CN115174325B - 一种用于无线携能通信的双音fsk调制解调系统 - Google Patents

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    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Abstract

本发明公开了一种用于无线携能通信的双音FSK调制解调系统，该系统包括双音FSK调制端子模块和双音FSK解调端子模块，系统整体为二阶调制解调系统，也就是说系统整体只包含1和0两种码元。在双音FSK调制子模块中，将码元对应到不同的两种频率的正弦波组合，实现能量和信息的同时发送，双音FSK子模块在接收到信号后，通过集成整流器实现信号的RF‑DC转换，获得为接收端供能的直流信号后同时通过非相干解调获得信号中的信息，完成信息的调制解调。本发明得到的调制信号有着高峰均值比，其解调端整流效率表现良好。

Description

一种用于无线携能通信的双音FSK调制解调系统
技术领域
本发明涉及无线能量传输与通信技术领域，具体涉及一种用于无线携能通信的双音FSK调制解调系统。
背景技术
无线携能通信技术(Simultaneous Wireless Information and PowerTransfer,SWIPT)能够在无线设备之间传输信息的同时，为接收端无线设备传输能量，可以靠此实现无线设备的长时间供电，从而减轻设备对于电池的依赖。一个完整的SWIPT系统包含有无限信息传输(Wireless Information Transfer,WIT)和无线能量传输(WirelessPower Transfer,WPT)这两个子系统。其中WIT主要目标为在提高信息的传输速率，降低误码率的前提下尽可能地降低信号发送的功耗，而WPT的主要目标为尽可能提高接收端的整流效率以提高接收端的供能效率。此前传统的SWIPT研究往往将WIT和WPT两个子系统分开研究和优化，缺乏对两个子系统之间的影响的研究。
当前现有技术已经提出了多种应用于SWIPT的调制解调方式，但其存在着相应的限制，例如在Claessens S,Schreurs D,Pollin S.SWIPT with biased ASK modulationand dual-purpose hardware[C]//2017IEEE Wireless Power Transfer Conference(WPTC).IEEE,2017.中提到了基于偏置ASK的调制解调方式，这种方式存在着整流效率也就是能量转换效率(Power Conversion Efficiency,PCE)不高的缺点，这可能使得SWIPT的接收端供能不足，使得整体的通信速率收到限制。故寻求一种具有高PCE的SWIPT调制解调技术是十分重要的。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供一种用于无线携能通信的双音FSK调制解调系统，本发明在调制过程中将一种码元同时对应到两种频率的正弦波，通过这些正弦波频率的差值携带信息，其可以显著提高信号的峰均值比(Peak-to-Average PowerRatio,PAPR)，从而增加接收端整流效率。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于无线携能系统的双音FSK调制解调系统，包括：双音FSK调制端子模块和双音FSK中频解调端子模块；
所述双音FSK调制子模块包括：基站、信息封装模块、双音FSK中频调制模块、数字上变频模块和天线发射模块；
所述基站以字节为单位输出源信息，所述信息封装模块将源信息进行组帧生成相应的比特流，所述双音FSK中频调制模块接收比特流，将比特流按照双音FSK调制规则生成相应的双音FSK中频调制信号，所述数字上变频模块将双音FSK中频调制信号乘以高频载波生成射频信号，所述天线发射模块将生成的射频信号发送到自由空间中；
所述双音FSK解调子模块包括：天线接收模块、整流模块、双音FSK中频解调模块、比特判决模块、信息解封模块、负载和储能模块；
所述天线接收模块从自由空间中接收到包含信息的射频信号，所述整流模块通过对输入双音FSK中频射频信号进行整流处理后再通过低通滤波器，获得为解调端供能的直流分量以及双音FSK调制信号中的频率差分量，所述整流模块与所述储能模块连接，为整个解调端供电，所述双音FSK中频解调模块将整流后的信息通过非相干解调获得并输出01码元的包络，所述比特判决模块将01码元的包络通过码元判决和位同步后获得并输出最佳判决时刻以及相应的比特流，所述信息解封模块在比特流检测到帧头后，解封装整个帧，获得帧中有效信息并输出，所述负载收到有效信息，完成双音FSK调制解调。
作为优选的技术方案，所述信息封装模块将源信息进行组帧生成相应的比特流，具体包括：
所述信息封装模块对源信息的字节数进行计数生成信息长度指示位，将源信息和信息长度指示位送入(7，4)汉明码编码模块，每一字节输入有14比特二进制的输出，最后将信息长度指示位与源信息的编码输出组在一起形成一串二进制序列，最后在序列前加上固定的帧头后组成一个完整的帧。
作为优选的技术方案，所述双音FSK中频调制模块接收比特流，将比特流按照双音FSK调制规则生成相应的双音FSK中频调制信号，具体包括：
双音FSK中频调制模块将接收到的帧中每一比特转换为相应的双音FSK调制信号，每一个码元同时对应两种频率的正弦波，分别为基准频率fbase和独有频率fc，0和1码元对应相同的基准频率fbase，同时分别有着各自的独有频率f0和f1，两种码元调制后的信号对应不同的频率差Δf0和Δf1，利用频率差的不同进行区分解调不同的码元，在输出某频率正弦波时同时输出正弦波和余弦波分别作为I路信号Smod_I(t)和Q路信号Smod_Q(t)，I路信号与Q路信号相加输出中频调制信号Smod(t)。
作为优选的技术方案，中频调制信号Smod(t)表示为：
Smod_I(t)＝cos(2πfbaset)+cos(2πfct)
Smod_Q(t)＝sin(2πfbaset)+sin(2πfct)
Smod(t)＝Smod_I(t)+Smod_Q(t)。
作为优选的技术方案，数字上变频模块将中频调制的信号乘以更高频率的正弦载波成为射频信号，具体表示为：
SRF(t)＝Smod_I(t)cos(2πf2t)-Smod_Q(t)sin(2πf2t)
＝(cos(2πtfbase)+cos(2πtfc))cos(2πf2t)
-(sin(2πfbaset)+sin(2πfct))sin(2πf2t)
＝(cos(2πtfbase)cos(2πf2t)-sin(2πfbaset)sin(2πf2t))
+(cos(2πtfc)cos(2πf2t)-sin(2πfct)sin(2πf2t))
＝cos(2πt(fbase+f2))+cos(2πt(fc+f2))
其中，SRF(t)表示射频信号，f2为上变频过程中所乘正弦载波的频率。
作为优选的技术方案，所述整流模块通过对输入双音FSK中频射频信号进行整流处理后再通过低通滤波器，整流后的结果表示为：
其中，Serct(t)表示整流后的结果，SRF(t)表示射频信号。
作为优选的技术方案，所述双音FSK中频解调模块将整流后的信息通过非相干解调获得并输出01码元的包络，具体包括：
双音FSK中频解调模块提取整流后的信号中两种码元对应的频率差分量，将整流后信号分别通过通带中心频率为Δf0和Δf1的两个带通滤波器，获得到两路输出分别对应0码元和1码元，对着两路信号进行全波整流、低通滤波得到0码元和1码元的基带信号包络，用1码元的包络减去0码元的包络作为双音FSK中频解调模块的输出。
作为优选的技术方案，所述比特判决模块将01码元的包络通过码元判决和位同步后获得并输出最佳判决时刻以及相应的比特流，具体包括：
比特判决模块对解调输出进行码元判决，将码元判决门限设为0，大于0的包络判断为1，小于0的包络判断为0，码元判决后得到一串比特流，将码元判决的结果送入位同步模块，获得相应的位同步信号，确定最佳判决时刻，码元判决结果和位同步时钟一同作为比特判决的结果送入信息解封模块。
作为优选的技术方案，所述信息解封模块在比特流检测到帧头后，解封装整个帧，获得帧中有效信息并输出，具体包括：
信息解封模块时刻读取比特判决的结果，并且用寄存器不断检测帧头，如果检测到完整帧头，通过(7，4)汉明码解码器将帧中信息长度指示位和源信息还原，读取信息长度指示位，获取整体信息字节数，依次读取帧中的有效信息，完成信息的解调。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
(1)本发明的双音FSK调制解调方式能够同时传输能量与信息，可以缓解IoT网络中人工更换电池的痛点。
(2)本发明的双音FSK调制解调方式在其他SWIPT调制解调方式的基础上，进一步提高了峰均值比，能够提高接收端的整流效率，从而提高系统中的供能性能。
(3)相较于传统的调制解调方式，本发明省去了接收端的下变频和射频本振部分，直接通过整流后就可以获得双音FSK调制信号中包含信息的频率差分量，可以很好地降低接收端的成本和功耗。
附图说明
图1为本发明用于无线携能系统的双音FSK调制解调系统的框架示意图；
图2为本发明双音FSK中频调制模块的工作流程图；
图3为本发明双音FSK中频解调模块的工作流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
如图1所示，本实施例提供一种用于无线携能系统的双音FSK调制解调系统，包括：双音FSK调制端子模块和双音FSK中频解调端子模块，系统整体为二阶调制解调系统，也就是说系统整体只包含1和0两种码元。在双音FSK调制子模块中，将码元对应到不同的两种频率的正弦波组合，实现能量和信息的同时发送，双音FSK子模块在接收到信号后，通过集成整流器实现信号的RF-DC转换，获得为接收端供能的直流信号后同时通过非相干解调获得信号中的信息，完成信息的调制解调。
在双音FSK调制端子模块和双音FSK中频解调端子模块中除去天线发射模块和天线接收模块以外，其余的数字控制与数字计算部分皆采用以现场可编程逻辑门阵列(FieldProgrammable Gate Array,FPGA)为主的结构，同时在调制过程为了方便天线的射频信号发射，采用到了IQ调制的调制方式。
双音FSK调制子模块包括：基站、信息封装模块、双音FSK中频调制模块、数字上变频模块和天线发射模块，以上模块依次连接，实现输出同时包含有信息和能量的双音FSK信号。基站以字节为单位输出源信息；信息封装模块将源信息进行组帧，生成相应的比特流；双音FSK中频调制模块利用收到的比特流按照双音FSK调制规则生成相应的双音FSK中频调制信号；数字上变频模块将中频调制信号乘以高频载波生成适合天线发送的射频信号；天线发射模块通过调整合适的天线参数将生成的射频信号发送到自由空间中。
在本实施例中，基站送出待发送的源信息序列，并将序列送入到信息封装模块中；信息封装模块收到源信息后，通过对源信息的字节数进行计数后生成信息长度指示位，随后为将源信息和信息长度指示位送入(7，4)汉明码编码模块，每一字节输入有14比特二进制的输出，最后将信息长度指示位与源信息的编码输出组在一起形成一串二进制序列，最后在序列前加上固定的帧头后组成一个完整的帧，并将整个帧串行输出到双音FSK中频调制模块中；
双音FSK中频调制模块将接收到的帧中每一比特转换为相应的双音FSK调制信号，如图2所示，每一个码元同时对应两种频率的正弦波，在双音FSK系统中，这两种正弦波分别为基准频率fbase和独有频率fc，在二阶通信系统中，0和1码元对应相同的基准频率fbase，同时分别有着各自的独有频率f0和f1，故两种码元调制后的信号对应了不同的频率差Δf0和Δf1，在之后的解调模块中利用频率差的不同来区分解调不同的码元。同时由于采用了IQ调制，故在输出某频率正弦波时同时输出正弦波和余弦波分别作为I路信号Smod_I(t)和Q路信号Smod_Q(t)，以实现I路与Q路信号的正交性。最后I路信号与Q路信号相加输出中频调制信号Smod(t)。进行双音FSK中频调制后，将中频调制信号送入数字上变频模块；中频调制信号Smod(t)有如下的数学表达式：
Smod_I(t)＝cos(2πfbaset)+cos(2πfct)
Smod_Q(t)＝sin(2πfbaset)+sin(2πfct)
Smod(t)＝Smod_I(t)+Smod_Q(t)
数字上变频模块将中频调制的信号乘以更高频率的正弦载波成为射频信号，使其能够通过天线模块发射出去；天线模块中经过数字波束赋形、功率控制等一系列操作调整好天线发射阵列后，将上变频后的射频信号发送到自由空间中。最后得到的射频信号SRF(t)如下(f2为上变频过程中所乘正弦载波的频率)：
SRF(t)＝Smod_I(t)cos(2πf2t)-Smod_Q(t)sin(2πf2t)
＝(cos(2πtfbase)+cos(2πtfc))cos(2πf2t)
-(sin(2πfbaset)+sin(2πfct))sin(2πf2t)
＝(cos(2πtfbase)cos(2πf2t)-sin(2πfbaset)sin(2πf2t))
+(cos(2πtfc)cos(2πf2t)-sin(2πfct)sin(2πf2t))
＝cos(2πt(fbase+f2))+cos(2πt(fc+f2))
在上述调制过程中，中频载波的频率选择为信息是否能够正常解调的关键，不同频率的选择将直接影响到解调端的带通滤波器双音信号整流后频率差分量信号的提取。主要有两点影响：(1)双音信号中每一码元对应的基准频率不能太低，在双音二阶调制解调系统中，整流后的信号中的差频分量与基准频率几乎没有关系，如果基准频率偏低的话就会导致基准频率即使在整流倍频之后仍靠近载有码元信息的差频部分，这就使得解调端的带通滤波器带宽变窄而且对下降特性要求提高。(2)0和1两种码元对应的两种频率间隔要选取恰当，这两种频率间隔之间的间隔不宜过低。如果两个间隔差距过小，就会出现上面一样的问题，在解调端很难很好地在较低阶数的滤波器将0和1码元信息分离。
双音FSK解调子模块包括：天线接收模块、整流模块、双音FSK中频解调模块、比特判决模块、信息解封模块、负载和储能模块，以上模块依次连接，形成双音FSK解调子模块。
其中，天线接收模块和整流模块一起组成了双音FSK解调子模块中能量信息双功能接收器，天线接收模块从自由空间中接收到包含信息的射频信号；整流模块通过对输入双音FSK射频信号进行整流处理后再通过低通滤波器，由于整流过程中可以简单的视为对输入信号的平方处理，而两个正弦波之和的平方的结果中，和频和倍频分量皆为高频分量，会被低通滤波器滤除，而剩下了频率差分量和直流分量。故整流后不但获得了为解调端供能的直流分量，同时也获得了双音FSK调制信号中的频率差分量Δf。随后一方面将信号送入后面的双音FSK中频解调模块，完成双音FSK中频信号的解调，另一方面将信号与储能模块相连，通过合适的充放电逻辑为整个解调端供电；双音FSK中频解调模块将整流后的信息通过非相干解调获得并输出01码元的包络；比特判决模块将01码元的包络通过码元判决和位同步后获得并输出最佳判决时刻以及相应的比特流；信息解封装模块在比特流检测到帧头后，解封装整个帧，获得帧中有效信息并输出；负载在收到有效信息后完成了整个双音FSK调制解调。
其中射频信号在经过整流后的结果Srect(t)如下所示：
双音FSK中频解调模块进行的操作与传统2FSK信号非相干解调十分相似，如图3所示，收到整流后的信号后，首先从中提取两种码元对应的频率差分量，将整流后信号分别通过通带中心频率为Δf0和Δf1的两个带通滤波器，获得到两路输出分别对应0码元和1码元，随后对着两路信号进行全波整流、低通滤波后便可以得到0码元和1码元的基带信号包络，最后用1码元的包络减去0码元的包络作为双音FSK中频解调模块的输出送入比特判决模块；
比特判决模块首先对解调输出进行码元判决，由于中频解调的输出为两个码元包络之差，故可以简单地将码元判决门限设为0，大于0的包络判断为1，小于0的包络判断为0，码元判决后得到了一串比特流，之后需要将码元判决的结果送入位同步模块，获得相应的位同步信号，确定最佳判决时刻。码元判决结果和位同步时钟一同作为比特判决的结果送入信息解封模块；
信息解封模块时刻读取比特判决的结果，并且用寄存器不断检测帧头，如果检测到完整帧头，首先通过(7，4)汉明码解码器将帧中信息长度指示位和源信息还原，接着读取信息长度指示位，获取了整体信息字节数后，依次读取帧中的有效信息，由此完成信息的解调。最后将信息送入负载。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于无线携能系统的双音FSK调制解调系统，其特征在于，包括：双音FSK调制端子模块和双音FSK中频解调端子模块；
所述双音FSK调制端子模块包括：基站、信息封装模块、双音FSK中频调制模块、数字上变频模块和天线发射模块；
所述基站以字节为单位输出源信息，所述信息封装模块将源信息进行组帧生成相应的比特流，所述双音FSK中频调制模块接收比特流，将比特流按照双音FSK调制规则生成相应的双音FSK中频调制信号，所述数字上变频模块将双音FSK中频调制信号乘以高频载波生成射频信号，所述天线发射模块将生成的射频信号发送到自由空间中；
所述双音FSK中频调制模块接收比特流，将比特流按照双音FSK调制规则生成相应的双音FSK中频调制信号，具体包括：
双音FSK中频调制模块将接收到的帧中每一比特转换为相应的双音FSK调制信号，每一个码元同时对应两种频率的正弦波，分别为基准频率fbase和独有频率fc，0和1码元对应相同的基准频率fbase，同时分别有着各自的独有频率f0和f1，两种码元调制后的信号对应不同的频率差Δf0和Δf1，利用频率差的不同进行区分解调不同的码元，在输出某频率正弦波时同时输出正弦波和余弦波分别作为I路信号Smod_I(t)和Q路信号Smod_Q(t)，I路信号与Q路信号相加输出中频调制信号Smod(t)；
所述双音FSK解调子模块包括：天线接收模块、整流模块、双音FSK中频解调模块、比特判决模块、信息解封模块、负载和储能模块；
所述天线接收模块从自由空间中接收到包含信息的射频信号，所述整流模块通过对输入双音FSK中频射频信号进行整流处理后再通过低通滤波器，获得为解调端供能的直流分量以及双音FSK调制信号中的频率差分量，所述整流模块与所述储能模块连接，为整个解调端供电，所述双音FSK中频解调模块将整流后的信息通过非相干解调获得并输出01码元的包络，所述比特判决模块将01码元的包络通过码元判决和位同步后获得并输出最佳判决时刻以及相应的比特流，所述信息解封模块在比特流检测到帧头后，解封装整个帧，获得帧中有效信息并输出，所述负载收到有效信息，完成双音FSK调制解调；
所述双音FSK中频解调模块将整流后的信息通过非相干解调获得并输出01码元的包络，具体包括：
双音FSK中频解调模块提取整流后的信号中两种码元对应的频率差分量，将整流后信号分别通过通带中心频率为Δf0和Δf1的两个带通滤波器，获得到两路输出分别对应0码元和1码元，对着两路信号进行全波整流、低通滤波得到0码元和1码元的基带信号包络，用1码元的包络减去0码元的包络作为双音FSK中频解调模块的输出。
2.根据权利要求1所述的用于无线携能系统的双音FSK调制解调系统，其特征在于，所述信息封装模块将源信息进行组帧生成相应的比特流，具体包括：
所述信息封装模块对源信息的字节数进行计数生成信息长度指示位，将源信息和信息长度指示位送入(7，4)汉明码编码模块，每一字节输入有14比特二进制的输出，最后将信息长度指示位与源信息的编码输出组在一起形成一串二进制序列，最后在序列前加上固定的帧头后组成一个完整的帧。
3.根据权利要求1所述的用于无线携能系统的双音FSK调制解调系统，其特征在于，中频调制信号Smod(t)表示为：
Smod_I(t)＝cos(2πfbaset)+cos(2πfct)
Smod_Q(t)＝sin(2πfbaset)+sin(2πfct)
Smod(t)＝Smod_I(t)+Smod_Q(t)。
4.根据权利要求1所述的用于无线携能系统的双音FSK调制解调系统，其特征在于，数字上变频模块将中频调制的信号乘以更高频率的正弦载波成为射频信号，具体表示为：
SRF(t)＝Smod_I(t)cos(2πf2t)-Smod_Q(t)sin(2πf2t)
＝(cos(2πtfbase)+cos(2πtfc))cos(2πf2t)-(sin(2πfbaset)+sin(2πfct))sin(2πf2t)
＝(cos(2πtfbase)cos(2πf2t)-sin(2πfbaset)sin(2πf2t))+(cos(2πtfc)cos(2πf2t)-sin(2πfct)sin(2πf2t))
＝cos(2πt(fbase+f2))+cos(2πt(fc+f2))
其中，SRF(t)表示射频信号，f2为上变频过程中所乘正弦载波的频率。
5.根据权利要求1所述的用于无线携能系统的双音FSK调制解调系统，其特征在于，所述整流模块通过对输入双音FSK中频射频信号进行整流处理后再通过低通滤波器，整流后的结果表示为：
Δf＝fc-fbase,
其中，Srect(t)表示整流后的结果，SRF(t)表示射频信号。
6.根据权利要求1所述的用于无线携能系统的双音FSK调制解调系统，其特征在于，所述比特判决模块将01码元的包络通过码元判决和位同步后获得并输出最佳判决时刻以及相应的比特流，具体包括：
比特判决模块对解调输出进行码元判决，将码元判决门限设为0，大于0的包络判断为1，小于0的包络判断为0，码元判决后得到一串比特流，将码元判决的结果送入位同步模块，获得相应的位同步信号，确定最佳判决时刻，码元判决结果和位同步时钟一同作为比特判决的结果送入信息解封模块。
7.根据权利要求1所述的用于无线携能系统的双音FSK调制解调系统，其特征在于，所述信息解封模块在比特流检测到帧头后，解封装整个帧，获得帧中有效信息并输出，具体包括：
信息解封模块时刻读取比特判决的结果，并且用寄存器不断检测帧头，如果检测到完整帧头，通过(7，4)汉明码解码器将帧中信息长度指示位和源信息还原，读取信息长度指示位，获取整体信息字节数，依次读取帧中的有效信息，完成信息的解调。
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