CN105282021B

CN105282021B - 信号集中器设备

Info

Publication number: CN105282021B
Application number: CN201510425809.3A
Authority: CN
Inventors: N.索宁; L.查姆皮恩
Original assignee: Semtech Corp
Current assignee: Semtech Corp
Priority date: 2014-07-18
Filing date: 2015-07-20
Publication date: 2019-11-12
Anticipated expiration: 2035-07-20
Also published as: US20160020932A1; US9794095B2; EP2975814B1; EP2975814A1; CN105282021A

Abstract

一种网关设备，具有：基带处理器，用于处理承载以线性调频脉冲信号的形式调制的数字信息的多个信号，该线性调频脉冲信号是基本线性调频脉冲或调制线性调频脉冲，基本线性调频脉冲的频率根据预定基本线性调频脉冲函数从初始时刻到最终时刻发生改变，调制线性调频脉冲的瞬时频率根据不同于所述基本线性调频脉冲函数的多个函数中的一个发生变化，特征在于：网关设备被布置用于同时解调以相同频率接收并且展示不同比特率的多个信号。

Description

信号集中器设备

技术领域

本发明在实施例中涉及用于无线数据网络的接收机和发射机系统，并且具体地但不排他地涉及能够处理编码为调制无线电线性调频脉冲（chirp）的多个消息的网关系统。

背景技术

数字无线数据传输用于在数据速率、传输范围和功耗方面都呈现大的变化性的各种各样的系统。然而，需要一种数字传输方案，该数字传输方案使长传输范围和低功耗相结合，并且可以通过简单接收机和发射机来实现。

扩频调制技术用于改善对无线电通信中的噪声和干扰的抗扰性，各种蓝牙®协议是这样的技术的示例。这些调制方案使用跳频扩频，并且实现低消耗和良好的带宽，但是其范围限于几米。

直接顺序扩频技术也是已知的，并且可以达到非常高水平的编码增益。在一些情况下，如在GPS系统中，已经示出了在长范围上的卓越噪声抗扰性。然而，这些技术的局限性是比较高的接收机复杂度、对于弱信号可能非常长的获取时间以及其功耗。

欧洲专利申请EP2449690描述了使用数字合成的线性调频脉冲符号作为调制的通信系统以及适当的基于FFT的接收机。

在各种射频电路中的线性调频脉冲生成是已知的，例如US6549562描述了一种用于生成调制线性调频脉冲信号的方法，而EP0952713示出了基于线性调频脉冲信号的同步过程。

US6940893和US6614853等描述了通过使冲击信号通过波散滤波器来生成和使用线性调频脉冲信号以及基于此的通信方案。

与由EP2449690公开的那些相同或类似的线性调频脉冲调制系统适于实现低功率长距离发射机，并且可以用于在与网关系统的通信中实现包括跨大区域分布的多个节点的分布式多节点网络。通常的情况是，各个个体节点是具有自主电源的简单传感器，该自主电源具有例如电池或太阳能板单元的性质，该简单传感器与网关相对不频繁地进行通信，以便于保存他们的能量资源。

这种分布式网络可以例如在很多应用中使用，包括但不限于，资产跟踪、监视、能量计量、监视、环境测量以及许多其他应用。因为在这些应用中，端节点或传感器依赖于自主和有限能量供应，所以低消耗是非常重要的。

然而，网关处的业务量与节点的数目一起增加，并且重要的是，网关能够接收和解码尽可能高数目的通信，尽可能避免可能减缓系统并且增加端节点处的功耗的误差和重传。

因此，需要一种能够以高效的方式处理大量同时通信的网关系统。

发明内容

根据本发明，这些目的通过本发明的如下实施例来实现：一种网关设备，具有：处理器，所述处理器用于处理承载以线性调频脉冲信号的形式调制的数字信息的多个信号，所述线性调频脉冲信号是基本线性调频脉冲或调制线性调频脉冲，所述基本线性调频脉冲的频率根据预定基本线性调频脉冲函数从初始时刻到最终时刻发生改变，所述调制线性调频脉冲的瞬时频率根据不同于所述基本线性调频脉冲函数的多个函数中的一个发生变化，所述网关设备包括一个解调器或若干解调器，所述网关设备被布置用于同时解调具有不同比特率的多个信号。

附图说明

借助于作为示例给出并且通过附图图示的实施例的描述，将更好理解本发明，其中：

图1以示意性简化方式示出了根据本发明的一个方面的无线电调制解调器的结构。

图2a绘制了根据本发明的一个方面的基本线性调频脉冲和调制线性调频脉冲的瞬时频率。在图2b中表示相同信号的相位，并且图2c在时域中绘制了基本线性调频脉冲的实分量和复分量。

图3示意地示出了根据本发明的一个方面的网关系统的结构。

图4a和图4b图示了根据本发明的一个方面的无线网络中的两个可能信道布置。

图5图示了本发明的可能数据结构。

具体实施方式

本发明的中心是基于频率线性调频脉冲的发射和接收的数字调制技术，并且在商业上被称为“LoRa”。因此，本文将一般地并且出于便于阅读的目的使用名称“LoRa”来指示该调制技术，但是必须理解，本发明不限于特定标准化的调制方案，而是适用于如权利要求中所指示的所有调制技术。

本发明中采用的线性调频脉冲调制技术的若干方面在欧洲专利申请EP2763321中被描述，并且这里将被概括地提及，该专利申请通过引用合并于此。图1以示意性的简化方式表示概念性单信道无线电收发器，该无线电收发器可以操作在本发明中使用的线性调频脉冲调制。即使本发明主要处理多个同时数据分组的传输和接收，现在也将作为LoRa调制的非限制性示例来图1的电路。

图1的收发器包括基带部200和射频部100。集中于发射机部分，基带调制器基于在其输入处存在的数字数据152来生成基带信号，该基带信号的I和Q分量由RF部100转换成期望的传输频率，该基带信号由功率放大器120放大，并且由天线发射，由RF交换机选择。在不偏离本发明的框架的情况下，所呈现的架构允许若干变型和修改，并且被提供作为非限制性示例。

在该示例中，通过在混合器110中将由放大器154提供的信号与由PLL190生成并且链接到基准时钟129的本地载波的同相和正交分量混合来进行从基带到期望频率的信号转换。

一旦在无线电链路的另一端接收该到信号时，该信号由图1的收发器的接收部分处理，该接收部分包括在降频转换级之后的低噪声放大器160，该降频转换级生成包括一系列线性调频脉冲的基带信号，该基带信号然后由基带解调器180处理，该基带解调器180的功能是调制器150的功能的反转，并且提供重建的数字信号182。

如在EP2763321中讨论的，调制器150合成包括一系列线性调频脉冲的基带信号，线性调频脉冲的频率沿着预定时间间隔从初始瞬时值改变为最终瞬时频率。为了简化描述，将假设所有的线性调频脉冲具有相同的持续时间，但是这不是对于本发明的绝对要求。

基带信号中的线性调频脉冲可以通过其瞬时频率的时间分布或还通过将信号的相位定义为时间的函数的函数来描述。重要地，调制器150可以生成具有多个不同的分布的线性调频脉冲，每一个都与预定的调制字母表中的符号相对应。

根据本发明的重要特征，调制器150可以生成具有特定和预定义的频率分布的基本线性调频脉冲（在下面也被称为未调制的线性调频脉冲）或者通过循环地时间移位基本频率分布而从基本线性调频脉冲获得的可能的调制线性调频脉冲集合中的一个。图2a作为示例图示了在线性调频脉冲的开始时的时刻和线性调频脉冲的结束时的时刻之间的基本线性调频脉冲的可能频率和相位分布以及一个调制线性调频脉冲的可能频率和相位分布，而图2b示出了时域中的对应的基带信号。

在所描绘的示例中，基本线性调频脉冲的频率从初始值ƒ₀=−BW/2 到最终值ƒ₁=BW/2 线性地增加，其中表示带宽扩展量，但是下降线性调频脉冲或其他码片分布也是可能的。因此，以线性调频脉冲的形式来对该信息进行编码，该线性调频脉冲具有相对于预定的基本线性调频脉冲的多个可能的循环移位中的一个，每个循环移位对应于可能的调制符号。

优选地，该调制器还被布置为合成共轭线性调频脉冲并且在信号中插入共轭线性调频脉冲，该共轭线性调频脉冲是作为基本未调制线性调频脉冲的复共轭的线性调频脉冲。人们可以将这些视作降频线性调频脉冲，其中该频率从值ƒ₀=+BW/2 下降到ƒ₁=−BW/2 。

更优选地，线性调频脉冲的相位通过连续函数来描述，该连续函数在线性调频脉冲的开始和结束具有相同值：。由此，信号的相位是跨符号边界连续的，该特征将在以下被称为符号间相位连续性。在图2a中所示的示例中，函数是对称的，并且该信号具有符号间相位连续性。如由EP2763321更详细说明的，上述信号的结构允许接收机中的基带解调器180使其时间基准与发射机的时间基准对准，并且通过乘以基本线性调频脉冲的复共轭并执行FFT来确定给予每个线性调频脉冲的循环移位量。 FFT的最大值的位置指示移位和调制值。因此，“循环移位值”以下可以用于在时域中指示调制，并且“调制位置”或“峰值位置”在频域中表示调制。

与扩展因子直接相关的符号的长度N在调制/解调协议中是固定的。关于带宽，LoRa标准适应线性调频脉冲的多个带宽，可根据应用和环境来选择，例如125、250和500KHz，然而本发明不限于具体带宽或带宽集合。

重要地，例如因为以不同的比特率传输的信号的特征是不同的扩展因子或不同的线性调频脉冲长度，所以在同一数据信道上没有干扰的情况下，在他们可以被同时传输和接收的意义上，他们是正交的；对于适配为接收和解码具有规定比特率的信号的LoRa解调器，具有不同比特率的信号表现为噪声。因此，上述线性调频脉冲调制系统在一个单个频率上提供具有不同比特率的多个独立信道。

上述正交属性不应当被解释为暗示了扩展因子和带宽的所有组合都是正交的，并且事实上，在LoRa调制中扩展因子和带宽的一些非对角线组合不是正交的，如表1中所示。然而，假定避免非正交组合，则可以从彼此独立地接收具有不同扩展因子和/或带宽的消息。

表1 –特征为扩展因子（SF）和以kHz为单位的带宽（BW）的LoRa信道的非正交（‘X’）组合。

当在包括跨大区域分布的多个节点的分布式网络中使用线性调频脉冲调制时，上述正交属性实现多重并行传输，并且是特别有利的。甚至更有利地，在分布式节点和网关之间的传输可以优选地使用具有不同频率的线性调频脉冲，例如以多个可能的子载波中的一个为中心。

具有不同线性调频脉冲带宽的LoRa信号也是正交的，并且可以被同时接收和传输，即使其频谱重叠：适配为接收具有确定带宽的信号的LoRa接收机将仅解码通过其调制的信号，并且具有不同带宽的其他LoRa信号将表现为噪声，即使其频谱与接收到的信号的频谱重叠。

图3示意性地示出了根据本发明的网关中的基带处理器281的可能结构。该网关的作用是用作> 10⁴个无线节点的异步星型网络的集线器，每个节点根据传输条件针对每个传输来使用随机信道和不同的数据速率。

典型地，位于网关附近的节点将在预定带宽中与所规定的基于线性调频脉冲的调制系统兼容地使用最高可能的数据速率。为了提供非限制性具体示例，线性调频脉冲带宽可以固定在125kHz的带宽，并且数据速率可以按照预定离散步长从6k比特/秒到最低300比特/秒的范围变动。优选地，各个个体节点被布置为基于感知的信号质量、信道状况、到集线器的距离或任何适当的参数来自主地选择适配的数据速率，该适配的数据速率是例如在给定瞬时信号质量的情况下允许可靠通信的最快速率。

基带处理器281优选地在单个芯片中实现，优选地可与相同类型或者可兼容类型的其他芯片组合以增加容量。基带处理器281包括分组仲裁器微控制器241，该分组仲裁器微控制器241向各种接收路径分派可用解调资源。因为解调器237在数目上是有限的，并且检测到的分组可能超过解调器的数目，所以仲裁器优选地被布置用于根据适当的优先级规则来分派可用解调器，适当的优先级规则可以包括把优先级给予下述各项：

- 预定扩展因子和/或带宽；

- 信道中更高的信号/噪声比；

- 先前未被占用的信道中例如由频率、带宽和扩展因子的组合定义的新信号；

该列表并不是穷举的。本发明也不限于规则驱动的仲裁算法，并且分组仲裁器还可以具有例如不确定性行为。

分组仲裁器MCU 241优选地通过专用处理器来实现，但是在本发明的框架中，他也可以是还参与其他功能的通用控制器。而且，分组仲裁器可以通过基带处理器281的协作硬件和软件资源的集合来实现，该集合不被组织为也是微控制器或MCU，但是本发明还可以通过具有参与必要功能的一个单个微控制器单元或者任何数目的微控制器单元的芯片来实现。一个或多个微控制器能够通过例如SPI总线之类的适当数据连接来与外部主机系统260进行通信。

优选地，虽然在图3中未表示，但是基带处理器281还被布置用于向连接到输入‘A’和‘B’的无线电单元发送命令，例如用于调谐他们相应的频带并且设定他们的放大增益，由此实现AGC功能。该功能可以通过基带处理器281中的附加专用SPI连接和专用控制器来实现。

在所呈现的示例中，基带处理器281包括具有不同水平的可编程性和使用情况的多个可配置的接收路径238、239。优选地，所述接收路径从适当数目的无线电接收机单元接收数字I&Q基带或低IF信号的一个或几个流。在图3中，基带处理器被布置为耦合到两个无线电单元，并且用A和B来指示用于这样的基带或低IF信号的两个输入端子。然而，必须理解，本发明不限于确定数目的输入。

连接到A和B单元的无线电接收机可以被布置为接收无线电频谱的适当部分中的信号。图4a和4b示出了可以通过使用两个无线电接收机单元获得的两种可能的布置。

在图4a中，无线电单元A和B被调谐，以便于覆盖863-870 MHz的SRD频带中的连个相邻的不重叠间隔，例如866.6-867.5 MHz针对无线电单元‘A’，并且868.0-868.8 MHz针对无线电单元‘B’。在这些间隔中，无线电单元被布置为接收位于具有125 kHz带宽的分离子频带中的8个多比特率LoRa信道131；一个250 kHz宽的单个比特率LoRa信道133和一个传统250 kHz宽的FSK信道135。信道133和135用作用于在网络中的网关站之间传输数据的回程，而多比特率LoRa信道131用于在网关和端节点之间的通信。重要地，由于不同比特率的正交性，8个多比特率信道131可以同时支持多于8个的通信。

图4b示出了无线电单元‘A’和‘B’可以如何在部分重叠的间隔上被调谐以覆盖无线电频谱的连续间隔，该无线电频谱的连续间隔包括每一个都具有125 kHz的带宽的8个多比特率LoRa信道131以及具有500 kHz的带宽的一个固定比特率的LoRa回程信道133（即单个比特率LoRa信道）。由于上述正交属性，回程信道133和节点信道131可以重叠。

明显的是，呈现的两个示例不应当被解释为对本发明的限制，本发明还可以允许也在无线电频谱的其他各部分中具有不同数目的无线电单元、替代频率分布的实施例。无线电单元优选地被布置成在前述LoRa和FSK信道中不仅接收而且还传输调制的数据，但是在不离开本发明的范围的情况下，该功能可以想得到地由分离的硬件资源来实现。

因此，本发明的网关设备可以包括一个或多个调制单元，用于将数字消息编码到基带中的调制信号中，在调制信号中该信息被编码为传输的线性调频脉冲信号。传输能够有可能在若干信道上进行并且同时去往多个目标（与以下关于接收将描述的内容类似）或者一次一个分组。

根据本发明的另一方面，在包括前同步码和数据部的帧中组织所传输的信号。图5图示了本发明的可能的帧结构。然而，必须理解，该帧结构被提供作为示例，在不脱离由权利要求限定的本发明的范围的情况下，本发明允许与该特殊结构背离的实施例。

图5中的每个矩形表示在通常从左向右运行的时间序列中的线性调频脉冲符号。前同步码开始于基本（即，未调制或具有等于零的循环移位的）符号的检测序列411。检测序列411在接收机中被用于检测信号的开始，并且优选地执行其时间基准与发射机中的时间基准的第一次同步。通过使解调的检测序列乘以本地合成的共轭线性调频脉冲并且执行FFT操作，接收机能够确定移位量。

检测序列的长度可以是任意长度。这用于如下应用中：该应用中通信是稀疏的并且由不活动的长间隔来分离，在该不活动的长间隔期间，接收机处于低功率待机模式。接收机通常在接收第一信号时展现空闲时间以用于从待机状态切换为完全唤醒状态。前同步码优选地被选择为长于接收机的空闲时间，这确保了前同步码检测的高可能性。

检测序列的结束由一个或多个（优选是两个）帧同步符号412来标记。根据本发明的另一方面，前同步码优选地包括频率同步符号413，该频率同步符号413由一个或多个（优选是两个）线性调频脉冲构成，该线性调频脉冲是基本未调制线性调频脉冲的复共轭。可选地，报头进一步包括作为例如未调制基本线性调频脉冲的细同步符号414。可以在欧洲申请EP2763321中找到关于同步的更多信息。

优选地，净荷416前面是报头415，该报头415描述了如何解码信息比特以及用于解码净荷的所有种类的数据。

现在返回图3，存在于输入端子‘A’和‘B’处的数字I&Q样本由两个抽取单元215来预处理，并且在输入样本总线或缓冲器221中被复制，因此他们可用于多个转换器和解调器。频率转换器239可以在允许的范围中使用任何任意IF连接到无线电输入A或B中的任何一个，并且其输出连接到抽取单元d和LoRa解调器219；解调带宽是可编程的，即该信道可以被适配为解调具有各种可能带宽（例如125、250或500 kHz）的基于线性调频脉冲的信号，并且数据速率可以被配置成所使用的调制标准的任何可用数据速率，但是该信道将能够仅接收和解调配置的数据速率，并且将忽略根据另一数据速率调制的任何信号。该解调链对应于图4a和图4b中呈现的单比特率LoRa信道133，并且意在用作去往其他网关或设备的高速回程。

包括频率转换器238、抽取单元212和（G）FSK解调器218的另一接收信道在功能上类似于前一个，除了其被布置为解调传统FSK或GFSK格式的信号。该解调器在带宽、比特率和其他参数方面是可配置的。这对应于图4a的传统回程信道。

转换器库230包括可独立连接到无线电单元A或B的多个频率转换器。这些中的每一个的信道带宽是固定的，例如125 kHz，并且每个信道IF可以被独立地配置，使得每个信道能够在预定频率子信道上接收线性调频脉冲调制信号。这些转换器被调谐为接收例如图4a和图4b中呈现的节点LoRa信道131（也称为多比特率LoRa信道）。

优选地，IF0-IF7信道中的每一个能够在没有现有配置的情况下接收任何可允许的数据速率。因为在本发明的线性调频脉冲调制中的不同数据速率的正交性，即使在相同的信道上，使用不同的数据速率的若干分组也可以被同时解调。

由转换器库230生成的基带转换样本由抽取单元216来处理，抽取单元216由交换结构单元248路由到在分组仲裁器MCU 241控制下的多个固定带宽LoRa解调器237。前同步码搜索引擎235总是针对所有数据速率的前同步码来扫描从转换器库230生成的信号。如上所述，前同步码可以是一系列未调制基本线性调频脉冲，并且在该情况下，前同步码搜索引擎被操作地布置为针对所有可能的数据速率同时检测一系列未调制基本线性调频脉冲，并且一旦前同步码被检测到，就使得包括前同步码和后续净荷的数据分组在被包括在多个LoRa解调器237中的各个单元之一中被解调。

因为通过解调来分离码片前同步码检测，所以系统可以在每个信道上检测处于所有数据速率的所有前同步码，但是他能够同时解调高达N个分组，其中N是独立解调器的ne数目。在优选实现中，解调器237包括8个独立解调器，但是这个数目不是本发明的必要限制。

多数据速率多信道解调允许创新的网络架构：端点可以根据任何模式随着每次传输或者随机地改变频率。这提高了系统对干扰的鲁棒性。因为不论频率和数据速率如何都保证检测，所以接收机不必预先知道传输频率，并且这些可能是完全不可预测和非确定性的。

在不增加协议复杂性的情况下，端点可以根据其链路裕度来动态适配数据速率。实际上，接收机不必预先知道任何接收到的分组的数据速率。不需要维持每个端点的链路速率表，因为所有的速率都被并行地解调。

该网关可以采用天线分集来提高性能。

接收到的分组用附加信息来标记，并且被存储在FIFO结构249中，FIFO结构249例如通过共享存储器区域和开始-结束对构成的表、或者以任何其他适当的方式来实现。该分组可以经由SPI接口被传输到主机微控制器。添加到接收到的分组的附加信息可以包括例如解调信道数、SNR avf/min/max、RSSI、时间戳或任何其他信息。

附图标记

100 射频部

102 交换机

110 混合器

120 功率放大器

129 基准时钟

131 多比特率LoRa信道

133 单比特率LoRa信道

135 FSK信道

150 调制器

152 数字数据

154 放大器

160 低噪声放大器

170 降频转换级

180 基带解调器

182 数字信号

190 PLL

200 基带部

211 抽取单元

212 抽取单元

215 抽取单元

216 抽取单元

218 （高斯）频移键控解调器

219 LoRa解调器

221 样本总线/样本缓冲器

230 转换器库

235 前同步码搜索引擎

237 LoRa解调器

238 频率转换器

239 频率转换器

241 分组仲裁器MCU

248 交换结构

249 FIFO

250 输入无线电单元‘A’

260 主机

280 输入无线电单元‘B’

281 基带处理器

411 检测序列

412 帧同步符号

413 频率同步符号

414 细同步符号

415 报头

416 净荷

420 静默。

Claims

1.一种网关设备，具有：处理器，所述处理器用于处理承载以线性调频脉冲信号的形式调制的数字信息的多个信号，所述线性调频脉冲信号是基本线性调频脉冲或调制线性调频脉冲，所述基本线性调频脉冲的频率根据预定基本线性调频脉冲函数从初始时刻到最终时刻发生改变，所述调制线性调频脉冲的瞬时频率根据不同于所述基本线性调频脉冲函数的多个函数中的一个发生变化，所述网关设备包括一个解调器或若干解调器，所述网关设备被布置用于同时解调具有不同比特率的多个信号。

2.根据权利要求1所述的网关设备，每个线性调频脉冲被限制在初始时刻和最终时刻之间的时间中，在所述初始时刻，所述线性调频脉冲信号具有初始瞬时频率和初始相位，在所述最终时刻，所述线性调频脉冲信号具有最终瞬时频率和最终相位，所述线性调频脉冲信号的相位本质上是连续的。

3.根据权利要求1所述的网关设备，其中，所述调制线性调频脉冲的瞬时频率根据作为所述基本线性调频脉冲函数的循环移位的函数发生变化。

4.根据权利要求1所述的网关设备，包括：多个频率转换器，所述多个频率转换器被调谐为检测多个子频带中的信号。

5.根据权利要求4所述的网关设备，其中，所述线性调频脉冲信号包括前同步码部分，并且所述网关设备包括前同步码搜索引擎以及多个解调器，所述前同步码搜索引擎被操作地布置为扫描从所述频率转换器生成的信号，识别针对所有数据速率的所述前同步码部分，并且当检测到前同步码时，使得对应的消息在所述多个解调器中的一个中被解码。

6.根据权利要求5所述的网关设备，其中，所述前同步码搜索引擎被布置成检测预定数目的基本线性调频脉冲的序列。

7.根据权利要求5所述的网关设备，包括：分组仲裁器单元，所述分组仲裁器单元被操作地布置用于能够基于预定规则集合来向一个解调器分派对应于所述检测到的前同步码的消息。

8.根据权利要求1所述的网关设备，进一步包括：至少一个调制单元，所述至少一个调制单元用于将数字消息编码到调制信号中，在调制信号中，所述信息被编码作为传输的线性调频脉冲信号。

9.根据权利要求8所述的网关设备，每个传输的线性调频脉冲被限制在初始时刻和最终时刻之间的时间中，在所述初始时刻，所述线性调频脉冲信号具有初始瞬时频率和初始相位，在所述最终时刻，所述线性调频脉冲信号具有最终瞬时频率和最终相位，所述线性调频脉冲信号的相位本质上是连续的。

10.根据权利要求1所述的网关设备，进一步包括FSK或GFSK调制器。

11.根据权利要求1所述的网关设备，所述线性调频脉冲信号以如下这样的方式被调制：具有不同比特率的信号是正交的。