CN113923086A - 基于蓝牙定频扩展参考期信号载波频率偏移消除方法、*** - Google Patents

基于蓝牙定频扩展参考期信号载波频率偏移消除方法、*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于蓝牙定频扩展参考期信号载波频率偏移消除方法及***，应用于蓝牙无线通信***。该方法中拥有接收天线阵列的蓝牙接收端与蓝牙发射端建立同步连接，通过计算接收蓝牙信号包中定频扩展参考期信号采样点间的相位差与理论相位差的差值对采样数据添加补偿，消除了由于同步过程中接收机与发射机晶振不同步所带来的载波频率偏移导致的相位误差。本发明在单数据通道多天线分时采样的工作模式下，提高了对于发送信号的还原度，从而进一步提高了基于定频扩展信号的波达角算法估计精度。本发明计算与硬件复杂度均较低，适合低功耗蓝牙5.1及以上协议，接收机多分时天线共享单一数据接收通道且接收数据包包含参考期的信号相位纠正与还原。

Description

基于蓝牙定频扩展参考期信号载波频率偏移消除方法、***
技术领域
本发明涉及蓝牙技术领域，具体涉及一种基于蓝牙定频扩展参考期信号载波频率偏移误差消除方法和***。
背景技术
在蓝牙5.1标准协议中，为支持信号到达角估计功能，每个蓝牙信号包尾端包含一段定频扩展信号(CTE)。蓝牙信号接收端通过分时切换不同天线，按一定采样速率对定频扩展信号进行I/Q数据采样并处理。根据天线阵列的几何排布信息与不同天线采样时的采样信号相位信息，结合多重信号分类等波达角算法，接收机端可计算得出信号在空间内的来波方向。在单数据接收通道低功耗蓝牙设备中，接收阵列天线采用分时切换的方式共享同一路数据通道。由于传统波达角算法对于信号相位数据在理论上要求不同天线在同一时刻采样，为了得到近似于同一时刻的天线采样效果且不增加数据接收通道数目，定义每根天线的激活时间为一个或半个定频扩展信号周期。在此标准下，周期整数倍时间间隔的I/Q采样数据可被认为由不同天线在同一时刻采样得到且只需要一路蓝牙数据接收通道。
在低功耗蓝牙通信***中，由于信号发射机和信号接收机需要进行同步但晶振之间存在同步误差，且低功耗蓝牙标准采用高斯频移键控的方式调制二进制0和1，导致接收到的载波信号和定频扩展信号存在一定的频率偏移。频率偏移误差进一步导致了I/Q采样数据相位发生偏差，降低了多重信号分类等波达角算法对于信号来波方向的角度估计精度。因此在单一数据接收通道的前提下，为提高接收端I/Q采样数据对发射端定频扩展信号的还原度，提高波达角估计精度，需要接收机对I/Q采样数据进行相位补偿，消除载波频率偏移带来的误差。
发明内容
本发明的目的在于针对蓝牙接收机与发射机晶振同步误差所带来的采样数据相位偏移，提供一种基于蓝牙固定扩展信号参考期信号对采样数据进行相位补偿的方法及***，克服相位误差导致的来波方向角度估计出现偏差的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种基于蓝牙定频扩展参考期信号载波频率偏移消除方法，包括以下步骤：
(1)拥有天线阵列的蓝牙信号接收机对包含定频扩展信号的蓝牙信号包进行载波过滤与I/Q两路数据采样；
(2)将步骤(1)中获取的定频扩展信号参考期每个采样点的I/Q两路数据合成成有振幅和相位信息的来波数据，并利用公式
Figure BDA0003241955780000021
计算每个采样点相位；
(3)根据步骤(2)中获得的每个采样点相位，计算相邻两个采样点的相位差，并求出参考期内获得的所有相位差的平均相位差；
(4)利用步骤(3)中计算得出的相邻两个采样点的平均相位差与理论相邻采样点相位差的差值计算定频扩展信号中阵列天线切换区间每个有效I/Q数据采样点的实际相位偏移量，根据实际相位偏移量矫正补偿每个有效I/Q数据采样点相位，消除载波频率偏移。
进一步地，所述拥有天线阵列的蓝牙信号接收机中，天线数至少2根，用于接收并在本通道采样包含定频扩展信号的蓝牙信号；其中，在采样定频扩展信号参考期时不进行天线切换，参考期结束后，阵列天线开始按从左往右、从右往左、从上往下、从下往上、顺时针或逆时针方向任一种方式切换激活进行采样。
进一步地，所述定频扩展信号频率为250千赫兹，接收天线单根单次激活采样时间为4微秒，所述蓝牙信号接收机接收通道I/Q数据采样率设置为1兆赫兹、2兆赫兹或者4兆赫兹。
进一步地，所述步骤(4)中，所述计算定频扩展信号中阵列天线切换区间每个有效I/Q数据采样点的实际相位偏移量，具体为：
选取定频扩展信号中任一采样点为基准点，根据定频扩展信号中阵列天线切换区间每个有效I/Q数据采样点与基准点的采样时间间隔计算每个有效I/Q数据采样点的实际相位偏移量，其中，每个有效I/Q数据采样点的实际相位偏移量与每个有效I/Q数据采样点与基准点的采样时间间隔呈线性关系。
进一步地，所述步骤(4)中，根据实际相位偏移量矫正补偿每个有效I/Q数据采样点相位具体如下：
Figure BDA0003241955780000022
其中，
Figure BDA0003241955780000023
为采样得到的第n个I/Q数据复数表达形式，r代表该有效I/Q数据采样点与基准点之间相隔的采样点数目，包含有效与无效的所有数据点，
Figure BDA0003241955780000024
为添加补偿后的I/Q数据复数表达形式。
Figure BDA0003241955780000025
表示相邻两个采样点的平均相位差，
Figure BDA0003241955780000026
表示理论相邻采样点相位差。
进一步地，所述基准点为天线切换区间内第一根进行采样的天线采集到的第一个有效I/Q数据。
一种基于上述方法的蓝牙定频扩展信号载波频率偏移消除***，包括：
定频扩展信号数据处理单元，用于将接收的定频扩展信号参考期每个采样点的I/Q两路数据合成成有振幅和相位信息的来波数据，并利用公式
Figure BDA0003241955780000031
计算每个采样点相位。
平均相位差计算单元，用于根据每个采样点相位，计算相邻两个采样点的相位差，并求出参考期内获得的所有相位差的平均相位差。
实际相位偏移量计算单元，用于根据相邻两个采样点的平均相位差与理论相邻采样点相位差的差值计算定频扩展信号中阵列天线切换区间每个有效I/Q数据采样点的实际相位偏移量。
相位补偿单元，用于根据实际相位偏移量矫正补偿每个有效I/Q数据采样点相位。
实施本发明的技术方案，具有以下有益效果：本发明以低复杂度的计算方法，在单一数据接收通道的前提下，有效消除了因载波频率偏移带来的采样数据相位误差，提高了采样数据的还原度，进一步提高了多重信号分类等波达角算法的角度估计精度。
附图说明
图1为蓝牙5.1标准协议发射端和接收端定频扩展信号构成示意图；
图2为蓝牙5.1标准协议接收端定频扩展信号2微秒天线采样区间示意图；
图3为本发明实施例蓝牙接收端天线阵列布局示意图；
图4为本发明实施例包含参考期和天线切换区间的定频扩展信号实际I/Q数据图；
图5为理论相位值，未添加补偿相位值与补偿后相位值比对示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于蓝牙定频扩展参考期信号载波频率偏移消除方法，将拥有接收天线阵列的蓝牙接收端与蓝牙发射端建立同步连接，通过计算接收蓝牙信号包中定频扩展参考期信号采样点间的相位差与理论相位差的差值对采样数据添加补偿，消除了由于同步过程中接收机与发射机晶振不同步所带来的载波频率偏移导致的相位误差。下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明采用个数为m的天线阵列的蓝牙信号接收机，实时接收包含定频扩展段的蓝牙信号包。如图1所示，包含天线切换的定频扩展信号由三部分组成，第一部分为时长4μs的保护期，第二部分为时长8μs的参考期，第三部分为自定义时长的天线切换区间，总时长在16-160μs区间。本发明采用天线切换与采样时间各2μs的采样方式，在天线切换区间内，各天线分别按顺序依次激活采样。
本发明采用1百万符号每秒(Msym/s)的蓝牙基本数据接收速率，理论接收到的定频扩展信号为f0，实际接收到的定频扩展信号频率为(f0+fdrift)KHz,其中fdrift是载波频率偏移误差。当采用1百万符号每秒的接受速率时，f0取值250KHz。
本发明蓝牙接收机接收信号时采用k MHz采样率(k取值为1,2或4)，每相邻采样点间的时间间隔为
Figure BDA0003241955780000041
如图2所示，在阵列天线切换区间，天线I/Q数据采样有效时间为2μs采样区间内1.125μs至1.875μs的0.75μs区间。其余时间采样的数据点被视作无效数据点。在信号参考期区间，I/Q数据采样皆由同一根天线连续采样完成，因此都视作有效数据点，可拟合为定频正弦波。
在k MHz采样率下，8μs参考期信号可最多采样8k个I/Q数据点。将每一个I/Q数据点合成成有振幅和相位信息的回波复数数据，可利用公式
Figure BDA0003241955780000042
计算该数据点相位。将8k个I/Q数据点相位分别记为:
Figure BDA0003241955780000043
计算相邻两个数据点相位差并求算术平均相位差
Figure BDA0003241955780000044
Figure BDA0003241955780000045
在天线切换区间采样有效时间内，相邻两个I/Q采样数据点的理论相位差
Figure BDA0003241955780000046
为：
Figure BDA0003241955780000047
利用理论相位差与实际相位差的差值，本实施例中以天线切换区间内第一根进行采样的天线采集到的第一个有效I/Q数据为基准，根据不同采样点与基准点的不同时间间隔对后续的所有有效I/Q数据进行不同程度的补偿：
Figure BDA0003241955780000048
Figure BDA0003241955780000049
其中，
Figure BDA00032419557800000410
为采样得到的I/Q数据复数表达形式，n为数据索引，r代表该有效I/Q数据采样点与基准点之间相隔的采样点数目，即数据相位基准点(索引为1)之后的第r个采样点，包含有效与无效的所有数据点，
Figure BDA00032419557800000411
为添加补偿后的I/Q数据复数表达形式。
为进一步解释说明本发明，给出一个实施案例详细介绍本发明应用过程。
本发明实施例：
如图3蓝牙信号接收机采用8贴片天线阵列并以圆形均匀排布，天线切换区间内天线切换与采样时间各占2μs，8天线按顺时针依次激活且只激活一次。为满足所有天线遍历1次，蓝牙定频扩展信号长度设置为48μs。接收端接收数据采样率设置为4MHz。参考期信号由天线1进行采样，共采样32个I/Q数据点。由32个数据点计算得出实际相邻两采样点间的相位差。天线切换区间内，每一根天线共采样16个I/Q数据点，其中第11至14个采样点被视作有效采样点。图4展示了一个定频扩展信号的前72个I/Q数据点,包含参考期信号采样点与部分天线切换区间信号采样点。本实施例中，取每一根天线的第11采样点作为信号到达各天线时的相位值，其中第一根天线的第11采样点为所有采样数据的相位基准点。因为第二根天线的第11采样点和第一根天线的第11采样点间共有16个采样点，所以对第二根天线的第11采样点添加补偿时r＝16，对第三根天线的第11采样点添加补偿时r＝32，以此类推。一个定频扩展信号共计得到8个添加补偿后的I/Q采样点的相位数据。
本实例中信号来波方向为远场条件下天线阵列正前方，各天线采样点的理论相位差为0。如图5所示，以第一根天线的第11采样点为基准，各天线有效采样点理论相位差恒为0，由实线表示。未添加补偿的相位由点线表示，添加补偿的相位由虚线表示。相比于未添加补偿的相位，添加补偿后的相位明显更加贴近理论相位值。利用均方根误差计算得出未添加补偿的相位与理论相位误差为3.6921弧度，俯仰角估计值添加补偿后的相位与理论相位误差为0.8213弧度。理论俯仰角为90度，使用未添加补偿的相位数据进行俯仰角估计时得出俯仰角为74度，使用添加补偿的相位数据进行俯仰角估计时得出俯仰角为84度，波达角估计精度得到有效提升。
综上所述，本发明实施例提供了一种基于蓝牙定频扩展参考期信号载波频率偏移误差消除方法，在接收机多天线分时共享单一数据通道的工作模式下，有效消除了因载波频率偏移带来的采样数据相位误差，提高了采样数据的还原度，进一步提高了多重信号分类等波达角算法的角度估计精度。
虽然已经参考本发明的示例性实施例并详细说明了本发明及其优点，但是本领域内的普通技术人员应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和参数设置等细节上进行各种改变、替代和变换。

Claims (7)

1.一种基于蓝牙定频扩展参考期信号载波频率偏移消除方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)拥有天线阵列的蓝牙信号接收机对包含定频扩展信号的蓝牙信号包进行载波过滤与I/Q两路数据采样；
(2)将步骤(1)中获取的定频扩展信号参考期每个采样点的I/Q两路数据合成成有振幅和相位信息的来波数据，并利用公式
Figure FDA0003241955770000011
计算每个采样点相位；
(3)根据步骤(2)中获得的每个采样点相位，计算相邻两个采样点的相位差，并求出参考期内获得的所有相位差的平均相位差；
(4)利用步骤(3)中计算得出的相邻两个采样点的平均相位差与理论相邻采样点相位差的差值计算定频扩展信号中阵列天线切换区间每个有效I/Q数据采样点的实际相位偏移量，根据实际相位偏移量矫正补偿每个有效I/Q数据采样点相位，消除载波频率偏移。
2.根据权利要求1所述基于定频扩展信号参考期信号的载波频率偏移误差消除方法，其特征在于，所述拥有天线阵列的蓝牙信号接收机中，天线数至少2根，用于接收并在本通道采样包含定频扩展信号的蓝牙信号；其中，在采样定频扩展信号参考期时不进行天线切换，参考期结束后，阵列天线开始按从左往右、从右往左、从上往下、从下往上、顺时针或逆时针方向任一种方式切换激活进行采样。
3.根据权利要求1所述基于定频扩展信号参考期信号的载波频率偏移误差消除方法，其特征在于，所述定频扩展信号频率为250千赫兹，接收天线单根单次激活采样时间为4微秒，所述蓝牙信号接收机接收通道I/Q数据采样率设置为1兆赫兹、2兆赫兹或者4兆赫兹。
4.根据权利要求1所述基于定频扩展信号参考期信号的载波频率偏移误差消除方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述计算定频扩展信号中阵列天线切换区间每个有效I/Q数据采样点的实际相位偏移量，具体为：
选取定频扩展信号中任一采样点为基准点，根据定频扩展信号中阵列天线切换区间每个有效I/Q数据采样点与基准点的采样时间间隔计算每个有效I/Q数据采样点的实际相位偏移量，其中，每个有效I/Q数据采样点的实际相位偏移量与每个有效I/Q数据采样点与基准点的采样时间间隔呈线性关系。
5.根据权利要求4所述基于定频扩展信号参考期信号的载波频率偏移误差消除方法，其特征在于，所述步骤(4)中，根据实际相位偏移量矫正补偿每个有效I/Q数据采样点相位具体如下：
Figure FDA0003241955770000021
其中，
Figure FDA0003241955770000022
为采样得到的第n个I/Q数据复数表达形式，r代表该有效I/Q数据采样点与基准点之间相隔的采样点数目，包含有效与无效的所有数据点，
Figure FDA0003241955770000023
为添加补偿后的I/Q数据复数表达形式。
Figure FDA0003241955770000024
表示相邻两个采样点的平均相位差，
Figure FDA0003241955770000025
表示理论相邻采样点相位差。
6.根据权利要求5所述基于定频扩展信号参考期信号的载波频率偏移误差消除方法，其特征在于，所述基准点为天线切换区间内第一根进行采样的天线采集到的第一个有效I/Q数据。
7.一种基于权利要求1-6所述方法的蓝牙定频扩展信号载波频率偏移消除***，其特征在于，包括：
定频扩展信号数据处理单元，用于将接收的定频扩展信号参考期每个采样点的I/Q两路数据合成成有振幅和相位信息的来波数据，并利用公式
Figure FDA0003241955770000026
计算每个采样点相位。
平均相位差计算单元，用于根据每个采样点相位，计算相邻两个采样点的相位差，并求出参考期内获得的所有相位差的平均相位差。
实际相位偏移量计算单元，用于根据相邻两个采样点的平均相位差与理论相邻采样点相位差的差值计算定频扩展信号中阵列天线切换区间每个有效I/Q数据采样点的实际相位偏移量。
相位补偿单元，用于根据实际相位偏移量矫正补偿每个有效I/Q数据采样点相位。
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