CN113395230B - 基于非线性混频的超低功耗ofdma无线下行链路系统和方法 - Google Patents

基于非线性混频的超低功耗ofdma无线下行链路系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于非线性混频的超低功耗OFDMA无线下行链路方法及系统，包括：步骤S1：不同用户的原始比特流通过编码、星座图映射、交织的方式加载在子载波上，生成OFDM信号，将生成的OFDM信号通过发射机发送至用户终端；步骤S2：用户终端通过非线性器件对发射机发送的OFDM信号进行被动式的下变频，并通过本地的频率搬移实现下变频后的OFDM信号中的子载波的选择性解调。标签作为一个物联网节点，具有超低功耗的工作特点；它利用完全无源的二极管的非线性特性来实现下变频，并通过射频开关的二次变频实现子载波的选择性解调，其功耗主要来自于射频开关二次混频的功耗和比较器，其峰值功耗在20MHz的通信带宽下预计低于200微瓦。

Description

基于非线性混频的超低功耗OFDMA无线下行链路系统和方法
技术领域
本发明涉及低功耗通信、模拟射频电路、无线通信技术领域，具体地，涉及基于非线性混频的超低功耗OFDMA无线下行链路系统和方法。
背景技术
物联网能够使得我们的生活更加智能，更加便捷。然而物联网的核心组成部分：移动终端始终受制于功耗问题而难以被完全解决。近些年无线网络与系统方向，反向散射(backscatter)的研究引起了广泛的关注。由于不需要主动发射的功率器件，基于反向散射通讯方式的器件可以相对减少近百、千倍的功率消耗。最新的反向散射技术也能实现在单个标签上实现96Mbps级别的数据回传速率。然而，这些性能都是在上行链路上实现的。作为一个完善的通信设备，一个低功耗而高性能的下行电路也必不可少。前期的反向散射工作都延续了上世纪的低功耗设计：采用完全无源的二极管被动式地检测包络信号来进行广播式的通信；然而这样的方法具有低效的缺陷，尤其是在设备数量很多、密集的场景下，广播式的下行链路约束了反向散射网络的效率，限制了其应用。OFDMA下行链路是目前广泛应用于LTE等无线系统中的多用户下行链路方案，然而它基于下变频、放大器和FFT模块的特性导致反向散射标签难以支撑其所需的功耗。而由于高Q值的滤波器难以实现，需要下变频电路，以及频域采样依赖高功耗的FFT运算模块，这成了低功耗OFDMA下行链路难以实现的两大主要因素。最近两年，研究者利用二极管的非线性效应实现了射频信号的下变频，实现了超低功耗的ZigBee接收机；这个发现为低功耗的OFDMA下行链路提供了实现的机会。
专利文献CN101635618A(申请号：200910042064.7)公开了基于FFT预编码的OFDMA下行链路通信方法及系统，在基站发射机需要发送数据时，对调制编码后的数据执行FFT预编码操作以降低峰均比，有效缓解了基站发送信号时峰均比偏高的瓶颈，此外，由于数据并非在频域直接产生，而是通过FFT预编码操作扩散到各个频点上，因此可以有效地利用多径信道提供的频率分集，提高系统的误码性能。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于非线性混频的超低功耗OFDMA无线下行链路方法及系统。
根据本发明提供的一种基于非线性混频的超低功耗OFDMA无线下行链路方法，包括：
步骤S1：不同用户的原始比特流通过编码、星座图映射、交织的方式加载在子载波上，生成OFDM信号，将生成的OFDM信号通过发射机发送至用户终端；
步骤S2：用户终端通过非线性器件对发射机发送的OFDM信号进行被动式的下变频，，并通过本地的频率搬移实现下变频后的OFDM信号中的子载波的选择性解调。
优选地，所述步骤S1包括：
步骤S1.1：对不同用户的原始比特流添加纠错码，并进行信号编码，得到编码后的比特流；
步骤S1.2：将编码后的比特流中的每个比特进行星座图映射，得到映射后的复数值；
步骤S1.3：对映射后的复数值进行子载波交织，得到交织后的复数值；
步骤S1.4：对交织后的复数值进行IFFT变换，生成OFDM信号；
步骤S1.5：将生成的OFDM信号通过发射机发送至用户终端。
优选地，所述步骤S1.2包括：将编码后的比特流中的每个比特按照预设规则映射成星座点；
所述预设规则不限制调制阶数，包括BPSK、QPSK、或QAM。
优选地，所述步骤S1.3包括：将映射后的复数值加载到FFT运算模块的对应通道上；FFT运算模块入口的编号由当前用户所在的子载波决定，当当前用户工作在第i个子载波，则此复数值加载在FFT的第i个通道上；在第N-i+1个通道上,输入相反数或相同的复数值，得到交织后的复数值。
优选地，所述步骤S2包括：
步骤S2.1：用户终端接收OFDM调制的射频信号，并对OFDM调制的射频信号进行下变频处理，得到下变频处理后的射频信号；
步骤S2.2：利用混频器对下变频处理后的射频信号的频率进行微调，得到微调后的射频信号；
步骤S2.3：微调后的射频信号利用带通滤波器分离出目标频率的子载波信号，并送入比较器进行幅度解调，转换成数字比特。
优选地，所述步骤S2.1包括：用户终端接收OFDM调制的射频信号，通过由电容和电感组成的阻抗匹配网络，再通过电压正向偏置的二极管进行低功耗下变频。
优选地，所述步骤S2.2包括：通过子载波频率i*BW/N对下变频处理后的射频信号的频率进行微调，其中，i表示分配得到的子载波编号；BW表示OFDM信号的总带宽；N表示OFDM调制时总子载波数量。
优选地，所述步骤S2.3中比较器进行幅度解调包括：以OFDM的符号率对比较器得到的结果进行采样，得到的高电平对应比特1，得到低电平对应比特0。
根据本发明提供的一种基于非线性混频的超低功耗OFDMA无线下行链路系统，包括：
模块M1：不同用户的原始比特流通过编码、星座图映射、交织的方式加载在子载波上，生成OFDM信号，将生成的OFDM信号通过发射机发送至用户终端；
模块M2：用户终端通过非线性器件对发射机发送的OFDM信号进行被动式的下变频，，并通过本地的频率搬移实现下变频后的OFDM信号中的子载波的选择性解调。
优选地，所述模块M1包括：
模块M1.1：对不同用户的原始比特流添加纠错码，并进行信号编码，得到编码后的比特流；
模块M1.2：将编码后的比特流中的每个比特进行星座图映射，得到映射后的复数值；
模块M1.3：对映射后的复数值进行子载波交织，得到交织后的复数值；
模块M1.4：对交织后的复数值进行IFFT变换，生成OFDM信号；
模块M1.5：将生成的OFDM信号通过发射机发送至用户终端；
所述模块M1.2包括：将编码后的比特流中的每个比特按照预设规则映射成星座点；
所述预设规则不限制调制阶数，包括BPSK、QPSK、或QAM；
所述模块M1.3包括：将映射后的复数值加载到FFT运算模块的对应通道上；FFT运算模块入口的编号由当前用户所在的子载波决定，当当前用户工作在第i个子载波，则此复数值加载在FFT的第i个通道上；在第N-i+1个通道上,输入相反数或相同的复数值，得到交织后的复数值；
所述模块M2包括：
模块M2.1：用户终端接收OFDM调制的射频信号，并对OFDM调制的射频信号进行下变频处理，得到下变频处理后的射频信号；
模块M2.2：利用混频器对下变频处理后的射频信号的频率进行微调，得到微调后的射频信号；
模块M2.3：微调后的射频信号利用带通滤波器分离出目标频率的子载波信号，并送入比较器进行幅度解调，转换成数字比特。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：通过利用电压偏置的二极管的混频效果，实现微瓦级功耗的下变频。利用额外的基带混频和
1、本发明通过无源器件二极管的使用，利用二极管的非线性效应，使得信号能超低功耗相干解调。该方法避免了传统有源接收机产生本振、混频的步骤，节约了解调功耗。实现了微瓦级超低功耗的实现相干解调；
2、本发明通过提出二极管和二次混频设计，在微瓦级功耗下，实现微瓦级别的OFDM接收机；
3、本发明通过整体的系统设计，包括发射机端对多用户比特流进行编码，接收机端进行下变频、混频、滤波等操作，首次在微瓦级功耗下实现OFDMA下行链路。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为超低功耗OFDMA下行链路用户端解调电路示意图；
图2为OFDMA下行链路系统示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
针对现有反向散射通信系统无法实现多用户下行链路问题，本发明提出了一种基于非线性混频的超低功耗OFDMA无线下行链路系统，其峰值功耗在20MHz的通信带宽下预计低于200微瓦。
实施例1
根据本发明提供的一种基于非线性混频的超低功耗OFDMA无线下行链路方法，包括：
步骤S1：不同用户的原始比特流通过编码、星座图映射、交织的方式加载在子载波上，生成OFDM信号，将生成的OFDM信号通过发射机发送至用户终端，使得不同的用户能够解调对应的信息而排出其他用户的干扰；
步骤S2：用户终端通过非线性器件对发射机发送的OFDM信号进行被动式的下变频，，并通过本地的频率搬移实现下变频后的OFDM信号中的子载波的选择性解调。
具体地，所述步骤S1包括：
步骤S1.1：对不同用户的原始比特流添加纠错码，并进行信号编码，得到编码后的比特流；
步骤S1.2：将编码后的比特流中的每个比特进行星座图映射，得到映射后的复数值；
具体地，所述步骤S1.2包括：将编码后的比特流中的每个比特按照预设规则映射成星座点；
所述预设规则不限制调制阶数，包括BPSK、QPSK、或QAM。
步骤S1.3：对映射后的复数值进行子载波交织，得到交织后的复数值；
具体地，所述步骤S1.3包括：将映射后的复数值加载到FFT运算模块的对应通道上；FFT运算模块入口的编号由当前用户所在的子载波决定，当当前用户工作在第i个子载波，则此复数值加载在FFT的第i个通道上；在第N-i+1个通道上,输入相反数或相同的复数值，得到交织后的复数值。具体规定如下：若传输的比特是1，则在对称的子载波，即N-i+1个bin上传输相同的复数值；若传输的比特是0，则在对称的子载波，即N-i+1个bin上传输相反的复数值。
在FFT模块的DC分量，即第一个通道上给一个复数值，该值的取值为符号库(星座图)里面模值最大的点对应的复数值。
步骤S1.4：对交织后的复数值进行IFFT变换，生成OFDM信号；
步骤S1.5：将生成的OFDM信号通过发射机发送至用户终端。
具体地，所述步骤S2包括：
部件1：二极管或其他具有非线性效应的无源器件，他们的非线性特征在于具有较大的二阶非线性参数。
部件2：射频开关/混频器，用于频率搬移。
部件3：无源滤波器，滤波器参数固定，筛选出所需的子载波信息。
部件4：无源RC积分电路，计算子载波信号的均值。
部件5：比较器，得到子载波能量和均值的比较结果。
具体地，所述步骤S2包括：
步骤S2.1：用户终端接收OFDM调制的射频信号，并对OFDM调制的射频信号进行下变频处理，得到下变频处理后的射频信号；
具体地，所述步骤S2.1包括：用户终端接收OFDM调制的射频信号，通过由电容和电感组成的阻抗匹配网络，再通过电压正向偏置的二极管进行低功耗下变频。
步骤S2.2：利用混频器/射频开关对下变频处理后的射频信号的频率进行微调，得到微调后的射频信号；
具体地，所述步骤S2.2包括：通过子载波频率i*BW/N对下变频处理后的射频信号的频率进行微调，其中，i表示分配得到的子载波编号；BW表示OFDM信号的总带宽；N表示OFDM调制时总子载波数量。以20MHz带宽，64个子载波为例，子载波频率为i*312.5kHz。
步骤S2.3：微调后的射频信号利用带通滤波器分离出目标频率的子载波信号，并送入比较器进行幅度解调，转换成数字比特。
具体地，所述步骤S2.3中比较器进行幅度解调包括：以OFDM的符号率对比较器得到的结果进行采样，得到的高电平对应比特1，得到低电平对应比特0。
更为具体地，如图1所示，电路的解调流程如下：射频信号从天线进入电路后经过阻抗匹配，被施加了偏置电压的二极管进行非线性变换，得到的信号被混频器以外部数字电路指定的频率进行频带搬移，得到的结果经过带通或低通滤波后，用无源的RC电路将其平均，并将两路信号施加给比较器得到子载波解码后的结果。
根据本发明提供的一种基于非线性混频的超低功耗OFDMA无线下行链路系统，包括：
模块M1：不同用户的原始比特流通过编码、星座图映射、交织的方式加载在子载波上，生成OFDM信号，将生成的OFDM信号通过发射机发送至用户终端，使得不同的用户能够解调对应的信息而排出其他用户的干扰；
模块M2：用户终端通过非线性器件对发射机发送的OFDM信号进行被动式的下变频，，并通过本地的频率搬移实现下变频后的OFDM信号中的子载波的选择性解调。
具体地，所述模块M1包括：
模块M1.1：对不同用户的原始比特流添加纠错码，并进行信号编码，得到编码后的比特流；
模块M1.2：将编码后的比特流中的每个比特进行星座图映射，得到映射后的复数值；
具体地，所述模块M1.2包括：将编码后的比特流中的每个比特按照预设规则映射成星座点；
所述预设规则不限制调制阶数，包括BPSK、QPSK、或QAM。
模块M1.3：对映射后的复数值进行子载波交织，得到交织后的复数值；
具体地，所述模块M1.3包括：将映射后的复数值加载到FFT运算模块的对应通道上；FFT运算模块入口的编号由当前用户所在的子载波决定，当当前用户工作在第i个子载波，则此复数值加载在FFT的第i个通道上；在第N-i+1个通道上,输入相反数或相同的复数值，得到交织后的复数值。具体规定如下：若传输的比特是1，则在对称的子载波，即N-i+1个bin上传输相同的复数值；若传输的比特是0，则在对称的子载波，即N-i+1个bin上传输相反的复数值。
在FFT模块的DC分量，即第一个通道上给一个复数值，该值的取值为符号库(星座图)里面模值最大的点对应的复数值。
模块M1.4：对交织后的复数值进行IFFT变换，生成OFDM信号；
模块M1.5：将生成的OFDM信号通过发射机发送至用户终端。
具体地，所述模块M2包括：
部件1：二极管或其他具有非线性效应的无源器件，他们的非线性特征在于具有较大的二阶非线性参数。
部件2：射频开关/混频器，用于频率搬移。
部件3：无源滤波器，滤波器参数固定，筛选出所需的子载波信息。
部件4：无源RC积分电路，计算子载波信号的均值。
部件5：比较器，得到子载波能量和均值的比较结果。
具体地，所述模块M2包括：
模块M2.1：用户终端接收OFDM调制的射频信号，并对OFDM调制的射频信号进行下变频处理，得到下变频处理后的射频信号；
具体地，所述模块M2.1包括：用户终端接收OFDM调制的射频信号，通过由电容和电感组成的阻抗匹配网络，再通过电压正向偏置的二极管进行低功耗下变频。
模块M2.2：利用混频器/射频开关对下变频处理后的射频信号的频率进行微调，得到微调后的射频信号；
具体地，所述模块M2.2包括：通过子载波频率i*BW/N对下变频处理后的射频信号的频率进行微调，其中，i表示分配得到的子载波编号；BW表示OFDM信号的总带宽；N表示OFDM调制时总子载波数量。以20MHz带宽，64个子载波为例，子载波频率为i*312.5kHz。
模块M2.3：微调后的射频信号利用带通滤波器分离出目标频率的子载波信号，并送入比较器进行幅度解调，转换成数字比特。
具体地，所述模块M2.3中比较器进行幅度解调包括：以OFDM的符号率对比较器得到的结果进行采样，得到的高电平对应比特1，得到低电平对应比特0。
更为具体地，如图1所示，电路的解调流程如下：射频信号从天线进入电路后经过阻抗匹配，被施加了偏置电压的二极管进行非线性变换，得到的信号被混频器以外部数字电路指定的频率进行频带搬移，得到的结果经过带通或低通滤波后，用无源的RC电路将其平均，并将两路信号施加给比较器得到子载波解码后的结果。
实施例2
实施例2是实施例1的优选例
本发明提供的一种基于非线性混频的超低功耗OFDMA无线下行链路方法，包括：
如图2所示，基站将每个用户的信息加载在不同的子载波上，采用OFDM调制广播。不同的用户利用本发明中的低功耗解调电路分离出分配给自己的子载波，取出自己的信息。
步骤一：部署一台可控制FFT输入端口的OFDM发射机。
步骤二：假设发送给每个标签的信息都已经经过纠错编码、信道编码，先需要将得到的比特0发送给工作在2号子信道的标签A，而将比特1发送给工作在5号子信道的标签B，FFT点数为64，带宽为20MHz，循环前缀长度为16。发射机选择星座点a+bj输入到FFT的第2个输入口，并选择星座点c+dj输入到FFT的第5个输入口；对应地将-a-bj输入到FFT的第63个输入口，并将星座点c+dj输入到FFT的第60个输入口。
步骤三：标签A进行解调和解码时，首先生成约78mV的偏置电压为二极管提供工作点；同时需要生成第2个子信道对应的频率，即312.5kHz，将其输入到混频器的输入端口，并以符号率20M/(64+16)＝250kHz对比较器的输出进行采样，得到高电平即为比特1，得到低电平即为比特0。
步骤四：标签B进行解调和解码时，首先生成约78mV的偏置电压为二极管提供工作点；同时需要生成第5个子信道对应的频率，即1.25MHz，将其输入到混频器的输入端口，并以符号率20M/(64+16)＝250kHz对比较器的输出进行采样，得到高电平即为比特1，得到低电平即为比特0。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种基于非线性混频的超低功耗OFDMA无线下行链路方法，其特征在于，包括：
步骤S1：不同用户的原始比特流通过编码、星座图映射、交织的方式加载在子载波上，生成OFDM信号，将生成的OFDM信号通过发射机发送至用户终端；
步骤S2：用户终端通过非线性器件对发射机发送的OFDM信号进行被动式的下变频，并通过本地的频率搬移实现下变频后的OFDM信号中的子载波的选择性解调；
所述步骤S1包括：
步骤S1.1：对不同用户的原始比特流添加纠错码，并进行信号编码，得到编码后的比特流；
步骤S1.2：将编码后的比特流中的每个比特进行星座图映射，得到映射后的复数值；
步骤S1.3：对映射后的复数值进行子载波交织，得到交织后的复数值；
步骤S1.4：对交织后的复数值进行IFFT变换，生成OFDM信号；
步骤S1.5：将生成的OFDM信号通过发射机发送至用户终端；
所述步骤S2包括：
步骤S2.1：用户终端接收OFDM调制的射频信号，并对OFDM调制的射频信号进行下变频处理，得到下变频处理后的射频信号；
步骤S2.2：利用混频器对下变频处理后的射频信号的频率进行微调，得到微调后的射频信号；
步骤S2.3：微调后的射频信号利用带通滤波器分离出目标频率的子载波信号，并送入比较器进行幅度解调，转换成数字比特。
2.根据权利要求1所述的基于非线性混频的超低功耗OFDMA无线下行链路方法，其特征在于，所述步骤S1.2包括：将编码后的比特流中的每个比特按照预设规则映射成星座点；
所述预设规则不限制调制阶数，包括BPSK、QPSK、或QAM。
3.根据权利要求1所述的基于非线性混频的超低功耗OFDMA无线下行链路方法，其特征在于，所述步骤S1.3包括：将映射后的复数值加载到FFT运算模块的对应通道上；FFT运算模块入口的编号由当前用户所在的子载波决定，当当前用户工作在第i个子载波，则此复数值加载在FFT的第i个通道上；在第N-i+1个通道上,输入相反数或相同的复数值，得到交织后的复数值。
4.根据权利要求1所述的基于非线性混频的超低功耗OFDMA无线下行链路方法，其特征在于，所述步骤S2.1包括：用户终端接收OFDM调制的射频信号，通过由电容和电感组成的阻抗匹配网络，再通过电压正向偏置的二极管进行低功耗下变频。
5.根据权利要求1所述的基于非线性混频的超低功耗OFDMA无线下行链路方法，其特征在于，所述步骤S2.2包括：通过子载波频率i*BW/N对下变频处理后的射频信号的频率进行微调，其中，i表示分配得到的子载波编号；BW表示OFDM信号的总带宽；N表示OFDM调制时总子载波数量。
6.根据权利要求1所述的基于非线性混频的超低功耗OFDMA无线下行链路方法，其特征在于，所述步骤S2.3中比较器进行幅度解调包括：以OFDM的符号率对比较器得到的结果进行采样，得到的高电平对应比特1，得到低电平对应比特0。
7.一种基于非线性混频的超低功耗OFDMA无线下行链路系统，其特征在于，包括：
模块M1：不同用户的原始比特流通过编码、星座图映射、交织的方式加载在子载波上，生成OFDM信号，将生成的OFDM信号通过发射机发送至用户终端；
模块M2：用户终端通过非线性器件对发射机发送的OFDM信号进行被动式的下变频，并通过本地的频率搬移实现下变频后的OFDM信号中的子载波的选择性解调；
所述模块M1包括：
模块M1.1：对不同用户的原始比特流添加纠错码，并进行信号编码，得到编码后的比特流；
模块M1.2：将编码后的比特流中的每个比特进行星座图映射，得到映射后的复数值；
模块M1.3：对映射后的复数值进行子载波交织，得到交织后的复数值；
模块M1.4：对交织后的复数值进行IFFT变换，生成OFDM信号；
模块M1.5：将生成的OFDM信号通过发射机发送至用户终端；
所述模块M1.2包括：将编码后的比特流中的每个比特按照预设规则映射成星座点；
所述预设规则不限制调制阶数，包括BPSK、QPSK、或QAM；
所述模块M1.3包括：将映射后的复数值加载到FFT运算模块的对应通道上；FFT运算模块入口的编号由当前用户所在的子载波决定，当当前用户工作在第i个子载波，则此复数值加载在FFT的第i个通道上；在第N-i+1个通道上,输入相反数或相同的复数值，得到交织后的复数值；
所述模块M2包括：
模块M2.1：用户终端接收OFDM调制的射频信号，并对OFDM调制的射频信号进行下变频处理，得到下变频处理后的射频信号；
模块M2.2：利用混频器对下变频处理后的射频信号的频率进行微调，得到微调后的射频信号；
模块M2.3：微调后的射频信号利用带通滤波器分离出目标频率的子载波信号，并送入比较器进行幅度解调，转换成数字比特。
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