CN111865852B - 基于线性调频体制的卫星物联网调制解调硬件实现方法 - Google Patents

Abstract

基于线性调频体制的卫星物联网调制解调硬件实现方法，涉及卫星物联网调制解调领域，是为了解决卫星物联网通信体制中调制解调方法硬件实现的问题。本发明中基于线性调频体制的卫星物联网调制解调算法采用频移线性调频调制技术，该技术基于扩频技术，具有扩频技术的优势，具有良好的抗干扰能力和较高的带宽利用率，抗多径衰落、抗多普勒频移等优点，并且兼顾了低复杂度的特点。

Description

基于线性调频体制的卫星物联网调制解调硬件实现方法

技术领域

本发明涉及卫星物联网调制解调领域，尤其涉及一种基于线性调频体制的卫星物联网调制解调硬件实现的方法。

背景技术

物联网(Internet of Things,IoT)指的是一个松散耦合、分散的设备系统，具有感知、处理和网络功能。物联网支持智能设备通过网络连接以及嵌入式设备之间的交互。物联网以互联网为核心和基础，使用RFID、传感器、执行器和无线通信技术实现人与物、物与物之间的交流。物联网具有广泛的应用，例如智能家居、工业监控和自动化、医疗保健服务和农业。

许多基于物联网的应用对其提出的要求有远距离传输数据、低能耗、价格便宜以及具有高度可扩展性等等，例如智能工业、智能电表、智慧家居和智慧城市架构等等。但是，现有的蜂窝通信技术，例如3G和4G技术，主要设计用于消耗更多功率、需要更多带宽并且部署成本更高的多媒体应用程序，通常无法满足上面的设计要求，这就导致了诸如低功耗广域网(Low Power Wide Area Network,LPWAN)这类更新并且更合适的通信技术的诞生。长期以来，低功耗广域网被公认为物联网中最深远的趋势之一，如今已真正成熟。尽管有很多LPWAN技术，但它们可以大致分为两类：工作在授权频段的LPWAN技术(例如NBIoT，LTE-M-IoT，EC-GSM-IoT和5G IoT)和工作于非授权频谱的LPWAN技术(例如Sigfox，Telensa，LoRa和RPMA)。LPWAN适用于数据速率低，对丢包和传输延迟不敏感的物联网应用中。因此，其主要应用领域包括环境监测(例如水位监测，室外雪位)，精密农业(例如土壤湿度，作物生长)，土木工程(例如石油和天然气的开采)，运输等领域。

尽管地面通信即将进入5G时代，但是由于地理条件和经济发展水平的限制，地面通信系统不太可能实现全球无缝覆盖。并且，在一些物联网应用中，要求将传感器或者执行器部署在没有移动地面网络覆盖或其他形式连接的偏远地区(例如沙漠、海洋和森林等)、人口稀少地区，或者自然灾害频发导致地面网络容易被损坏的地区。上述地区及其类似区域，地面网络无法覆盖或者轻易受到大面积破坏，在这种情况下，卫星通信技术可以发挥重要作用，成为跨行业和地理边界、转变物联网连接的关键推动力，并使全球物联网覆盖能够成为现实，即无处不在的物联网。此外，卫星物联网(Satellite IoT,SIoT)技术在灾害管理、深空通信、远程医疗和远程医疗系统、飞机导航系统等关键任务应用中也扮演着重要的角色，卫星在扩展和补充地面物联网网络方面起到了至关重要并且不可替代的作用，卫星物联网的概念也越来越受到人们的关注。卫星物联网的出现解决了地面物联网在某些特定地区或者特定情况下覆盖不足甚至无法覆盖的问题。卫星物联网是对地面物联网的一种可实现且强大的补充，它可以不受环境与气候条件的限制，保证不间断的全球无缝通信连接。不同于地球同步轨道，低轨卫星轨道在低损耗、低延迟、覆盖范围广和数量级大等方面均具有显著优势。因此，近年来低轨卫星物联网(LEO Satellite IoT)受到众多研究者的青睐。低轨卫星物联网的建设可以作为解决地面物联网覆盖规模能力不足的缺点的有效途径。

发明内容

本发明为了解决卫星物联网通信体制中调制解调方法硬件实现的问题。与地面物联网相比，卫星物联网具有覆盖范围广、系统容量大、通信稳定性好、抗毁性强等很多独特的优势。而低轨卫星物联网在具有上述优势的同时，对适用与其的通信解决方案也提出了相应的要求，应满足通信距离远、抗衰落、对时延不敏感、抗多普勒频移等新要求。因此提出一种基于线性调频体制的卫星物联网调制解调硬件实现方法。

步骤一、将待传输的二进制比特流按照扩频因子SF进行分组，获得分组传输信息；

步骤二、根据步骤一获得的分组传输信息获得对应的初始频移；

步骤三、根据步骤二获得的初始频移获得对应的频率控制字；

步骤四、根据步骤三获得的对应的频率控制字，确定整体频率控制字，

步骤五、根据步骤四确定的整体频率控制字生成频移线性调频调制信号；

步骤六、根据步骤五生成的频移线性调频调制信号；

步骤七、生成一段本地上调频信号；

步骤八、将步骤六获得的频移线性调频接收端调制信号信号与步骤七生成的本地上调频信号相乘，获得乘积信号；

步骤九、将步骤八获得的乘积信号进行滤波，获得滤波后信号；

步骤十、对步骤九获得的滤波后信号进行单倍采样；获得采样后信号

步骤十一、将步骤十获得的采样后信号进行FFT处理，获得频谱最大值位置索引；

步骤十二、根据步骤十一获得频谱最大值位置索引获得符号传输信息。

从而完成一次基于线性调频体制的卫星物联网调制解调硬件实现。

本发明获得以下有益效果：

1、本发明中基于线性调频体制的卫星物联网调制解调方法采用频移线性调频调制技术，该技术基于扩频技术，具有扩频技术的优势，具有良好的抗干扰能力和较高的带宽利用率，抗多径衰落、抗多普勒频移等优点，并且兼顾了低复杂度的特点。

2、本发明采用硬件实现了基于线性调频体制的卫星物联网调制与解调方法，可以推动摆脱采用国外硬件芯片的限制，有利于低轨卫星物联网的商业落地。

具体实施方式

具体实施方式一、本实施方式所述的基于线性调频体制的卫星物联网调制解调硬件实现方法，它包括以下步骤：

步骤一、确定符号传输信息；

步骤二、计方传输信息对应的初始频移；

步骤三、确定初始频移对应的频率控制字；

步骤四、计方整体频率控制字，并以此生成频移线性调频调制信号；

步骤五、生成本地上调频信号；

步骤六、频移线性调频接收端调制信号数据与本地上调频信号相乘，乘积信号经过低通滤波器进行滤波滤除二倍频附近的调频项；

步骤七、经过低通滤波后的信号按照带宽进行单倍采样；

步骤八、单倍采样后的信号进行FFT，找到频谱最大值位置索引；

步骤九、由频谱最大值位置索引确定对应的频率值，进而计方出符号传输信息。

本发明为了解决卫星物联网通信体制中调制解调方法硬件实现的问题。与地面物联网相比，卫星物联网具有覆盖范围广、系统容量大、通信稳定性好、抗毁性强等很多独特的优势。而低轨卫星物联网在具有上述优势的同时，对适用与其的通信解决方案也提出了相应的要求，应满足通信距离远、抗衰落、对时延不敏感、抗多普勒频移等新要求。因此提出一种基于线性调频体制的卫星物联网调制解调硬件实现方法。

本发明取的了以下有益效果：

1、本发明中基于线性调频体制的卫星物联网调制解调方法采用频移线性调频调制技术，该技术基于扩频技术，具有扩频技术的优势，具有良好的抗干扰能力和较高的带宽利用率，抗多径衰落、抗多普勒频移等优点，并且兼顾了低复杂度的特点。

2、本发明采用硬件实现了基于线性调频体制的卫星物联网调制与解调方法，可以推动摆脱采用国外硬件芯片的限制，有利于低轨卫星物联网的商业落地。

具体实施方式二、本实施方式是对具体实施方式一所述的基于线性调频体制的卫星物联网调制解调硬件实现方法的进一步说明，步骤一中符号传输信息的确定，按以下步骤进行：

步骤一、待传输的二进制比特流按照扩频因子SF分组；

步骤二、计方每组比特流对应的十进制整数，即为传输信息K，计方公式按下式确定：

具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式一所述的基于线性调频体制的卫星物联网调制解调硬件实现方法的进一步说明，步骤二中计方传输信息对应的初始频移，按以下步骤进行：

步骤一、将带宽B均等分为2^SF份，每一份代表一个频移，则频移线性调频调制的频率分辨率df可以按下式计方：

步骤二、一个符号的传输信息对应的初始频移Δf可以按下式确定：

具体实施方式四、本实施方式是对具体实施方式一所述的基于线性调频体制的卫星物联网调制解调硬件实现方法的进一步说明，步骤三中初始频移对应的频率控制字的计方，按以下步骤进行；

步骤一、数字频率合成器(Direct Digital Synthesizer,DDS)的频率分辨率df_DDS可以按下式计方：

其中，f_clk为时钟频率，N为相位累加器位宽。

步骤二、初始频移对应的频率控制字由初始频移和DDS的频率分辨率共同决定，按下式确定：

具体实施方式五、本实施方式是对具体实施方式一所述的基于线性调频体制的卫星物联网调制解调硬件实现方法的进一步说明，步骤四中整体的频率控制字rom_addr_dds按下式计方：

rom_addr_dds＝rom_addr_0+rom_addr_1 (6)

其中，rom_addr_0为系统起始频率f₀对应的频率控制字。

通过计数器控制数字频率合成器的频率控制字由计方出的整体频率控制字逐渐增大，当信号的频率到达最大允许频率f₀+B时，再由f₀增大到f₀+Δf，则生成了频移线性调频信号y_(t)，表达式见下式，完成了频移线性调频调制。

具体实施方式六、本实施方式是对具体实施方式一所述的基于线性调频体制的卫星物联网调制解调硬件实现方法的进一步说明，步骤五中本地上调频信号的产生，按以下步骤进行：

步骤一、起始频率f₀对应的频率控制字rom_addr_0，按下式计方：

步骤二、通过计数器控制数字频率合成器的频率控制字由起始频率对应的频率控制字逐渐增大，得到的信号即为本地上调频信号ybendi(t)，公式见下式。

具体实施方式七、本实施方式是对具体实施方式一所述的基于线性调频体制的卫星物联网调制解调硬件实现方法的进一步说明，步骤六中使用乘法器将频移线性调频接收端调制信号数据与本地上调频信号相乘，乘积信号ydec(t)表达式见下式。

ydec(t)＝y_(t)·ybendi(t)

可以看出信号包含二倍起始频率附近的调频项，因此要经过低通滤波器进行滤波滤除二倍频附近的调频项，低通滤波器的采样频率为时钟频率，通带截止频率为带宽B的数值，阻带截止频率可以根据滤波器的阶数进行选择，但不要超过二倍带宽。

具体实施方式八、本实施方式是对具体实施方式一所述的基于线性调频体制的卫星物联网调制解调硬件实现方法的进一步说明，步骤八中FFT的点数设置可能会带来处理延迟，这时可以通过并行的FFT来抵消这种延迟，比如FFT点数为32768，这样的FFT IP核的处理延迟为4103.719us，近似为带宽为125KHz，扩频因子为7的频移线性调频符号周期的四倍，则此时采用4个并行的FFT来抵消处理延迟。

具体实施方式九、本实施方式是对具体实施方式一所述的基于线性调频体制的卫星物联网调制解调硬件实现方法的进一步说明，步骤九中由频谱最大值位置索引计方对应的频率值，按以下步骤进行：

步骤一、计方FFT模块的频率分辨率df_fft，按下式计方：

其中，M为FFT的采样点数。

步骤二、频谱最大值位置索引乘以FFT模块的频率分辨率，即可得到对应的频率值。

本实施方式所述基于线性调频体制的卫星物联网调制解调方法采用频移线性调频调制技术，具有扩频技术的优势，具有良好的抗干扰能力和较高的带宽利用率，抗多径衰落、抗多普勒频移等优点，并且兼顾了解调端低复杂度的特点，采用与相同带宽、相同扩频因子，相同调频率的本地信号，降低了解调端复杂度。

Claims (7)

1.基于线性调频体制的卫星物联网调制解调硬件实现方法，其特征是：它包括以下步

步骤一、将待传输的二进制比特流按照扩频因子SF进行分组，获得分组传输信息；

步骤二、根据步骤一获得的分组传输信息获得对应的初始频移；

步骤三、根据步骤二获得的初始频移获得对应的频率控制字；

步骤四、根据步骤三获得的对应的频率控制字，确定整体频率控制字，

步骤五、根据步骤四确定的整体频率控制字生成频移线性调频调制信号；

步骤六、根据步骤五生成的频移线性调频调制信号；

步骤七、生成一段本地上调频信号；

步骤八、将步骤六获得的频移线性调频接收端调制信号信号与步骤七生成的本地上调频信号相乘，获得乘积信号；

步骤九、将步骤八获得的乘积信号进行滤波，获得滤波后信号；

步骤十、对步骤九获得的滤波后信号进行单倍采样；获得采样后信号

步骤十一、将步骤十获得的采样后信号进行FFT处理，获得频谱最大值位置索引；

步骤十二、根据步骤十一获得频谱最大值位置索引获得符号传输信息。

从而完成一次基于线性调频体制的卫星物联网调制解调硬件实现；

步骤十二中根据步骤十一获得频谱最大值位置索引获得符号传输信息的方法为：

由频谱最大值位置索引确定对应的频率值，进而计算出符号传输信息，具体为：

步骤十二一、按照下式：

计算FFT模块的频率分辨率df_fft，

式中，M为FFT的采样点数；

步骤十二二、将频谱最大值位置索引乘以FFT模块的频率分辨率df_fft，获得对应的频率值，该频率值对应的信息即是原始发射信息；

步骤八中、将步骤六获得的频移线性调频接收端调制信号信号与步骤七生成的本地上调频信号相乘，获得乘积信号的具体方法是：

使用乘法器将频移线性调频接收端调制信号数据与本地上调频信号相乘，乘积信号ydec(t)表达式见下式：

2.根据权利要求1所述的基于线性调频体制的卫星物联网调制解调硬件实现方法，其特征在于步骤一中，将待传输的二进制比特流按照扩频因子SF进行分组，获得分组传输信息，具体为：

根据公式：

获得每组二进制比特流对应的十进制整数；式中：SF是扩频因子，K为传输信息。

3.根据权利要求2所述的基于线性调频体制的卫星物联网调制解调硬件实现方法，其特征在于，步骤二中，根据步骤一获得的分组传输信息获得对应的初始频移的具体方法是：

将带宽B均等分为2^SF份，其中每一份代表一个频移，则频移线性调频调制的频率分辨率df可以按下式计算：

则一个符号的传输信息对应的初始频移Δf为：

4.根据权利要求3所述的基于线性调频体制的卫星物联网调制解调硬件实现方法，其特征在于，步骤三中，根据步骤二获得的初始频移获得对应的频率控制字的具体方法为：

初始频移对应的频率控制字由初始频移和DDS的频率分辨率df_DDS共同决定，按下式确定：

式中：DDS的频率分辨率df_DDS的取值的取值方式是：

式中：f_clk为时钟频率，N为相位累加器位宽，N为实数。

5.根据权利要求4所述的基于线性调频体制的卫星物联网调制解调硬件实现方法，其特征在于，步骤四中，根据步骤三获得的对应的频率控制字，确定整体频率控制字的具体方法是：

整体的频率控制字rom_addr_dds根据下式：

rom_addr_dds＝rom_addr_0+rom_addr_1 (6)

获得式中：rom_addr_0为系统起始频率f₀对应的频率控制字。

6.根据权利要求5所述的基于线性调频体制的卫星物联网调制解调硬件实现方法，其特征在于，步骤五中，根据步骤四确定的整体频率控制字生成频移线性调频调制信号的方法具体为：

通过计数器控制数字频率合成器的频率控制字由计算出的整体频率控制字逐渐增大，当信号的频率到达最大允许频率f₀+B时，再由f₀增大到f₀+Δf，则生成了频移线性调频信号y_(t)，表达式见下式，完成了频移线性调频调制。

7.根据权利要求6所述的基于线性调频体制的卫星物联网调制解调硬件实现方法，其特征在于，步骤七中，生成一段本地上调频信号的方法具体为：

步骤七一、按照公式：

获得,式中rom_addr_0为起始频率f₀对应的频率控制字；

步骤七二、通过计数器控制数字频率合成器的频率控制字由起始频率对应的频率控制字逐渐增大，得到的信号即为本地上调频信号ybendi(t)，其表达式为：