一种用于IEEE802.15.4的低复杂度BPSK接收机制造技术

一种用于IEEE802.15.4的低复杂度BPSK接收机，首先利用32个比特的前导码对应的信道接收数据提取有用的频率偏移信息；然后对PSDU对应的复基带接收采样信号进行比特级差分处理，得到判决观测值：之后利用步骤一中的提取频偏偏移信息，对步骤二中的进行补偿后进行检测判决；最后将接收到的PSDU数据传送给MAC层进行CRC校验。本发明专利技术基于反正弦函数的泰勒级数展开理论，提供一种适用于IEEE 802.15.4的低功耗、高可靠和低成本的非相干BPSK接收机。

【技术实现步骤摘要】
一种用于IEEE802.15.4的低复杂度BPSK接收机
本专利技术涉及通信信号波形检测
，具体的说是一种用于IEEE802.15.4的低复杂度BPSK接收机。
技术介绍
IEEE802.15.4是ZigBee，WirelessHART等规范的基础，描述了低速率无线个人局域网的物理层和媒体接入控制协议。其最初工作在868/915MHz、2.4GHz的ISM频段上，数据传输速率最高可达250kbps。低功耗、低成本的优点使它在数据采集、处理与分析，远程控制精作农业自动化、环境保护和监测、智能家居、智能电网和军事等众多领域获得了广泛应用。在2011年公布的最新标准中，又加入了314–316MHz,430–434MHz,779–787MHz和950–956MHz工作频段。如图1所示，802.15.4协议在不同载波频段上采用调制方式和数据传输速率不同。在四个典型的频段总共提供48个信道：868MHz频段1个信道，915MHz频段10个信道，2450MHz频段16个信道，950MHz频段21个信道。如图2所示，在868/915/950-MHz频段上，信号处理过程相同，只是数据速率不同。发送方首先将物理层协议数据单元(PPDU)的二进制数据差分编码，然后再将差分编码后的每一以位转换为长度为15的片序列，最后使用BPSK调制到信道上。差分编码是将数据的每一个原始比特与前一个差分编码生成的比特进行异或运算：其中En是差分编码的结果，Rn为要编码的原始比特，En-1是上一次差分编码的结果。对每个发送的数据包，R1是第一个原始比特，计算E1时假定E0＝0。差分解码过程与编码过程类似：对每个接收到的数据包，E1为第一个需要解码的比特，计算E1时假定E0＝0。如图3所示，差分编码后的每个比特被转换为长度为15的片序列。扩频后的序列使用BPSK调制方式调制到载波上。如图4所示，IEEE802.15.4协议物理层数据帧结构的第一个字段是四个字节共计32位的全零前导码，收发器在接收前导码期间，会根据前导码序列的特征完成片同步和符号同步。帧起始分隔符(SFD)字段长度为一个字节，其值固定为0xA7，表示为一个物理帧的开始，收发器接收完成前导码后只能做到数据的位同步，通过搜索SFD字段的值0xA7才能同步到字节上。帧长度由一个字节的低7位表示，其值就是物理帧负载的长度，因此物理帧负载的长度不会超过127个字节。物理帧的负载长度可变，称之为物理层服务数据单元(PSDU)，一般用来承载MAC帧。传统的802.15.4网络用的BPSK接收机主要有两种，一种是如图5所示的868/915/950-MHz频段的传统典型复基带非相干接收机。用表示经信道传输后接收到的复基带采样信号，其中s(k)为待检测的发送数据，s(k)∈{+1,-1}，ω0＝2πf0,f0和θ分别为频率偏移和相位偏移，在整个数据帧中保持不变，Tc表示扩频码码片周期，η0(k)为复基带加性高斯白噪声。则图5所示的检测过程可归纳为：步骤一、利用32个比特的前导码对应的信道接收数据提取包含频率偏移信息的频偏观测值Y0：其中，J表示前导码的比特总数量，J＝32，N表示扩频长度，N＝15，1≤m≤J-1，0≤n≤N-1，p[n+Nm]表示前导码的第m个比特对应的第n个码片的信道接收值，(·)*表示取共轭运算，η1表示所有的噪声项。对PSDU对应的复基带接收采样信号进行比特级差分处理，得到判决观测值A0[m]：其中，r[n+Nm]表示PSDU的第m个比特对应的第n个码片的信道接收值，η2[m]表示所有的噪声项，E[m]表示发送的第m个比特数据。步骤三、利用步骤一中的频偏观测值Y0提取频率偏移信息，对步骤二中的A0[m]进行补偿后进行检测判决：其中，表示对第m个比特数据的判决结果，q(·)为量化函数，|·|表示取模运算。Bloch,M.R.、Hayashi,M.、和Thangaraj,A.于2010年9月在《IEEETranscactionsonSignalProcessing》上发表的文章“IEEE802.15.4BPSKreceiverarchitecturebasedonanewefficientdetectionscheme”中提供了一种Y0的量化函数的计算方法是Y0的相位，也是Nω0Tc的估计值，的计算方法具体描述为：其中，Re(·)表示取实部运算，Im(·)表示取虚部运算。公式(3)的检测判决过程需要事先从Y0中提取频率偏移信息Nω0Tc的估计值然后对A0[m]进行补偿。如上所述，传统典型复基带非相干接收机的不足之处是：由公式(4)可知，步骤三中需要通过除法运算和复杂的反正切运算来得到频率偏移信息Nω0Tc的估计值这对于能量供给严格受限的802.15.4网络终端来说，计算复杂度较大，能耗较大，实现成本较高。另一种传统接收机是为降低从Y0中提取频偏补偿信息Nω0Tc的实现复杂度，由Lee,S.、Kwon,H.、Jung,Y.、和Kim,J.S.于2007年8月在《ElectronicsLetter》上发表的文章“Efficientnon-coherentdemodulationschemeforIEEE802.15.4LR-WPANsystems”中，在传统典型复基带非相干接收机的基础上提出的一种简化形式的接收机，对Y0的量化函数做了改变，具体可描述为：由式(5)可知，频率偏移信息Nω0Tc的估计值可以具体描述为：可见，简化形式的接收机也需要事先从Y0中提取频率偏移信息Nω0Tc的估计值然后对A0[m]进行补偿。其本质是用式(6)对式(1)进行近似处理，从而大大降低传统方案的实现复杂度。但是仍然存在许多不足：式(6)对式(1)的近似处理过程势必产生较大误差，即式(6)对频率偏移信息Nω0Tc的估计过程存在更加严重的“过估计”或“欠估计”现象，会导致检测可靠性的大幅下降，没有在实现复杂和性能之间达到较好的平衡匹配。如图6所示，相比于传统典型复基带非相干接收机，简化形式的接收机检测性能损失严重，仿真中采用的载波频率为924MHz，频率偏移f0为IEEE802.15.4协议中规定的最大值80ppm，相位偏移θ在(0，2π]内服从均匀分布，PSDU的数据长度为20个字节(160比特)，每个信噪比下至少采集3000帧错误。而802.15.4网络MAC层没有采用前向纠错(FEC)机制，而是采用循环冗余校验(CRC)来判断传输帧的正确性，自动请求重传(ARQ)协议据此确定传输帧是否需要重传。故物理层接收机性能的优劣将将直接对能耗产生巨大影响。在信道条件较差，通信距离相对较远时，接收信号功率损耗较大。此时，如果采用该简化形式的接收机，同一PSDU数据帧可能经过多次重传才能成功被MAC层校验通过。如果数据量巨大则多次重传的通信过程也将消耗巨大的能量，这会降低能量供给匮乏的802.15.4网络的使用寿命。
技术实现思路
为了解决现有技术中的不足，本专利技术基于反正弦函数的泰勒级数展开理论，提供一种适用于IEEE802.15.4的低复杂度BPSK接收机及其进一步简化形式，两种接收机计算简单，能量消耗低，能够大大延长802.15.4网络的使用寿命。为了实现上述目的，本专利技术采用的具体方案为：一种用于I本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于IEEE802.15.4的低复杂度BPSK接收机，发送端物理层的数据帧经过扩频和BPSK调制之后经信道传输给接收端，数据帧包括32个比特的前导码和物理层服务数据单元PSDU，接收端接收到的复基带采样信号表示为

【技术特征摘要】
1.一种用于IEEE802.15.4的低复杂度BPSK接收机，发送端物理层的数据帧经过扩频和BPSK调制之后经信道传输给接收端，数据帧包括32个比特的前导码和物理层服务数据单元PSDU，接收端接收到的复基带采样信号表示为其中s(k)为待检测的发送数据且s(k)∈{+1,-1}，ω0＝2πf0,f0和θ分别为频率偏移和相位偏移，在整个数据帧中保持不变，Tc表示扩频码码片周期，η0(k)为复基带加性高斯白噪声；接收机工作过程的具体步骤为：步骤一、利用32个比特的前导码对应的信道接收数据提取包含频率偏移信息的频偏观测值Y0：其中，J表示前导码的比特总数量，J＝32，N表示扩频长度，N＝15，1≤m≤J-1，0≤n≤N-1，p[n+Nm]表示前导码的第m个比特对应的第n个码片的信道接收值，(·)*表示取共轭运算，η1表示所有的噪声项；步骤二、对PSDU对应的复基带接收采样信号进行比特级差分处理，得到判决观测值A0[m]：

【专利技术属性】
技术研发人员：张高远，吴红海，谢萍，王龙业，曾晓莉，文红，王斐，王丹，宋梁，冀保峰，郑国强，马华红，刘叶，秦丽明，汪莎莎，朱子龙，黄利鹏，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：发明
国别省市：河南,41