基于确定的接入码的位置和同步字对br蓝牙的初始频偏值进行估计，具体为：
32.步骤4-1、基于确定的接入码的位置和同步字，确定接入码的正负符号的幅度变化量的估计值和：
33.对于同步字中的每个符号，若前后相邻符号同为正极性符号，当前符号遭受的isi为﹢r，若前后相邻符号同为负极性符号，当前符号遭受的isi为﹣r，若前后相邻符号为不同极性符号，当前符号遭受的isi为0；
34.统计符号的isi等于0和﹢r、﹣r这3种情况的平均幅值，挑选其中出现次数最多的两种情况，确定符号幅度变化量r的估值，且若当前符号为正极性符号，认为符号幅度变化量r的估值为，若当前符号为负极性符号，认为符号幅度变化量r的估值为。
35.步骤4-2、基于同步字序列中比特的正负极性，定义集合、、、：
36.同步字序列为，其中，定义序列索引的两个集合：
[0037][0038]
当或时，分别等于1或0，分别表示为正极性比特或负极性比
特；
[0039]
和分别表示的前后相邻比特，对于和的极性相同的情况，再定义两个集合：
[0040][0041]
分别表示的前后相邻比特同时为正极性比特或同时为负极性比特。
[0042]
步骤4-3、确定br蓝牙的频偏估计结果，具体为：
[0043][0044]
其中，表示同步字序列在基带频率信号中对应的符号采样序列，算子用于计算集合中的元素个数，算子用于表示集合之间的交集。
[0045]
一种br蓝牙的频偏估计系统，包括以下模块：
[0046]
功率调整模块：用于基于快速agc对br蓝牙输入的中频信号的功率进行调整；
[0047]
gfsk解调模块：用于对调整后的br蓝牙中频信号进行gfsk解调，获得基带频率信号；
[0048]
同步字搜索模块：用于在基带频率信号中搜索同步字，确定接入码的位置；
[0049]
频偏估计模块：用于基于确定的接入码的位置和同步字，对br蓝牙的初始频偏值进行估计。
[0050]
一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
[0051]
步骤1、基于快速agc对br蓝牙输入的中频信号的功率进行调整；
[0052]
步骤2、对调整后的br蓝牙中频信号进行gfsk解调，获得基带频率信号；
[0053]
步骤3、在基带频率信号中搜索同步字，确定接入码的位置；
[0054]
步骤4、基于确定的接入码的位置和同步字，对br蓝牙的初始频偏值进行估计。
[0055]
一种计算机可存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
[0056]
步骤1、基于快速agc对br蓝牙输入的中频信号的功率进行调整；
[0057]
步骤2、对调整后的br蓝牙中频信号进行gfsk解调，获得基带频率信号；
[0058]
步骤3、在基带频率信号中搜索同步字，确定接入码的位置；
[0059]
步骤4、基于确定的接入码的位置和同步字，对br蓝牙的初始频偏值进行估计。
[0060]
实施例
[0061]
结合图2，一种br蓝牙的频偏估计方法，包括以下步骤：
[0062]
步骤1、基于快速agc对br蓝牙输入的中频信号的功率进行调整；
[0063]
快速agc一般用于突发通信，只要模拟/数字变换器的输入信号的幅度不饱和也不过小，就保持前端放大器的增益不变，所以在没有有用信号时，放大器增益往往会被放至最大，在有用信号到达时又会被迅速减小并保持，重新使得模拟/数字变换器的输入信号的幅度不饱和也不过小，直至有用信号消失时，放大器增益将会被再次调整。
[0064]
本技术中，因为不涉及与信号功率相关的门限值，所以快速agc只需要将信号功率调整至设定范围即可，而不是调整为固定功率。
[0065]
步骤2、对调整后的br蓝牙中频信号进行gfsk解调，获得基带频率信号：
[0066]
gfsk解调目前存在多种算法，本技术采用传统的quadricorrelator方法，如图3所示，包括两个正交的混频器和1个互相关器，基于混频器将br蓝牙的gfsk信号从射频或中频下变频至基带，再由互相关器将gfsk基带信号的相位信息转换成频率信息，获得br蓝牙的基带频率信号。
[0067]
从低成本考虑，蓝牙系统大量采用了gfsk调制方式，这是因为gfsk调制具有易于实现、抗干扰能力强、抑制带外辐射等特点。但由于gfsk调制在高斯滤波时引入了isi，会导致每个符号的最大幅值出现差别。
[0068]
在图4所示的gfsk眼图中，画出了连续3个符号全部可能码型的中间符号的波形，并且用圆圈圈出了正极性时的中心采样位置。可以看到，中间符号在圆圈处出现了3种不同幅度的幅值。经过中间交叉点的两种波形对应011和110码型，因为与中间符号前后相邻的两符号正好极性相反，所以中间符号的幅值没有变化，就在圆圈中的交叉点。而交叉点上方和下方的波形分别对应111和010码型，因为与中间符号前后相邻的两符号正好极性相同，所以中间符号的幅值从交叉点增大或减小的变化量均为r。
[0069]
连续的gfsk调制波形如图5所示，计算此种波形的直流偏置显然会受到符号正负极性分布以及连续符号码型分布的影响，常规的统计平均方法是无法满足需求的。
[0070]
图6为br蓝牙中频信号经解调后获得的基带频率信号波形，可以看到，由于频偏影响，频率信号波形存在整体的纵向移动。同时观察到，本实施例中，对比图5的发送波形，快速agc的调整时间大约为2微秒，消耗了前导码的前两个符号。
[0071]
步骤3、在基带频率信号中搜索同步字，确定接入码的位置：
[0072]
基于帧同步，利用滑动相关器在步骤2确定的基带频率信号中搜索同步字，若搜索到同步字则转入步骤4，否则继续搜索。
[0073]
步骤4、基于确定的接入码的位置和同步字，对br蓝牙的初始频偏值进行估计，具体为：
[0074]
观察图6中gfsk基带频率信号的波形，要想准确计算其直流偏置，应先获得正负符号的准确幅值，再计算二者的平均值。而为了获得正负符号的准确幅值，又需要先估算出，因isi的影响，符号幅度增大或减小的变化量r。
[0075]
假定原始信息序列中的比特1在高斯滤波后输出为正极性符号，比特0输出为负极性符号，并且为了方便实现，蓝牙系统gfsk调制的高斯滤波一般只需要扩展至与当前符号前后相邻的各1个符号，那么在仅考虑相邻isi的情况下，如果前后相邻符号的极性相反，则当前符号所受到的isi会完全抵消，所以幅度不变化；如果前后相邻符号的极性相同，则当
前符号所受到的isi加倍，其幅度增大或减小的变化量r是单个符号引发的isi的两倍。
[0076]
步骤4-1、基于确定的接入码的位置和同步字，确定接入码的正负符号的幅度变化量的估计值和：
[0077]
若前后相邻符号同为正极性符号，当前符号遭受的isi为﹢r，若前后相邻符号同为负极性符号，当前符号遭受的isi为﹣r，若前后相邻符号为不同极性符号，当前符号遭受的isi为0；
[0078]
统计符号的isi等于0和﹢r、﹣r这3种情况的平均幅值，挑选其中出现次数最多的两种情况，确定符号幅度变化量r的估值；
[0079]
具体来说，例如当出现次数最多的两种情况为isi等于0和﹢r，则符号幅度变化量r的估值为：﹢r﹣0，即用isi等于﹢r时的全部幅值的平均值减去isi等于0时的全部幅值的平均值；
[0080]
当出现次数最多的两种情况为isi等于﹣r和﹢r，则符号幅度变化量r的估值为：(﹢r﹣(﹣r))/2，即用isi等于﹢r时的全部幅值的平均值减去isi等于﹣r时的全部幅值的平均值之后，再取差值的一半；
[0081]
且若当前符号为正极性符号，认为符号幅度变化量r的估值为，若当前符号为负极性符号时，认为符号幅度变化量r的估值为。
[0082]
步骤4-2、基于同步字序列中比特的正负极性，定义集合、、、：
[0083]
同步字序列为，其中，定义序列索引的两个集合：
[0084][0085]
当或时，分别等于1或0，分别表示为正极性比特或负极性比特；
[0086]
和分别表示的前后相邻比特，对于和的极性相同的情况，再定义两个集合：
[0087][0088]
分别表示的前后相邻比特同时为正极性比特或同时为负极性比特。
[0089]
进一步的，本方法中，在统计当前符号的前后相邻两符号的不同极性情况时，其实不需要等待使用gfsk解调后的接入码符号，可以直接基于预存的接入码序列进行。
[0090]
比如统计连续3个符号同为正极性出现的次数，就可以用表示，这里算子用于计算集合中的元素个数，算子用于表示集合之间的交集。
[0091]
步骤4-3、确定br蓝牙的频偏估计结果，具体为：
[0092][0093][0094]
其中，表示同步字序列在基带频率信号中对应的符号采样序列，算子用于计算集合中的元素个数，算子用于表示集合之间的交集。
[0095]
这里，isi对统计幅值平均值的影响，是通过估计单个符号所遭受isi，并比较与当前符号前后相邻的两符号的极性情况（同为正极性和同为负极性的次数差异），然后将两者相乘获得。如此处理消除了符号之间在幅值上的差别，简化了统计幅值平均值的过程。
[0096]
另外，为简便均值的计算，避免进行复杂的除法运算，各种求和运算均从接入码的最后符号开始，从后往前统计，每当参与求和的成员数达到4/8/16/32，就将当前计数以及和值缓存，当统计结束时，利用最新缓存值进行简单移位，即可获得期望的平均值。
[0097]
以上实施例显示和描述了本发明的基本原理、主要特征。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

技术特征：
1.一种br蓝牙的频偏估计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、基于快速agc对br蓝牙输入的中频信号的功率进行调整；步骤2、对调整后的br蓝牙中频信号进行gfsk解调，获得基带频率信号；步骤3、在基带频率信号中搜索同步字，确定接入码的位置；步骤4、基于确定的接入码的位置和同步字，对br蓝牙的初始频偏值进行估计。2.根据权利要求1所述的br蓝牙的频偏估计方法，其特征在于，所述步骤2中的对br蓝牙中频信号进行gfsk解调，具体为：采用quadricorrelator方法，基于混频器将br蓝牙的gfsk信号从射频或中频下变频至基带，再由互相关器将gfsk基带信号的相位信息转换成频率信息，获得br蓝牙的基带频率信号。3.根据权利要求1所述的br蓝牙的频偏估计方法，其特征在于，所述步骤3中的确定接入码的位置，具体为：基于帧同步，利用滑动相关器在步骤2获得的基带频率信号中搜索同步字，若搜索到同步字则转入步骤4，否则继续搜索。4.根据权利要求1所述的br蓝牙的频偏估计方法，其特征在于，所述步骤4中的基于确定的接入码的位置和同步字对br蓝牙的初始频偏值进行估计，具体为：步骤4-1、基于确定的接入码的位置和同步字，确定接入码的正负符号的幅度变化量的估计值和；步骤4-2、基于同步字序列中符号的正负极性，定义集合、、、；步骤4-3、确定br蓝牙的频偏估计结果。5.根据权利要求4所述的br蓝牙的频偏估计方法，其特征在于，所述步骤4-1中的确定接入码的正负符号的幅度变化量的估计值，具体为：对于同步字中的每个符号，若前后相邻符号同为正极性符号，当前符号遭受的isi为﹢r，若前后相邻符号同为负极性符号，当前符号遭受的isi为﹣r，若前后相邻符号为不同极性符号，当前符号遭受的isi为0；统计符号的isi等于0和﹢r、﹣r这3种情况的平均幅值，挑选其中出现次数最多的两种情况，确定符号幅度变化量r的估值，且当当前符号为正极性符号时，认为符号幅度变化量r的估值为，当当前符号为负极性符号时，认为符号幅度变化量r的估值为。6.根据权利要求4所述的br蓝牙的频偏估计方法，其特征在于，所述步骤4-2中的定义集合、、、，具体为：同步字序列为，其中，定义序列索引的两个集合：；当或时，分别等于1或0，分别表示为正极性比特或负极性比特；和 分别表示的前后相邻比特，对于和的极性相同的情况，再定义两个集合：
；分别表示的前后相邻比特同时为正极性比特或同时为负极性比特。7.根据权利要求6所述的br蓝牙的频偏估计方法，其特征在于，所述步骤4-3中的确定br蓝牙的频偏估计结果，具体为：；其中，表示同步字序列在基带频率信号中对应的符号采样序列，算子用于计算集合中的元素个数，算子用于表示集合之间的交集。8.一种br蓝牙的频偏估计系统，其特征在于，包括以下模块：功率调整模块：用于基于快速agc对br蓝牙输入的中频信号的功率进行调整；gfsk解调模块：用于对调整后的br蓝牙中频信号进行gfsk解调，获得基带频率信号；同步字搜索模块：用于在基带频率信号中搜索同步字，确定接入码的位置；频偏估计模块：用于基于确定的接入码的位置和同步字，对br蓝牙的初始频偏值进行估计。9.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-7任一项所述方法的步骤。10.一种计算机可存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-7任一项所述的方法的步骤。

技术总结
本发明公开了一种BR蓝牙的频偏估计方法，首先基于快速AGC对BR蓝牙输入的中频信号的功率进行调整，对调整后的BR蓝牙中频信号进行GFSK解调，获得基带频率信号，之后在基带频率信号中搜索同步字，确定接入码的位置，最后基于确定的接入码的位置和同步字，对BR蓝牙的初始频偏值进行估计。本发明的方法在频偏估计的过程中仅涉及简单的平均运算，并尽可能充分利用接入码，实现过程简单，抗噪声能力强，且对蓝牙的输入信号要求低，仅要求当前输入信号的功率在稳定后保持不变，而非要求每次输入信号的功率相同，尤其适合快速AGC的应用场景。尤其适合快速AGC的应用场景。尤其适合快速AGC的应用场景。


技术研发人员：唐朝阳
受保护的技术使用者：江苏联康信息股份有限公司
技术研发日：2023.08.14
技术公布日：2023/9/13