CN114978825A - 一种反向散射通信符号定时同步系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种反向散射通信符号定时同步系统及方法。本发明所述第二设备在其待发送数据中按预先设计的数据格式插入特定字段便于第一设备接收，第一设备接收时可采用互相关确定特定字段的起始采样点位置。然后，第一设备利用不同字段间起始采样点间隔与其符号间隔估计得到第二设备晶振频率偏移，并据此计算重采样因子。最后，第一设备依据重采样因子对接收信号进行重采样，并进行固定间隔抽取采样点作为同步后符号。本发明提供的系统与方法实施简单，通用性强，灵活性高，对提高反向散射通信性能具有重要意义。

Description

一种反向散射通信符号定时同步系统及方法

技术领域

本发明涉及物联网及反向散射通信技术领域，特别是涉及一种反向散射通信符号定时同步系统及方法。

背景技术

反向散射是指将波或者信号从入射方向反射回去。反向散射技术在射频识别系统和雷达系统有广泛且成熟的应用。射频识别系统中的读写器利用反向散射技术，通过射频信号空间耦合的方式与标签进行信息交互，实现非接触式信息识别。目前已广泛应用于非接触式识别卡、电子不停车收费系统、身份识别、门禁系统、仓库管理等领域。

反向散射通信的原理在于无线节点不产生射频信号，通过调制入射至无线节点(本发明中亦称为第二设备)的射频信号产生反射信号，从而实现近乎无源的通信。一般来说，传统反向散射通信系统工作时发送端(本发明中亦称为第一设备)需不断地为无线节点提供载波和能量，无线节点在收到载波信号后，通过控制和改变天线的负载阻抗产生反射信号。因此，传统反向散射通信的灵活性仍然受限。反向散射通信的另一种实现方案是使用存在无线节点附近环境中的射频信号，例如WiFi、蜂窝通信、调幅/调频无线电、数字电视信号等，这种实现方案称为环境反向散射通信。在缺少专用发送端提供能量和载波的情况下，无线节点通过利用环境中的现有射频信号，实现低功耗反向散射通信。在典型的物联网无线节点中结合反向散射通信技术，为实现更低功耗无线通信提供解决方案，达到延长物联网设备电池寿命的目的。

在通信系统中，接收端为从接收信号中恢复数据信号，需要对解调后的输出信号以符号速率进行周期性的采样和判决。接收端产生一个与收到的数字基带信号符号速率同步的时钟信号，以得到准确的采样时刻。在实际系统中，接收端和发送端间还存在频率偏移，接收机采样时钟必须实时地调整其时钟频率及定时相位来弥补此频率偏移，以保证获得输出信号的最佳采样时刻。因此，符号定时同步是通信系统中接收端所要完成的关键功能之一。

现有反向散射通信系统(特别是射频识别系统)受成本及功耗限制，其无线节点采用的微处理单元晶振精度较低且不稳定，与接收端存在一定的频率偏移。现有系统主要基于无线节点数据量小，反射信号长度短等特点设计接收和处理流程，导致其可扩展性较差且难以适配不同场景需求。例如，在射频识别系统中无线节点支持发送最长为96比特的电子产品代码数据，接收端则大多以接收信号能量最大为目标，估计平均符号采样点数，从而对反向散射数据进行符号定时同步。该方案精度有限，复杂度随无线节点发送数据长度增加而增加，仅在数据量较小的场景下能发挥作用。

传统数字通信系统中同步模块基于锁相环结构，针对发送端调制方案的差异，因地制宜地设计符号同步算法。这种符号定时同步模块实时跟踪信号频率偏移，并及时调整最佳采样时刻，但也存在环路进入稳态慢及频偏区间受限导致的同步失败等缺陷。传统同步算法还存在难以有效适配不同编码方案的问题。例如，在支持空时编码的无线节点上，其发送信号星座图一般无法对应现有调制方案的星座图，该情形下接收端的符号同步方案需重新考虑和设计。

另一方面，传统反向散射通信基于传输数据少等特点设计数据帧结构，在数据字段前放置单个前导字段结构。该方案仅适用于定位帧起始位置，并存在格式不灵活、不便于调整等问题。因此，需补充设计灵活可调的传输数据格式，根据不同场景需求采用对应的数据帧结构，配合相应的符号定时同步方案使用。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种反向散射通信符号定时同步系统。本发明所述的第一设备能够通过简单的处理和计算估计第二设备晶振频率偏移量，产生周期性采样时刻调整反向散射信号，达到符号定时同步目的，能够获取符号最佳采样时刻，可满足不同应用场景及不同调制编码方案下反向散射通信需求。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案为：

一种反向散射信号通信符号定时同步系统，其特征在于：包括第一设备和第二设备，其中：

第一设备用于产生特定中心频率的载波信号；

第二设备用于接收载波信号以及产生待发送数据信号以实现反向散射通信。

在上述方案的基础上，所述第一设备中设有发射单元、接收单元和处理单元，其中：

所述发射单元用于调制数字基带信号，并将已调信号发射至空间；

所述接收单元用于从空间中接收已调信号，并将其解调为数字基带信号；

所述处理单元用于产生和处理数字基带信号，包括估计第二设备晶振频率偏移量及完成符号定时同步。

在上述方案的基础上，所述第二设备支持反向散射通信，设备包含带有晶振的微处理单元。

本发明的另外一个目的在于提供一种反向散射通信符号定时同步方法。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种反向散射通信符号定时同步方法，具体包括如下步骤：

步骤一：第二设备根据所设计数据格式产生待发送信号；

步骤二：第一设备发送载波信号至第二设备；

步骤三：第二设备将待发送数据调制到载波信号上，并向第一设备反向散射该信号；

步骤四：第一设备接收并对第二设备反向散射信号进行采样；

步骤五：第一设备将采样信号送入处理单元，计算采样信号与特定字段的互相关值，并根据互相关结果估计第二设备晶振频率偏移量；

步骤六：第一设备处理单元根据晶振频率偏移估计结果，对反射信号进行插值和抽取，实现符号定时同步。

在上述方案的基础上，步骤一所设计的数据格式为：在数据特定位置分别插入第一字段x_P及第二字段x_S，由公式(1)表示：

其中，上标T为转置，K为第二字段首位符号与第一字段末位符号间隔的符号数，x_P＝[x_P[1]，…，x_P[K_p]]^T为第一字段，K_p为第一字段长度，x_S＝[x_S[1]，…，x_S[K_S]]^T为第二字段，K_S为第二字段长度，x_D＝[x_D[1]，…，x_D[K_D]]^T为有效数据字段，K_D为有效数据字段长度，当K∈[1，K_D-1]时，有效数据字段x_D可进一步被划分为两个子字段，

为有效数据第一子字段，

为有效数据第二子字段；所述第一设备可通过一定方式获得第一字段x_P及第二字段x_S；

所述第一设备处理单元本地预存第一字段x_P及第二字段x_S。

在上述方案的基础上，步骤四中第一设备接收单元模数转换器(ADC)以采样速率f_ADC对反向散射信号r(t)进行采样，得到信号r[n]，其中，t为时间，n为采样点。

在上述方案的基础上，步骤五中第一设备将采样信号r[n]送入处理单元后，首先，依据公式(2)和(3)分别计算采样信号r[n]与第一字段x_P[k]，1≤k≤K_P及第二字段x_S[k]，1≤k≤K_S的互相关最大值对应的采样点，并将其作为第一字段起始采样点

及第二字段起始采样点

其中，k为符号，|·|为取模运算符，

L_P为第一字段互相关窗口长度，

L_S为第二字段互相关窗口长度，L_S≤2U(K_P+K)+2，U为反向散射信号理论每符号采样点数，可由公式(4)计算得到：

其中，f_ADC为第一设备ADC采样速率，f_BLF为第二设备反向链路频率；

接着，将互相关结果中的第一字段起始采样点

及第二字段起始采样点

代入公式(5)，计算反向散射信号实际每符号采样点数V：

其中，K_P为第一字段长度，K为第二字段首位符号与第一字段末位符号间隔的符号数；

最后，根据反向散射信号实际每符号采样点数V及理论每符号采样点数U，由公式(6)估计第二设备晶振频率偏移量ρ：

在上述方案的基础上，步骤六所述第一设备根据晶振频率偏移量估计结果，对反向散射信号进行符号定时同步，包括：

所述第一设备根据晶振频率偏移量估计结果ρ，基于多种准则计算插值因子Q和抽取因子P；第一设备对采样信号r[n]进行Q倍插值再进行P倍抽取，得到重采样信号z[n]，典型的插值及抽取过程可通过有限长单位脉冲响应滤波器实现；

所述第一设备依据公式(7)将重采样信号z[n]按照固定间隔抽取采样点，得到经过符号定时同步的信号y[k]：

y[k]＝z[n]|_n＝k.U (7)，

其中，n为采样点，k为符号，U为理论每符号采样点数。

本发明技术方案带来的有益效果为：

采用本发明提供的反向散射通信符号定时同步方法，第一设备通过简单的处理和计算估计第二设备晶振频率偏移，实施简单，通用性强，灵活度高，对提高反向散射通信性能具有重要意义。

附图说明

本发明有如下附图：

图1本发明一种反向散射通信符号定时同步方法中反向散射通信系统结构框图。

图2本发明一种反向散射通信符号定时同步方法中第二设备待发送数据信号示意图。

图3本发明一种反向散射通信符号定时同步方法获得的接收信噪比与符号错误概率曲线仿真图。

图4本发明一种反向散射通信符号定时同步方法流程框图。

具体实施方式

下面结合附图1～3和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

在反向散射通信系统中，考虑第二设备调制编码方案差异性，本发明设计了一种通用符号定时同步系统及定时同步方法：

首先，第二设备在其待发送数据中按预先设计的数据格式插入特定字段便于第一设备接收，第一设备接收时可采用互相关确定特定字段的起始采样点位置。

其次，第一设备利用不同字段间起始采样点间隔与其符号间隔估计得到第二设备晶振频率偏移，并据此计算重采样因子。

最后，第一设备依据重采样因子对接收信号进行重采样，并进行固定间隔抽取采样点作为同步后符号，实现通用且灵活的符号定时同步功能。

一种反向散射通信符号定时同步系统如附图1所示，包括：

由发射单元、接收单元和处理单元构成的第一设备以及第二设备；

所述第一设备用于产生特定中心频率(如915MHz)的载波信号；所述发射单元用于调制数字基带信号，并将已调信号发射至空间；所述接收单元用于从空间中接收已调信号，并将其解调为数字基带信号；所述处理单元用于产生和处理数字基带信号，包括估计第二设备晶振频率偏移量及完成符号定时同步；所述第二设备用于接收载波信号以及产生待发送数据信号以实现反向散射通信；

所述反向散射通信系统的工作原理为：

第一设备实现了读写器功能，并产生射频信号并发送，第二设备产生待发送数据信号，以反向散射方式调制到第一设备发送的载波信号上，得到反向散射信号。第一设备接收单元接收反向散射信号后送入处理单元。

采用上述方案的反向散射通信符号定时同步方法，包括以下步骤：

步骤一：第二设备根据所设计数据格式产生待发送信号；

步骤二：第一设备发送载波信号至第二设备；

步骤三：第二设备将待发送数据调制到载波信号上，并向第一设备反向散射该信号；

步骤四：第一设备接收并对第二设备反向散射信号进行采样；

步骤五：第一设备将采样信号送入处理单元，计算采样信号与特定字段的互相关值，并根据互相关结果估计第二设备晶振频率偏移量；

步骤六：第一设备处理单元根据晶振频率偏移估计结果，对反射信号进行插值和抽取，实现符号定时同步。

所述步骤一中所设计数据格式如附图2所示：

所述待发送数据信号中，当K＝0即第二字段首位符号与第一字段末位符号间隔的符号数为0时，第一字段

后紧跟第二字段

有效数据字段

位于第二字段

后；当K＝K_D即第二字段首位符号与第一字段末位符号间隔的符号数为K_D时，第一字段

后紧跟有效数据字段

第二字段

位于有效数据字段后；当K∈[1，K_D-1]即第二字段首位符号与第一字段末位符号间隔的符号数大于1且小于K_D时，有效数据字段

此时被进一步划分为第一和第二子字段

和

第一字段

后紧跟有效数据第一子字段

有效数据第一子字段

后紧跟第二字段

有效数据第二子字段

位于第二字段

后；

此外，所述待发送数据信号还包括但不限于含多个有效数据字段，扩展例中第一字段

后紧跟有效数据字段

字段

位于有效数据字段

后，字段

后紧跟另一有效数据字段

信号末尾添加第二字段

此时，字段

可作为第二字段与

配对使用，也可作为第一字段与

配对使用，用于估计第二设备晶振频率偏移量。

下面以反向链路频率f_BLF＝1MHz及第一设备ADC采样速率f_ADC＝10MHz为例，计算所述晶振频率偏移估计量，并对反向散射信号进行符号定时同步，包括：

所述步骤六中利用反向散射信号对第二设备晶振频率偏移量进行估计，其估计过程包括：首先，由公式(4)可知理论每符号采样点数

其次，假设第二设备采用四进制幅移键控(4ASK)调制以及图3所示第二种待发送数据格式，即K＝K_D，第一字段长度K_P＝12，有效数据字段长度K_D＝1080；再次，第一设备通过本地预存的方式获取第一字段x_P[k]及第二字段x_S[k]信息，依据公式(2)和(3)分别计算采样信号r[n]与第一字段x_P[k]及第二字段x_S[k]的互相关最大值，假设得到对应起始采样点分别为

及

另外，由公式(5)计算实际每符号采样点数

最后，依据公式(6)计算第二设备晶振频率偏移量估计值

所述步骤六中第一设备可基于第二类最佳逼近准则，计算插值因子Q和抽取因子P，其计算过程包括：首先，第一设备计算晶振频率偏移量估计结果连分数的第0项和第1项，即：

其次，第一设备计算插值因子P＝a₀a₁+1＝34，抽取因子Q＝a₁＝33；

所述步骤六中第一设备还可基于最简分式准则，计算插值因子Q和抽取因子P，其计算过程包括：首先，第一设备计算晶振频率偏移量化为分数时对应的分子和分母，即：

其次，第一设备计算b₀和b₁的最大公约数

最后，第一设备分别计算抽取因子

插值因子

所述步骤六中对采样信号r[n]先进行Q倍插值再进行P倍抽取，得到重采样信号z[n]，再将重采样信号z[n]按照固定间隔U＝10抽取采样点，得到经过符号定时同步的信号y[k]，即y[k]＝z[n]|_n＝10k。

采用本发明获得接收信噪比与符号错误概率曲线仿真图如附图3所示：

仿真中设置第一设备接收信噪比区间为10-20dB，以步长为2dB等间隔取信噪比点，曲线为1000次结果的平均值；附图3中十字标记的曲线表示基于第二类最佳逼近准则计算插值和抽取因子，圆形标记的曲线表示基于最简分式准则计算插值和抽取因子；从附图3中可看出：1)符号错误概率曲线均随着接收信噪比的上升而显著下降；2)两种准则下的符号错误概率性能大致相近；3)在接收信噪比为10dB时，两种准则下的符号错误概率均为10％(10^-1)左右；4)在接收信噪比为20dB时，两种准则下的符号错误概率均低于0.1％(10^-3)，基于第二类最佳逼近准则的符号错误概率略低于基于最简分式准则的符号错误概率；基于上述四点可认为本方法有效解决第二设备晶振频率偏移估计问题，实现符号定时同步功能。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种反向散射通信符号定时同步系统，其特征在于：包括第一设备和第二设备，其中：

第一设备用于产生特定中心频率的载波信号；

第二设备用于接收载波信号以及产生待发送数据信号以实现反向散射通信。

2.根据权利要求1所述的一种反向散射通信符号定时同步系统，其特征在于：所述第一设备中设有发射单元、接收单元和处理单元，其中：

所述发射单元用于调制数字基带信号，并将已调信号发射至空间；

所述接收单元用于从空间中接收已调信号，并将其解调为数字基带信号；

所述处理单元用于产生和处理数字基带信号，包括估计第二设备晶振频率偏移量及完成符号定时同步。

3.根据权利要求1所述的一种反向散射通信符号定时同步系统，其特征在于，所述第二设备支持反向散射通信，设备包含带有晶振的微处理单元。

4.一种应用于权利要求1-3任意一项所述系统的反向散射通信符号定时同步方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤一：第二设备根据所设计数据格式产生待发送信号；

步骤二：第一设备发送载波信号至第二设备；

步骤三：第二设备将待发送数据调制到载波信号上，并向第一设备反向散射该信号；

步骤四：第一设备接收并对第二设备反向散射信号进行采样；

步骤五：第一设备将采样信号送入处理单元，计算采样信号与特定字段的互相关值，并根据互相关结果估计第二设备晶振频率偏移量；

步骤六：第一设备处理单元根据晶振频率偏移估计结果，对反向散射信号进行插值和抽取，实现符号定时同步。

5.根据权利要求4所述的反向散射通信符号定时同步方法，其特征在于，步骤一所述所设计数据格式为：在数据特定位置分别插入第一字段x_P及第二字段x_S，由公式(1)表示：

其中，上标T为转置，K为第二字段首位符号与第一字段末位符号间隔的符号数，x_P＝[x_P[1]，…，x_P[K_p]]^T为第一字段，K_p为第一字段长度，x_S＝[x_S[1]，…，x_S[K_S]]^T为第二字段，K_S为第二字段长度，x_D＝[x_D[1]，…，x_D[K_D]]^T为有效数据字段，K_D为有效数据字段长度，当K∈[1，K_D-1]时，有效数据字段x_D可进一步被划分为两个子字段，

为有效数据第一子字段，

为有效数据第二子字段；

所述第一设备处理单元本地预存第一字段x_P及第二字段x_S。

6.根据权利要求4所述的反向散射通信符号定时同步方法，其特征在于，步骤四中第一设备接收单元模数转换器(ADC)以采样速率f_ADC对反向散射信号r(t)进行采样，得到信号r[n]，其中，t为时间，n为采样点。

7.根据权利要求4所述的反向散射通信符号定时同步方法，其特征在于，步骤五中第一设备将采样信号r[n]送入处理单元后，首先，依据公式(2)和(3)分别计算采样信号r[n]与第一字段x_P[k]，1≤k≤K_P及第二字段x_S[k]，1≤k≤K_S的互相关最大值对应的采样点，并将其作为第一字段起始采样点

及第二字段起始采样点

其中，k为符号，|·|为取模运算符，

L_P为第一字段互相关窗口长度，

L_S为第二字段互相关窗口长度，L_S≤2U(K_P+K)+2，U为反向散射信号理论每符号采样点数，可由公式(4)计算得到：

其中，f_ADC为第一设备ADC采样速率，f_BLF为第二设备反向链路频率。

接着，将互相关结果中的第一字段起始采样点

及第二字段起始采样点

代入公式(5)，计算反向散射信号实际每符号采样点数y：

其中，K_P为第一字段长度，K为第二字段首位符号与第一字段末位符号间隔的符号数；

最后，根据反向散射信号实际每符号采样点数V及理论每符号采样点数U，由公式(6)估计第二设备晶振频率偏移量ρ：

8.根据权利要求4所述的反向散射通信符号定时同步方法，其特征在于，步骤六所述第一设备根据晶振频率偏移量估计结果，对反向散射信号进行符号定时同步，包括：

所述第一设备根据晶振频率偏移量估计结果ρ，基于多种准则计算插值因子Q和抽取因子P；第一设备对采样信号r[n]进行Q倍插值再进行P倍抽取，得到重采样信号z[n]，典型的插值及抽取过程可通过有限长单位脉冲响应滤波器实现；

所述第一设备依据公式(7)将重采样信号z[n]按照固定间隔抽取采样点，得到经过符号定时同步的信号y[k]：

y[k]＝z[n]|_n＝k·U (7)，

其中，n为采样点，k为符号，U为理论每符号采样点数。

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