实现无线传感器网络2.4GHz数字基带信号解调方法

摘要

一种实现无线传感网络2.4GHz数字基带信号解调方法，通过将扩频码同步及符号解调模块检测到

说明书

技术领域

本发明属于无线传感器网络的信号处理技术领域，具体涉及一种实现无线传感网络2.4GHz数字基带信号解调方法。

背景技术

近年来，随着低成本无线通信系统芯片技术的发展，无线传感器网络获得了越来越广泛的应用，而相应的802.15.4协议规定其2.4GHz物理层采用直接序列扩频和半正弦成型的O-QPSK调制方式，发送端发送数据时，物理帧的数据按照每字节先低4位后高4位的顺序划分为两个符号，其符号种类共计16种，然后按照直接序列扩频的方式扩频调制，每种符号调制成扩频码，在对扩频码调制转换后，进行O-QPSK调制，再对调制后的扩频O-QPSK信号进行半正弦成型，并将Q路信号延后半个码片时长，即可得到协议信号基带波形。而接收端接收数据时，即将降采样复数信号流进行解调得到符号对应的扩频码，再对其进行O-QPSK解调，得到对应的符号，由此最终得到先低4位后高4位的字节流数据。

上述过程在接收端的降采样复数采样信号流的第k个采样点复数信号r_k为：

其中θ_k表示第k个采样点的相位，k是大于等于0的整数，ω₀表示频率偏移，φ表示相偏，T表示码片周期，n_k代表第k个采样点的单位功率的加性高斯白噪声，N₀和E_S分别代表噪声和信号的功率。

目前针对降采样复数采样信号的O-QPSK解调实现方案主要为采用逐码片的相干解调、零中频过零检测、角度解调以及块解调。而逐码片的相干解调虽然解调效果最好，但是要做频偏恢复和相偏恢复，复杂度高，而且性能受到残留频偏和相偏的严重影响，特别是对频偏恢复和相偏恢复的影响敏感，带来解调效果差的缺点，而逐码片的零中频过零检测、角度解调以及块解调这些解调方式在解调效果方面差。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种实现无线传感网络2.4GHz数字基带信号解调方法，克服了以往的解调思路基本上都是逐码片进行解调带来的解调效果差的缺点，同时也克服了逐码片的相干解调复杂度高和对频偏恢复和相偏恢复的影响敏感带来解调效果差的缺点，而直接对扩频的符号进行最大似然估计和解调，解调效果好且不会由于敏感而受外界影响。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种实现无线传感网络2.4GHz数字基带信号解调方法，步骤如下：

步骤1：在同步时钟信号的驱动下，输入复数采样信号进入共轭延时相乘模块，该共轭延时相乘模块对输入的复数采样信号先通过降采样的方式来获得降采样复数采样信号流，然后按照K值从小到大的顺序，依次逐一对第K个降采样复数采样信号r_k延迟一个时钟周期后得到对应的延迟降采样复数采样信号，也即第K+1个降采样复数采样信号r_k+1，随即对所得的第K+1个降采样复数采样信号r_k+1取共轭后，再将共轭后的第K+1个降采样复数采样信号r_k+1和其对应的第K个降采样复数采样信号r_k相乘，得到信号，这样信号按照K值的从小到大的顺序组成了信号流，其中第K个降采样复数采样信号r_k的表达式为：

其中θ_k表示第k个降采样复数采样信号的相位，k是大于等于0的整数，ω₀表示降采样复数采样信号的频率偏移，φ表示降采样复数采样信号的相偏，T表示码片周期，n_k代表第k个降采样复数采样信号的单位功率的加性高斯白噪声，N₀和E_S分别代表噪声和信号的功率；

步骤2：共轭延时相乘模块先按照K值的从小到大的顺序，将信号流中从信号到的每个信号，从右到左地送入包括32个寄存器的一维移位数据寄存器链A中对应的一个寄存器中，然后再按照K值的从小到大的顺序，从开始，每经过一个时钟周期，数据将信号流中的每个信号移入一维移位数据寄存器链A的最左侧的寄存器中，一维移位数据寄存器链A的每个寄存器中原有的信号均向右移动至相邻的寄存器，而一维移位数据寄存器链A的最右侧寄存器的原有的信号被移除，其中第K个降采样复数采样信号r_k的表达式为：

其中θ_k表示第k个降采样复数采样信号的相位，k是大于等于0的整数，ω₀表示降采样复数采样信号的频率偏移，φ表示降采样复数采样信号的相偏，T表示码片周期，n_k代表第k个降采样复数采样信号的单位功率的加性高斯白噪声，N₀和E_S分别代表噪声和信号的功率；

步骤3：同时，包含32个寄存器的一维移位数据寄存器链A的每个寄存器，与循环移位数据寄存器链B中的32个寄存器一一对应，在扩频码同步及符号解调模块通过对循环移位及载入寄存器写入循环移位标志或载入标志的控制下，循环移位及数据寄存器链B中的32个寄存器就分别对应循环移位模式或载入模式运行，在扩频码同步完成之前，循环移位及数据寄存器链B处于载入模式下，一维移位数据寄存器链A将其每个寄存器的信号一一载入循环移位及数据寄存器链B中的对应的寄存器中，且一维移位数据寄存器链A中有新信号移入，就将其每个寄存器的信号同步一一载入循环移位及数据寄存器链B中的对应的寄存器中，而在在扩频码同步完成以后，循环移位及数据寄存器链B处于循环移位模式下，每经过一个时钟周期，循环移位及数据寄存器链B中的每个寄存器的信号均向右移动至相邻的寄存器，而其最右侧寄存器的信号移动至最左侧的寄存器内，其中第K个降采样复数采样信号r_k的表达式为：

其中θ_k表示第k个降采样复数采样信号的相位，k是大于等于0的整数，ω₀表示降采样复数采样信号的频率偏移，φ表示降采样复数采样信号的相偏，T表示码片周期，n_k代表第k个降采样复数采样信号的单位功率的加性高斯白噪声，N₀和E_S分别代表噪声和信号的功率；

步骤4：在同步时钟信号的驱动下，每经过一个时钟周期，将循环移位及数据寄存器链B中的每个寄存器的信号移入对应的并行相关器，对应的并行相关器将寄存器链B中的每个寄存器的信号分别与对应的相乘，由此得到32个值，其中第K个降采样复数采样信号r_k的表达式为：

其中θ_k表示第k个降采样复数采样信号的相位，k是大于等于0的整数，ω₀表示降采样复数采样信号的频率偏移，φ表示降采样复数采样信号的相偏，T表示码片周期，n_k代表第k个降采样复数采样信号的单位功率的加性高斯白噪声，N₀和E_S分别代表噪声和信号的功率，且满足：

${\theta }_{k+1}-{\theta }_k=\left(\begin{array}{cc}-\pi /2& ,m_k=0\\ \pi /2& ,m_k=1\end{array}\right)$

其中q_k代表为0的符号对应的第k个扩频码片的值；

步骤5：每得到所述的32个值后，随即送入并行相关器的求和模块中，该求和模块将32个值累加求和，得到累加值，并行相关器就将此累加值输入求模模块，该求模模块对累加值进行求模，得到模值，其中第K个降采样复数采样信号r_k的表达式为：

其中θ_k表示第k个降采样复数采样信号的相位，k是大于等于0的整数，ω₀表示降采样复数采样信号的频率偏移，φ表示降采样复数采样信号的相偏，T表示码片周期，n_k代表第k个降采样复数采样信号的单位功率的加性高斯白噪声，N₀和E_S分别代表噪声和信号的功率，且满足：

${\theta }_{k+1}-{\theta }_k=\left(\begin{array}{cc}-\pi /2& ,m_k=0\\ \pi /2& ,m_k=1\end{array}\right)$

其中q_k代表为0的符号对应的第k个扩频码片的值；

步骤6：求模模块将模值输入到扩频码同步及符号解调模块，当扩频码同步及符号解调模块检测到模值连续8次超过预设的阈值时，再经过连续32个时钟周期之后，对循环移位及载入寄存器写入循环移位标志，从而将循环移位及数据寄存器链B处于入循环移位模式，其中第K个降采样复数采样信号rk的表达式为：

其中θ_k表示第k个降采样复数采样信号的相位，k是大于等于0的整数，ω₀表示降采样复数采样信号的频率偏移，φ表示降采样复数采样信号的相偏，T表示码片周期，n_k代表第k个降采样复数采样信号的单位功率的加性高斯白噪声，N₀和E_S分别代表噪声和信号的功率，且满足：

${\theta }_{k+1}-{\theta }_k=\left(\begin{array}{cc}-\pi /2& ,m_k=0\\ \pi /2& ,m_k=1\end{array}\right)$

其中q_k代表为0的符号对应的第k个扩频码片的值

步骤7：同时在同步时钟信号的驱动下，扩频码同步及符号解调模块就开始计数，即求模模块每输入一次模值，扩频码同步及符号解调模块就将计数值增1，且计数值初值为0，扩频码同步及符号解调模块每完成计数32次时，就将计数值归0，然后根据求模模块在此32次计数时输入的模值中的最大值，记录下出现最大值时的计数值，以及记录下出现最大值时的并行相关器所得的累加值的实部符号，其中第K个降采样复数采样信号r_k的表达式为：

其中θ_k表示第k个降采样复数采样信号的相位，k是大于等于1的整数，ω₀表示降采样复数采样信号的频率偏移，φ表示降采样复数采样信号的相偏，T表示码片周期，n_k代表第k个降采样复数采样信号的单位功率的加性高斯白噪声，N₀和E_S分别代表噪声和信号的功率，且满足：

${\theta }_{k+1}-{\theta }_k=\left(\begin{array}{cc}-\pi /2& ,m_k=0\\ \pi /2& ,m_k=1\end{array}\right)$

其中q_k为符号0对应的第k个扩频码片的值

步骤8：扩频码同步及符号解调模块接着对所述的出现最大值时的计数值进行除以4取整后，并结合出现最大值时的并行相关器所得的累加值的实部符号即可得到对应的符号，并将该符号按先低4位后高4位的字节流数据输出，其中第K个降采样复数采样信号r_k的表达式为：

其中θ_k表示第k个降采样复数采样信号的相位，k是大于等于0的整数，ω₀表示降采样复数采样信号的频率偏移，φ表示降采样复数采样信号的相偏，T表示码片周期，n_k代表第k个降采样复数采样信号的单位功率的加性高斯白噪声，N₀和E_S分别代表噪声和信号的功率，且满足：

${\theta }_{k+1}-{\theta }_k=\left(\begin{array}{cc}-\pi /2& ,m_k=0\\ \pi /2& ,m_k=1\end{array}\right)$

其中q_k代表为0的符号对应的第k个扩频码片的值

步骤9：在同步时钟信号的驱动下，在所述的符号输出时，同时对循环移位及载入寄存器写入载入标志，从而将循环移位及数据寄存器链B处于载入模式，并在一个时钟周期后，重新对循环移位及载入寄存器写入循环移位标志，从而将循环移位及数据寄存器链B处于循环移位模式，再返回步骤6中执行。

所述的步骤7中扩频码同步及符号解调模块采用模32时钟计数器实现计数值增1以及计数值归0的操作。

扩频码同步及符号解调模块包括最大值记录模块。

本发明通过将扩频码同步及符号解调模块检测到模值连续8次超过预设的阈值，以此完成了物理帧帧头检测和扩频码同步两个任务，另外通过找出的最大值，即引入了最大似然估计方法克服了以往的解调思路基本上都是逐码片进行解调带来的解调效果差的缺点，同时也克服了逐码片的相干解调复杂度高和对频偏恢复和相偏恢复的影响敏感带来解调效果差的缺点，而直接对扩频的符号进行最大似然估计和解调，解调效果好且不会由于敏感而受外界影响。

具体实施方式

下面结合实施方式对本发明作更详细的说明。

实现无线传感网络2.4GHz数字基带信号解调方法，步骤如下：

步骤1：在同步时钟信号的驱动下，输入复数采样信号进入共轭延时相乘模块，该共轭延时相乘模块对输入的复数采样信号先通过降采样的方式来获得降采样复数采样信号流，然后按照K值从小到大的顺序，依次逐一对第K个降采样复数采样信号r_k延迟一个时钟周期后得到对应的延迟降采样复数采样信号，也即第K+1个降采样复数采样信号r_k+1，随即对所得的第K+1个降采样复数采样信号r_k+1取共轭后，再将共轭后的第K+1个降采样复数采样信号r_k+1和其对应的第K个降采样复数采样信号r_k相乘，得到信号，这样信号按照K值的从小到大的顺序组成了信号流，其中第K个降采样复数采样信号r_k的表达式为：

其中θ_k表示第k个降采样复数采样信号的相位，k是大于等于0的整数，ω₀表示降采样复数采样信号的频率偏移，φ表示降采样复数采样信号的相偏，T表示码片周期，n_k代表第k个降采样复数采样信号的单位功率的加性高斯白噪声，N₀和E_S分别代表噪声和信号的功率；

步骤2：共轭延时相乘模块先按照K值的从小到大的顺序，将信号流中从信号到的每个信号，从右到左地送入包括32个寄存器的一维移位数据寄存器链A中对应的一个寄存器中，然后再按照K值的从小到大的顺序，从开始，每经过一个时钟周期，数据将信号流中的每个信号移入一维移位数据寄存器链A的最左侧的寄存器中，一维移位数据寄存器链A的每个寄存器中原有的信号均向右移动至相邻的寄存器，而一维移位数据寄存器链A的最右侧寄存器的原有的信号被移除，其中第K个降采样复数采样信号r_k的表达式为：

其中θ_k表示第k个降采样复数采样信号的相位，k是大于等于0的整数，ω₀表示降采样复数采样信号的频率偏移，φ表示降采样复数采样信号的相偏，T表示码片周期，n_k代表第k个降采样复数采样信号的单位功率的加性高斯白噪声，N₀和E_S分别代表噪声和信号的功率；

步骤3：同时，包含32个寄存器的一维移位数据寄存器链A的每个寄存器，与循环移位数据寄存器链B中的32个寄存器一一对应，在扩频码同步及符号解调模块通过对循环移位及载入寄存器写入循环移位标志或载入标志的控制下，循环移位及数据寄存器链B中的32个寄存器就分别对应循环移位模式或载入模式运行，在扩频码同步完成之前，循环移位及数据寄存器链B处于载入模式下，一维移位数据寄存器链A将其每个寄存器的信号一一载入循环移位及数据寄存器链B中的对应的寄存器中，且一维移位数据寄存器链A中有新信号移入，就将其每个寄存器的信号同步一一载入循环移位及数据寄存器链B中的对应的寄存器中，而在在扩频码同步完成以后，循环移位及数据寄存器链B处于循环移位模式下，每经过一个时钟周期，循环移位及数据寄存器链B中的每个寄存器的信号均向右移动至相邻的寄存器，而其最右侧寄存器的信号移动至最左侧的寄存器内，其中第K个降采样复数采样信号r_k的表达式为：

其中θ_k表示第k个降采样复数采样信号的相位，k是大于等于0的整数，ω₀表示降采样复数采样信号的频率偏移，φ表示降采样复数采样信号的相偏，T表示码片周期，n_k代表第k个降采样复数采样信号的单位功率的加性高斯白噪声，N₀和E_S分别代表噪声和信号的功率；

步骤4：在同步时钟信号的驱动下，每经过一个时钟周期，将循环移位及数据寄存器链B中的每个寄存器的信号移入对应的并行相关器，对应的并行相关器将寄存器链B中的每个寄存器的信号分别与对应的相乘，由此得到32个值，其中第K个降采样复数采样信号r_k的表达式为：

其中θ_k表示第k个降采样复数采样信号的相位，k是大于等于0的整数，ω₀表示降采样复数采样信号的频率偏移，φ表示降采样复数采样信号的相偏，T表示码片周期，n_k代表第k个降采样复数采样信号的单位功率的加性高斯白噪声，N₀和E_S分别代表噪声和信号的功率，且满足：

${\theta }_{k+1}-{\theta }_k=\left(\begin{array}{cc}-\pi /2& ,m_k=0\\ \pi /2& ,m_k=1\end{array}\right)$

其中q_k代表为0的符号对应的第k个扩频码片的值；

步骤5：每得到所述的32个值后，随即送入并行相关器的求和模块中，该求和模块将32个值累加求和，得到累加值，并行相关器就将此累加值输入求模模块，该求模模块对累加值进行求模，得到模值，其中第K个降采样复数采样信号r_k的表达式为：

其中θ_k表示第k个降采样复数采样信号的相位，k是大于等于0的整数，ω₀表示降采样复数采样信号的频率偏移，φ表示降采样复数采样信号的相偏，T表示码片周期，n_k代表第k个降采样复数采样信号的单位功率的加性高斯白噪声，N₀和E_S分别代表噪声和信号的功率，且满足：

${\theta }_{k+1}-{\theta }_k=\left(\begin{array}{cc}-\pi /2& ,m_k=0\\ \pi /2& ,m_k=1\end{array}\right)$

其中q_k代表为0的符号对应的第k个扩频码片的值；

步骤6：求模模块将模值输入到扩频码同步及符号解调模块，当扩频码同步及符号解调模块检测到模值连续8次超过预设的阈值时，再经过连续32个时钟周期之后，对循环移位及载入寄存器写入循环移位标志，从而将循环移位及数据寄存器链B处于入循环移位模式，其中第K个降采样复数采样信号r_k的表达式为：

其中θ_k表示第k个降采样复数采样信号的相位，k是大于等于0的整数，ω₀表示降采样复数采样信号的频率偏移，φ表示降采样复数采样信号的相偏，T表示码片周期，n_k代表第k个降采样复数采样信号的单位功率的加性高斯白噪声，N₀和E_S分别代表噪声和信号的功率，且满足：

${\theta }_{k+1}-{\theta }_k=\left(\begin{array}{cc}-\pi /2& ,m_k=0\\ \pi /2& ,m_k=1\end{array}\right)$

其中q_k代表为0的符号对应的第k个扩频码片的值

步骤7：同时在同步时钟信号的驱动下，扩频码同步及符号解调模块就开始计数，即求模模块每输入一次模值，扩频码同步及符号解调模块就将计数值增1，且计数值初值为0，扩频码同步及符号解调模块每完成计数32次时，就将计数值归0，然后根据求模模块在此32次计数时输入的模值中的最大值，记录下出现最大值时的计数值，以及记录下出现最大值时的并行相关器所得的累加值的实部符号，其中第K个降采样复数采样信号r_k的表达式为：

其中θ_k表示第k个降采样复数采样信号的相位，k是大于等于1的整数，ω₀表示降采样复数采样信号的频率偏移，φ表示降采样复数采样信号的相偏，T表示码片周期，n_k代表第k个降采样复数采样信号的单位功率的加性高斯白噪声，N₀和E_S分别代表噪声和信号的功率，且满足：

${\theta }_{k+1}-{\theta }_k=\left(\begin{array}{cc}-\pi /2& ,m_k=0\\ \pi /2& ,m_k=1\end{array}\right)$

其中q_k为符号0对应的第k个扩频码片的值

步骤8：扩频码同步及符号解调模块接着对所述的出现最大值时的计数值进行除以4取整后，并结合出现最大值时的并行相关器所得的累加值的实部符号即可得到对应的符号，并将该符号按先低4位后高4位的字节流数据输出，其中第K个降采样复数采样信号r_k的表达式为：

其中θ_k表示第k个降采样复数采样信号的相位，k是大于等于0的整数，ω₀表示降采样复数采样信号的频率偏移，φ表示降采样复数采样信号的相偏，T表示码片周期，n_k代表第k个降采样复数采样信号的单位功率的加性高斯白噪声，N₀和E_S分别代表噪声和信号的功率，且满足：

${\theta }_{k+1}-{\theta }_k=\left(\begin{array}{cc}-\pi /2& ,m_k=0\\ \pi /2& ,m_k=1\end{array}\right)$

其中q_k代表为0的符号对应的第k个扩频码片的值

步骤9：在同步时钟信号的驱动下，在所述的符号输出时，同时对循环移位及载入寄存器写入载入标志，从而将循环移位及数据寄存器链B处于载入模式，并在一个时钟周期后，重新对循环移位及载入寄存器写入循环移位标志，从而将循环移位及数据寄存器链B处于循环移位模式，再返回步骤6中执行。

所述的步骤7中扩频码同步及符号解调模块采用模32时钟计数器实现计数值增1以及计数值归0的操作。

扩频码同步及符号解调模块包括最大值记录模块。本发明通过将扩频码同步及符号解调模块检测到模值连续8次超过预设的阈值，以此找到扩频码的头以便进行同步，另外通过找出的最大值，即引入了最大似然估计方法克服了以往的解调思路基本上都是逐码片进行解调带来的解调效果差的缺点，同时也克服了逐码片的相干解调复杂度高和对频偏恢复和相偏恢复的影响敏感带来解调效果差的缺点，而直接对扩频的符号进行最大似然估计和解调，解调效果好且不会由于敏感而受外界影响。