[发明专利]一种用于IEEE802.15.4的BPSK接收机

说明书

技术领域

本发明涉及通信信号波形检测技术领域，具体的说是一种用于IEEE802.15.4的BPSK接收机。

背景技术

IEEE 802.15.4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数据协议单元(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E_n是差分编码的结果，R_n为要编码的原始比特，E_n-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，IEEE 802.15.4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，T_c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。

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]：

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。

利用步骤一中的Y₀提取频偏偏移信息，对步骤二中的A₀[m]进行补偿后进行检测判决：