CN108282189A - 一种微功率无线通信系统的信号调制方法及系统 - Google Patents

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本发明公开了一种微功率无线通信系统的信号调制方法及系统，该方法包括步骤：S1、定义子码片及其宽度；S2、将多个相同子码片汇集成子码片集；S3、将极性相反长度相同的子码片集进行有规律的交替插入，形成一组总扩频码长度为N的扩频码组；S4、构造m(m＝2q)组由不同长度子码片集组成的扩频码组；S5、将数据比特进行q比特分组，一一映射到对应的m组扩频码组上；S6、对子码片“0”和“1”分别进行二进制连续相位频移键控调制，并调制到射频，经天线辐射出去。本发明通过简单的扩频处理，既获得了较高的处理增益，又避免了普通扩频系统对晶振的严格要求，同时还极大地降低定时的要求，可以有效地对抗复杂的微功率无线通信环境。

Description

一种微功率无线通信系统的信号调制方法及系统
技术领域
本发明涉及微功率无线通信领域，尤其涉及一种微功率无线通信系统的信号调制方法。
背景技术
微功率无线通信技术是采用频率调制方式把信息加载在高频电磁波上，利用无线空间传播来进行数据通信的方法。
微功率无线通信技术在国外有完备的标准体系支持，主要的标准有IEEE802.15.4(LR-WPAN)、EN13757(network with relaying nodes)、ZigBee、WSN,应用于欧美地区的家庭无线应用和能源计量的数据通信。但国外的标准技术并不适合我国国情。
随着我国信息技术快速发展以及智能电网、物联网等智慧物联应用的蓬勃发展，智慧物联产业应用呈现多样化，也推动着各种网络通信技术的发展与整合。而微功率无线(例如，433MHz无线)本身又是智慧物联产业最重要的通信技术之一。目前主流的微功率无线收发芯片的调制解调技术主要是基于(G)FSK，此类产品最大的问题就是接收灵敏度性能差，无法满足各种复杂楼宇环境的接收需求。
而扩频通信相对于传统的单载波通信而言，具有抗干扰能力强、可靠性高、数据有效传输速率快等特点，经实践证明是一种适合在复杂无线信道环境上进行有效通信的技术。一般使用直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS)方式，使用高于基带数据速率的伪随机码(PN)扩展信号频谱形成宽带的低功率谱密度的发送信号，在接收端则用同样的PN码进行相关接收、解扩来恢复基带数据。
根据香农(Shannon)信道容量公式：
C＝W×log2(1+S/N)
该公式表明，在高斯信道中当传输系统的信号噪声功率比S/N下降时，可用增加系统传输带宽W的办法来保持信道容量C不变。对于任意给定的信噪比，可以通过增大传输带宽来获得较低的信息差错率。
扩频技术正是利用这一原理，用高速率的扩频码对基带数字信息进行扩频调制。故在相同的信噪比条件下，具有较强的抗噪声干扰能力。
通常的扩频技术通过高阶的扩频因子,以获得更高的处理增益。其捕获和跟踪的基准时钟完全依赖系统的时基信号，因此，对系统的时钟频率的稳定度要求通常相对较高；如GPS系统，其晶振要求达0.5～1ppm。即使对于一般的(G)FSK,为了实现较高灵敏度，均对晶振偏差有特殊的要求。这些要求一方面会大大提升系统的复杂度，另一方面也会大幅提高系统的使用成本。
因此，为了满足各种智慧物联实际应用场景的复杂化需求，建立可靠而稳定的物理通信连接，就需要设计一种可工作在低信噪比下的远距离微功率无线通信方法，而且该通信方法还需要具备低成本、低复杂度和低功耗的特点，以满足智能电网、物联网、智能家居、四表自动抄收、智能楼宇、能源管理等智慧物联应用市场的需求。
所以，如何设计一种性能优异而且兼顾系统实现复杂度的低成本的远距离微功率无线通信方法，是非常具有挑战性和现实意义的问题。
发明内容
为了实现高灵敏度、低成本的设计目标，为解决上述问题，本发明提供了一种微功率无线通信的信号调制方法，该方法在实现高可靠性的同时，也大大降低了定时偏差和频率偏差的要求；同时该方法的灵敏度高、对采样偏差不敏感，在常规晶振的条件下，仍能保证优异的抗噪性能。
本发明提供的微功率无线通信系统的信号调制方法，包括以下步骤：
S1.设计定义子码片及合适的子码片宽度Tc，子码片由“0”和“1”构成；
S2.将n个相同子码片汇集成子码片集其中n为正整数；
S3.将极性相反长度相同的子码片集进行有规律的交替插入，形成一组总扩频码长度为N的扩频码组；
S4.构造m组由不同长度子码片集组成的扩频码组，每组扩频码组的长度均为N，所述m＝2q；
S5.将数据比特进行q比特分组，一一映射到对应的m组扩频码组上，进行m进制的调制；
S6.对子码片“0”和“1”分别进行二进制连续相位频移键控调制，并调制到射频，经天线辐射出去。
其中，子码片宽度Tc的设计要综合考虑子码片集的长度n以及扩频码组频率Δfi等因素；
具体地，可表达为如下的公式：i,x为正整数。
在一个实施例中，扩频码组的长度N是子码片集长度n的整数倍；在另一个实施例中，扩频码组的长度N是子码片集长度n的非整数倍。
在一个实施例中，扩频码组优选包含多个子码片集，扩频码的长度N与子码片集的长度n满足如下公式：
在一个实施例中，步骤S6包括如下步骤：所述的频移键控2FSK的两个频率为f1和f2，分别表示子码片“0”和“1”，且两个频率的选择需要综合考虑系统带宽以及系统频偏的影响，但无需考虑频率正交性，其可表达为如下的公式：|f2-f1|＞f3，所述f3为系统的最大频偏。
在一个实施例中，为了进一步提高系统的性能，可以通过多次重复发送相同扩频码组的方式来实现，重复倍数可以设计为1/2/4/8倍，即2z-1倍，其中z为正整数。
本发明还提供一种微功率无线通信系统的信号调制系统，包括：扩频部，定义子码片及合适的子码片宽度Tc，子码片由“0”和“1”构成；将n个相同子码片汇集成子码片集将极性相反长度相同的子码片集进行有规律的交替插入，形成一组总扩频码长度为N的扩频码组；构造m组由不同长度子码片集组成的扩频码组，每组扩频码组的长度均为N，所述m＝2q；调制部，将数据比特进行q比特分组，一一映射到对应的m组扩频码组上，进行m进制的调制；发射部，对子码片“0”和“1”分别进行二进制连续相位频移键控调制，并调制到射频，经天线辐射出去。
本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明通过采用相同长度的多个“0”和多个“1”交替扩频的方式，组建多组周期性的扩频码组，其利用了各组扩频码组本身的不同频率来表征数据信息，而非不同扩频码字本身来区分信息，从而避开对每个扩频码字准确捕获和跟踪的要求，大大降低系统实现的复杂性，实现了扩频系统的高可靠性，降低了定时偏差的要求，同时灵密度高。在常规晶振的条件下，仍能保证优异的抗噪性能。本方案具有实现简单，无需通常扩频系统的复杂载波跟踪和码环跟踪机制的特点。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中微功率无线通信系统的信号调制方法的流程图。
图2是本发明一种具体实施例中扩频码组构成示意图。
图3是本发明一种具体实施例中扩频码组的2FSK调制示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式并对照附图对本发明作进一步详细说明，应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
本发明的具体实施方式提供一种微功率无线通信系统的信号调制方法，本实施案例采用的系统参数如下表所示：
表1微功率无线通信系统参数
指标 取值
工作频段(MHz) 410～510
工作带宽(kHz) <200
抗采样偏差 ±30ppm
抗载波偏差 ±30kHz
系统发射功率 不大于50mW(17dBm)
本实施例的信号调制方法流程图如图1所示，具体包括以下步骤：
S1.设计定义子码片和子码片宽度Tc，其中，子码片由“0”和“1”构成；
S2.将n个相同子码片汇集成子码片集其中i，n为正整数；
S3.将极性相反长度相同的子码片集进行有规律的交替插入，形成一组总扩频码长度为N的扩频码组；
S4.构造m(m＝2q)组由不同长度子码片集组成的扩频码组Mi，每组扩频码组的长度均为N。
扩频码组生成示意图如图2所示，其由多个子码片集组成，包含多个子码片集的长度n。通过采用相同长度的多个“0”和多个“1”交替扩频的方式，组件多组周期性的扩频码组，从而避开了对每个扩频码字准确捕获和跟踪的要求，降低了定时偏差，提高了灵敏度。在扩频码组总长度设计上，考虑到系统采样偏差的影响，扩频码组需增加一段额外长度的扩频码，具体地，可表达为如下的公式：在本实施例中，考虑到采样偏差±30ppm，1s的时间会极端情况下造成60us的偏差，因此，实际扩频码的前后保护时间长度设计各为75us，而扩频码组的时间长度为400us，除去保护间隔后，还包含8个以上的子码片集。另外，子码片宽度Tc的设计需要综合考虑各个子码片集的长度n、以及对应扩频码组频率Δfi等因素，具体地，表达为如下的公式：其中，i,x为正整数。可以理解的是，扩频码组的长度N可以是子码片集长度n的整数倍，也可以是子码片集长度n的非整数倍。
通过如上因素的考虑，设定扩频码组频率为4kHz的整数倍，设计扩频码组的长度N＝1024，子码片宽度Tc＝0.390625us，扩频码组的组数m＝8，q＝3，其生成的扩频码组如下表2所示：
表2扩频码组参数
S5.将数据比特进行Q比特分组，一一映射到对应的m组扩频码组上，进行m进制的调制；
将待发送数据比特分别映射到N(1024)位扩频码组上，每个扩频码组对应3bit信息，因此，需要的扩频码组总共有8组。所设计的扩频码组和数据比特的映射关系如表3所示：
表3扩频码组与数据比特映射关系
扩频码组Mi 数据比特
M1 000
M2 001
M3 010
M4 011
M5 100
M6 101
M7 110
M8 111
S6.对子码片“0”和“1”分别进行二进制连续相位频移键控(2FSK)调制，并调制到射频，经天线辐射出去。
频移键控2FSK的两个频率为f1和f2，分别表示子码片‘“0”和“1”，且两个频率的选择需要综合考虑系统带宽以及系统频偏的影响，但无需考虑频率正交性。为了确保系统抗晶振偏差导致的载波偏移的设计要求，需要确保|f2-f1|>60kHz，通常考虑设置两个频率差距为70kHz～80kHz，以保证留有一定的设计余量。
另外，调制的射频频率根据射频信道的分配选择合适的射频频率进行调制。
同时，为了进一步提高系统的性能，可以通过多次重复发送相同扩频码组的方式来实现，重复倍数可以设计为1/2/4/8倍等。
因此，所设计微功率无线通信系统的传输速率支持7.5kbps/3.75kbps/1.875kbps/0.9375bps等多种速率。
以上就是完整的基于特殊扩频调制的微功率无线通信系统的信号调制方法步骤。在接收机设计方面，可以考虑对接收信号进行锁相环鉴频处理，然后利用快速傅立叶变换FFT对扩频码组的频率(扩频码组频率为4kHz的整数倍)进行简单而快速的识别，从而实现数据的解调。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种微功率无线通信系统的信号调制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.设计定义子码片及子码片宽度Tc，子码片由“0”和“1”构成；
S2.将n个相同子码片汇集成子码片集其中i，n为正整数；
S3.将极性相反长度相同的子码片集进行有规律的交替插入，形成一组总扩频码长度为N的扩频码组；
S4.构造m组由不同长度子码片集组成的扩频码组Mi，每组扩频码组的长度均为N，其中，m＝2q；
S5.将数据比特进行q比特分组，一一映射到对应的m组扩频码组上，进行m进制的调制；
S6.对子码片“0”和“1”分别进行二进制连续相位频移键控调制，并调制到射频，经天线辐射出去。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述子码片宽度Tc的设计考虑因素包括子码片集的长度n和扩频码组频率Δfi。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述子码片宽度Tc满足如下的公式：其中，n,x为正整数，Δfi为对应扩频码组的频率。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述扩频码组包含多个子码片集所述扩频码的长度N与子码片集的长度n满足如下公式：
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述扩频码组的长度N为子码片集长度n的整数倍或非整数倍。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S6包括：所述的频移键控的两个频率为f1和f2，分别对应子码片“0”和“1”；所述两个频率满足如下公式：|f2-f1|＞f3，所述f3为系统的最大频偏。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S6之后，还包括如下步骤：
S7.重复发送k次相同的扩频码组。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述k满足如下公式：k＝2z-1，其中z为正整数。
9.一种微功率无线通信系统的信号调制系统，其特征在于，包括：
扩频部，设计定义子码片及子码片宽度Tc，子码片由“0”和“1”构成；将n个相同子码片汇集成子码片集将极性相反长度相同的子码片集进行有规律的交替插入，形成一组总扩频码长度为N的扩频码组；构造m组由不同长度子码片集组成的扩频码组Mi，每组扩频码组的长度均为N，其中，m＝2q；
调制部，将数据比特进行q比特分组，一一映射到对应的m组扩频码组上，进行m进制的调制；
发射部，对子码片“0”和“1”分别进行二进制连续相位频移键控调制，并调制到射频，经天线辐射出去。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述子码片宽度Tc的设计考虑因素包括子码片集的长度n和扩频码组频率Δfi。
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