CN112671683B - 一种分段连续调频波的信号调制解调方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种分段连续调频波的信号调制解调方法及系统，包括：发送端通过调整待调制数据信号的起始频率，获得调制后分段连续调频波；接收端通过对接收到的所述调制后分段连续调频波进行解扩频和傅里叶变换，得到解扩频信号起始频率，并由所述解扩频信号起始频率得到解调后信号。本发明通过分段连续调频波调制信号构建多个相互正交的分段连续调频波，不同的节点可以使用不同的分段连续调频波传输数据，接收端可以同时解码来自不同节点的信号，该方法可以支持高并发的场景；同时，该方法还保留了长距离、低功耗的特性，可以支持极低信噪比下的信号传输。
Description
技术领域
本发明涉及信息通信技术领域，尤其涉及一种分段连续调频波的信号调制解调方法及系统。
背景技术
低功耗广域网技术是一种新型网络技术，可以提供一种超低功耗、长距离的网络通信方式，在智慧农业、智慧城市、工业互联网等典型物联网应用中具有广阔的应用前景。
在低功耗广域网中，节点通过网关接入到网络，节点和网关之间的信号调制和解调方式决定了网络的基本性能。已有的低功耗广域网计算，如LoRa，使用调频连续波(CSS)的方式进行信号调制，通过将整个频谱上的能量集中到单一频率，可以实现极低信噪比下的信号传输，进而实现低功耗和长距离的网络通信。但是，在多节点并发传输的场景下，不同节点发送的调频连续波会互相干扰，导致解码失败，因此，多个节点无法并行发送数据包，只能通过时间维度上的调度避免信号干扰。对于调频信号的在发送端的调制以及在接收端的解调，还没有提出较好的解决办法。
发明内容
本发明提供一种分段连续调频波的信号调制解调方法及系统，用以解决现有技术中无法支持多节点并行发送数据包的缺陷。
第一方面，本发明提供一种分段连续调频波的信号调制解调方法，包括：
发送端通过调整待调制数据信号的起始频率，获得调制后分段连续调频波；
接收端通过对接收到的所述调制后分段连续调频波进行解扩频和傅里叶变换，得到解扩频信号起始频率，并由所述解扩频信号起始频率得到解调后信号。
进一步地，所述发送端通过调整待调制数据信号的起始频率，获得调制后分段连续调频波，之前还包括：
获取预设分段连续调频波。
进一步地，所述获取预设分段连续调频波，具体包括：
获取具有预设个数、相等预设时长且频域不重叠的子载波，其中每个子载波为连续调频波；
设置每个子载波的子载波周期、子载波带宽和子载波起始频率，由所述子载波带宽除以所述子载波周期得到频率随时间变化速率，基于所述子载波带宽、所述子载波周期、所述频率随时间变化速率和子载波起始频率，得到每个子载波信号表示；
基于所述预设个数获得数字排列，基于所述数字排列得到任一个子载波起始频率，将所有子载波起始频率代入所述每个子载波信号表示中，得到所述数字排列对应的所述预设分段连续调频波。
进一步地，所述发送端通过调整待调制数据信号的起始频率，获得调制后分段连续调频波，具体包括：
设定所述预设分段连续调频波连续调制预设位数比特数据，基于所述子载波带宽、所述待调制数据信号和所述预设位数比特数据，得到调制后分段连续调频波起始频率；
将所述调制后分段连续调频波起始频率代入所述预设分段连续调频波，得到所述调制后分段连续调频波。
进一步地，所述接收端通过对接收到的所述调制后分段连续调频波进行解扩频和傅里叶变换，得到解扩频信号起始频率，并由所述解扩频信号起始频率得到解调后信号，具体包括：
将所述调制后分段连续调频波乘以未调制分段连续调频波的共轭，得到单频信号；
对所述单频信号进行傅里叶变换，得到所述单频信号在各个频率上的强度分布信号；
基于所述强度分布信号，计算得到所述解扩频信号起始频率；
由所述解扩频信号起始频率、所述子载波带宽和所述预设位数比特数据，得到所述解调后信号。
第二方面，本发明还提供一种分段连续调频波的信号调制解调系统，包括：
调制模块，用于发送端通过调整待调制数据信号的起始频率，获得调制后分段连续调频波；
解调模块，用于接收端通过对接收到的所述调制后分段连续调频波进行解扩频和傅里叶变换，得到解扩频信号起始频率，并由所述解扩频信号起始频率得到解调后信号。
进一步地，还包括：
获取模块，用于获取预设分段连续调频波。
进一步地，所述获取模块具体用于：
获取具有预设个数、相等预设时长且频域不重叠的子载波，其中每个子载波为连续调频波；
设置每个子载波的子载波周期、子载波带宽和子载波起始频率，由所述子载波带宽除以所述子载波周期得到频率随时间变化速率，基于所述子载波带宽、所述子载波周期、所述频率随时间变化速率和子载波起始频率，得到每个子载波信号表示；
基于所述预设个数获得数字排列，基于所述数字排列得到任一个子载波起始频率，将所有子载波起始频率代入所述每个子载波信号表示中，得到所述数字排列对应的所述预设分段连续调频波。
第三方面，本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述分段连续调频波的信号调制解调方法的步骤。
第四方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述分段连续调频波的信号调制解调方法的步骤。
本发明提供的分段连续调频波的信号调制解调方法及系统，通过分段连续调频波调制信号构建多个相互正交的分段连续调频波，不同的节点可以使用不同的分段连续调频波传输数据，接收端可以同时解码来自不同节点的信号，该方法可以支持高并发的场景；同时，该方法还保留了长距离、低功耗的特性，可以支持极低信噪比下的信号传输。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的分段连续调频波的信号调制解调方法的流程示意图；
图2是本发明提供的分段连续调频波示意图；
图3是本发明提供的信号解调示意图；
图4是本发明提供的分段连续调频波的信号调制解调系统的结构示意图；
图5是本发明提供的电子设备的结构示意图。
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，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
针对现有技术中低功耗广域网调制技术无法支持并发传输的缺点，提出一种新的分段连续调频波的信号调制解调方法，能支持低功耗、长距离和高并发的通信。
图1是本发明提供的分段连续调频波的信号调制解调方法的流程示意图，如图1所示，包括：
S1，发送端通过调整待调制数据信号的起始频率，获得调制后分段连续调频波；
S2，接收端通过对接收到的所述调制后分段连续调频波进行解扩频和傅里叶变换，得到解扩频信号起始频率，并由所述解扩频信号起始频率得到解调后信号。
具体地，发送信号的发送端调整数据信号的起始频率后，得到调制后分段连续调频波，将该调制后分段连续调频波发送至接收端，接收端对调制后分段连续调频波进行解扩频和傅里叶变换处理，得到解扩频信号的起始频率，并得到解调后信号。
本发明通过分段连续调频波调制信号构建多个相互正交的分段连续调频波，不同的节点可以使用不同的分段连续调频波传输数据，接收端可以同时解码来自不同节点的信号。
基于上述实施例，该方法步骤S1之前还包括：
获取预设分段连续调频波。
其中，所述获取预设分段连续调频波，具体包括：
获取具有预设个数、相等预设时长且频域不重叠的子载波，其中每个子载波为连续调频波；
设置每个子载波的子载波周期、子载波带宽和子载波起始频率，由所述子载波带宽除以所述子载波周期得到频率随时间变化速率，基于所述子载波带宽、所述子载波周期、所述频率随时间变化速率和子载波起始频率，得到每个子载波信号表示；
基于所述预设个数获得数字排列，基于所述数字排列得到任一个子载波起始频率，将所有子载波起始频率代入所述每个子载波信号表示中，得到所述数字排列对应的所述预设分段连续调频波。
具体地，如图2所示，一个分段连续调频波由M个等时长且频域不重叠的子载波组成，其中，M为正整数，每个子载波为一个连续调频波。设分段连续调频波的周期为T，带宽为B，那么每个子载波可以用以下公式表示：
其中，f是子载波的起始频率，k是频率随时间变化的速率，f+ktmodB表示频率超过带宽B后会反折为0，一个分段连续波可以和一个0到M-1的排序一一对应。
设s＝{s[0]，s[1]，...，s[M-1}是数字0到M-1的一个排列，对于第i个子载波，其起始频率因此，排列s对应的分段连续调频波可以表示为：
scs＝{cs[0]，cs[1]，...，cs[M-1]}
其中，
本发明通过设计分段连续调频波，为后续通过改变信号起始频率进行数据调制提供了信号输入。
基于上述任一实施例，该方法中步骤S1具体包括：
设定所述预设分段连续调频波连续调制预设位数比特数据，基于所述子载波带宽、所述待调制数据信号和所述预设位数比特数据，得到调制后分段连续调频波起始频率；
将所述调制后分段连续调频波起始频率代入所述预设分段连续调频波，得到所述调制后分段连续调频波。
具体地，本方法通过改变分段连续调频波的起始频率调制信号，假设一个分段连续调频波调制p位比特的数据，需要调制的数据为z，则调制后的分段连续调频波的起始频率为：
设分段连续调频波的每个子载波的起始频率都会被上移f0，则调制后的信号为：
本发明通过改变信号起始频率进行数据调制，使得不同的节点可以使用不同的分段连续调频波传输数据。
基于上述任一实施例，该方法中步骤S2具体包括：
将所述调制后分段连续调频波乘以未调制分段连续调频波的共轭，得到单频信号；
对所述单频信号进行傅里叶变换，得到所述单频信号在各个频率上的强度分布信号；
基于所述强度分布信号，计算得到所述解扩频信号起始频率；
由所述解扩频信号起始频率、所述子载波带宽和所述预设位数比特数据，得到所述解调后信号。
具体地，本发明提供的信号解调步骤如图3所示，假设接收端已知带宽B、信号周期T和每个分段连续调频波所调制的比特位数p，当系统接收到信号以后，使用以下方式进行解调：
首先是解扩频，将接收到的信号乘以与其对应的未调制的分段连续调频波的共轭，得到一个频率为f0的单频信号：
然后对解扩频得到的信号进行傅里叶变换，得到信号在各个频率上的强度分布；
进一步根据傅里叶变换得到的结果，计算出解扩频信号强度最高的频率f0；
最后根据下面公式计算出调制的数据：
本发明通过将接收信号解扩频、进行傅里叶变换后计算出信号起始频率，并根据信号起始频率解码出数据，可支持低功耗、长距离和高并发的通信。
下面对本发明提供的分段连续调频波的信号调制解调系统进行描述，下文描述的分段连续调频波的信号调制解调系统与上文描述的分段连续调频波的信号调制解调方法可相互对应参照。
图4是本发明提供的分段连续调频波的信号调制解调系统的结构示意图，如图4所示，包括：调制模块41和解调模块42；其中：
调制模块41用于发送端通过调整待调制数据信号的起始频率，获得调制后分段连续调频波；解调模块42用于接收端通过对接收到的所述调制后分段连续调频波进行解扩频和傅里叶变换，得到解扩频信号起始频率，并由所述解扩频信号起始频率得到解调后信号。
本发明通过分段连续调频波调制信号构建多个相互正交的分段连续调频波，不同的节点可以使用不同的分段连续调频波传输数据，接收端可以同时解码来自不同节点的信号。
基于上述实施例，该系统还包括获取模块43，所述获取模块43用于获取预设分段连续调频波。
所述获取模块43具体用于：
获取具有预设个数、相等预设时长且频域不重叠的子载波，其中每个子载波为连续调频波；
设置每个子载波的子载波周期、子载波带宽和子载波起始频率，由所述子载波带宽除以所述子载波周期得到频率随时间变化速率，基于所述子载波带宽、所述子载波周期、所述频率随时间变化速率和子载波起始频率，得到每个子载波信号表示；
基于所述预设个数获得数字排列，基于所述数字排列得到任一个子载波起始频率，将所有子载波起始频率代入所述每个子载波信号表示中，得到所述数字排列对应的所述预设分段连续调频波。
图5示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图5所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)510、通信接口(CommunicationsInterface)520、存储器(memory)530和通信总线540，其中，处理器510，通信接口520，存储器530通过通信总线540完成相互间的通信。处理器510可以调用存储器530中的逻辑指令，以执行分段连续调频波的信号调制解调方法，该方法包括：发送端通过调整待调制数据信号的起始频率，获得调制后分段连续调频波；接收端通过对接收到的所述调制后分段连续调频波进行解扩频和傅里叶变换，得到解扩频信号起始频率，并由所述解扩频信号起始频率得到解调后信号。
此外，上述的存储器530中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的分段连续调频波的信号调制解调方法，该方法包括：发送端通过调整待调制数据信号的起始频率，获得调制后分段连续调频波；接收端通过对接收到的所述调制后分段连续调频波进行解扩频和傅里叶变换，得到解扩频信号起始频率，并由所述解扩频信号起始频率得到解调后信号。
又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各提供的分段连续调频波的信号调制解调方法，该方法包括：发送端通过调整待调制数据信号的起始频率，获得调制后分段连续调频波；接收端通过对接收到的所述调制后分段连续调频波进行解扩频和傅里叶变换，得到解扩频信号起始频率，并由所述解扩频信号起始频率得到解调后信号。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种分段连续调频波的信号调制解调方法，其特征在于，包括：
发送端通过调整待调制数据信号的起始频率，获得调制后分段连续调频波；
接收端通过对接收到的所述调制后分段连续调频波进行解扩频和傅里叶变换，得到解扩频信号起始频率，并由所述解扩频信号起始频率得到解调后信号；
所述发送端通过调整待调制数据信号的起始频率，获得调制后分段连续调频波，之前还包括：
获取预设分段连续调频波；
所述获取预设分段连续调频波，具体包括：
获取具有预设个数、相等预设时长且频域不重叠的子载波，其中每个子载波为连续调频波；
设置每个子载波的子载波周期、子载波带宽和子载波起始频率，由所述子载波带宽除以所述子载波周期得到频率随时间变化速率，基于所述子载波带宽、所述子载波周期、所述频率随时间变化速率和子载波起始频率，得到每个子载波信号表示；
基于所述预设个数获得数字排列，基于所述数字排列得到任一个子载波起始频率，将所有子载波起始频率代入所述每个子载波信号表示中，得到所述数字排列对应的所述预设分段连续调频波。
2.根据权利要求1所述的分段连续调频波的信号调制解调方法，其特征在于，所述发送端通过调整待调制数据信号的起始频率，获得调制后分段连续调频波，具体包括：
设定所述预设分段连续调频波连续调制预设位数比特数据，基于所述子载波带宽、所述待调制数据信号和所述预设位数比特数据，得到调制后分段连续调频波起始频率；
将所述调制后分段连续调频波起始频率代入所述预设分段连续调频波，得到所述调制后分段连续调频波。
3.根据权利要求2所述的分段连续调频波的信号调制解调方法，其特征在于，所述接收端通过对接收到的所述调制后分段连续调频波进行解扩频和傅里叶变换，得到解扩频信号起始频率，并由所述解扩频信号起始频率得到解调后信号，具体包括：
将所述调制后分段连续调频波乘以未调制分段连续调频波的共轭，得到单频信号；
对所述单频信号进行傅里叶变换，得到所述单频信号在各个频率上的强度分布信号；
基于所述强度分布信号，计算得到所述解扩频信号起始频率；
由所述解扩频信号起始频率、所述子载波带宽和所述预设位数比特数据，得到所述解调后信号。
4.一种分段连续调频波的信号调制解调系统，其特征在于，包括：
调制模块，用于发送端通过调整待调制数据信号的起始频率，获得调制后分段连续调频波；
解调模块，用于接收端通过对接收到的所述调制后分段连续调频波进行解扩频和傅里叶变换，得到解扩频信号起始频率，并由所述解扩频信号起始频率得到解调后信号；
所述系统还包括：
获取模块，用于获取预设分段连续调频波；
所述获取模块具体用于：
获取具有预设个数、相等预设时长且频域不重叠的子载波，其中每个子载波为连续调频波；
设置每个子载波的子载波周期、子载波带宽和子载波起始频率，由所述子载波带宽除以所述子载波周期得到频率随时间变化速率，基于所述子载波带宽、所述子载波周期、所述频率随时间变化速率和子载波起始频率，得到每个子载波信号表示；
基于所述预设个数获得数字排列，基于所述数字排列得到任一个子载波起始频率，将所有子载波起始频率代入所述每个子载波信号表示中，得到所述数字排列对应的所述预设分段连续调频波。
5.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至3任一项所述分段连续调频波的信号调制解调方法的步骤。
6.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至3任一项所述分段连续调频波的信号调制解调方法的步骤。
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| LoRa调制技术及解调算法;刘树聃;《电讯技术》;20181228;第1447-1451页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112671683A (zh) | 2021-04-16 |
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