CN110971344A - 一种线性调频扩频调制技术的软解调方法 - Google Patents

一种线性调频扩频调制技术的软解调方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种线性调频扩频调制技术的软解调方法，包括FFT变换处理以及正交二分峰差软解调，其中所述正交二分峰差软解调过程为：S1、分别找出变换结果中第i比特位为0的第一符号下标集合以及第i＝0比特位为1的第二符号下标集合；S2、根据第一符号下标集合对应的所有幅值中的第一最大幅值以及第二符号下标集合对应的所有幅值中的第二最大幅值，确定解调后的第i比特位的软信息；S3、从i＝0开始，递增i并重复进行步骤S1、S2，直到遍历完所有比特位。本发明的有益效果：解决了以Turbo码、LDPC码、Polar码等代替LoRa中的汉明码时在译码过程中需要软信息的问题；为Turbo+CSS、LDPC+CSS、Polar+CSS等物理层方案提供级联条件，构造出一系列增强型LoRa通信系统，大大提高了LoRa的通信能力。

Description

一种线性调频扩频调制技术的软解调方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种线性调频扩频调制技术的软解调方法。
背景技术
LoRa是目前最热门远距离通信技术之一，其通信距离在空对空情况下最大可达十几公里；LoRa能实现远距离传输的原因在于其优秀的通信物理层设计。Semtech公司在2014年申请的专利文件(US20140219329A)中公开了，LoRa物理层采用了汉明码、格雷码、对角线交织、加扰和线性调频扩频调制(Chirp Spread Spetrum，CSS)等多种技术，与传统的通信系统采用调幅、调相或调频等不一样的是，LoRa采用了CSS技术，并结合前向纠错技术和交织技术，大大改善了其接收机灵敏度。根据Semtech公司研发的SX1278芯片的说明手册，LoRa收发灵敏度达到了-148dBm，相较于业界其他先进水平的Sub-GHz芯片，最高接收机灵敏度改善了20dB以上，因此大大延长了通信距离。但上述超高灵敏度是基于高斯信道测试得到，在衰落信道下，LoRa性能会急剧下降。而LoRa在衰落信道下性能的恶化对LoRa在城市环境下的通信距离性能影响很大，据实际测试，LoRa在开阔的郊区环境下，通信距离可达到十几公里，但在建筑物相对密集的城市环境中，通信距离会急剧下降至1-2公里。
目前，LoRa采用的信道编码方式为汉明码，其码率只有4/8、4/7、4/6、4/5一共四种选择，其中，当码率为4/8和4/7时，汉明码最多只能纠正1比特错误，而当码率为4/6和4/5时，汉明码没有纠错能力，只能检测错误。在城区环境中，通信信道容易受到其他无线通信设备的干扰，同时，由于城市建筑物、树木等遮挡物较多，通信时的多径效应明显，接收机解调时经常出现大量连续突发错误，使得LoRa的纠错模块“失效”，严重影响通信性能。因此，可以从信道编码方式上改善LoRa在衰落信道下的通信性能。
为提高LoRa在衰落信道下的通信性能，可以考虑采用Turbo码、LDPC码或者Polar码等纠错性能更好的信道编码方式，但这些信道编码在译码时均需要CSS解调模块提供软信息，而不是目前LoRa硬解调输出的非0即1的硬信息。
发明内容
有鉴于此，本发明针对CSS调制技术提供了一种正交二分峰差(OrthogonalDichotomy Peak Subtraction，ODPS)软解调方法，利用所述方法，CSS解调模块能直接与Turbo码、LDPC码或者Polar码级联，并提供可供迭代译码的软信息，从而提高了LoRa在衰落信道下的通信距离。
本发明提供一种线性调频扩频调制技术的软解调方法，包括FFT变换处理以及正交二分峰差软解调，其中：
所述FFT变换处理后的结果包括符号全集S＝{sk|k＝0，1，…，2SF-1}以及对应的幅值全集A＝{ak|k＝0，1，…，2SF-1}，其中，下标k表示符号sk在FFT幅度谱中对应的位置，ak表示FFT幅度谱中k位置处对应的幅值；符号sk＝(x0x1…xSF-1)2采用二级制，xi表示符号sk中按照高位在前的顺序进行排列后的第i比特位，i＝0，1，…，SF-1，SF表示扩频因子；
所述正交二分峰差软解调的具体过程为：
S1、从i＝0开始，在所述符号全集S中，找出所有第i比特位xi＝0的符号，得到第一下标位置记录Ki，0＝{k|xi＝0}；找出所有第i比特位xi＝1的符号，得到第二下标位置记录Ki，1＝{k|xi＝1}；
S2、在所述第一下标位置记录Ki，0对应的所有幅值中，找出最大值
Figure BDA0002281410750000021
在所述第二下标位置记录Ki，1对应的所有幅值中，找出最大值
Figure BDA0002281410750000022
得到解调后的第i比特位的软信息；
S3、递增i，并重复进行步骤S1、步骤S2，直到遍历完所有比特{0，1，…，SF-1}，最终得到解调后的所有比特位的软信息。
进一步地，所述FFT变换处理的具体过程为：
将接收信号sk(t)+n(t)经过带通滤波器滤除带外噪声，保留信号频带sk(t)；将所述信号sk(t)与一路正交基地Chirp信号sI(t)相乘后通过低通滤波器滤除高频分量，再对滤波结果进行BW采样率采样成数字信号s1，将所述信号sk(t)与另一路正交基地Chirp信号sQ(t)相乘后通过低通滤波器滤除高频分量，再对滤波结果进行BW采样率采样成数字信号s2；其中，将所述数字信号s1作为实部，所述数字信号s2作为虚部，构造一个复信号；对所述复信号进行FFT变换。
进一步地，所述步骤S2中，得到解调后的第i比特位的软信息为
Figure BDA0002281410750000031
本发明还提供一种增强型LoRa通信系统，包括编码模块、CSS调制模块、CSS软解调模块、以及译码模块，其中：
信号发送端将待发送信号经过所述编码模块进行编码以及所述CSS调制模块进行调制后发送至信道中；
信号接收端接收到在信道中传输的信号后，通过所述CSS软解调模块进行软解调，并通过所述译码模块进行解译，最终得到恢复信号；所述CSS软解调模块进行软解调的过程包括FFT变换处理过程以及正交二分峰差软解调过程。
进一步地，所述编码模块采用Turbo码、LDPC码、Polar码中的一种进行编码；所述译码模块根据所述编码模块中所采用的码进行相应的译码处理。
进一步地，所述CSS软解调模块进行软解调时，所述FFT变换处理过程具体为：将从信道中接收到的信号sk(t)+n(t)经过带通滤波器滤除带外噪声，保留信号频带sk(t)；将所述信号sk(t)与一路正交基地Chirp信号sI(t)相乘后通过低通滤波器滤除高频分量，再对滤波结果进行BW采样率采样成数字信号s1，将所述信号sk(t)与另一路正交基地Chirp信号sQ(t)相乘后通过低通滤波器滤除高频分量，再对滤波结果进行BW采样率采样成数字信号s2；其中，将所述数字信号s1作为实部，所述数字信号s2作为虚部，构造一个复信号；对所述复信号进行FFT变换，变换结果包括符号全集S＝{sk|k＝0，1，…，2SF-1}以及对应的幅值全集A＝{ak|k＝0，1，…，2SF-1}，其中，下标k表示符号sk在FFT幅度谱中对应的位置，ak表示FFT幅度谱中k位置处对应的幅值；符号sk＝(x0x1…xSF-1)2采用二级制，xi表示符号sk中按照高位在前的顺序进行排列后的第i比特位，i＝0，1，…，SF-1，SF表示扩频因子。
进一步地，所述CSS软解调模块进行软解调时，所述正交二分峰差软解调过程具体为：
S1、从i＝0开始，在所述符号全集S中，找出所有第i比特位xi＝0的符号，得到第一下标位置记录Ki，0＝{k|xi＝0}；找出所有第i比特位xi＝1的符号，得到第二下标位置记录Ki，1＝{k|xi＝1}；
S2、在所述第一下标位置记录Ki，0对应的所有幅值中，找出最大值
Figure BDA0002281410750000041
在所述第二下标位置记录Ki，1对应的所有幅值中，找出最大值
Figure BDA0002281410750000042
得到解调后的第i比特位的软信息
Figure BDA0002281410750000043
S3、递增i，并重复进行步骤S1、步骤S2，直到遍历完所有比特位{0，1，…，SF-1}，最终得到解调后的所有比特位的软信息。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：解决了以Turbo码、LDPC码、Polar码等代替LoRa中的汉明码时在译码过程中需要软信息的问题，同时也为Turbo+CSS、LDPC+CSS、Polar+CSS等物理层方案提供级联条件，构造出一系列增强型LoRa通信系统，从而大大提高LoRa的通信能力。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的线性调频扩频调制技术的软解调方法的流程图；
图2是本发明实施例二提供的ODPS软解调的过程示意图；
图3是本发明实施例三提供的增强型LoRa通信系统的框架图；
图4是本发明实施例三提供的增强型LoRa通信系统与原始的LoRa通信系统在不同信道下的误码率性能对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
实施例一
请参考图1，本实施例提供了一种线性调频扩频调制技术的软解调方法，包括FFT变换处理以及正交二分峰差(ODPS)软解调，其中：
所述FFT变换处理的具体过程为：将接收信号sk(t)+n(t)经过带通滤波器(BPF)滤除带外噪声，保留信号频带sk(t)；将所述信号sk(t)与一路正交基地Chirp信号si(t)相乘后通过低通滤波器滤除高频分量，再对滤波结果进行BW采样率采样成数字信号s1，将所述信号sk(t)与另一路正交基地Chirp信号sQ(t)相乘后通过低通滤波器滤除高频分量，再对滤波结果进行BW采样率采样成数字信号s2；其中，将所述数字信号s1作为实部，所述数字信号s2作为虚部，构造一个复信号；对所述复信号进行FFT变换，变换结果包括符号全集S＝{sk|k＝0，1，…，2SF-1}以及对应的幅值全集A＝{ak|k＝0，1，…，2SF-1}，其中，下标k表示符号sk在FFT幅度谱中对应的位置，ak表示FFT幅度谱中k位置处对应的幅值；符号sk采用二级制表示，即sk＝(x0x1…xSF-1)2，xi表示符号sk中按照高位在前的顺序进行排列后的第i比特位，i＝0，1，…，SF-1，SF表示扩频因子。
所述ODPS软解调的具体过程为：
S1、从i＝0开始，在所述符号全集S中，找出所有第i比特位xi＝0的符号，得到xi＝0的符号的下标位置记录Ki，0＝{k|xi＝0}；找出所有第i比特位xi＝1的符号，得到xi＝1的符号的下标位置记录Ki，1＝{k|xi＝1}；
S2、在所述下标位置记录Ki，0对应的所有幅值中，找出最大值
Figure BDA0002281410750000061
在所述下标位置记录Ki，1对应的所有幅值中，找出最大值
Figure BDA0002281410750000062
得到解调后的的第i比特位的软信息为
Figure BDA0002281410750000063
S3、递增i，并重复进行步骤S1、步骤S2，直到遍历完所有比特位{0，1，…，SF-1}，最终得到解调后的所有比特位的软信息。
实施例二
本实施例对一具体接收信号进行软解调，其中，FFT变换处理过程与实施例一相同，请参考图2，FFT变换处理过程得到的变换结果包括：符号全集S＝{000，001，010，011，100，101，110，111}，幅值全集A＝{0.75，1.11，0.54，3.5，0.42，1.01，0.86，1.28}，扩频因子SF＝3；ODPS软解调过程为：
首先，找出所有下标位置记录Ki，0＝{k|xi＝0}和Ki，1＝{k|xi＝1}，结果为：
K0，0＝{0，1，2，3}，K0，1＝{4，5，6，7}；
K1，0＝{0，1，4，5}，K0，1＝{2，3，6，7}；
K2，0＝{0，2，4，6}，K2，1＝{1，3，5，7}；
然后，从i＝0开始，取下标位置记录K0，0对应的幅值中的最大值a3＝3.5，取下标位置记录K0，1对应的幅值中的最大值a7＝1.28，得到i＝0比特位的ODPS软解调结果为2.22；同理得到i＝1、i＝2比特位的ODPS软解调结果分别为2.39、2.64，因此ODPS软解调的最终结果为(-2.22，2.39，2.64)。
实施例三
请参考图3，本实施例基于Turbo码以及CSS调制技术，搭建了一个增强型LoRa通信系统，包括Turbo编码模块、CSS调制模块、CSS软解调模块、以及Turbo译码模块，其中，信号发送端将待发送信号经过Turbo编码模块以及CSS调制模块处理后发出，信号在信道中进行传播，信号接收端接收到信道中的信号后，通过CSS软解调以及Turbo译码解译得到恢复信号；需要说明的是，本实施例采用纠错性能更好的Turbo码代替原有LoRa系统中的汉明码，且在所述CSS软解调中采用本发明实施例一所述的软解调技术。
本实施例利用matlab对所述增强型LoRa通信系统进行了误码率仿真，并将仿真结果与原始的LoRa通信系统进行了对比，如图4所示。其中，图4(a)为高斯信道下两种通信系统的误码率性能对比，可以看到，在高斯信道下，当目标误码率为10-4时，不论码率为4/5还是4/8，增强型LoRa系统相较于原始的LoRa系统能获得约2dB的性能增益；图4(b)为衰落信道下两种通信系统的误码率性能对比，可以看到，在衰落信道下，当目标误码率为10-4时，码率4/8下增强型LoRa系统相较于原始的LoRa系统能获得15dB的性能增益，码率4/5下增强型LoRa系统相较于原始的LoRa系统能获得32.5dB的性能增益。通过上述与Turbo码的级联测试，本发明提出的软解调方法大大提高了LoRa的通信距离。
作为本发明的另一较佳实施例，还可以采用LDPC码或者Polar码搭建实施例三中所述增强型LoRa通信系统，以改善原LoRa系统中汉明码纠错能力差的问题，从而提高系统的通信性能。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种线性调频扩频调制技术的软解调方法，包括FFT变换处理，其特征在于，还包括正交二分峰差软解调，其中：
所述FFT变换处理后的结果包括符号全集S＝{sk|k＝0，1，…，2SF-1}以及对应的幅值全集A＝{ak|k＝0，1，…，2SF-1}，其中，下标k表示符号sk在FFT幅度谱中对应的位置，ak表示FFT幅度谱中k位置处对应的幅值；符号sk＝(x0x1…xSF-1)2采用二级制，xi表示符号sk中按照高位在前的顺序进行排列后的第i比特位，i＝0，1，…，SF-1，SF表示扩频因子；
所述正交二分峰差软解调的具体过程为：
S1、从i＝0开始，在所述符号全集S中，找出所有第i比特位xi＝0的符号，得到第一下标位置记录Ki，0＝{k|xi＝0}；找出所有第i比特位xi＝1的符号，得到第二下标位置记录Ki，1＝{k|xi＝1}；
S2、在所述第一下标位置记录Ki，0对应的所有幅值中，找出最大值
Figure FDA0002281410740000011
在所述第二下标位置记录Ki，1对应的所有幅值中，找出最大值
Figure FDA0002281410740000012
得到解调后的第i比特位的软信息；
S3、递增i，并重复进行步骤S1、步骤S2，直到遍历完所有比特{0，1，…，SF-1}，最终得到解调后的所有比特位的软信息。
2.根据权利要求1所述的线性调频扩频调制技术的软解调方法，其特征在于，所述FFT变换处理的具体过程为：
将接收信号sk(t)+nn(t)经过带通滤波器滤除带外噪声，保留信号频带sk(t)；将所述信号sk(t)与一路正交基地Chirp信号sI(t)相乘后通过低通滤波器滤除高频分量，再对滤波结果进行BW采样率采样成数字信号s1，将所述信号sk(t)与另一路正交基地Chirp信号sQ(t)相乘后通过低通滤波器滤除高频分量，再对滤波结果进行BW采样率采样成数字信号s2；其中，将所述数字信号s1作为实部，所述数字信号s2作为虚部，构造一个复信号；对所述复信号进行FFT变换。
3.根据权利要求1所述的线性调频扩频调制技术的软解调方法，其特征在于，所述步骤S2中，得到解调后的第i比特位的软信息为
Figure FDA0002281410740000021
4.一种增强型LoRa通信系统，其特征在于，包括编码模块、CSS调制模块、CSS软解调模块、以及译码模块，其中：
信号发送端将待发送信号经过所述编码模块进行编码以及所述CSS调制模块进行调制后发送至信道中；
信号接收端接收到在信道中传输的信号后，通过所述CSS软解调模块进行软解调，并通过所述译码模块进行解译，最终得到恢复信号；所述CSS软解调模块进行软解调的过程包括FFT变换处理过程以及正交二分峰差软解调过程。
5.根据权利要求4所述的增强型LoRa通信系统，其特征在于，所述编码模块采用Turbo码、LDPC码、Polar码中的一种进行编码；所述译码模块根据所述编码模块中所采用的码进行相应的译码处理。
6.根据权利要求4所述的增强型LoRa通信系统，其特征在于，所述CSS软解调模块进行软解调时，所述FFT变换处理过程具体为：将从信道中接收到的信号sk(t)+n(t)经过带通滤波器滤除带外噪声，保留信号频带sk(t)；将所述信号sk(t)与一路正交基地Chirp信号sI(t)相乘后通过低通滤波器滤除高频分量，再对滤波结果进行BW采样率采样成数字信号s1，将所述信号sk(t)与另一路正交基地Chirp信号sQ(t)相乘后通过低通滤波器滤除高频分量，再对滤波结果进行BW采样率采样成数字信号s2；其中，将所述数字信号s1作为实部，所述数字信号s2作为虚部，构造一个复信号；对所述复信号进行FFT变换，变换结果包括符号全集S＝{sk|k＝0，1，…，2SF-1}以及对应的幅值全集A＝{ak|k＝0，1，…，2SF-1}，其中，下标k表示符号sk在FFT幅度谱中对应的位置，ak表示FFT幅度谱中k位置处对应的幅值；符号sk＝(x0x1…xSF-1)2采用二级制，xi表示符号sk中按照高位在前的顺序进行排列后的第i比特位，i＝0，1，…，SF-1，SF表示扩频因子。
7.根据权利要求4或6所述的增强型LoRa通信系统，其特征在于，所述CSS软解调模块进行软解调时，所述正交二分峰差软解调过程具体为：
S1、从i＝0开始，在所述符号全集S中，找出所有第i比特位xi＝0的符号，得到第一下标位置记录Ki，0＝{k|xi＝0}；找出所有第i比特位xi＝1的符号，得到第二下标位置记录Ki，1＝{k|xi＝1}；
S2、在所述第一下标位置记录Ki，0对应的所有幅值中，找出最大值
Figure FDA0002281410740000031
在所述第二下标位置记录Ki，1对应的所有幅值中，找出最大值
Figure FDA0002281410740000032
得到解调后的第i比特位的软信息；
S3、递增i，并重复进行步骤S1、步骤S2，直到遍历完所有比特位{0，1，…，SF-1}，最终得到解调后的所有比特位的软信息。
8.根据权利要求7所述的增强型LoRa通信系统，其特征在于，所述步骤S2中，得到解调后的第i比特位的软信息为
Figure FDA0002281410740000033
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