CN110266339A - 一种用于全双工后向散射通信的pnc译码电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于全双工后向散射通信的PNC译码电路，包括：包络检波模块，用于对多电平输入信号进行包络提取，获得包络信号；阈值获取模块，用于对所述包络信号进行均值滤波，获得阈值信号；信号放大模块，用于对所述阈值信号进行放大，获得放大信号；信号缩小模块，用于对所述阈值信号进行缩小，获得缩小信号；比较模块，用于分别对所述包络信号与所述放大信号，以及所述包络信号与所述缩小信号进行比较，并输出相应的比较结果。该PNC译码电路在译码输出后只需简单的条件判断即可获得包含原始数据及自扰数据的信息，可实现自干扰信息的消除，极大降低了数据处理的时间，且功耗低、便于实现。

Description

一种用于全双工后向散射通信的PNC译码电路
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种用于全双工后向散射通信的PNC译码电路。
背景技术
后向散射通信利用周围环境中存在的射频信号(如AM广播信号及手机信号等)作为唯一的电力来源，通过天线阻抗匹配状态来实现对信号的反射或吸收，从而实现任何地点下任意通信设备之间的通信。由于其具有体积小、功耗低、制造成本低及维护成本低等良好特性，极大推动了物联网的发展，应用前景广阔。
目前实用的后向散射通信系统主要采用美国华盛顿大学研究团队设计的系统结构，其通过模拟电路，实现半双工、低功耗条件下信息的解调及数据的解码。当采用双天线全双工后向散射通信架构并采用物理层网络编码(Physical-layer Network Coding，PNC)时，由于自干扰信息的存在，需要根据自身发送的信息对多电平信号进行解调及解码，而原有系统的模拟电路结构未考虑到自干扰因素的影响，会造成误码率的上升，使得通信效果在实际系统中不被接受。
利用传统的A/D(模数转换)芯片等数字电路，通过采样、量化及判决等操作，虽然可以实现多电平信号的解调及译码，但由于后向散射通信没有供电电源等固有属性，A/D芯片等的高功耗要求在实际应用中无法满足，并不具备现实应用基础。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种用于全双工后向散射通信的PNC译码电路。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明提供了一种用于全双工后向散射通信的PNC译码电路，包括：
包络检波模块，用于对多电平输入信号进行包络提取，获得包络信号；
阈值获取模块，用于对所述包络信号进行均值滤波，获得阈值信号；
信号放大模块，用于对所述阈值信号进行放大，获得放大信号；
信号缩小模块，用于对所述阈值信号进行缩小，获得缩小信号；
比较模块，用于分别对所述包络信号与所述放大信号，以及所述包络信号与所述缩小信号进行比较，并输出相应的比较结果。
在本发明的一个实施例中，所述包络检波模块包括二极管、第一电容、第一电阻和第二电阻，其中，
所述二极管的输入端连接所述PNC译码电路的信号输入端，所述二极管的输出端连接所述比较模块；
所述第一电容连接在所述二极管的输出端与接地端之间；
所述第一电阻和所述第二电阻串联在所述二极管的输出端与接地端之间。
在本发明的一个实施例中，所述阈值获取模块包括第二电容，其中，
所述第二电容的一端连接在所述第一电阻与所述第二电阻之间的节点处，另一端连接接地端；并且
所述信号放大模块的输入端和所述信号缩小模块的输入端分别连接在所述第一电阻与所述第二电阻之间的节点处。
在本发明的一个实施例中，所述信号放大模块包括运算放大器、第三电阻和第四电阻，其中，
所述第三电阻连接在所述运算放大器的正向输入端与接地端之间；所述运算放大器的反向输入端连接所述阈值获取模块的输出端，所述运算放大器的输出端连接所述比较模块；所述第四电阻连接在所述运算放大器的正向输入端与所述运算放大器的输出端之间。
在本发明的一个实施例中，所述信号缩小模块包括第五电阻和第六电阻，其中，所述第五电阻和所述第六电阻串联在所述阈值获取模块的输出端与所述接地端之间。
在本发明的一个实施例中，所述比较模块包括第一比较器和第二比较器，其中，
所述第一比较器的正向输入端连接所述运算放大器的输出端，所述第一比较器的输出端连接所述PNC译码电路的第一信号输出端；
所述第二比较器的反向输入端连接在所述第五电阻与所述第六电阻之间的节点处，所述第一比较器的输出端连接所述PNC译码电路的第二信号输出端；
所述第一比较器的反向输入端和所述第二比较器的正向输入端均连接至所述包络检波模块的输出端。
在本发明的一个实施例中，所述第三电阻和所述第四电阻的阻值比为R4/R3＝1/4。
在本发明的一个实施例中，所述第五电阻和所述第六电阻的阻值比为R5/R6＝1/3。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明用于全双工后向散射通信的PNC译码电路可以对环境信号、自干扰信号和外部接收信号进行区分，在译码输出后只需进行简单的条件判断即可获得包含外部接收信号及自扰数据的信息，可实现自干扰信号的消除，极大降低了数据处理的时间、且处理过程算法复杂度低，便于实现。
2、本发明的PNC译码电路使用低功耗、体积小、低成本的模拟电路实现全双工后向散射通信中的PNC多电平解调及译码，无需使用高功耗、昂贵的高精度A/D采样芯片等数字电路，适用场合广泛，且鲁棒性高。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种用于全双工后向散射通信的PNC译码电路的模块示意图；
图2是本发明实施例提供的一种用于全双工后向散射通信的PNC译码电路的电路结构图；
图3是本发明实施例提供的一种包络检波模块的电路结构图；
图4是本发明实施例提供的一种阈值获取模块的电路结构图。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种用于全双工后向散射通信的PNC译码电路进行详细说明。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
实施例一
后向散射通信利用周围环境中存在的射频信号，即环境信号(如AM广播信号及手机信号等)作为唯一的电力来源，通过天线阻抗匹配状态来实现对信号的反射或吸收，从而实现任何地点下任意通信设备之间的通信。在使用PNC的全双工后向散射通信中，环境信号电平作为电力来源一直存在，此外，通常会有自干扰信号的存在，即在接收目标设备发射的外部信号的同时会接收到自身发送的信号，从而造成信号干扰。本实施例的PNC译码电路旨在判定并消除该自干扰信号。
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种用于全双工后向散射通信的PNC译码电路的模块示意图。如图所示，本实施例的PNC译码电路包括包络检波模块101、阈值获取模块102、信号放大模块103、信号缩小模块104和比较模块105。
进一步地，包络检波模块101的输出端分别连接阈值获取模块102输入端和比较模块105的第一输入端，用于对多电平输入信号进行包络提取，获得包络信号。包络检波模块101可以利用二极管及RC低通滤波电路实现多电平输入信号的包络提取。
阈值获取模块102的输出端分别连接信号放大模块103和信号缩小模块104的输入端，用于对来自包络检波模块101的包络信号进行均值滤波，获得阈值信号。阈值获取模块102可以通过RC均值滤波电路实现包络信号进行均值滤波，即包络电平信号的均值输出。
信号放大模块103的输出端连接比较模块105的第二输入端，用于对来自阈值获取模块102的阈值信号进行放大，获得放大信号；信号缩小模块104的输出端连接比较模块105的第三输入端，用于对来自阈值获取模块102的阈值信号进行缩小，获得缩小信号。
比较模块105用于分别对包络信号与放大信号，以及包络信号与缩小信号进行比较，以实现多电平输入信号的判决，并输出相应的比较结果。
进一步地，请参见图2和图3，图2是本发明实施例提供的一种用于全双工后向散射通信的PNC译码电路的电路结构图；图3是本发明实施例提供的一种包络检波模块的电路结构图。本实施例的包络检波模块101包括二极管D1、第一电容C1、第一电阻R1和第二电阻R2，其中，二极管D1的输入端连接PNC译码电路的信号输入端Vin，二极管D1的输出端连接比较模块105；第一电容C1连接在二极管D1的输出端与接地端GND之间；第一电阻R1和第二电阻R2串联在二极管D1的输出端与接地端GND之间。
具体地，二极管D1为单向导通器件，当信号输入端Vin输入的电压信号大于第一电容C1的电压时，二极管D1导通，第一电容C1充电。当信号输入端Vin输入的电压信号小于第一电容C1的电压时，二极管D1不导通，第一电容C1通过第一电阻R1和第二电阻R2放电，其放电速率由第一电容C1的电容值或者第一电阻R1和第二电阻R2的总电阻值决定，第一电容C1的电容值、第一电阻R1和第二电阻R2的总电阻值越小，则放电速度越快。通过选择合适的二极管D1、第一电容C1、第一电阻R1和第二电阻R2的合适的参数，包络检波模块101可成为RC低通滤波器，实现信号的包络提取。
在实际使用中，可以根据环境信号的符号速率及目标通信速率，选取合适的电容及电阻值，匹配相应的充放电时间。同时，需要考虑运放、二极管及电压比较器等低功耗器件的驱动电流及最大电流等工作参数，以保证器件的正常工作。
进一步地，请参见图4，图4是本发明实施例提供的一种阈值获取模块的电路结构图。本实施例的阈值获取模块102包括第二电容C2，其中，第二电容C2的一端连接在第一电阻R1与第二电阻R2之间的节点处，另一端连接接地端GND；并且信号放大模块103的输入端和信号缩小模块104的输入端分别连接在第一电阻R1与第二电阻R2之间的节点处。
在本实施例中，阈值获取模块102由第二电容C2以及在此处重复作用的上述包络检波模块101中的第一电阻R1及第二电阻R2组成。阈值获取模块102通过由电容和电阻形成的RC滤波电路对包络检波模块101产生的包络信号进行均值滤波。
在使用PNC的全双工后向散射通信中，环境信号电平作为电力来源一直存在，设环境信号电平为X，则接收到的外部数据为0时，信号电平为0，接收到的外部数据为1时，信号电平为X。此外，在使用PNC的全双工后向散射通信中，通常会有自干扰信号的存在，即在接收外部信号的同时会接收到自身发送的信号，从而造成信号干扰。由于信源发送信息为等概发送，即发送0和1概率都为50％，其中，当目标设备和自身都不发送信号，只有环境信号时，包络检波后的信号电平为X；当目标设备发送信号，自身不发送信号即不产生自干扰信号时，包络检波后的信号电平为2X；当目标设备不发送信号，自身发送信号产生自干扰信号时，包络检波后的信号电平为2X；当目标设备发送信号，且自己发送信号产生自干扰信号时，包络检波后的信号电平为3X，故包络信号的均值的期望为：
0.5*0.5*X+0.5*0.5*2X+0.5*0.5*2X+0.5*0.5*3X＝2X。
即，通过阈值获取模块102，产生了电平为2X的阈值信号。
进一步地，信号放大模块103包括运算放大器OPA、第三电阻R3和第四电阻R4，其中，第三电阻R3连接在运算放大器OPA的正向输入端与接地端GND之间；运算放大器OPA的反向输入端连接阈值获取模块102的输出端，运算放大器OPA的输出端连接比较模块105；第四电阻R4连接在运算放大器OPA的正向输入端与运算放大器OPA的输出端之间。具体地，信号放大模块103为同相比例放大电路，放大系数为(1+R4/R3)。在本实施例中，第三电阻R3和第四电阻R4的阻值比为R4/R3＝1/4。由于阈值计算后的电压为2X，则放大电路模块103的输出电压为2.5X。
进一步地，信号缩小模块104包括第五电阻R5和第六电阻R6，其中，第五电阻R5和第六电阻R6串联在阈值获取模块102的输出端与接地端GND之间。在本实施例中，第五电阻R5和第六电阻R6的阻值比为R5/R6＝1/3。由于阈值计算后的电压为2X，第五电阻R5和第六电阻R6对输入的阈值电压信号进行分压，则信号缩小模块104的输出电压为1.5X。
进一步地，比较模块105包括第一比较器CP1和第二比较器CP2，其中，第一比较器CP1的正向输入端连接运算放大器OPA的输出端，第一比较器CP1的输出端连接PNC译码电路的第一信号输出端Vout1；第二比较器CP2的反向输入端连接在第五电阻R5与第六电阻R6之间的节点处，第一比较器CP1的输出端连接PNC译码电路的第二信号输出端Vout2；第一比较器CP1的反向输入端和第二比较器CP2的正向输入端均连接至包络检波模块101的输出端。优选地，本实施例的第一比较器CP1和第二比较器CP2均采用型号为TS881的电压比较器，该电压比较器体积小且功耗低。
具体地，第一比较器CP1的正向输入端连接信号放大模块103的输出，输入电压为2.5X。第二比较器CP2的反向输入端连接信号缩小模块104的输出，输入电压为1.5X。第一比较器CP1的反向输入端和第二比较器CP2的正向输入端连接阈值获取模块102的输出，用于输入包络检波后的信号，从而对输入电平进行判决。
如上所述，在后向散射通信PNC中，由于信号叠加，包络检波模块101的输出的包络信号有以下四种情况：1)当目标设备和自身都不发送信号，只有环境信号时，包络检波后的信号电平为X；2)当目标设备发送信号，自身不发送信号即不产生自干扰信号时，包络检波后的信号电平为2X；3)当目标设备不发送信号，自身发送信号产生自干扰信号时，包络检波后的信号电平为2X；4)当目标设备发送信号，且自己发送信号产生自干扰信号时，包络检波后的信号电平为3X。
包络检波后的信号输入至第一比较器CP1和第二比较器CP2的公共端进行比较器判决译码：由于第一比较器CP1的正向输入端输入电压为2.5X，第二比较器CP2的反向输入端输入电压为1.5X，当包络检波后的信号电平为X时，第一比较器CP1的输出为高电平，第二比较器CP2的输出为低电平；当包络检波后的信号电平为2X时，第一比较器CP1的输出为高电平，第二比较器CP2的输出为高电平；当包络检波后的信号电平为3X时，第一比较器CP1的输出为低电平，第二比较器CP2的输出为高电平。
随后，后端电路根据第一比较器CP1和第二比较器CP2的输出电平可将其判决为0或1，即，当第一比较器CP1的输出和第二比较器CP2的输出均为高电平时，判决结果为高电平，当第一比较器CP1和第二比较器CP2的输出电平至少一个是低电平时，判决结果为低电平，请参见表1，表1为实施例的PNC译码电路的数据处理过程，比较器判决信号如图所示。随后，再通过信息层的PNC译码操作即可恢复原始数据，例如，在后续处理中，可以将比较器的输出信号与接收到的自干扰信号进行异或处理，从而可以恢复对方发送的信号，如表1所示，从表1可以看出，最终得到的处理结果与原始目标信号相同，也就是说，本实施例的PNC译码电路可以对环境信号、自干扰信号和外部接收信号进行区分，通过将比较器的输出信号与接收到的自干扰信号进行异或处理，可以恢复目标设备发送的信号。
表1、实施例的PNC译码电路的数据处理过程
目标信号 自干扰信号 包络信号 比较器判决信号 异或处理 处理结果
0 0 X 0 0⊕0 0
0 1 2X 1 1⊕1 0
1 0 2X 1 1⊕0 1
1 1 3X 0 0⊕1 1
综上，本实施例用于全双工后向散射通信的PNC译码电路可以对环境信号、自干扰信号和外部接收信号进行区分，在译码输出后，后端处理单元只需进行简单的条件判断即可获得包含外部接收信号及自扰数据的信息，通过PNC简单的异或操作即可实现自干扰信号的消除，极大降低了数据处理的时间、且处理过程算法复杂度低，便于实现。此外，本实施例的PNC译码电路使用低功耗、体积小、低成本的模拟电路实现全双工后向散射通信中的PNC多电平解调及译码，无需使用高功耗、昂贵的高精度A/D采样芯片等数字电路，适用场合广泛，鲁棒性高。
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普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于全双工后向散射通信的PNC译码电路，其特征在于，包括：
包络检波模块(101)，用于对多电平输入信号进行包络提取，获得包络信号；
阈值获取模块(102)，用于对所述包络信号进行均值滤波，获得阈值信号；
信号放大模块(103)，用于对所述阈值信号进行放大，获得放大信号；
信号缩小模块(104)，用于对所述阈值信号进行缩小，获得缩小信号；
比较模块(105)，用于分别对所述包络信号与所述放大信号，以及所述包络信号与所述缩小信号进行比较，并输出相应的比较结果。
2.根据权利要求1所述的一种用于全双工后向散射通信的PNC译码电路，其特征在于，所述包络检波模块(101)包括二极管(D1)、第一电容(C1)、第一电阻(R1)和第二电阻(R2)，其中，
所述二极管(D1)的输入端连接所述PNC译码电路的信号输入端(Vin)，所述二极管(D1)的输出端连接所述比较模块(105)；
所述第一电容(C1)连接在所述二极管(D1)的输出端与接地端(GND)之间；
所述第一电阻(R1)和所述第二电阻(R2)串联在所述二极管(D1)的输出端与接地端(GND)之间。
3.根据权利要求2所述的一种用于全双工后向散射通信的PNC译码电路，其特征在于，所述阈值获取模块(102)包括第二电容(C2)，其中，
所述第二电容(C2)的一端连接在所述第一电阻(R1)与所述第二电阻(R2)之间的节点处，另一端连接接地端(GND)；并且
所述信号放大模块(103)的输入端和所述信号缩小模块(104)的输入端分别连接在所述第一电阻(R1)与所述第二电阻(R2)之间的节点处。
4.根据权利要求1所述的一种用于全双工后向散射通信的PNC译码电路，其特征在于，所述信号放大模块(103)包括运算放大器(OPA)、第三电阻(R3)和第四电阻(R4)，其中，
所述第三电阻(R3)连接在所述运算放大器(OPA)的正向输入端与接地端(GND)之间；所述运算放大器(OPA)的反向输入端连接所述阈值获取模块(102)的输出端，所述运算放大器(OPA)的输出端连接所述比较模块(105)；所述第四电阻(R4)连接在所述运算放大器(OPA)的正向输入端与所述运算放大器(OPA)的输出端之间。
5.根据权利要求4所述的一种用于全双工后向散射通信的PNC译码电路，其特征在于，所述信号缩小模块(104)包括第五电阻(R5)和第六电阻(R6)，其中，所述第五电阻(R5)和所述第六电阻(R6)串联在所述阈值获取模块(102)的输出端与所述接地端(GND)之间。
6.根据权利要求5所述的一种用于全双工后向散射通信的PNC译码电路，其特征在于，所述比较模块(105)包括第一比较器(CP1)和第二比较器(CP2)，其中，
所述第一比较器(CP1)的正向输入端连接所述运算放大器(OPA)的输出端，所述第一比较器(CP1)的输出端连接所述PNC译码电路的第一信号输出端(Vout1)；
所述第二比较器(CP2)的反向输入端连接在所述第五电阻(R5)与所述第六电阻(R6)之间的节点处，所述第一比较器(CP1)的输出端连接所述PNC译码电路的第二信号输出端(Vout2)；
所述第一比较器(CP1)的反向输入端和所述第二比较器(CP2)的正向输入端均连接至所述包络检波模块(101)的输出端。
7.根据权利要求4所述的一种用于全双工后向散射通信的PNC译码电路，其特征在于，所述第三电阻(R3)和所述第四电阻(R4)的阻值比为R4/R3＝1/4。
8.根据权利要求5所述的一种用于全双工后向散射通信的PNC译码电路，其特征在于，所述第五电阻(R5)和所述第六电阻(R6)的阻值比为R5/R6＝1/3。
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