CN108833316B - 一种基于MCU微处理器的无源WiFi散射通信方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MCU微处理器的无源WiFi散射通信方法及系统，采用MCU、射频电子开关器件、天线以及天线阻抗匹配电路来实现。本发明在MCU上实现了WiFi数据帧形成、加扰、差分码变换、扩频、数字虚拟调制这些过程；提出“数字虚拟DBPSK调制方法”，通过编写MCU程序，实现了数字虚拟DBPSK调制；利用MCU的通用串行通信接口，输出速率较高的码片比特/调制序列比特，直接驱动射频电子开关器件切换天线的吸收/反射状态；为了进一步降低MCU主频、进一步降低功耗，提出了“MCU+逻辑电路的调制方法”，使得更多的通用单片机能用于无源WiFi系统设计、开发。

Description

一种基于MCU微处理器的无源WiFi散射通信方法与系统

技术领域

本发明涉及领域通信领域，更具体地说，涉及一种基于MCU微处理器的无源WiFi散射通信方法。

背景技术

美国华盛顿大学的Bryce Kellogg在论文《Passive Wi-Fi:Bringing Low Powerto Wi-Fi Transmissions》中提出了无源WiFi散射通信技术，并在FPGA平台上进行了验证，而且设计了无源WiFi的IC集成电路芯片。

一方面，因为FPGA自身的功耗较大，所以基于FPGA平台的无源WiFi散射通信并没有明显的低功耗优势，且其设计、开发的灵活度较差。

另一方面，无源WiFi的IC集成电路芯片虽然功耗很低，仅有几十uW。但IC的生产和制作成本非常高，且流片量产之后无法升级更改功能。

发明内容

针对以上这些问题，本文提出了一种基于MCU微处理器的无源WiFi散射通信方法，采用MCU、射频电子开关器件、天线以及天线阻抗匹配电路来实现，所述无源WiFi散射通信方法包含步骤：

S1、将要发送的wifi数据封装成MPDU，再加入PLCP帧头和PLCP前导码，封装成PPDU；

S2、根据形成的PPDU计算和填充长度信息、PLCP的CRC校验、FCS帧校验信息；

S3、按照IEEE802.11b标准规定的加扰多项式对步骤S2处理后的PPDU进行加扰；

S4、对加扰后的PPDU进行并/串转换以将字节信息转换为比特信息，并进行差分码变换；

S5、按照IEEE802.11b标准规定的扩频序列，将得到的差分比特信息进行扩频，1个差分比特经过扩频之后得到了11个码片比特；

S6、进行步骤S61或者采用步骤S62进行数据的调制与发送；

S61、采用数字虚拟DBPSK调制方法对码片比特信息进行调制，将经过数字虚拟DBPSK调制的序列比特存储在MCU的数据存储空间，最后利用MCU的串行通信接口发送这些比特信息，通过控制射频电子开关器件来切换天线的吸收/反射状态，从而把要发送的数据以散射通信的方式发送出去；

S62、所述射频电子开关器件与所述MCU之间还连接有逻辑电路，MCU串行通信接口直接输出11Mbps的码片比特，作为逻辑电路的第一输入，频率大于11MHz的时钟信号作为逻辑电路的第二输入，将逻辑电路输出作为DBPSK的调制结果，直接用于驱动射频电子开关器件切换天线的吸收/反射状态，从而将要发送的数据以符合IEEE802.11b标准的方式完成散射通信；

其中，步骤S1、S2、S3、S4、S5以及S61位于MCU内。

进一步地，在本发明的基于MCU微处理器的无源WiFi散射通信方法中，在步骤S61中，1个码片比特对应N个调制序列比特，整数N≥2。

进一步地，在本发明的基于MCU微处理器的无源WiFi散射通信方法中，所述逻辑电路为异或门电路。

进一步地，在本发明的基于MCU微处理器的无源WiFi散射通信方法中，所述射频电子开关器件为MOS开关管，MOS开关管的G极电性连接所述串行通信接口，MOS开关管的D极电性连接所述天线，MOS开关管的S极与地线之间电性连接所述天线阻抗匹配电路；

或者，所述射频电子开关器件为模拟开关，模拟开关的控制端Vctl连接MCU串行通信接口，模拟开关的公共端RFC连接所述天线，模拟开关的选择端RF1、RF2连接阻抗匹配电路。

进一步地，在本发明的基于MCU微处理器的无源WiFi散射通信方法中，所述天线阻抗匹配电路为纯电阻电路或者是与天线共轭匹配的复阻抗电路。

进一步地，在本发明的基于MCU微处理器的无源WiFi散射通信方法中，当不需要发送WiFi数据时，MCU处于较低功耗状态以节约供电能量；当需要发送WiFi数据时，MCU首先被唤醒而处于较高功耗状态，同时启动CLK振荡器为系统提供时钟。

进一步地，在本发明的基于MCU微处理器的无源WiFi散射通信方法中，步骤S5扩频后的码片比特速率为11Mbps；调制序列比特速率为N×11Mbps，即为步骤S61中MCU通用串行通信接口最终的发送速率。

根据本发明的另一方面，本发明为解决其技术问题，还提供了一种基于MCU微处理器的无源WiFi散射通信系统，该系统采用MCU、射频电子开关器件、天线以及天线阻抗匹配电路来实现，所述无源WiFi散射通信系统包含下述模块：

数据封装模块，用于将要发送的wifi数据封装成MPDU，再加入PLCP帧头和PLCP前导码，封装成PPDU；

计算填充模块，用于根据形成的PPDU计算和填充长度信息、PLCP的CRC校验、FCS帧校验信息；

加扰处理模块，用于按照IEEE802.11b标准规定的加扰多项式对步骤S2处理后的PPDU进行加扰；

并串转换模块，用于对加扰后的PPDU进行并串转换以将字节信息转换为比特信息，并进行差分码变换；

扩频处理模块，用于按照IEEE802.11b标准规定的扩频序列，将得到的差分比特信息进行扩频，1个差分比特经过扩频之后得到了11个码片比特；

调制发送模块，用于采用数字虚拟DBPSK调制方法对码片比特信息进行调制，将经过数字虚拟DBPSK调制的序列比特存储在MCU的数据存储空间，最后利用MCU的串行通信接口发送这些比特信息，通过控制射频电子开关器件来切换天线的吸收/反射状态，从而把要发送的数据以散射通信的方式发送出去；或者，所述射频电子开关器件与所述MCU之间还连接有逻辑电路，MCU串行通信接口直接输出11Mbps的码片比特，作为逻辑电路的第一输入，频率大于11MHz的时钟信号作为逻辑电路的第二输入，将逻辑电路输出作为DBPSK的调制结果，直接用于驱动射频电子开关器件切换天线的吸收/反射状态，从而将要发送的数据以符合IEEE802.11b标准的方式完成散射通信；

其中，数据封装模块、计算填充模块、加扰处理模块、并串转换模块、扩频处理模块以及调制发送模块位于MCU内。

进一步地，在本发明的基于MCU微处理器的无源WiFi散射通信系统中，所述逻辑电路为异或门电路。

进一步地，在本发明的基于MCU微处理器的无源WiFi散射通信系统中，所述射频电子开关器件为MOS开关管，MOS开关管的G极电性连接所述串行通信接口，MOS开关管的D极电性连接所述天线，MOS开关管的S极与地线之间电性连接所述天线阻抗匹配电路；

或者，所述射频电子开关器件为模拟开关，模拟开关的控制端Vctl连接MCU串行通信接口，模拟开关的公共端RFC连接所述天线，模拟开关的选择端RF1、RF2连接阻抗匹配电路。

实施本发明的基于MCU微处理器的无源WiFi散射通信方法及系统，可以将MCU通用串行通信接口的发送速率将低至11Mbps，这不仅降低了MCU主频和功耗，而且使得更为广泛的、廉价的、低频率的MCU能够用于无源WiFi的系统设计，从而降低了设计难度、制造成本。不仅如此，该调制方法还使得CLK振荡器的时钟频率的配置也更加灵活，不再限制为5.5MHz的整数倍。

本发明的技术关键点在于：首次在MCU上实现了WiFi数据帧形成、加扰、差分码变换、扩频、(数字虚拟)调制这些过程；提出“数字虚拟DBPSK调制方法”，通过编写MCU程序，实现了数字虚拟DBPSK调制；利用MCU的通用串行通信接口，输出速率较高的码片比特/调制序列比特，直接驱动射频电子开关器件切换天线的吸收/反射状态；为了降低MCU主频、降低功耗，提出了“MCU+逻辑电路的调制方法”，使得更多的通用单片机能用于无源WiFi系统设计、开发。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的基于MCU微处理器的无源WiFi散射通信方法的原理图；

图2是本发明的数据封装原理图；

图3是本发明的数据加扰器的原理图；

图4是本发明的差分码变换图；

图5是采用数字虚拟DBPSK调制方法对码片比特信息进行调制的示意图；

图6是射频电子开关器件为模拟开关时的电路原理图；

图7是本发明的基于MCU微处理器的无源WiFi散射通信方法的另一实施例的原理图；

图8是本发明的图7中实施例的调制过程示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

该方法采用通常的MCU(尤其是低功耗的MCU)、射频电子开关器件、天线及天线阻抗匹配电路即可实现无源WiFi散射通信，如图1所示。

当不需要发送WiFi数据时，MCU处于较低功耗状态以节约供电能量。当需要发送WiFi数据时，MCU首先被唤醒，同时启动CLK振荡器为系统提供时钟，此时MCU处于相对较高的功耗状态。然后MCU内部程序开始按照如下步骤运行：

1)程序先把要发送的数据封装成MPDU(MAC协议数据单元)，再加入PLCP帧头和PLCP前导码，封装成PPDU(PLCP协议数据单元)，具体的可参考图2；

2)根据形成的PPDU计算和填充长度信息、PLCP的CRC校验、FCS帧校验信息，在本实施例中，长度信息具体是指数据长度、IP包长度、整个数据帧的长度。

3)按照IEEE802.11b标准规定的加扰多项式对步骤2处理后的PPDU进行加扰，具体的可参考图3，其中绕扰码器的传递多项式为G(z)＝Z^-7+Z^-4+1。

4)对PPDU进行并/串转换，即把字节信息转换为比特信息，同时进行差分码变换。变换规则如下：对于变换前的数据，上升沿表示1，下降沿表示0，变换时遇1则不变，遇0则电平跳变。

5)按照IEEE802.11b标准规定的扩频序列，将得到的差分比特信息进行扩频，即1个差分比特经过扩频之后得到了11个码片比特。码片比特如：

+1,–1,+1,+1,–1,+1,+1,+1,–1,–1,–1

6)采用数字虚拟DBPSK调制方法对码片比特信息进行调制。例如码片比特为1时(即码片1)，虚拟的DBPSK调制序列比特为1,0,1,0，代表相位0；码片比特为0时(即码片–1)，虚拟的DBPSK调制序列比特为0,1,0,1，代表相位π，具体的可参考图5。需要特别说明的是，1个码片比特可以对应N个调制序列比特(整数N≥2，这里取N＝4仅为了举例说明)。

7)将经过数字虚拟DBPSK调制的序列比特存储在MCU的数据存储空间，最后利用MCU的通用串行通信接口发送这些比特信息，通过控制射频电子开关器件来切换天线的吸收/反射状态，从而把要发送的数据以散射通信的方式发送出去。

关于扩频、调制这两个过程中的比特速率，需要说明的是：

1)由于采用了11个码片的巴克码，因此扩频后的码片比特信息所需的存储空间是差分比特信息的11倍；

2)由于1个码片比特对应了N个调制序列比特，因此调制序列比特所需的存储空间是码片比特的N倍；

3)按照IEEE802.11b标准规定，DBPSK调制差分比特速率为1Mbps，那么扩频后的码片比特速率为11Mbps，因此调制序列比特速率为N×11Mbps，即为MCU通用串行通信接口最终的发送速率。

参考图6，其为射频电子开关器件为模拟开关时的电路原理图。在本发明的另一实施例中，射频电子开关器件采用模拟开关取代上述的MOS管，模拟开关的控制端Vctl连接MCU串行通信接口，模拟开关的公共端RFC连接所述天线，模拟开关的选择端RF1、RF2连接阻抗匹配电路。

参考图7，在第6步数字虚拟DBPSK调制过程中，为了降低MCU通用串行通信接口的发送速率，实现降频、降功耗的目的，本文还提出了MCU结合逻辑电路(例如异或门，但是本发明的不限于此)的调制方法。

调制过程如图8所示。MCU通用串行通信接口直接输出11Mbps的码片比特，作为异或门的第一输入；振荡器的时钟输出(原理上可以是＞11MHz的任意频率，为了便于解释说明，本例取19.25MHz时钟频率)作为异或门的第二输入。那么异或门的输出就是DBPSK的调制结果，直接用于驱动射频电子开关器件切换天线的吸收/反射状态，从而将要发送的数据以符合IEEE802.11b标准的方式完成散射通信。

MCU+逻辑电路的调制方法可以将MCU通用串行通信接口的发送速率将低至11Mbps，这不仅降低了MCU主频和功耗，而且使得更为广泛的、廉价的、低频率的MCU能够用于无源WiFi的系统设计，从而降低了设计难度、制造成本。不仅如此，该调制方法还使得CLK振荡器的时钟频率的配置也更加灵活，不再限制为5.5MHz的整数倍。

与现有的技术方法比较，本发明的优点是:1、本文提出的“一种基于MCU微处理器的无源WiFi散射通信方法”比“基于FPGA平台的无源WiFi散射通信方法”功耗低；2、采用通用的、廉价MCU就能实现无源WiFi散射通信，避免了IC流片的巨额费用，且使得无源WiFi系统的开发、设计过程变的更加灵活；3、MCU+逻辑电路的调制方法使得更为广泛的、廉价的、低主频的MCU能够用于无源WiFi的系统设计，从而降低了无源WiFi设备的设计难度、制造成本。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种基于MCU微处理器的无源WiFi散射通信方法，其特征在于，采用MCU、射频电子开关器件、天线以及天线阻抗匹配电路来实现，所述无源WiFi散射通信方法包含步骤：

S1、将要发送的wifi数据封装成MPDU，再加入PLCP帧头和PLCP前导码，封装成PPDU；

S2、根据形成的PPDU计算和填充长度信息、PLCP的CRC校验、FCS帧校验信息；

S3、按照IEEE802.11b标准规定的加扰多项式对步骤S2处理后的PPDU进行加扰；

S4、对加扰后的PPDU进行并/串转换以将字节信息转换为比特信息，并进行差分码变换；

S5、按照IEEE802.11b标准规定的扩频序列，将得到的差分比特信息进行扩频，1个差分比特经过扩频之后得到了11个码片比特；

S6、进行步骤S61或者采用步骤S62进行数据的调制与发送；

S61、采用数字虚拟DBPSK调制方法对码片比特信息进行调制，将经过数字虚拟DBPSK调制的序列比特存储在MCU的数据存储空间，最后利用MCU的串行通信接口发送这些比特信息，通过控制射频电子开关器件来切换天线的吸收/反射状态，从而把要发送的数据以散射通信的方式发送出去；

S62、所述射频电子开关器件与所述MCU之间还连接有逻辑电路，MCU串行通信接口直接输出11Mbps的码片比特，作为逻辑电路的第一输入，频率大于11MHz的时钟信号作为逻辑电路的第二输入，将逻辑电路输出作为DBPSK的调制结果，直接用于驱动射频电子开关器件切换天线的吸收/反射状态，从而将要发送的数据以符合IEEE802.11b标准的方式完成散射通信；

其中，步骤S1、S2、S3、S4、S5以及S61位于MCU内。

2.根据权利要求1所述的基于MCU微处理器的无源WiFi散射通信方法，其特征在于，在步骤S61中，1个码片比特对应N个调制序列比特，整数N≥2。

3.根据权利要求1所述的基于MCU微处理器的无源WiFi散射通信方法，其特征在于，所述逻辑电路为异或门电路。

4.根据权利要求1所述的基于MCU微处理器的无源WiFi散射通信方法，其特征在于，所述射频电子开关器件为MOS开关管，MOS开关管的G极电性连接所述串行通信接口，MOS开关管的D极电性连接所述天线，MOS开关管的S极与地线之间电性连接所述天线阻抗匹配电路；

或者，所述射频电子开关器件为模拟开关，模拟开关的控制端Vctl连接MCU串行通信接口，模拟开关的公共端RFC连接所述天线，模拟开关的选择端RF1、RF2连接阻抗匹配电路。

5.根据权利要求4所述的基于MCU微处理器的无源WiFi散射通信方法，其特征在于，所述天线阻抗匹配电路为纯电阻电路或者是与天线共轭匹配的复阻抗电路。

6.根据权利要求1所述的基于MCU微处理器的无源WiFi散射通信方法，其特征在于，当不需要发送WiFi数据时，MCU处于较低功耗状态以节约供电能量；当需要发送WiFi数据时，MCU首先被唤醒而处于较高功耗状态，同时启动CLK振荡器为系统提供时钟。

7.根据权利要求2所述的基于MCU微处理器的无源WiFi散射通信方法，其特征在于，步骤S5扩频后的码片比特速率为11Mbps；调制序列比特速率为N×11Mbps，即为步骤S61中MCU通用串行通信接口最终的发送速率。

8.一种基于MCU微处理器的无源WiFi散射通信系统，其特征在于，采用MCU、射频电子开关器件、天线以及天线阻抗匹配电路来实现，所述无源WiFi散射通信系统包含下述模块：

数据封装模块，用于将要发送的wifi数据封装成MPDU，再加入PLCP帧头和PLCP前导码，封装成PPDU；

计算填充模块，用于根据形成的PPDU计算和填充长度信息、PLCP的CRC校验、FCS帧校验信息；

加扰处理模块，用于按照IEEE802.11b标准规定的加扰多项式对步骤S2处理后的PPDU进行加扰；

并串转换模块，用于对加扰后的PPDU进行并串转换以将字节信息转换为比特信息，并进行差分码变换；

扩频处理模块，用于按照IEEE802.11b标准规定的扩频序列，将得到的差分比特信息进行扩频，1个差分比特经过扩频之后得到了11个码片比特；

调制发送模块，用于采用数字虚拟DBPSK调制方法对码片比特信息进行调制，将经过数字虚拟DBPSK调制的序列比特存储在MCU的数据存储空间，最后利用MCU的串行通信接口发送这些比特信息，通过控制射频电子开关器件来切换天线的吸收/反射状态，从而把要发送的数据以散射通信的方式发送出去；或者，所述射频电子开关器件与所述MCU之间还连接有逻辑电路，MCU串行通信接口直接输出11Mbps的码片比特，作为逻辑电路的第一输入，频率大于11MHz的时钟信号作为逻辑电路的第二输入，将逻辑电路输出作为DBPSK的调制结果，直接用于驱动射频电子开关器件切换天线的吸收/反射状态，从而将要发送的数据以符合IEEE802.11b标准的方式完成散射通信；

其中，数据封装模块、计算填充模块、加扰处理模块、并串转换模块、扩频处理模块以及调制发送模块位于MCU内。

9.根据权利要求8所述的基于MCU微处理器的无源WiFi散射通信系统，其特征在于，所述逻辑电路为异或门电路。

10.根据权利要求9所述的基于MCU微处理器的无源WiFi散射通信系统，其特征在于，所述射频电子开关器件为MOS开关管，MOS开关管的G极电性连接所述串行通信接口，MOS开关管的D极电性连接所述天线，MOS开关管的S极与地线之间电性连接所述天线阻抗匹配电路；

或者，所述射频电子开关器件为模拟开关，模拟开关的控制端Vctl连接MCU串行通信接口，模拟开关的公共端RFC连接所述天线，模拟开关的选择端RF1、RF2连接阻抗匹配电路。

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