CN116436743B - LoRa调制中的波形编码定时同步恢复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种LoRa调制中的波形编码定时同步恢复方法，通信与信息技术，在LoRa帧结构中的前导码使用C‑up‑chirp信号，发射端以新的LoRa帧发射；使用C‑down‑chirp检测本地信号是否与接收信号同步，获得了更高峰度的相位检测函数(鉴相函数)。本发明极大提高LoRa解调过程中，同步恢复的精度，提高检测曲线的峰度。

Description

LoRa调制中的波形编码定时同步恢复方法

技术领域

本发明属于通信与信息技术，具体涉及一种LoRa调制中的波形编码定时同步恢复方法。

背景技术

LoRa(远距离无线电，Long Rang radio)调制是LoRa联盟(LoRa Alliance)为LoRa广域网(LoRaWAN)推出的一种调制方式，是一种chip调频(也叫线性调频)的一种变形。LoRa调制利用chip调频的起始频率携带信息，实现数码传递，因为也可以将LoRa调制看作是chip调频与MFSK(multifrequency-shift keying)的复合调制，其调制解调过程如图1所示，调制公式如式(1)：

LoRa Chirp波形用来表示M＝2^SF的符号值，SF为扩频系数，Chirp/Symbol持续时间为T_s＝M/B，B为占用带宽，β和γ_n定义如下：

m_n∈{0,1,2,…,M-1}

又由于：N_m为帧中符号总数，则s(t)可表示为

De-chirping信号如下：

式中δ(t)为冲击函数。

De-chirping以后，获得的混合信号为：

其中，g{.}表示信道传递函数，i(t)为干扰信号，n(t)为加性高斯噪声。干扰和高斯噪声与de-chirping信号s^*(t)混合后，干扰信号变为噪声信号变为/>并保持与n(t)相同的统计特性。

对于理想不失真信道，有：

g{x(t)}＝x(t) (5)

则有：

该信号为FSK信号，按FSK信号的解调方法处理，即可获得所发送的数字符号。

把从最低频率开始不断增加直至最高频率的chirp调频(正向调频)信号称为up-chirp信号，将从最高频率开始不断减小直至最低频率的chirp调频(负向调频)信号称为down-chirp信号，如图2所示，LoRa调制的帧结构中将up-chirp信号作为前导码用于同步恢复，down-chrip信号用做帧同步。

目前，现有同步恢复方式是在接收端用down-chirp信号去扫描LoRa帧中的前导码，然后进行累积积分，当积分电平超过预设门限时，就可以断言检测到LoRa帧，并接收机已经和LoRa帧取得同步。

同步检测过程如图3所示，图3中只给出了前导码检测部分，如果本地down-chirp信号Lo(t)与进入LoRa解调器的接收信号S(t)同步，两个信号在频域中实施频率相加，得到检测输出de(t)；de(t)中只含有一个频率，能量集中，可用检波器检出；如果本地信号Lo(t)与接收信号S(t)存在小时间差，检测输出de(t)中将出现另多个频率成分，检测输出de(t)中的信号能量不再集中。

上述现有同步方式容易导致检测曲线的峰度不够尖锐，同步精度不够高，影响后续帧数据的检测性能。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在定时同步恢复时精度不够的不足，提供一种LoRa调制中的波形编码定时同步恢复方法。

技术方案：本发明的一种LoRa调制中的波形编码定时同步恢复方法，对chip调频时的频率变化进行编码，使其具有更高的定时相位误差敏感度，包括以下步骤：

步骤(1)、LoRa帧结构中的前导码，使用C-up-chirp信号替代原来的前导码，发射端以新的LoRa帧发射，接收端使用C-down-chirp信号进行同步检测；

所述C-up-chirp信号s_cup(t)的表达式如下：

α(t)∈±k，k>0为正常数；B为占用带宽，T_s为符号持续时间；

步骤(2)、使用C-down-chirp检测本地信号Lo(t)＝s_cdw(t)是否与接收信号S(t)同步，使同步检测获取更高峰度的相位检测函数(即鉴相函数)，

其中C-down-chirp信号s_cdw(t)的表达式如下：

并在每个抽样时间间隔内完成如下操作：

步骤(2.1)、读取一个来自前端模数变换器(ADC)的输入信号抽样值，依次压入长度为N的FIFO，形成新的输入信号序列S(n)，n＝0,1,2,…,N-1，然后将输入信号序列S(n)与本地序列Lo(n)做点积运算，即de(n)＝Lo(n)·S(n)，将运算结果dt(n)存入RAM中；

步骤(2.2)、使用FFT单元对每次获得的新输入de(n)做快速傅里叶变换，即F_de(n)＝FFT{de(n)}；

步骤(2.3)、对每个新获得的傅里叶变换结果F_de(n)进行扫描和计算，求得FFT峰值Mx和对应序号(位置)Idx，即求取最大值和最大值位置，[Mx,Idx]＝max{F_de(n)}；

步骤(2.4)、求归一化最大幅值，即

步骤(2.5)、将归一化最大幅值Mag与归一化检测门限th(0.6≤th≤0.9)比较；

如果Mag<th，则判定未检出LoRa信号，继续重复输入信号序列S(n)扫描；

如果Mag≥th，进一步计算相位误差值error；然后将计算获得的误差值error与误差门限E_th比较：如果则判定未检出同步位置，继续重复输入信号序列S(n)扫描；如果/>则判定检测到同步位置，释放同步指示，并依照error是否大于等于零判定输入信号超前或滞后。

进一步地，所述步骤(2.5)中误差值error的计算公式为：

error＝sgn*[1-Mag]；

其中，

有益效果：本发明采用改进的up-chirp波形作为前导码，并在前导码期间，采用改进的down-chirp波形检测本地信号Lo(t)＝s_dw(t)是否与接收信号S(t)同步时，获得了更高峰度的相位检测函数(鉴相函数)。

附图说明

图1为现有技术中LoRa信号的调制与解调过程示意图；

图2为现有技术中LoRa帧结构示意图；

图3为现有技术中LoRa调制的同步检测过程示意图；

图4为本发明LoRa解调的同步检测修正示意图；

图5为本发明同步检测误差示意图；

图6为本发明前导码鉴相函数示意图；

图7为本发明不同相位时的鉴相输出归一化幅值示意图；

图8为本发明的整体流程图；

图9为本发明相位检测计算结构图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图8所示，本发明的一种LoRa调制中的波形编码定时同步恢复方法，使用带编码的chip调频，包括以下步骤：

步骤(1)、LoRa帧结构中的前导码中使用C-up-chirp信号代替原来的前导码，在同步恢复期间接收端使用C-down-chirp信号进行同步检测；

C-up-chirp信号s_cup(t)的表达式如下：

α(t)∈±k，k>0为正常数；B为占用带宽，T_s为符号持续时间；

C-down-chirp信号s_cdw(t)的表达式如下：

步骤(2)、使用C-down-chirp检测本地信号Lo(t)＝s_cdw(t)是否与接收信号S(t)同步，使同步检测获取更高峰度的相位检测函数(即鉴相函数)，在每个抽样时间间隔内完成如下操作：

步骤(2.1)、读取来自前端模数变换器(ADC)的输入信号抽样值，依次压入长度为N的FIFO，形成新的输入信号序列S(n)，n＝0,1,2,…,N-1，然后将输入信号序列S(n)与本地序列Lo(n)做点积运算，即de(n)＝Lo(n)·S(n)，将运算结果de(n)存入RAM中；

步骤(2.2)、使用FFT单元对每次获得的新输入de(n)做快速傅里叶变换，即F_de(n)＝FFT{de(n)}；

步骤(2.3)、对每个新获得的傅里叶变换结果F_de(n)进行扫描和计算，求得FFT峰值Mx和对应序号(位置)Idx，即求取最大值和最大值位置，[Mx,Idx]＝max{F_de(n)}；

步骤(2.4)、求归一化最大幅值，即

步骤(2.5)、将归一化最大幅值Mag与归一化检测门限th(0.6≤th≤0.9)比较；

如果Mag<th，则判定未检出LoRa信号，继续重复输入信号序列S(n)扫描；

如果Mag≥th，进一步计算相位误差值error；然后将计算获得的误差值error与误差门限E_th比较：如果则判定未检出同步位置，继续重复输入信号序列S(n)扫描；如果/>则判定检测到同步位置，释放同步指示，并依照error是否大于等于零判定输入信号超前或滞后；0<E_th≤0.1。

进一步地，所述步骤(2.5)中误差值error的计算公式为：

error＝sgn*[1-Mag]；

其中，

本发明将同步恢复期间的up-chirp和down-chirp信号进行了替换，采用编码的up-chirp信号C-up-chirp和编码的down-chirp信号C-down-chirp,提高LoRa解调过程中，同步恢复的精度，提高检测曲线的峰度；调制和解调过程不变，当M＝2时，仍然符合图1所示的过程。

上述相位检测计算结构如图9所示，先进先出移位寄存器(FIFO)长度为N，依次保留着N样点的输入信号序列S(n)。FIFO中的信号序列与本地ROM中的Lo(n)序列点积操作须在一个抽样时间内完成，并行地将点积值存入RAM中。“FFT”和“计算单元”中完成步骤(2.3)～(2.5)操作的运算也需要在一个抽样时间内完成。

如图4所示，本发明技术方案中，如果本地信号Lo(t)＝s_cdw(t)与接收信号S(t)同步，同步检测输出de(t)没有发生变化，仍然具有相同的归一化检测输出，同时获得了更高峰度的相位检测函数(鉴相函数)，如图6所示，图6中虚线是指现有技术的鉴相输出，实线是指本发明技术方案的鉴相输出，在0误差附近，本发明技术方案的鉴相输出曲线的斜率增加，也就是说鉴相灵敏度得到改善了。

如果本地信号Lo(t)与接收信号S(t)不同步，发生同步误差时，同步检测输出dt(t)将发生明显变化，能量被分散到多个频率成分上，归一化检测输出下降；如图5所示，发生1/8误差时，就能使同步检测输出de(t)的能量平分到2个频率分量上，使得归一化检测输出下降一般；由于对同步误差的敏感性提高了，因而检测精度得到提高。

如图7所示，如果检测门限设为0.707，检测到LoRa帧的时刻，就能保证相位误差范围小于±2/16＝±12.5％，为2个抽样时间的误差，因不需要做大范围的定时调整，方便快速同步。相比于原来的相位误差范围±5/16＝±31.25％小了许多。

Claims (2)

1.一种LoRa调制中的波形编码定时同步恢复方法，其特征在于，对chip调频时的频率变化进行编码，包括以下步骤：

步骤(1)、LoRa帧结构中的前导码使用C-up-chirp信号，发射端以新的LoRa帧发射；

所述C-up-chirp信号s_cup(t)的表达式如下：

α(t)∈±k，k＞0为正常数；B为占用带宽，T_s为符号持续时间；

步骤(2)、使用C-down-chirp检测本地信号Lo(t)＝s_cdw(t)是否与接收信号S(t)同步，该同步检测方法获取更高峰度的相位检测函数；

其中C-down-chirp信号s_cdw(t)的表达式如下：

并在每个抽样时间间隔内做如下操作：

步骤(2.1)、读取一个来自前端模数变换器的输入信号抽样值，依次压入长度为N的FIFO，形成新的输入信号序列S(n)，n＝0，1,2，...，N-1，然后将输入信号序列S(n)与本地序列Lo(n)做点积运算，即de(n)＝Lo(n)·S(n)，运算结果de(n)存入RAM中；

步骤(2.2)、使用FFT单元对每次获得的de(n)序列做快速傅里叶变换，即F_de(n)＝FFT{de(n)}；

步骤(2.3)、对每个新获得的傅里叶变换结果F_de(n)进行扫描和计算，求得FFT峰值Mx和对应位置Idx，即求取最大值和最大值位置，[Mx,Idx]＝max{F_de(n)}；

步骤(2.4)、计算归一化最大幅值，即

步骤(2.5)、将归一化最大幅值Mag与归一化检测门限th比较；

如果Mag＜th，则判定未检出LoRa信号，继续重复输入信号序列S(n)扫描；

如果Mag≥th，进一步计算相位误差值error；然后将计算获得的误差值error与误差门限E_th比较：如果则判定未检出同步位置，继续重复输入信号序列S(n)扫描；如果/>则判定检测到同步位置，释放同步指示，并依照error是否大于等于零判定输入信号超前或滞后。

2.根据权利要求1所述的LoRa调制中的波形编码定时同步恢复方法，其特征在于，所述步骤(2.5)中误差值error的计算公式为：

error＝sgn*[1-Mag]；

其中，