CN115086125B - 微跳频多址通讯系统的低功耗调制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种微跳频多址通讯系统的低功耗调制方法，包括：根据特定的微跳频图案的频点、载波频率及承载数据计算射频频率值，根据所述射频频率值调整锁相环频率，将所述锁相环输出频率经过恒包络放大器放大，将所述放大器输出信号通过射频天线发送。其中，特定的微跳频图案为线性微跳频图案，其大小为质数P，数据调制方法为微跳频循环频移调制或微跳频循环时移调制。本方案可以解决微跳频多址通讯系统中功耗调制较高的技术问题。

Description

微跳频多址通讯系统的低功耗调制方法

技术领域

本申请涉及通讯领域，尤其涉及一种微跳频多址通讯系统的低功耗调制方法。

背景技术

随着网络及通讯技术的进步，物联网已经开始兴起，当前在低功耗广域物联网领域，当前的主流技术是3GPP的NB-IoT和LoRa的chirp扩频技术。

依托于LoRa的chirp扩频技术，一些厂商组成了LoRaWAN联盟，但是LoRaWAN并没有详细定义多个终端和基站（网关）之间的多址方式，而且Lora提出的chirp扩频是一种独占频谱的扩频技术，在多用户同时使用信道时会发生冲突，无法共享频谱，或者说，当前物联网使用的恒包络技术并没有将频谱资源利用充分。

为了避免多用户冲突的问题，LoRa物理层本身提供了FHSS技术，除此之外，有一些应用厂商采用了载波监听、冲突检测机制，如专利CN109526064A就是采用监听技术，还有一些应用厂商采用时分复用方式，如专利CN110278617A，采用的就是时分多址方式，但是，受chirp扩频信号独占频谱这一缺陷的限制，以上方法并没有本质解决频谱效率低的问题，还增加了组网复杂度。

专利CN112564843A提出一种全新的微跳频扩频技术，通过微跳频技术可以通过在时频两个维度设计不相关序列，实现基于互不相关的微跳频多址通讯，进一步，专利CN112564843A还提出可以采用mFSK线性微跳频产生类ZC序列信号来实现微跳频多址通讯系统，微跳频技术的概念是建立在基带概念上的，因此通常微跳频调制可以采用微跳频循环频移调制或微跳频循环时移调制，为了调高频谱效率，也可以增加星座调制，如添加初始相位的差分相位星座调制，但是传统的调制方法包括基带星座调制，上采样、滤波、DUC、DAC等，资源功耗庞大，且调制信号非恒包络，功放效率非100%，在需要低功耗的场合并不是最优。

发明内容

本申请提供了一种微跳频多址通讯系统的低功耗调制方法，以解决微跳频多址通讯系统中功耗调制较高的技术问题。

根据本申请的一个方面，提供了一种微跳频多址通讯系统的低功耗调制方法：

首先，所述微跳频多址通讯系统的低功耗调制方法为直接射频微跳频调制，直接射频微跳频调制的调制过程为直接将微跳频图案调制为射频信号，即射频发送频率按微跳频图案变化，没有传统调制技术的基带调制和上变频过程及DAC电路，也不包含星座调制，实现过程如下：

根据特定的微跳频图案的频点、载波频率及承载数据计算射频频率值，所述射频频率值的大小为经过微跳频循环频移调制或微跳频循环时移调制后的微跳频图案的频点值加上载波频率，所述射频频率值的变化时间间隔为微跳频图案的采样点时间间隔，根据所述频率值调整锁相环频率，将所述锁相环输出频率经过恒包络放大器放大，将所述放大器输出信号通过射频天线发送。

其次，所述微跳频多址通讯系统的低功耗调制方法的微跳频图案的特征为线性微跳频图案，并且微跳频图案的大小为质数P，即频点数与采样点数都是质数P，优选地，P为大于2ⁿ的最小质数，n为微跳频循环频移调制或微跳频循环时移调制承载的比特数。所述线性微跳频图案指的是频率变化所时间线性增加，变化率即线性斜率R，斜率R取值范围为1到P-1的整数，斜率R不同的微跳频信号互不相关。

进一步，所述承载数据的调制方式为：微跳频循环频移调制，即数据大小N决定微跳频图案的频点在频域上向上或向下循环移动N位的调制；或，微跳频循环时移调制，即数据大小N决定微跳频图案的采样点在时域上向前或向后循环移动N位的调制，其中，每个符号承载比特的数量n为小于log₂(P)的整数。一个微跳频符号所承载的比特数n也称作扩频因子。

一个微跳频符号的大小是一个微跳频图案的采样点个数P，从射频上看，一个微跳频符号为包括P个频率变化值的射频信号，其中每个频率持续的时间为微跳频图案的采样点时间。

这种直接通过微跳频图案和数据调整射频频率的调制方式，不但能够保持信号的恒包络特性，使功放效率接近100%，还减少了复杂的基带调制，上采样、滤波，DUC、DAC等电路，使系统功耗更低，更进一步，由于线性微跳频图案的大小为质数时，不同斜率R的微跳频信号互不相关，因此，可以用于多用户通讯场景，最后，线性微跳频图案可以用于时频估计，因此也可以使用本发明提出的调制信号用于测距，测速，或者是卫星通讯。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

为了更清楚地说明本申请实施例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简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本申请实施例的微跳频多址通讯系统的低功耗调制方法的流程图；

图2是根据本申请实施例的直接射频微跳频调制的过程图；

图3是根据本申请实施例的大小P为17、斜率R为3的线性微跳频图案的示意图；

图4是根据本申请实施例的大小P为17、斜率R为3、数据为2的调制符号的射频频率变化图案的示意图；

图5是根据本申请实施例的根值R相同的频域相关结果的示意图；

图6是根据本申请实施例的根值R不同的频域相关结果的示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例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申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

这里先具体解释一下这么设计的目的，直接将微跳频图案调制在射频的目的是为了信号保持恒包络并减少基带调制、上采样、滤波、DUC及DAC等电路，降低系统功耗。另外，之所以采用线性微跳频图案，其实也是为了统一调制数据和导频符号的微跳频图案，理论上调制数据的微跳频图案可以自由设计，但需要保存，而统一成线性微跳频图案不需保存，规律简单可以直接实现，减少了没必要的资源，降低系统复杂度及功耗。

根据本申请实施例的一方面，提供了一种微跳频多址通讯系统的低功耗调制方法的方法实施例。图1是根据本申请实施例的微跳频多址通讯系统的低功耗调制方法的流程图，如图1所示，该方法可以包括以下步骤：

步骤S102，根据特定的微跳频图案的频点、载波频率以及承载数据计算射频频率值，所述射频频率值的大小为经过微跳频循环频移调制或微跳频循环时移调制后的微跳频图案的频点值加上载波频率，所述射频频率值的变化时间间隔为微跳频图案的采样点时间间隔。

上述特定的微跳频图案为线性微跳频图案，所述线性微跳频图案的大小为质数P，线性斜率R的取值范围为1:(P-1)的整数，不同斜率R的微跳频信号互不相关。

具体地，所述承载数据的调制方式为：微跳频循环频移调制，即数据大小N决定微跳频图案的频点在频域上向上或向下循环移动N位的调制；或，微跳频循环时移调制，即数据大小N决定微跳频图案的采样点在时域上向前或向后循环移动N位的调制，其中，每个符号承载比特的数量n为小于log₂(P)的整数，一个微跳频符号所承载的比特数n也称作扩频因子。

步骤S104，根据所述射频频率值调整锁相环输出频率。

步骤S106，将所述锁相环输出频率经过恒包络放大器放大。

步骤S108，将所述放大器的输出信号通过射频天线发送。

由图可见，所谓直接射频微跳频调制，就是基带只根据微跳频图案、中心载波频率及承载数据计算实际上要发送的射频频率，并根据该射频频率调整锁相环PLL的频率，PLL频率输出信号经过恒包络的E类放大器直接接到天线发送出去，这样不但不需要基带调制，上采样、滤波、DUC及DAC等电路，还能够使功放效率接近100%，因此降低了系统的发送功耗。

如图2所示，为直接射频微跳频调制的过程图。下面结合一个具体例子，来阐述本申请的具体实施方案：

假设基带带宽BW为510KHz，扩频因子即一个微跳频符号承载的比特数为4（即扩频因子SF为4），中心载波频率为400MHz，将一个大小为质数17（因为17为大于2⁴的最小质数）的线性微跳频图案直接调制为射频信号。如图3，为一种大小为17，斜率为3的线性微跳频图案的例子。

那么直接将微跳频图案调制到射频的方式如下，如例子所述，基带带宽为510KHz，那么基带采样率也是510KHz，即频率变化的时间间隔为1/510KHz，直接射频调将PLL的频率设置为f*510KHz/17+500MHz，其中f为频点，变化范围从-8到+8，频点变化的时间间隔为1/510KHz，频点变化的步长为R*510K/17，其中R为线性斜率，直接射频调制将PLL输出信号经过E类放大器放大后即为恒包络射频信号，并将该信号直接接到天线发送出去。

调制数据时，采用微跳频循环频移调制或微跳频循环时移调制，由于频点个数P大于2ⁿ，那么还存在一些频点不代表数据，一般默认从0到2ⁿ-1个频点代表数，那么调制数据的初始频移为(d-8)*510KHz/17+500Mhz，其中d为数据大小，当数据起始频点加上微跳频频点的大小超过微跳频图案频点数P时，对P取模完成循环，如图4所示，是一个从射频频率上看，线性微跳频图案大小为17，斜率为3，调制了数据“2”的例子。

可以证明，这种线性微跳频图案在大小P为质数时，不同斜率R的微跳频信号互不相关，因此可以用于多用户通讯。

若图5所示，为一个线性微跳频图案大小P为17，斜率R相同的线性微跳频信号频域自相关的例子，可以看见频域相关会出现峰值，峰值大小为17，峰值位置即为调制的数据。

如图6所示，为一个线性微跳频图案大小P为17，斜率R不同的线性微跳频信号频域互相关的例子，互相关不会出现峰值，相关功率平均分配在每一个频点上，大小为sqrt(17)，sqrt是开根号。

以上只是一个特殊的例子，为了将本申请内容讲述明白，真实使用时，基带带宽，射频频率，扩频因子等都是可变参数，特别是微跳频图案大小，斜率R等更是不同的用户有不同的设置。

本领域普通技术人员可以理解实现所述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如所述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器（ROM）、可编程ROM（PROM）、电可编程ROM（EPROM）、电可擦除可编程ROM（EEPROM）或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器（RAM）或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM（SRAM）、动态RAM（DRAM）、同步DRAM（SDRAM）、双数据率SDRAM（DDRSDRAM）、增强型SDRAM（ESDRAM）、同步链路（Synchlink） DRAM（SLDRAM）、存储器总线（Rambus）直接RAM（RDRAM）、直接存储器总线动态RAM（DRDRAM）、以及存储器总线动态RAM（RDRAM）等。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所发明的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种微跳频多址通讯系统的低功耗调制方法，其特征在于，所述低功耗调制方法采用直接射频微跳频调制，所述方法包括：

根据特定的微跳频图案的频点、载波频率以及承载数据计算射频频率值，其中，所述射频频率值的大小为经过微跳频循环频移调制或微跳频循环时移调制后的微跳频图案的频点值加上载波频率，所述射频频率值的变化时间间隔为微跳频图案的采样点时间间隔；

根据所述射频频率值调整锁相环输出频率；

将所述锁相环输出频率经过恒包络放大器放大；

将所述放大器的输出信号通过射频天线发送。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述特定的微跳频图案为线性微跳频图案，所述线性微跳频图案的大小为质数P，线性斜率R的取值范围为1:(P-1)的整数，不同斜率R的微跳频信号互不相关。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述承载数据的调制方式为：

微跳频循环频移调制，即数据大小N决定微跳频图案的频点在频域上向上或向下循环移动N位的调制；或，微跳频循环时移调制，即数据大小N决定微跳频图案的采样点在时域上向前或向后循环移动N位的调制，其中，每个符号承载比特的数量n为小于log₂(P)的整数。

Images