CN109462419B - 一种基于DDS直接数字频率合成的LoRa散射通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于DDS直接数字频率合成的LoRa散射通信系统，包含数字基带处理器、一射频开关、一阻抗匹配电路及天线，射频开关的控制端连接数字基带处理器的输出端，一开关连接端连接所述天线，另一开关连接端与地之间串接所述阻抗匹配电路；数字基带处理器用于根据LoRa协议规范，通过编程或者数字逻辑电路的方式对LoRa数据帧进行Whitenning加扰、Hamming纠错编码、Interleaving交织以及De‑Gray编码，再将得到的Symbol符号采用DDS直接数字频率合成方法进行CSS线性调频调制，得到数字方波信号并依次发送至射频开关；射频开关用于根据所述数字方波信号，控制射频开关的开关状态，将信号以散射的方式发送出去。本发明可在数字域实现，成本低，功耗低，鲁棒性好。

Description

一种基于DDS直接数字频率合成的LoRa散射通信系统
技术领域
本发明涉及LoRa散射通信领域，更具体地说，涉及一种基于DDS直接数字频率合成的LoRa散射通信系统。
背景技术
2017年9月，美国华盛顿大学的Vamsi Talla等人在论文《LoRa Backscatter:Enabling The Vision of Ubiquitous Connectivity》中提出了LoRa散射通信技术，给出了模数混合LoRa散射通信设计方案，其原理图如图1所示。数字基带处理器将待发送的数据按照扩展因子SF处理成数字符号后，输入至DAC将数字信号转换为模拟信号，然后模拟信号经VCO转换为频率信号，给到映射开关，映射开关控制8路匹配负载的通断，从而将信号散射出去。关于上述技术，基于FPGA平台进行了原理样机开发和通信试验验证，并设计了具有LoRa散射通信功能的集成电路芯片(LoRa散射通信原理详见该论文，此处不再赘述)。
LoRa散射通信方案的最大特点是功耗低、成本低，但是模数混合LoRa散射通信技术中采用了DAC、VCO、开关映射、单刀八掷RF开关、8路匹配负载等诸多功能模块。该设计方案采用的模/数混合电路，对模拟信号的线性度、精度都有较高的要求，实现较为复杂，且不利于降功耗、降成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中模数混合LoRa散射通信方案必须采用模/数混合电路，对模拟信号的线性度、精度都有较高的要求，实现较为复杂，且不利于降功耗、降成本的技术缺陷，提供一种基于DDS直接数字频率合成的LoRa散射通信系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于DDS直接数字频率合成的LoRa散射通信系统，其特征在于，包含数字基带处理器、一射频开关、一阻抗匹配电路及天线，射频开关的控制端连接数字基带处理器的输出端，一开关连接端连接所述天线，另一开关连接端与地之间串接所述阻抗匹配电路；
所述数字基带处理器用于根据LoRa协议规范，通过编程或者数字逻辑电路的方式对LoRa数据帧进行Whitenning加扰、Hamming纠错编码、Interleaving交织以及De-Gray编码，再将得到的Symbol符号采用DDS直接数字频率合成方法进行CSS线性调频调制，得到数字方波信号依次并发送至射频开关；
所述射频开关用于根据所述数字方波信号，控制射频开关的开关状态，将信号以散射的方式发送出去。
优选地，在本发明的LoRa散射通信系统中，所述数字基带处理器为MCU、FPGA、ASIC中的任意一种或者多种的组合。
优选地，在本发明的LoRa散射通信系统中，所述将得到的Symbol符号采用DDS直接数字频率合成进行CCS线性调频调制，得到数字方波信号具体包括如下步骤：
将得到的Symbol符号采用DDS直接数字频率合成，对于每个Symbol符号通过更新频率控制字实现线性调频，并将相位累加器的MSB最高比特位输出，即可产生对应的数字方波序列。
优选地，在本发明的LoRa散射通信系统中，在数字基带处理器中，通过编程的方式，先按时间顺序计算出每个Symbol符号对应的每一个时钟周期相位累加器的值，并把该值的MSB最高比特位依次保存在数字基带处理器的存储器中，最后再通过DMA传输到GPIO端口或者高速串行端口，驱动射频开关实现LoRa散射通信。
优选地，在本发明的LoRa散射通信系统中，在一个Symbol符号周期内，定义一个Symbol＝0的CCS线性调频调制形成的数字方波序列作为基准，并保存在数字基带处理器的存储器的数组symbol_baseline[N]中，当需要计算不同符号值Symbol对应的CCS线性调频调制形成的方波序列时，将数组指针偏移符号值Symbol×N/2SF后所指示的数组元素整体提前到剩余元素之前所形成的方波序列作为所述不同符号值Symbol所对应的方波序列；其中N为数组的元素个数。
优选地，在本发明的LoRa散射通信系统中，N取2SF的整数倍。
优选地，在本发明的LoRa散射通信系统中，所述LoRa协议规范是指WANTM1.1Specification协议规范。
与现有的技术方法比较，本发明的优点是：
本发明提出的“一种基于DDS直接数字频率合成的LoRa散射通信方法”比背景技术方案更加简单易行、且仅在数字域即可实现，因此能够显著降低LoRa散射通信的功耗、成本，同时具有数字系统鲁棒性高的优点；本发明在低功耗MCU平台上实现了LoRa散射通信，比背景技术方案中基于FPGA的通信功耗低，而且无需花费巨资进行IC流片，在低成本MCU上即可实现LoRa散射通信系统的开发、设计；本发明提出的快速查表CCS线性调频调制方法，显著加快了CCS线性调频调制波形序列的生成速度，进一步降低了LoRa散射通信功耗。
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是现有技术中模数混合LoRa散射通信的原理图；
图2是本发明的LoRa散射通信的原理图；
图3是SF＝2时，CCS线性调频调制波形的频率变化规律图。
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。
针对背景技术中所指出的现有模数混合LoRa散射通信的技术缺陷，本申请提出了一种基于DDS直接频率合成的LoRa散射通信方案，该方案简单易行，且仅在数字域即可实现，因此能够显著降低LoRa散射通信的功耗、成本，同时具有数字系统鲁棒性高的优点。
而且，本专利基于该DDS方案，首次在低功耗数字基带处理器上实现了LoRa散射通信。通过数字基带处理器编程实现了“LoRa数据帧—>Whitenning加扰—>Hamming纠错编码—>Interleaving交织—>De-Gray编码—>CSS线性调频数字虚拟调制—>DMA高速串行端口输出”这一过程。因此无需花费巨资进行IC流片，在低成本数字基带处理器上即可实现LoRa散射通信系统的开发、设计。
此外，本专利还对该方案中的DDS直接频率合成过程进行改进，提出了快速查表CSS散射调制方法，显著加快了CSS散射调制波形的生成速度，进一步降低了LoRa散射通信功耗。
本发明仅需要数字基带处理器(可以是MCU、FPGA或者ASIC)、射频开关、天线及其匹配电路即可实现LoRa散射通信，如图2所示。
首先，在数字基带处理器内，根据LoRaWANTM 1.1Specification协议规范，通过编程或者数字逻辑电路的方式对LoRa数据帧进行Whitenning加扰、Hamming纠错编码、Interleaving交织、De-Gray编码，最终得到了Symbol符号。
根据LoRa规范可知，扩展因子为SF时，Symbol符号可取的值有2SF个(0、1、2……2SF-1)，为了简化，以SF＝2举例说明。如图3所示分别是符号取值为0、1、2、3时CSS线性调频调制波形的频率变化规律。
再以Symbol＝2为例，该符号期间CSS调制波形如图中的正弦波所示。而本发明专利提出在数字域，采用DDS直接频率合成方案，每个Symbol符号通过更新频率控制字实现线性调频，并将相位累加器的MSB最高比特位输出，即可产生和正弦波相同频率的数字方波，如图3中最下方的波形所示。DDS直接频率合成原理及其频率控制字、相位累加器属于现有成熟技术，此处不再赘述。
而在MCU中，上述过程可以通过编程的方式，先按时间顺序计算出每一个时钟相位累加器的值(发送一个Symbol符号需要多个时钟)，并把该值的MSB最高比特位依次保存在MCU存储器中，最后再通过DMA传输到GPIO端口或者高速串行端口，将得到数字方波信号依次发送至射频开关。射频开关用于根据所述数字方波信号(即方波序列)，控制射频开关的开关状态，将信号以散射的方式发送出去，实现LoRa散射通信。在本实施例中，数字方波信号在高电平时，射频开关导通，天线处于匹配吸收状态；低电平时，射频开关断开，天线处于失配反射状态。LoRa散射通信时需要周围基站的配合，其属于LoRa散射通信的常识，这里未进行详细叙述，本领域人员应当理解。
其中，MCU计算每一个时钟周期相位累加器的值这一步骤消耗了大量时间，为此本发明提出了快速查表CSS线性调频调制方法。该方法首先在一个符号周期内，定义一个Symbol＝0的CSS调制方波序列作为基准，并保存在MCU存储器中(例如数组symbol_baseline[N]，为了便于计算，N取2SF的整数倍)。当需要计算不同符号值Symbol对应的CSS线性调频调制方波序列时，将数组指针偏移Symbol×N/2SF后所指示的数组元素整体提前到剩余元素之前所形成的方波序列作为所述不同符号值Symbol所对应的方波序列；其中N为数组的元素个数。因此该方法能够显著减小CSS线性调频调制波形序列的计算时间，从而大大降低了LoRa散射通信过程的功耗。
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 (5)

1.一种基于DDS直接数字频率合成的LoRa散射通信系统，其特征在于，包含数字基带处理器、一射频开关、一阻抗匹配电路及天线，射频开关的控制端连接数字基带处理器的输出端，一开关连接端连接所述天线，另一开关连接端与地之间串接所述阻抗匹配电路；
所述数字基带处理器用于根据LoRa协议规范，通过编程或者数字逻辑电路的方式对LoRa数据帧进行Whitenning加扰、Hamming纠错编码、Interleaving交织以及De-Gray编码，再将得到的Symbol符号采用DDS直接数字频率合成方法进行CSS线性调频调制，得到数字方波信号并依次发送至射频开关；
所述射频开关用于根据所述数字方波信号，控制射频开关的开关状态，将信号以散射的方式发送出去；
在一个Symbol符号周期内，定义一个Symbol＝0的CCS线性调频调制形成的数字方波序列作为基准，并保存在数字基带处理器的存储器的数组symbol_baseline[N]中，当需要计算不同符号值Symbol对应的CCS线性调频调制形成的方波序列时，将数组指针偏移符号值Symbol×N/2SF后所指示的数组元素整体提前到剩余元素之前所形成的方波序列作为所述不同符号值Symbol所对应的方波序列；其中N为数组的元素个数，N取2SF的整数倍。
2.根据权利要求1所述的LoRa散射通信系统，其特征在于，所述数字基带处理器为MCU、FPGA、ASIC中的任意一种或者多种的组合。
3.根据权利要求1所述的LoRa散射通信系统，其特征在于，所述将得到的Symbol符号采用DDS直接数字频率合成的方法进行CCS线性调频调制，得到数字方波信号具体包括如下步骤：
将得到的Symbol符号采用DDS直接数字频率合成，对于每个Symbol符号通过更新频率控制字实现线性调频，并将相位累加器的MSB最高比特位输出，即可产生对应的数字方波序列。
4.根据权利要求3所述的LoRa散射通信系统，其特征在于，在数字基带处理器中，通过编程的方式，先按时间顺序计算出每一时钟相位累加器的值，并把该值的MSB最高比特位依次保存在数字基带处理器的存储器中，最后再通过DMA传输到GPIO端口或者高速串行端口，驱动射频开关实现LoRa散射通信。
5.根据权利要求1所述的LoRa散射通信系统，其特征在于，所述LoRa协议规范是指LoRaWANTMl.l协议规范。
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