CN116137539B - 基于LoRa调制的信号生成方法、装置及LoRa设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于LoRa调制的信号生成方法、装置及LoRa设备。其中，方法包括：在数字基带生成LoRa调制数字信号，其中，在生成LoRa调制数字信号的过程中进行倍频处理；将LoRa调制数字信号转换为用于发送的LoRa模拟信号。该方法，可以提高LoRa信号的性能。

Description

基于LoRa调制的信号生成方法、装置及LoRa设备
技术领域
本发明涉及LoRa调制技术领域，尤其涉及一种基于LoRa调制的信号生成方法、装置及LoRa设备。
背景技术
LoRa技术是LPWAN（Low Power Wide Area Network，低功耗广域无线网）的主要技术之一，LoRa技术具有远距离、抗干扰、低功耗、大容量、灵活部署、轻量级、低成本、抗频偏等多种优势，在市场上具有广泛的应用。同时LoRa也是一种调制方式，使用基于CSS（ChirpSpread Spectrum，Chirp扩频）的方式进行通信。
但是，相关技术中基于LoRa技术生成的信号，信号的性能较差，无法满足越来越高的应用需求。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的第一个目的在于提出一种基于LoRa调制的信号生成方法，以提高LoRa信号的性能。
本发明的第二个目的在于提出一种基于LoRa调制的信号生成装置。
本发明的第三个目的在于提出一种LoRa设备。
为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种基于LoRa调制的信号生成方法，所述方法包括：在数字基带生成LoRa调制数字信号，其中，在生成所述LoRa调制数字信号的过程中进行倍频处理；将所述LoRa调制数字信号转换为用于发送的LoRa模拟信号。
为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种基于LoRa调制的信号生成装置，包括：生成模块，用于在数字基带生成LoRa调制数字信号，其中，在生成所述LoRa调制数字信号的过程中进行倍频处理；转换模块，用于将所述LoRa调制数字信号转换为用于发送的LoRa模拟信号。
为达到上述目的，本发明第三方面实施例提出了一种LoRa设备，包括上述的基于LoRa调制的信号生成装置。
根据本发明实施例的基于LoRa调制的信号生成方法、装置及LoRa设备，通过在数字基带生成LoRa调制数字信号，将LoRa调制数字信号转换为用于发送的LoRa模拟信号，且在生成LoRa调制数字信号的过程中需要进行倍频处理，从而通过倍频的方式生成用于发送的LoRa模拟信号，提高了生成的信号的性能。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是本发明一个或多个实施例的基于LoRa调制的信号生成方法的流程图；
图2是本发明一个示例的LoRa信号的信号图；
图3是本发明一个示例的基于LoRa调制的信号生成方法的生成结果的示意图；
图4（a）、（b）是本发明另一个示例的基于LoRa调制的信号生成方法的生成结果的示意图；
图5是本发明一个或多个实施例的基于LoRa调制的信号生成装置的结构框图；
图6是本发明实施例的LoRa设备的结构框图。
具体实施方式
下面参考附图描述本发明实施例的基于LoRa调制的信号生成方法、装置及LoRa设备，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。参考附图描述的实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。
图1是本发明一个或多个实施例的基于LoRa调制的信号生成方法的流程图。
由于LoRa技术是基于Chirp扩频的通信方式，在LoRa信号的生成过程中大多沿用Chirp信号的生成方法，通过模拟或数字的方式生成。
对于线性Chirp（每个Chirp的频率是随着时间线性变化的），频率随时间线性增长的Chirp称为up-chirp，反过来，频率随时间线性递减的Chirp称为down-chirp。Chirp信号数学表达式可以为：
Figure SMS_1
。
其瞬时频率可以用以下式子表示：
Figure SMS_2
。
其中，fc表示载波的中心频率；BW表示信号的带宽；µ表示该信号的瞬时频率变化率：当该chirp为up-chirp时µ=1，其瞬时频率不断增大；当该chirp为down-chirp时µ=-1，其瞬时频率不断减小；k/Ts表示初始频率，
Figure SMS_3
；Ts表示Chirp信号的持续时长，
Figure SMS_4
。由于相位是频率函数的积分，由此生成的CSS调制信号数学表达式可以表示为：
Figure SMS_5
。
其中，Φ0、Φ1为初相且为0，两段函数相位连续。
但是，上述方法生成的信号会在Tfold时刻出现“拐点”，左右两侧的信号表达式不同，如图2所示（图2中圆圈处即为“拐点”）。
使用模拟方式生成Chirp信号需要依赖数模转换后的模拟电路，通常采用PLL（Phase-locked loops，锁相环）加VCO（Voltage Controlled Oscillator，压控振荡器）控制频率的线性扫频方案进行实现，极其依赖生成信号的相位连续，对于存在相位跳变的信号生成效果欠佳。
使用数字方式生成的Chirp信号虽然可以很大程度上改善模拟生成方式对于相位连续的依赖，但使用Chirp信号进行接收和解调时，若因为收发机系统时钟存在偏差或传输时延不是采样率的整数倍，
Figure SMS_6
时刻的样点未被接收机采样到，则信号在解调过程中会因为缺失关键信息导致解调性能下降。
因而，如图1所示，基于LoRa调制的信号生成方法，包括：
S11，在数字基带生成LoRa调制数字信号，其中，在生成LoRa调制数字信号的过程中进行倍频处理。
具体的，数字信号采样率
Figure SMS_7
，信号周期/>
Figure SMS_8
，其中SF为扩频因子，则LoRa信号的数字基带表达式可以为：
Figure SMS_9
。
其中，T为采样间隔且
Figure SMS_10
，n为采样序号且范围为/>
Figure SMS_11
。
在得到上述数字基带表达式后，确定倍频因子，其中，倍频因子的取值大于等于2。
在得到倍频因子后，根据倍频因子对在数字基带调制生成的数字基带信号进行倍频处理，得到如下所示的表达式：
Figure SMS_12
，
进而可以得到如下LoRa调制数字信号：
Figure SMS_13
，
其中，x（n，l）为LoRa调制数字信号，l为调制符号序号索引，µ为1时，该LoRa调制数字信号的频率增大，µ为-1时，该LoRa调制数字信号的频率减小，SF为扩频因子，m为倍频因子，n为采样序号，
Figure SMS_14
为调制符号的起始频率。
S12，将LoRa调制数字信号转换为用于发送的LoRa模拟信号。
由此，通过在数字基带生成LoRa调制数字信号，将LoRa调制数字信号转换为用于发送的LoRa模拟信号，且在生成LoRa调制数字信号的过程中需要进行倍频处理，从而实现在因收发机系统时钟存在偏差或传输时延不是采样率的整数倍导致Tfold时刻的样点未被接收机采样到的情况下能够更好的接收和解调信号，实现高性能的LoRa信号的生成。而且，由于数字信号生成方法对于相位的连续性依赖低，保留了LoRa信号的扩展性。
在本发明一个或多个实施例中，将LoRa调制数字信号转换为用于发送的LoRa模拟信号，包括：对LoRa调制数字信号进行成型滤波和数模转换，得到用于发送的LoRa模拟信号。
在本发明一个或多个实施例中，倍频因子的取值为2。作为一个示例，在倍频因子取值为2时生成的LoRa模拟信号可以如图3所示，生成的信号PAPR（Peak to Average PowerRatio，峰均比）更低，更接近LoRa功率恒定为1的信号特征，具体的性能可以参见图4（a）和图4（b），其中，图4（a）为信号的实部，图4（b）为信号的虚部，图4（a）和图4（b）中信号1为相关技术的信号，图4（a）和图4（b）中信号2为倍频因子为2的信号。
明显的，通过设置倍频因子，可以实现生成的LoRa模拟信号不存在“拐点”，因而与未倍频的信号相比，在Tfold前信号基本相同，但在Tfold之后信号呈现出明显差别。而且，由于更接近LoRa功率恒定为1的信号特征，对相关器件更友好，可以实现降低成本。
需要说明的是，在图2、图3、图4（a）和图4（b）中，横坐标为时间，纵坐标为信号幅度。
综上，本发明实施例的基于LoRa调制的信号生成方法，通过在数字基带生成LoRa调制数字信号，将LoRa调制数字信号转换为用于发送的LoRa模拟信号，且在生成LoRa调制数字信号的过程中需要进行倍频处理，从而通过倍频的方式生成用于发送的LoRa模拟信号，提高了生成的信号的性能。
进一步的，本发明提出一种基于LoRa调制的信号生成装置。
图5是本发明一个或多个实施例的基于LoRa调制的信号生成装置的结构框图。
如图5所示，基于LoRa调制的信号生成装置100，包括：生成模块101，用于在数字基带生成LoRa调制数字信号，其中，在生成LoRa调制数字信号的过程中进行倍频处理；转换模块102，用于将LoRa调制数字信号转换为用于发送的LoRa模拟信号。
在本发明一个或多个实施例中，生成模块101还用于，确定倍频因子，并根据倍频因子对在数字基带调制生成的数字基带信号进行倍频处理，其中，倍频因子的取值大于等于2。
在本发明一个或多个实施例中，LoRa调制数字信号根据以下公式进行表达：
Figure SMS_15
，
其中，x（n，l）为LoRa调制数字信号，l为调制符号序号索引，µ为1时，LoRa调制数字信号的频率增大，µ为-1时，LoRa调制数字信号的频率减小，SF为扩频因子，m为倍频因子，n为采样序号，
Figure SMS_16
为调制符号的起始频率。
在本发明一个或多个实施例中，转换模块102还用于，对LoRa调制数字信号进行成型滤波和数模转换，得到用于发送的LoRa模拟信号。
需要说明的是，本发明的基于LoRa调制的信号生成装置的其他具体实施方式，可以参见上述的基于LoRa调制的信号生成方法。
本发明实施例的基于LoRa调制的信号生成装置，通过在数字基带生成LoRa调制数字信号，将LoRa调制数字信号转换为用于发送的LoRa模拟信号，且在生成LoRa调制数字信号的过程中需要进行倍频处理，从而通过倍频的方式生成用于发送的LoRa模拟信号，提高了生成的信号的性能。
进一步的，本发明提出一种LoRa设备。
图6是本发明实施例的LoRa设备的结构框图。
如图6所示，LoRa设备10，包括上述的基于LoRa调制的信号生成装置100。
本发明实施例的LoRa设备，通过上述的基于LoRa调制的信号生成装置，在数字基带生成LoRa调制数字信号，将LoRa调制数字信号转换为用于发送的LoRa模拟信号，且在生成LoRa调制数字信号的过程中需要进行倍频处理，从而通过倍频的方式生成用于发送的LoRa模拟信号，提高了生成的信号的性能。
需要说明的是，在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备（如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统）使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例（非穷尽性列表）包括以下：具有一个或多个布线的电连接部（电子装置），便携式计算机盘盒（磁装置），随机存取存储器（RAM），只读存储器（ROM），可擦除可编辑只读存储器（EPROM或闪速存储器），光纤装置，以及便携式光盘只读存储器（CDROM）。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（PGA），现场可编程门阵列（FPGA）等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
在本说明书的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，除非另有说明，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种基于LoRa调制的信号生成方法，其特征在于，所述方法包括：
在数字基带生成LoRa调制数字信号，其中，在生成所述LoRa调制数字信号的过程中进行倍频处理；
将所述LoRa调制数字信号转换为用于发送的LoRa模拟信号；
所述LoRa调制数字信号根据以下公式进行表达：
Figure QLYQS_1
，
其中，x（n，l）为所述LoRa调制数字信号，l为调制符号序号索引，µ为瞬时频率变化率，µ为1时，所述LoRa调制数字信号的频率增大，µ为-1时，所述LoRa调制数字信号的频率减小，SF为扩频因子，m为倍频因子，n为采样序号，k（l）为调制符号的起始采样率，
Figure QLYQS_2
为调制符号的起始频率。
2.根据权利要求1所述的基于LoRa调制的信号生成方法，其特征在于，在生成所述LoRa调制数字信号的过程中进行倍频处理，包括：
确定倍频因子，其中，所述倍频因子的取值大于等于2；
根据所述倍频因子对在所述数字基带调制生成的数字基带信号进行倍频处理。
3.根据权利要求2所述的基于LoRa调制的信号生成方法，其特征在于，所述倍频因子的取值为2。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的基于LoRa调制的信号生成方法，其特征在于，将所述LoRa调制数字信号转换为用于发送的LoRa模拟信号，包括：
对所述LoRa调制数字信号进行成型滤波和数模转换，得到用于发送的LoRa模拟信号。
5.一种基于LoRa调制的信号生成装置，其特征在于，包括：
生成模块，用于在数字基带生成LoRa调制数字信号，其中，在生成所述LoRa调制数字信号的过程中进行倍频处理；
转换模块，用于将所述LoRa调制数字信号转换为用于发送的LoRa模拟信号；
其中，所述LoRa调制数字信号根据以下公式进行表达：
Figure QLYQS_3
，
其中，x（n，l）为所述LoRa调制数字信号，l为调制符号序号索引，µ为瞬时频率变化率，µ为1时，所述LoRa调制数字信号的频率增大，µ为-1时，所述LoRa调制数字信号的频率减小，SF为扩频因子，m为倍频因子，n为采样序号，k（l）为调制符号的起始采样率，
Figure QLYQS_4
为调制符号的起始频率。
6.根据权利要求5所述的基于LoRa调制的信号生成装置，其特征在于，所述生成模块还用于，确定倍频因子，并根据所述倍频因子对在所述数字基带调制生成的数字基带信号进行倍频处理，其中，所述倍频因子的取值大于等于2。
7.根据权利要求5-6中任一项所述的基于LoRa调制的信号生成装置，其特征在于，所述转换模块还用于，对所述LoRa调制数字信号进行成型滤波和数模转换，得到用于发送的LoRa模拟信号。
8.一种LoRa设备，其特征在于，包括根据权利要求5-7中任一项所述的基于LoRa调制的信号生成装置。
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