[發明專利]一種用于IEEE802.15.4的BPSK接收機

在審

• 申請號: 201710060501.2
• 申請日: 2017-01-25
• 公開（公告）號: CN106656890A
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發明（設計）人: 張高遠;謝萍;吳紅海;文紅;王龍業;曾曉莉;王斐;王丹;宋梁;冀保峰;鄭國強;馬華紅;朱子龍;劉葉;秦麗明;汪莎莎;黃利鵬
• 申請（專利權）人: 河南科技大學
• 主分類號: H04L27/233
• 分類號: H04L27/233;H04L27/00
• 代理公司: 洛陽公信知識產權事務所(普通合伙)41120
• 代理人: 宋晨煒

技術領域

本發明涉及通信信號波形檢測技術領域，具體的說是一種用于IEEE802.15.4的BPSK接收機。

背景技術

IEEE 802.15.4是ZigBee，WirelessHART等規范的基礎，描述了低速率無線個人局域網的物理層和媒體接入控制協議。其最初工作在868/915MHz、2.4GHz的ISM頻段上，數據傳輸速率最高可達250kbps。低功耗、低成本的優點使它在數據采集、處理與分析，遠程控制精作農業自動化、環境保護和監測、智能家居、智能電網和軍事等眾多領域獲得了廣泛應用。在2011年公布的最新標準中，又加入了314–316MHz,430–434MHz,779–787MHz和950–956MHz工作頻段。

如圖1所示，802.15.4協議在不同載波頻段上采用調制方式和數據傳輸速率不同。在四個典型的頻段總共提供48個信道：868MHz頻段1個信道，915MHz頻段10個信道，2450MHz頻段16個信道，950MHz頻段21個信道。如圖2所示，在868/915/950-MHz頻段上，信號處理過程相同，只是數據速率不同。發送方首先將物理層數據協議單元(PPDU)的二進制數據差分編碼，然后再將差分編碼后的每一以位轉換為長度為15的片序列，最后使用BPSK調制到信道上。差分編碼是將數據的每一個原始比特與前一個差分編碼生成的比特進行異或運算：其中E_n是差分編碼的結果，R_n為要編碼的原始比特，E_n-1是上一次差分編碼的結果。對每個發送的數據包，R₁是第一個原始比特，計算E₁時假定E₀＝0。差分解碼過程與編碼過程類似：對每個接收到的數據包，E₁為第一個需要解碼的比特，計算E₁時假定E₀＝0。如圖3所示，差分編碼后的每個比特被轉換為長度為15的片序列。擴頻后的序列使用BPSK調制方式調制到載波上。

如圖4所示，IEEE 802.15.4協議物理層數據幀結構的第一個字段是四個字節共計32位的全零前導碼，收發器在接收前導碼期間，會根據前導碼序列的特征完成片同步和符號同步。幀起始分隔符(SFD)字段長度為一個字節，其值固定為0xA7，表示為一個物理幀的開始，收發器接收完成前導碼后只能做到數據的位同步，通過搜索SFD字段的值0xA7才能同步到字節上。幀長度由一個字節的低7位表示，其值就是物理幀負載的長度，因此物理幀負載的長度不會超過127個字節。物理幀的負載長度可變，稱之為物理層服務數據單元(PSDU)，一般用來承載MAC幀。

傳統的802.15.4網絡用的BPSK接收機主要有兩種，一種是如圖5所示的868/915/950-MHz頻段的傳統典型復基帶非相干接收機。用表示經信道傳輸后接收到的復基帶采樣信號，其中s(k)為待檢測的發送數據，s(k)∈{+1,-1}，ω₀＝2πf₀,f₀和θ分別為頻率偏移和相位偏移，在整個數據幀中保持不變，T_c表示擴頻碼碼片周期，η₀(k)為復基帶加性高斯白噪聲。則圖5所示的檢測過程可歸納為：

步驟一、利用32個比特的前導碼對應的信道接收數據提取包含頻率偏移信息的頻偏觀測值Y₀：

其中，J表示前導碼的比特總數量，J＝32，N表示擴頻長度，N＝15，1≤m≤J-1，0≤n≤N-1，p[n+Nm]表示前導碼的第m個比特對應的第n個碼片的信道接收值，(·)^*表示取共軛運算，η₁表示所有的噪聲項。

步驟二、對PSDU對應的復基帶接收采樣信號進行比特級差分處理，得到判決觀測值A₀[m]：

其中，r[n+Nm]表示PSDU的第m個比特對應的第n個碼片的信道接收值，η₂[m]表示所有的噪聲項，E[m]表示發送的第m個比特數據。

利用步驟一中的Y₀提取頻偏偏移信息，對步驟二中的A₀[m]進行補償后進行檢測判決：