蓝牙接收机解调系统及方法
阅读说明：本技术 蓝牙接收机解调系统及方法 (Bluetooth receiver demodulation system and method ) 是由 傅永生 于 2021-09-02 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种蓝牙接收机解调系统及方法,包括如下模块：模块M1：包括蓝牙接收机,射频信号经过下变频之后得到模拟信号,模拟信号经过ADC采样得到数字采样速率信号,数字采样速率信号进行速率转换变成模拟信号的载波中心频率的整数倍后得到数字信号,经过速率变换之后的数字信号跟所述数字信号的延时做相关乘法,再做低通滤波；模块M2：通过动态设置延时进行蓝牙接收机的解调。本发明改进现有的蓝牙接收机解调算法,从根本上改善接收机性能,在复杂度没有增加的情况下,性能可以大大改善4-5dB,解调的延时大小可以配置；计算量小成本低。(The invention provides a demodulation system and a demodulation method of a Bluetooth receiver, which comprise the following modules: module M1: the Bluetooth receiver comprises a Bluetooth receiver, wherein a radio frequency signal is subjected to down-conversion to obtain an analog signal, the analog signal is subjected to ADC (analog to digital converter) sampling to obtain a digital sampling rate signal, the digital sampling rate signal is subjected to rate conversion to be converted into an integral multiple of the carrier central frequency of the analog signal to obtain a digital signal, the digital signal subjected to rate conversion is subjected to related multiplication with the delay of the digital signal, and then low-pass filtering is performed; module M2: and demodulating the Bluetooth receiver by dynamically setting time delay. The invention improves the existing demodulation algorithm of the Bluetooth receiver, fundamentally improves the performance of the receiver, greatly improves the performance by 4-5dB under the condition of not increasing the complexity, and can configure the demodulation delay; the calculation amount is small, and the cost is low.)
技术领域
本发明涉及蓝牙接收机的技术领域，具体地，涉及一种蓝牙接收机解调系统及方法。
背景技术
在短距离无线通信中，蓝牙正越来越成为一种非常重要的通信手段。众多使用蓝牙技术的设备如蓝牙耳机，蓝牙音箱等广泛的应用在人们的日常生活之中。然而随着这种应用越来越广泛，人们对这种无线连接技术质量的要求就越来越高。人们要求传输的距离从1米扩展到10米或更远，连接时间更短，更可靠，并且速率从原来的几百K到1M甚至更高。这样对传统的蓝牙接收机进行改进就成为很迫切的需求了。
现有的蓝牙标准采用GFSK调制，蓝牙接收机主要包括数字前端、解调、同步和信号检测等模块。其中解调方法一般可以归类为三种：称为FM-to-AM(频率调制到幅度调制)转换的方法、相移鉴别法和过零率检测法。第一种方法即FM-to-AM的方法实现成本低，性能好，成为现在大多数蓝牙产品的主流解调方法。为了降低射频成本，蓝牙采用低中频技术，对于带宽为1M的基带信号，经过下变频之后，载波中心频率为5MHz，ADC采用32MHz采样速率，为了变成5MHz的整数倍，需要把32MHz进行速率转换变成20MHz，经过速率变换之后的信号跟它的延时做相关乘法，然后做低通滤波，对输出的相位进行判决，就可以恢复发射信号了。然后再进行同步和判决。
在相关的蓝牙接收机专利文献，如公开号为CN109361493A的中国发明专利文献公开了一种蓝牙接收方法、蓝牙接收机和蓝牙设备，包括：接收基带信号并解析出负载数据和所述负载数据对应的循环冗余CRC校验信息，根据所述CRC校验信息得到CRC校验结果，并估计所述负载数据的信号质量，在所述CRC校验错误且重传次数不小于预设重传门限时，根据所述信号质量对所述CRC校验错误的负载数据进行处理，并结束重传。通过设置重传门限，在每次接收数据包时，确定CRC校验结果以及信号质量，在重传次数不小于预设重传次数时，对错误数据进行处理，并结束重传，从而减少重传，降低传输延迟，提高通信的实时性。此专利文献只是通过CRC检测结果和门限值改变一些重传策略，并没有从解调算法方面来改善接收机的性能。
现有蓝牙接收机专利文献，如公开号为CN111988108A的中国发明专利文献公开了一种蓝牙接收机中基于接入码的抗干扰高精度信号同步方法，将双方协定的接入码作为本地训练序列；对接收信号进行采样，不断对间隔一个码元周期的两个采样值进行延时差分运算，根据延时差分运算的结果得到待相关序列，将待相关序列与本地训练序列进行滑动相关运算，寻找相关值的峰值，峰值对应的采样时刻作为接入码的起始位置，实现帧定时同步。
现有蓝牙接收机专利文献，如公开号为CN104270177A的中国发明专利文献公开了一种自适应蓝牙接收机，通过侦测相邻信道干扰的存在与否，设定接收机的各项参数，包括滤波器的信道频宽，以及通过增益自动控制运算，生成所述高频前置放大器和增益可控放大器的增益设定，此接收机具有自适应、高效以及功耗低的优点。也即现有相关的专利从CRC检测、同步和检测干扰等等方面来提升接收机性能。
公开号为CN112398770A的中国专利文献公开了一种蓝牙低功耗多相位频移键控调制/解调方法及其设备，该方法包括将输入的二进制数据流分组，每组包含多个比特；将二进制数据流映射为相位序列，其中，一个二进制数据组通过格雷编码被映射为预定相位集之中的一个相位；利用预设的频率波形积分得到的相位波形,将相位序列调制为相位信号。基于该相位信号获得的基带信号，用于蓝牙低功耗信号传输时，可以在提高BLE无线传输速率的同时，保持较高的功率放大效率、较低的解调复杂度、及较高的抗多路径干扰的性能。
针对上述中的相关技术，发明人认为上述装置方法中基本上没有对解调器本身的算法进行改进，性能较差，较难配置解调的延时大小，且计算量较大成本较高。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种蓝牙接收机解调系统及方法。
根据本发明提供的一种蓝牙接收机解调系统，包括如下模块：
模块M1：包括蓝牙接收机，所述蓝牙接收机包括ADC，射频信号经过下变频之后得到模拟信号，模拟信号经过ADC采样得到数字采样速率信号，数字采样速率信号进行速率转换变成模拟信号的载波中心频率的整数倍后得到数字信号，经过速率变换之后的数字信号跟所述数字信号的延时做相关乘法，再做低通滤波；
模块M2：通过动态设置延时进行蓝牙接收机的解调。
优选的，所述模块M1还包括：延时相乘表示为：
其中，vout表示延时相乘的结果；f表示低中频载波的中心频率；t表示时间；θ表示载波初始相位；τ表示时延；表示相位；
经过低通滤波之后，多倍频被滤除，得到：
AMout表示滤波之后信号的幅度值；
即
优选的，所述模块M2包括：通过动态设置时延来进行解调：
如果设置代入公式(6)得到：
其中的
其中，In表示发射端二进制比特；下标n表示数字采样信号的时间；
如果设置代入公式(6)得到：
其中的
由于输出信号的幅度值AMout取决于相位而相位又取决于时延τ，进而得到相位和时延τ的关系。
优选的，该系统还包括蓝牙发射端处理模块，所述蓝牙发射端处理模块包括MAC层、物理层、CRC、DAC和调制模块，假设从MAC层输出的用户数据包的大小为假定比特，进入物理层数字处理首先要加预检比特CRC检验，变成预定比特；对于无编码系统来说，进行成帧操作，组成预测比特帧；预测比特帧送给调制模块做GFSK调制，生成GFSK信号，GFSK信号通过DAC进入模拟通道处理发送进入空口。
优选的，该系统还包括蓝牙接收机处理模块：所述蓝牙接收机包括解调模块，蓝牙接收机采用低中频技术，动态设置延时，解调模块输出的数据，首先是在采样速率下利用比特前导和比特的接入码同步，得到数据的起始位置，再进行下采样到预定数据，硬判之后得到解调数据。
根据本发明提供的一种蓝牙接收机解调方法，包括如下步骤：
步骤1：射频信号经过下变频之后得到模拟信号，模拟信号经过ADC采样得到数字采样速率信号，数字采样速率信号进行速率转换变成模拟信号的载波中心频率的整数倍后得到数字信号，经过速率变换之后的数字信号跟所述数字信号的延时做相关乘法，再做低通滤波；
步骤2：通过动态设置延时进行蓝牙接收机的解调。
优选的，所述步骤1还包括：延时相乘表示为：
其中，vout表示延时相乘的结果；f表示低中频载波的中心频率；t表示时间；θ表示载波初始相位；τ表示时延；表示相位；
经过低通滤波之后，多倍频被滤除，得到：
AMout表示表示滤波之后信号的幅度值；
优选的，所述步骤2包括：通过动态设置时延来进行解调：
如果设置代入公式(6)得到：
其中的
其中，In表示发射端二进制比特；下标n表示数字采样信号的时间；
如果设置代入公式(6)得到：
其中的
由于输出信号的幅度值AMout取决于相位而相位又取决于时延τ，进而得到相位和时延τ的关系。
优选的，该方法还包括蓝牙发射端处理步骤：假设从MAC层输出的用户数据包的大小为假定比特，进入物理层数字处理首先要加预检比特CRC检验，变成预定比特；对于无编码系统来说，进行成帧操作，组成预测比特帧；预测比特帧送给调制模块做GFSK调制，生成GFSK信号，GFSK信号通过DAC进入模拟通道处理发送进入空口。
优选的，该方法还包括蓝牙接收机处理步骤：蓝牙接收机采用低中频技术，动态设置延时，解调模块输出的数据，首先是在采样速率下利用比特前导和比特的接入码同步，得到数据的起始位置，再进行下采样到预定数据，硬判之后得到解调数据。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明改进现有的蓝牙接收机解调算法，从根本上改善接收机性能，在复杂度没有增加的情况下，性能可以大大改善4-5dB；
2、本发明解调的延时大小可以配置；
3、本发明计算量小成本低。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为传统的FM-to-AM解调图；
图2为典型蓝牙系统接收端处理过程图；
图3为蓝牙1M速率下不同延时接收机性能对比图；
图4为典型蓝牙系统发射端处理过程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
FM-to-AM传统接收机方案：如图1所示，显示了传统的FM-to-AM解调方案。FM-to-AM表示频率调制到幅度调制。FM英文全称为Frequency Modulation，中文译文为频率调制。AM英文全称为Amplitude Modulation，中文译文为幅度调制。
r(k)表示ADC的输出信号，k表示ADC的采样时间；j表示复数符号；*表示乘法；t表示时间；I表示正交分量；Q表示同相分量；e表示自然常数；π表示圆周率。DownSampling中文译文为降采样；branch中文译文为分支；Bandpass filter中文译文为带通滤波器；delay中文译文为延迟；Lowpassfilter中文译文为低通滤波器，AMout表示滤波之后信号的幅度值。
蓝牙采用低中频技术，对于带宽为1M的基带信号，经过下变频之后，载波中心频率为5MHz，ADC采用32MHz采样速率，为了变成5MHz的整数倍，需要把32MHz进行速率转换变成20MHz得到低中频数字信号，经过速率变换之后的低中频数字信号跟它的延时做相关乘法，再做低通滤波。ADC英文全称为analog to digital converter，中文译文为模拟数字转换器。上面的处理过程用公式表达为：
延时相乘可以表示为：
vout表示延时相乘的结果；f表示低中频载波的中心频率，为5Mhz；t表示时间；θ表示载波初始相位；τ表示时延；表示相位。
经过低通滤波之后，2倍频被滤除，得到：
AMout表示滤波之后信号的幅度值。
选择时延τ使得可以得到：
从而AMout的值由决定。传统的蓝牙接收机代入
其中：T表示基带波形持续时间这里为1Mhz,In表示发射端二进制比特。
可以得到最终
FM-to-AM改进版：从公式(5)可以看出，AMout的大小取决于的大小，由于sin函数在是单调函数，因此AMout值取决于也就是说在接近于0时很小，而接近于和时很大。而显然是越大越接近接收硬判的性能越好，而传统的接收机的远远小于因此其性能不佳。
本发明实施例公开了一种蓝牙接收机解调系统，如图1和图2所示，包括如下模块：模块M1：包括蓝牙接收机，蓝牙接收机包括ADC，射频信号经过下变频之后得到模拟信号()，模拟信号经过ADC采样得到数字采样速率，数字采样速率进行速率转换变成模拟信号的载波中心频率的整数倍后得到数字信号，经过速率变换之后的数字信号跟数字信号的延时做相关乘法，再做低通滤波。
射频信号经过下变频之后得到模拟低中频信号，模拟低中频信号经过ADC采样得到高倍数数字采样信号，高倍数数字采样信号进行速率转换变成模拟低中频信号的载波中心频率的整数倍后得到低中频数字信号，经过速率变换之后的低中频数字信号跟低中频数字信号的延时做相关乘法，再做低通滤波。低中频大约为4—6MHz。射频信号从射频前端获得。射频信号经过低中频接收机下变频之后得到载波中心频率为5Mhz，蓝牙接收机中的ADC采用32Mhz采样速率，把采样速率进行速率转换变成20Mhz，为载波中心频率的整数倍，得到低中频数字信号，经过速率变换之后的低中频数字信号跟它的延时做相关乘法，再做低通滤波。延时相乘表示为
vout表示延时相乘的结果；f表示低中频载波的中心频率，为5Mhz；t表示时间；θ表示载波初始相位；τ表示时延；表示相位。
经过低通滤波之后，多倍频被滤除，得到：
AMout表示滤波之后信号的幅度值。
本发明方案包括一种新的蓝牙接收机解调方案：为此下面推导新的接收机方案：经过低通滤波之后，2倍频被滤除，得到：
即
模块M2：通过动态设置延时进行蓝牙接收机的解调。通过动态设置两种时延的方法来进行解调：如果设置代入公式(6)可以得到：
其中的
其中，In表示发射端二进制比特；下标n表示数字采样信号的时间。
如果设置代入公式(6)可以得到：
其中的
由于输出信号的幅度值AMout取决于相位而相位又取决于时延τ，进而得到相位和时延τ的关系，下面的表格总结了相位和时延τ的关系。
从这个表格可以看出最大的相位可以达到我们仿真了高斯白噪声信道下1M码率的无编码蓝牙传输性能。
如图3所示，图3中delay＝1表示传统的蓝牙接收机的误比特率的性能，其他是经过本发明推广之后其他delay的误比特率的性能，一般来说实际标准中是看误比特率为0.001时所对应的信噪比。我们看到，要达到误比特率为0.001，传统接收机需要17.5dB，而经过本发明修改之后delay＝19的新的接收机，要达到误比特率为0.001，只需要13.2dB。有大约4.3dB的增益。
如图3所示，Bluetooth中文译文为蓝牙；rate中文译文为速率；performance中文译文为性能；BER英文全称为Bit Error Ratio，中文译文为比特出错概率；snr英文全称为SIGNAL-NOISE RATIO；中文译文为信噪比；dB英文全称为decibel，中文译文为分贝。delay中文译文为延迟。
该系统还包括蓝牙发射端处理模块，如图4所示，蓝牙发射端处理模块包括MAC层、物理层、CRC、DAC和调制模块，MAC层为媒体介入控制层。MAC英文全称为media accesscontrol，中文译文为媒体介入控制。CRC英文全称为Cyclic redundancy check，中文译文为循环冗余校验。DAC英文全称为digital-to-analog conversion,中文译文为数字模拟转换器。假设从MAC层输出的用户数据包的大小为假定比特，进入物理层数字处理首先要加预检比特CRC检验，变成预定比特；对于无编码系统来说，进行成帧操作，组成预测比特帧；预测比特帧送给调制模块做GFSK调制，生成GFSK信号，GFSK信号通过DAC进入模拟通道处理发送进入空口。GFSK英文全称为Gauss frequency Shift Keying，中文译文为高斯频移键控。图4是典型的蓝牙发射端处理。假设从MAC层输出的用户数据包的大小为100个字节即800比特，进入物理层数字处理首先要加24比特CRC检验，变成824比特。假设为1M的无编码系统来说，马上进行成帧操作，就是添加8比特前导，和32比特的接入码，和数据比特组成864比特帧。送给调制模块做GFSK调制，生成GFSK信号，再通过DAC进入模拟通道处理发送进入空口。MAC层表示媒体接入层；图4中小写mac表示MAC层的包，Packet中文译文为打包。
该系统还包括蓝牙接收机处理模块，如图2所示，蓝牙接收机包括解调模块，蓝牙接收机采用低中频技术，动态设置延时，解码模块出来的数据，首先是在20MHz采样速率下利用比特前导和比特的接入码同步，得到数据的起始位置，再进行下采样到预定数据，硬判之后得到解调数据。图2是典型的蓝牙接收机处理。蓝牙采用低中频技术，对于带宽为1M的基带信号，经过下变频之后，载波中心频率为5MHz，送给解调模块，解调模块参考图1的流程进行处理，ADC采用32MHz采样速率，为了变成5MHz的整数倍，需要把32MHz进行速率转换变成20MHz，经过速率变换之后的信号跟它的延时做相关乘法，再做低通滤波。这里的延时的大小为19。解码模块出来的数据，首先是在20MHz下利用8比特前导和32比特的接入码同步，得到数据的起始位置。再进行下采样到1M，硬判之后可以得到解调数据。
如图2所示，Analog中文译文为模拟；digtal中文译文为数字技术；RF英文全称为Radio Frequency，中文译文为射频；Data中文译文为数据；RS英文全称为RadiateSusceptibility，中文译文为辐射抗扰度。
本发明通过对传统解调算法的分析和仿真提出了一种可变延时的FM-to-AM的解调方法，从根本上改善接收机性能，在复杂度没有增加的情况下，性能可以大大改善4-5dB。
本发明实施例公开了一种蓝牙接收机解调方法，如图1和图2所示，包括如下步骤：步骤1：射频信号经过下变频之后得到模拟低中频信号，模拟低中频信号经过ADC采样得到高倍数数字采样信号，高倍数数字采样信号进行速率转换变成模拟低中频信号的载波中心频率的整数倍后得到低中频数字信号，经过速率变换之后的低中频数字信号跟低中频数字信号的延时做相关乘法，再做低通滤波。
延时相乘表示为：
其中，vout表示延时相乘的结果；f表示低中频载波的中心频率；t表示时间；θ表示载波初始相位；τ表示时延；表示相位。
经过低通滤波之后，多倍频被滤除，得到：
AMout表示表示滤波之后信号的幅度值。
即
步骤2：通过动态设置延时进行蓝牙接收机的解调。通过动态设置时延来进行解调：如果设置代入公式(6)得到：
其中的
其中，In表示发射端二进制比特；下标n表示数字采样信号的时间。
如果设置代入公式(6)得到：
其中的
由于输出信号的幅度值AMout取决于相位而相位又取决于时延τ，进而得到相位和时延τ的关系。
该方法还包括蓝牙发射端处理步骤：假设从MAC层输出的用户数据包的大小为假定比特，进入物理层数字处理首先要加预检比特CRC检验，变成预定比特；对于无编码系统来说，进行成帧操作，组成预测比特帧；预测比特帧送给调制模块做GFSK调制，生成GFSK信号，GFSK信号通过DAC进入模拟通道处理发送进入空口。
该方法还包括蓝牙接收机处理步骤：蓝牙接收机采用低中频技术，动态设置延时，解调模块输出的数据，首先是在采样速率下利用比特前导和比特的接入码同步，得到数据的起始位置，再进行下采样到预定数据，硬判之后得到解调数据。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
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