CN113726347A - 用于线性调频调制无线电信号的发射机、接收机和方法 - Google Patents

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Abstract

线性调频调制无线电信号的发射机、接收机和方法。用于线性调频调制无线电信号的发射机，包括：线性调频生成器，被配置为生成一系列线性调频信号，其中每个线性调频携带被编码为循环移位的信息的元素，并且具有对依赖于线性调频的循环移位的纠错码进行编码的相位；进一步包括被配置为将一系列线性调频调制到无线电信号上的调制器和发射无线电信号的无线电发射机。用于线性调频调制无线电信号的接收机，包括时钟单元和被配置用于解调一系列接收的线性调频信号的解调器，该解调器具有去线性调频单元，该去线性调频单元被配置用于基于接收的线性调频的相位确定每个接收的线性调频相对于基本线性调频和纠错码的循环移位，该接收机具有同步校正单元。

Description

用于线性调频调制无线电信号的发射机、接收机和方法
技术领域
在实施例中，本发明涉及用于线性调频调制的扩频无线电信号的接收机和发射机。
相关技术
无线电通信领域中的已知问题是，尽管无线电信道中存在干扰、衰落和衰减，但仍在更大的距离上无线交换数据。当无线通信被用于连接便携式设备、器具和传感器时，如作为越来越多的情况，存在减少电力消耗的附加要求。如LoRa调制所体现的线性调频调制信号例如已经成功地用在该背景中。
线性调频调制信号被用在Semtech公司的LoRaTM RF技术中，在本公开的下文中，该LoRaTM RF技术将被简称为LoRa。如除其他文件之外尤其文件EP 2763321 A1、EP 3264622A1和EP 2449690 A1所公开的，LoRa是基于通过一个“基本”符号的循环移位获得的符号的发射和接收，该“基本”符号是具有确定的斜率和带宽的频率线性调频。
文件US 8971379 B2公开了一种线性调频扩频通信系统，其中数据由包括线性调频的符号发射，线性调频由斜率、循环移位和复相移来表征。
从US 6549562 B1还已知在各种射频电路中生成线性调频，US 6549562 B1描述了一种用于生成调制线性调频信号的方法，而EP 0952713 A2公开了一种基于线性调频信号的同步过程。
除其他之外尤其US 6940893 B1和US 6614853 B1公开了通过使脉冲信号通过波散滤波器来生成和使用线性调频信号，以及基于此的通信方案。
在机器对机器通信中使用线性调频调制无线电信号的明显优点是它们也可以由具有低功率消耗和处理速度的设备来解调和处理。然而，需要改进接收机的检错和纠错能力，以及将接收机的内部时间基准与发射机侧的时间基准对准的能力。
虽然LoRa通信系统具有检测和校正发射机和接收机之间的时间或频率同步误差的能力，但这限于以时间表述的小于一个采样周期的误差。较大的误差不照此被检测到，而是被接收机感知为循环移位，从而创建整数个调制值的解调误差。
虽然LoRa数据帧包括允许检测和校正此类误差的校正码，但这些误差不应出现在每个符号上。每个帧的开始符号不能被这样校正，因为开始时的误差将传播到所有符号。这同样适用于在帧内部信号衰落之后接收的第一个符号。
本发明的目的是提供一种调制方法和对应的接收机，其能够以简单的架构履行这些任务，并且因此能够以低成本生产并且大量部署。
发明内容
根据本发明，这些目的通过所附权利要求的目标来实现，并且尤其是通过以下各项来实现：一种用于线性调频调制无线电信号的发射机，该发射机包括：线性调频生成器，被配置为生成一系列线性调频信号，其中每个线性调频携带被编码为循环移位的信息元素，并且具有对依赖于线性调频的循环移位的纠错码进行编码的相位；该发射机进一步包括被配置为将一系列线性调频调制到无线电信号上的调制器和发射无线电信号的无线电发射机；以及一种用于线性调频调制无线电信号的接收机，包括时钟单元和被配置用于解调一系列接收的线性调频信号的解调器，该解调器具有去线性调频单元，该去线性调频单元被配置用于基于接收的线性调频的相位确定每个接收的线性调频相对于基本线性调频和纠错码的循环移位，该接收机具有同步校正单元，该同步校正单元被配置用于基于纠错码检测和/或校正时钟单元中的误差；以及对应的方法。
从属权利要求涉及本发明的有利但非必要的元素，包括在线性调频中引入的相位偏移，其中纠错码被添加到对准项，该对准项以二次方式依赖于每个线性调频的循环移位，由此对准项补偿由循环移位引入的相移，以及一种确定接收到的线性调频中的循环移位的方法，该方法包括通过将接收到的线性调频乘以基本线性调频的复共轭来计算振荡数字信号，通过傅立叶变换确定振荡信号的主频率，并从主频率推导出循环移位，将线性调频分类到发射机中的子类集合中，并基于子类确定它们的相位调制或相位改变。同样，本发明的接收机可以被布置成基于连续线性调频之间的相位差来检错和纠错，并且基于它们的调制值将接收到的线性调频分类成子类。
附图说明
本发明的示例性实施例在说明书中被公开并且通过附图被图示，其中：
图1以示意简化的方式示出了根据本发明一个方面的无线电调制解调器的结构。
图2a绘制了根据本发明一个方面的基本线性调频和调制线性调频的瞬时频率。相同信号的相位在图2b中表示，并且图2c在时域中以及在基带表示中绘制了基本线性调频和调制线性调频的复分量的实部和虚部。
图3示意性地表示了在本发明的帧中两个设备之间交换的数据帧的结构。
图4是示出本发明实施例中调制值和线性调频相位之间关系的曲线图。
本发明实施例的示例
在欧洲专利EP2449690中描述了在本发明中采用的线性调频调制技术的几个方面，该欧洲专利特此通过引用被并入，并且在此将被简要地提醒。图1中示意性表示的无线电收发机是本发明的可能实施例。收发机包括基带区段200和射频区段100。它包括基带调制器150，基带调制器150基于其输入处的数字数据152生成基带复信号。然后由RF区段100将其转换成所期望的发射频率，由功率放大器120放大，并由天线发射。
一旦信号在无线电链路的另一端上被接收，它就被图1的收发机的接收部分处理，该接收部分包括低噪声放大器160，继之以下变频级170，该下变频级170生成包括一系列线性调频的基带信号（其也是例如由两个分量I、Q表示的复信号），然后被基带处理器180处理，该基带处理器180的功能与调制器150的功能相反，并提供重构的数字信号182。
如在EP2449690中讨论的，待处理的信号包括一系列线性调频，该一系列线性调频的频率沿着预定的时间间隔从初始瞬时值f 0改变到最终瞬时频率f 1。为了简化描述，将假设所有线性调频具有相同的持续时间T，尽管这不是本发明的绝对要求。
基带信号中的线性调频可以由它们瞬时频率的时间分布
Figure 36312DEST_PATH_IMAGE001
来描述，或者也可以由函数
Figure 953453DEST_PATH_IMAGE002
来描述，该函数
Figure 733190DEST_PATH_IMAGE003
将信号的相位定义为时间的函数。重要的是，处理器180被布置成处理和识别具有多个不同分布的线性调频，每个分布对应于预定调制字母表中的一个符号。
根据本发明的重要特征，接收信号Rx可以包括基本线性调频（在下文中也称为未调制线性调频），该基本线性调频（在下文中也称为未调制线性调频）具有特定的和预定义的频率分布，或者是可能的调制线性调频集合之中的一个，该可能的调制线性调频集合是通过循环地时移基本频率分布从基本线性调频获得的。图2a和图2b通过示例方式图示了基本线性调频以及一个调制线性调频在线性调频开始的时刻
Figure 128399DEST_PATH_IMAGE004
和线性调频结束的时刻
Figure 270667DEST_PATH_IMAGE005
之间的可能的频率和相位分布，而图2c示出了时域中对应的基带信号。水平标度例如对应于一个符号，并且尽管曲线图被绘制为连续，但在具体实现中，它们实际上表示有限数量的离散样本。至于垂直标度，它们被标准化为预期带宽或对应的相位跨度。相位在图2b中被表示为好像它是无界变量，但是在具体实现中，它实际上可能跨越几个转动圈数（revolution）。
在描绘的示例中，基本线性调频的频率从初始值
Figure 93130DEST_PATH_IMAGE006
线性增加到最终值
Figure 360163DEST_PATH_IMAGE007
，其中BW标示带宽扩展，但是下降线性调频或其他码片分布也是可能的。因此，信息以线性调频的形式被编码，该线性调频相对于预定的基本线性调频具有多个可能的循环移位之中的一个，每个循环移位对应于可能的调制符号，或者换句话说，处理器180需要处理包括多个频率线性调频的信号——所述多个频率线性调频是基本线性调频分布的循环时移副本，并且提取在所述时移序列中被编码的消息。
图2c是时域中对应于基本线性调频的基带信号的实部和虚部I和Q的曲线图。
如下文中将更清楚的，信号还可以包括共轭线性调频，该共轭线性调频是基本未调制线性调频的复共轭。人们可以把这些看作是下线性调频，其中频率从
Figure 559063DEST_PATH_IMAGE008
下落到
Figure 227942DEST_PATH_IMAGE009
。
评估接收到的线性调频相对于本地时间基准的时移的操作在下文中可以称为“去线性调频”，并且可以有利地通过去扩展步骤来实行，该去扩展步骤涉及一个样本接一个样本地将接收到的线性调频乘以本地生成的基本线性调频的复共轭。这引起了振荡数字信号，振荡数字信号的主频率可以示出为与接收到的线性调频的循环移位成比例。解调然后可以涉及解扩信号的傅立叶变换。傅立叶最大值的位置是循环移位和调制值的量度。在数学术语中，用
Figure 345940DEST_PATH_IMAGE010
标示第k个接收符号，其中k是符号索引，并且j是样本索引，对应的调制值由
Figure 100269DEST_PATH_IMAGE011
给出，其中
Figure 837281DEST_PATH_IMAGE012
标示
Figure 360666DEST_PATH_IMAGE010
和基本线性调频的共轭
Figure 790511DEST_PATH_IMAGE013
之间的乘积的傅立叶变换。然而，解调信号和提取每个符号的循环移位的其他方式也是可能的。
优选地，由本发明发射和接收的信号被组织在帧中，该帧包括适当编码的前导码和数据区段。前导码和数据区段包括一系列调制和/或未调制的线性调频，这允许接收机将其时间基准与发射机的时间基准进行时间对准，检索信息元素，执行动作或执行命令。在本发明的帧中，取决于除其他之外尤其信道条件、发射的数据或命令，数据帧可能有几种结构。图3示意性地表示了可以在本发明各个方面中采用的帧结构。
在呈现的示例中，帧具有前导码，继之以数据报头415和数据有效载荷416。前导码以基本（即，未调制或在循环移位等于零的情况下的）符号的检测序列411开始。检测序列411在接收机中用于检测信号的开始，并且优选地，执行其时间基准与发射机中的时间基准的第一次同步。通过解调检测序列，接收机可以确定移位量，并使其时钟的频率和相位与发送器的频率和相位相适应，从而允许对后续数据进行解码。
检测序列的末端由一个或多个（优选两个）帧同步符号412标记，该帧同步符号412是用预定值调制的线性调频，例如第一个线性调频具有为4的调制值，并且第二个线性调频具有相反的调制N‐4。如EP 2763321 A1和EP 3264622 A1所公开的，这些调制符号用于取得帧同步。
频率同步符号413由一个或多个（优选两个）线性调频组成，所述一个或多个（优选两个）线性调频是基本未调制线性调频的复共轭，因此它们具有与所有其它符号相反的斜率。优选地，在这些符号之后是静默420，以允许接收机的对准，作为未调制的基本线性调频的精细同步符号414用于评估和校正残余定时漂移。
根据本发明的重要方面，信息由符号发射，每个符号是具有确定长度和斜率的线性调频，并且信息以符号的循环移位进行编码，如在标准LoRa调制中，并且除了通过循环移位进行的该调制之外，每个符号还与用于向接收机发射纠错码的给定相位偏移进行合成。
在原始LoRa调制中，每个符号的复相位是对未确定的偏移取模定义的。在许多实现中，例如其中符号由压控振荡器合成的那些实现，相位永远不可以示出不连续，并且每个符号具有由其循环移位隐含确定的初始相位，使得相位在符号边界处是连续的，如图2b中所示。然而，该要求可以放宽，并且每个符号可以用任意相位偏移合成。在下文中，措辞“线性调频的相位”可以指代整个线性调频相对于符号间连续性所需相位的相位偏移。
根据本发明的方面，在去线性调频操作之后，根据傅立叶变换峰值处的相位来评估相位。如果
Figure 861497DEST_PATH_IMAGE014
标示傅里叶变换并且
Figure 136621DEST_PATH_IMAGE015
标示调制值，那么每个符号的相位可以由
Figure 780091DEST_PATH_IMAGE016
确定。尽管估计相位的其它方式是可能的，并且对本发明是可用的，但是在频谱
Figure 115258DEST_PATH_IMAGE017
已经可用并且相对不受噪声影响的情况下，该算法是方便的。
定义“标准”相移
Figure 844179DEST_PATH_IMAGE018
是方便的，该“标准”相移
Figure 188573DEST_PATH_IMAGE019
以这样的方式依赖于调制值m，使得每个解调峰值在去线性调频和傅立叶变换之后示出相同的相位。标准相移可以视为对准相位项。在提供所有符号具有相同的斜率和相同的持续时间的情况下，它以二次方式依赖于调制值（循环移位），并且实际上与通过要求符号间相位连续性而隐含引入的相移相同。
根据本发明的方面，每个符号的相位偏移包括对准项，以及相加到其的相位调制项，该相位调制项对纠错码进行编码，接收机可以使用该纠错码来检测和/或校正其时钟和发射机时钟之间的同步缺失（时间或频率上的未对准）。如引言中提及的，在标准LoRa调制中，由多于一个样本引起的符号中的时间未对准与调制引起的循环移位是不可区分的。本发明在符号中引入冗余信息，这允许克服该缺点。
相移可以用包括通过在去线性调频和傅立叶变换之后查看解调峰值的相位的各种方式在接收机处解调。因为符号包括对准项，所以接收机可以通过比较相应调制峰值的相位
Figure 217709DEST_PATH_IMAGE020
来确定两个符号中的相移之间的差。
通过以各种方式引入依赖于循环移位的相移，可以获得期望的检测和校正，使得当接收机解调符号时，可以比较循环移位和相移，并且可以将同步误差与正常调制区分。
在本发明的可能的实施例中，可能的调制值例如根据通过调制值（循环移位）模给定除法器获得的余数被划分成几个子类，并且不能被检测或校正。然后，接收机可以根据在不具有相同调制值的两个符号的调制峰值相位之间的差来确定同步误差。
例如，根据调制值模三的余数，调制值可以划分为三个子类：C0、C1和C2。每个子类都关联了相位值。
Figure 254935DEST_PATH_IMAGE021
表1。
通过该布置，两个符号之间的相位差由它们的子类确定。图4是示出根据本发明的该变型的调制值
Figure 533470DEST_PATH_IMAGE022
和线性调频相位之间的关系的曲线图。每个线性调频的相位是相位调制项
Figure 415975DEST_PATH_IMAGE023
和上面引入的二次对准项
Figure 768459DEST_PATH_IMAGE024
的和，所述相位调制项
Figure 711007DEST_PATH_IMAGE025
和上面引入的二次对准项
Figure 148942DEST_PATH_IMAGE026
依赖于如表1中所示的子类。
例如，相当于一个采样时间的同步误差将使接收到的调制值移位，并变更符号所属的子类，但对它们的相对相位差将没有影响。因此，可以根据属于不同子类的两个或更多个符号的观察来检测和校正同步误差。接收机被布置成将接收到的符号分类到相应的子类中，确定它们的相位差，并将相位差与表1的相位差进行比较。该比较提供了包含在-1和+1之间的误差的同步状态，如表2所示。
相位差
Figure 192728DEST_PATH_IMAGE027
表2
没有示出情况[C0、C1]、[C0、C2]、[C1、C2]，因为它们与示出的情况相反。
用具体的示例来确定观点，如果具有为87和46的调制值的两个连续符号以接近+120º的相位差被接收，也就是说，具有循环移位46的符号的相位比具有循环移位87的符号的相位高120º。接收机可以确定它们属于子类C1和C0，并且同步误差为-1。因此，正确的调制值是47和88。
可以设计类似的模式来增加同步误差的校正范围。例如，根据调制值模5的余数将符号划分成五个子类允许±2、±1或0的同步误差的检测。
Figure 665297DEST_PATH_IMAGE028
表3。
在该布置的情况下，接收机可以检测和校正范围从-2到+2调制位置的误差。
相位差
Figure 778747DEST_PATH_IMAGE029
表4。
在本发明的变型中，相位被差分编码：调制符号再次被划分成子类，并且每个子类与相对于先前符号的相位的相位改变相关联。该模式允许不受限制地从两个符号的观察中检测同步误差，并且在一些使用情况下可能比先前的示例更稳健，例如如果误差在第一个接收到的符号中或者当循环移位在一系列符号中重复自身时。
与在先前的示例中一样，调制符号可以根据调制值模三的余数细分为三个子类。每个子类都关联了相对于在前符号相位的相位改变值。
Figure 703978DEST_PATH_IMAGE030
表5。
在该模式中，两个连续符号之间的相位差由第二个符号的子类唯一确定，如下表中所示
Figure 928286DEST_PATH_IMAGE031
表6。
概念可以扩展到五个子类，以检测-2，…，+2范围中的误差
Figure 989783DEST_PATH_IMAGE032
表7。
一般来说，差分编码变体允许通过将符号划分成n个子类来检测-n和+n之间的误差，每个子类都关联了相位改变
Figure 274133DEST_PATH_IMAGE033
，其中
Figure 686660DEST_PATH_IMAGE034
。

Claims (15)

1.一种用于线性调频调制无线电信号的发射机，所述发射机包括：线性调频生成器，被配置为生成一系列线性调频信号，其中每个线性调频携带被编码为循环移位的信息的元素，并且具有对依赖于线性调频的循环移位的纠错码进行编码的相位；所述发射机进一步包括被配置为将一系列线性调频信号调制到无线电信号上的调制器和发射无线电信号的无线电发射机。
2.根据权利要求2所述的发射机，其中，线性调频的相位是编码纠错码的相位调制项和以二次方式依赖于每个线性调频的循环移位的对准项的总和，由此对准项补偿由循环移位引入的相移。
3.根据权利要求3所述的发射机，其中，线性调频生成器被配置为基于每个线性调频的循环移位将线性调频分类成子类集合，并且基于每个线性调频的子类确定每个线性调频的相位调制项。
4.根据权利要求2所述的发射机，其中，线性调频生成器被配置为基于每个线性调频的循环移位，将线性调频分类成子类集合，并且基于每个线性调频的子类，为每个线性调频确定相位改变，其中，每个线性调频的相位改变与在前线性调频的相位相加确定每个线性调频的相位调制。
5.一种用于线性调频调制无线电信号的接收机，包括时钟单元和被配置用于解调一系列接收到的线性调频信号的解调器，所述解调器具有去线性调频单元，所述去线性调频单元被配置用于基于接收到的线性调频的相位确定每个接收到的线性调频相对于基本线性调频和纠错码的循环移位，所述接收机具有同步校正单元，所述同步校正单元被配置为基于纠错码检测和/或校正时钟单元中的误差。
6.根据权利要求5所述的接收机，其中确定循环移位的步骤包括通过将接收到的线性调频的每个样本与基本线性调频的复共轭的对应样本相乘来计算振荡信号，计算振荡信号的傅立叶变换，确定傅立叶变换中的峰值位置。
7.根据权利要求6所述的接收机，其中确定纠错码的步骤包括确定峰值位置处的傅立叶变换的复相位。
8.根据权利要求5所述的接收机，其中，同步校正单元被配置用于基于连续线性调频中的纠错码来校正接收到的线性调频的循环移位和/或调整接收机的时钟单元。
9.根据权利要求8所述的接收机，其中，同步校正单元被布置成基于它们的估计循环移位将接收到的线性调频分类成子类，并且基于连续线性调频之间的相位差来确定同步。
10.一种将数据作为线性调频调制无线电信号发射的方法，包括：
• 生成一系列线性调频，所述一系列线性调频各自具有循环移位编码数据和相位；
• 其中每个线性调频的相位对依赖于线性调频的循环移位的纠错码进行编码；
• 在无线电信号中发射一系列线性调频。
11.根据权利要求10所述的方法，包括
• 在接收机中接收无线电信号，解调一系列接收到的线性调频信号；
• 确定每个接收到的线性调频信号的循环移位；
• 基于接收到的线性调频信号的相位确定纠错码；和
• 基于纠错码检测和/或校正时间误差或频率误差。
12.根据权利要求11所述的方法，包括确定在线性调频信号中引入的相位偏移，其包括将纠错码相加到对准项，所述对准项以二次方式依赖于每个线性调频信号的循环移位，由此所述对准项补偿由循环移位引入的相移。
13.根据权利要求12所述的方法，包括基于在连续线性调频中的纠错码之间的差异来校正接收到的线性调频的循环移位和/或调整接收机的时钟单元。
14.根据权利要求12所述的方法，包括基于每个线性调频的循环移位将线性调频分类成子类集合，并基于每个线性调频的子类确定每个线性调频的相位调制项。
15.根据权利要求12所述的方法，包括基于每个线性调频的循环移位，将线性调频分类成子类集合，并且基于每个线性调频的子类，为每个线性调频确定相位改变，其中，每个线性调频的相位改变与在前线性调频的相位相加确定每个线性调频的相位调制。
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