CN116743204A - 扩频接收器和测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及扩频接收器和测试方法。一种表征LoRa调制信号或具有多个线性调频作为符号的任何此类信号的方法。它预见到：采样和存储信号，确定信号中至少一个线性调频的相位，并基于该相位来确定定时误差和/或频率误差，定时误差是通过循环移位位置处的相位中的间断阶跃的高度提取的，而频率误差是通过相位的斜率获得的。该方法可以应用于专用接收器，以用于表征LoRa发射器。

Description

扩频接收器和测试方法
技术领域
本发明涉及基于扩频线性调频调制信号(chirp-modulated signal)的无线网络系统。具体而言，本发明涉及用于此类信号的先进接收器以及测试和表征扩频线性调频调制发射器的方法。
背景技术
近来，无线连接装置已成为相当大的兴趣和努力的目标。改进的无线通信技术有助于“物联网”的创建和发展。在该情境中，提出并使用了几种无线通信协议。尤其通过专利EP2449690B1、EP2763321B1、EP2767847B1、EP3247046B1和EP2449690B1而已知的LoRaTM通信系统使用线性调频扩频调制以低复杂度和低功耗实现长距离传输。
在本公开的上下文中，为简洁起见，术语“LoRa”表示基于包括多个频率线性调频的无线电信号交换的通信系统，每个线性调频限于有限的时间间隔和有限的带宽，其中线性调频包括基本线性调频和调制线性调频，在基本线性调频中频率从时间间隔的开始到结束遵循给定的函数，调制线性调频是基本线性调频的循环移位。基本线性调频和调制线性调频被视为调制字母表中的符号。该定义包括已知的LoRaTM产品和标准、以及该广义概念的可能但尚未实施的变型。
LoRaTM调制用于许多应用和装置，既用于低功率广域网，也用于长距离点对点通信。芯片组、模块和参考设计中的核心技术的不同供应商支持LoRaTM调制的不断扩散。因此，需要将不同来源和型号的发射器和接收器的性能标准化，以确保互操作性。
通过对LoRaTM发射器和接收器的各种组合的常规连接性测试来进行对互操作性的例行测试。随着可用装置数量的增加，从长远来看，这种处理方式变得不切实际，因为有海量的可能组合。
例如，在Wi-Fi等其他数字通信技术中，通过误差矢量幅度(EVM)来量化性能，误差矢量幅度是发射星座点与理想位置偏离多远的度量。为了与信噪比进行比较，EVM可以表示为理想符号幅度的百分比，或以dB为单位。定义LoRa发射器性能的主要指标是定时和频率随时间的稳定性，因为帧可能非常长。
常规LoRa接收器可获得时间和频率误差的综合估计，而不是尝试独立地估计这些参数。本发明的目的是提供一种方法，其用于测试和表征LoRa信号的发射器和接收器，并独立地测量它们的定时和频率稳定性。本发明还涉及用于LoRa信号的先进接收器架构。
发明内容
本发明的目的是提供克服现有技术的缺点和限制的用于表征LoRa信号或LoRa无线电发射或无线电接收装置的一致性的方法。
本发明的另一目的是量化特定装置设计上的无线电损害。损害可能来自相位噪声、频率不稳定或漂移、或者非线性。该方法提供了可以辨别传输误差的主要来源的指标。
上述目的通过所附权利要求的主题来实现，特别是通过表征包括多个线性调频的调制信号的方法来实现，每个线性调频限于有限的时间间隔和有限的带宽，其中线性调频包括基本线性调频和调制线性调频，在基本线性调频中频率从所述时间间隔的开始到结束遵循单调函数，调制线性调频是基本线性调频的循环移位，该方法包括：采样和存储信号，确定信号中至少一个线性调频的相位，以及基于所述相位确定定时误差和/或频率误差，定时误差是线性调频的定时与标称预定定时之间的偏差，频率误差是线性调频的频率与标称预定频率之间的偏差。
从属权利要求涉及本发明的可能有用或有利但非必要的特征。它们尤其引入了如下信号结构：该信号结构具有连续基本线性调频的前同步码，其后是调制线性调频的有效载荷，并且还引入了从相位获得定时误差和频率误差的各种方式以及一个迭代过程，在该迭代过程中，在本发明中可以反复处理同一个消息，例如首次确定帧结构，然后再次计算所有或一些符号的时间和频率误差。在分析若干个线性调频时，该方法可以包括确定发射器的采样定时漂移。通过发射器的采样定时漂移与每个接收的线性调频的频率偏移之间的比值来量化发射器的频率稳定性也是有利的，发射器的采样定时漂移与每个接收的线性调频的频率偏移之间的比值在理想情况下应得到中心发射频率。
一种变型包括通过将窗口应用于两个连续的基本线性调频来合成重组的调制线性调频，以替代接收的调制线性调频，由此，基于相位误差确定定时误差和/或频率误差，所述相位误差是至少一个线性调频的相位与标称线性调频的已知相位之差。定时误差可以被确定为与相位误差的阶跃变化的高度成比例(对应于循环移位)，并且频率误差可以被确定为与相位误差的斜率成比例。
优选地，相位误差的确定包括解线性调频的步骤，包括：逐个样本地将采样信号乘以表示基本线性调频的复共轭的矢量，对乘积应用傅立叶变换，在傅立叶变换的结果中检测频率间隔等于带宽的两个峰值。优选地，在奈奎斯特极限以上对接收的线性调频进行采样，采样频率和信号带宽之间的过采样因子至少为2，以解析峰值，但这不是严格要求的。
本发明的方法可以应用于LoRa发射器和接收器的表征，在后一种情况下，通过可忽略其不一致性的“黄金”发射器来表征LoRa接收器。优选地，接收的信号仅在接收器中被数字化，并且样本被发送到计算服务器，用于在计算服务器中确定时间和频率偏差。
附图说明
本发明的示例性实施例在说明书中公开并通过附图来图示，其中：
图1以简化的示意性方式示出了根据本发明一个方面的无线电调制解调器的结构。
图2a绘出了根据本发明一个方面的基本线性调频和调制线性调频的瞬时频率。图2b示出了相同信号的相位，并且图2c在时域和基带表示中绘出了基本线性调频和调制线性调频的实分量和复分量。
图3a和3b比较了基本线性调频的瞬时频率与调制线性调频的瞬时频率。
图4是示出在定时和频率上不一致的LoRa信号的相位误差的绘图。
图5示意性地示出了用于表征LoRa发射器和/或接收器的系统。
具体实施方式
在欧洲专利EP2449690B 1中描述了在本发明中采用的线性调频调制技术的若干方面，借此通过引用将该专利结合于此，并且将在此进行概述性回顾。图1中示意性地示出的无线电收发器是本发明的可能实施例。收发器包括基带部分200和射频部分100。它包括基带调制器150，基带调制器150基于其输入端的数字数据152生成基带复信号。然后，该基带复信号通过RF部分100而转换至预期的发射频率，通过功率放大器120而放大，并通过天线经由RF开关102而发射。
一旦在无线电链路的另一端接收到该信号，就通过图1的收发器的接收部分对其进行处理，接收部分包括低噪声放大器160，接着是下变频级170，下变频级170生成包括一系列线性调频的基带信号(该信号也是复信号，例如通过两个分量I、Q来表示)，然后通过基带处理器180对该基带信号进行处理，基带处理器180的功能与调制器150的功能相反，并提供重构的数字信号182。
如EP2449690中所述，待处理的信号包括一系列线性调频，其频率沿预定时间间隔从初始瞬时值f0变化至最终瞬时频率f1。为了简化描述，将假设所有的线性调频具有相同的持续时间T，尽管这不是本发明的绝对要求。
基带信号中的线性调频可以通过其瞬时频率的时间曲线(profile)f(t)来描述，也可以通过将信号相位定义为时间的函数的函数φ(t)来描述。重要的是，处理器180被布置成处理和识别具有多个不同曲线的线性调频，每个曲线对应于预定调制字母表中的一个符号。
根据本发明的一个重要特征，接收信号Rx可以包括具有特定且预定义的频率曲线的基本线性调频(后文也称为未非调制线性调频)或一组可能调制线性调频中的一种，其是通过对基本频率曲线进行循环时移而从基本线性调频获得的。作为示例，图2a和2b示出了在线性调频开始的时刻t＝t0和线性调频结束的时刻t＝t1之间的基本线性调频30和一个调制线性调频32的可能频率和相位曲线，而图2c在时域中示出了相应的基带信号。例如，水平标尺对应于符号，尽管这些图被绘制为连续的，但在具体实施中，它们实际上表示有限数量的离散样本。至于竖直标尺，它们被归一化至目标带宽或相应的相位跨度。在图2b中，相位被表示为好像它是一个无界变量，但实际上在具体实施中，它可以跨越几圈。
在所描绘的示例中，基本线性调频的频率从初始值-BW/2线性增大至最终值BW/2，其中BW表示带宽扩展，但减小的线性调频或其他线性调频曲线也是可能的。因此，信息以线性调频的形式被编码，所述线性调频具有相对于预定的基本线性调频的多个可能循环移位中的一个，每个循环移位对应于一个可能的调制符号，或者换言之，处理器180需要处理包括多个频率线性调频的信号，这些频率线性调频是基本线性调频曲线的循环时移副本，并且处理器180需要提取编码在一系列所述时移中的消息。
信号还可以包括共轭线性调频，其是基本非调制线性调频的复共轭。可以将这些视为下线性调频，其中频率从BW/2下降到-BW/2。
评估接收的线性调频相对于本地时间基准的时移的操作在下文中可以称为“解线性调频(dechirping)”，并且有利地可以通过解扩步骤来实现，解扩步骤涉及逐个样本地将接收的线性调频乘以本地生成的基本线性调频的复共轭。这产生了振荡数字信号，其主频率可以显示为与接收的线性调频的循环移位成比例。解调于是可以涉及到解扩信号的傅立叶变换。傅立叶最大值的位置是循环移位和调制值的度量。在数学术语中，用表示第k个接收的符号，相应的调制值由m(k)＝argmaxn(|X(k，n)|)给出，其中/>表示/>与基本线性调频的共轭/>之积的傅立叶变换。然而，解调信号和提取每个符号的循环移位的其他方式也是可能的。
正常的LoRa解调不需要明确提取图2b的绘图中的相位值。本发明涉及使用相位信息分析LoRa信号的有利方法。为此，可以利用已知技术，从接收的信号将相位计算为数字值的时间序列。
在本发明的变型中，接收的线性调频LoRa信号的表征可以使用特殊接收器，其被配置为接收无线电信号并通过以下操作/步骤对其进行处理。
如EP2449690和EP2763321中公开的，包括相同的优选非调制的线性调频的前同步码对于检测是有利的。接收该信号的装置应用上述解线性调频过程，并寻找高于噪声的FFT频谱中的峰值。峰值的检测告诉接收器接收到了LoRa信号，并且该峰值的位置表示发射器和接收器系统之间存在的定时和频率偏移。为了提高灵敏度，接收器可以被配置为在复数域中将前同步码中若干连续的相同线性调频的FFT输出相加。
如EP2763321中公开的，接收器可以被配置为通过查看前同步码的其他特殊特征，诸如具有预定循环移位值的符号和共轭(下降)符号，来改善时间和频率同步。接收器还可以被配置为通过比较由时间上间隔开的不同符号产生的FFT峰值来改善同步图形(figure)。
在本发明的框架中，接收器被配置为利用引用参考文献中公开的方法来确定定时误差，并沿数据帧或至少沿前导码跟踪定时和/或频率误差，并通过合适的跟踪算法跟踪它们。通过基于估计的晶体误差对合成的线性调频应用系统性偏移，可以进一步改善表征。
根据本发明的一个方面，接收器被配置为如上所述的那样分析接收的数据帧，然后对同一系列的数字数据重复所述分析，以确定接收的信号中至少一个线性调频的相位，但优选地若干线性调频的相位，以提高可靠性。
优选地，在本发明中，对接收的线性调频的数字表示进行过采样。正常的LoRa接收器通常采用等于输入线性调频带宽BW的采样频率，而本发明中使用的接收器以该带宽的至少两倍的频率对输入线性调频进行采样。
图3a示出了调制线性调频32的瞬时频率和基本线性调频30的瞬时频率，调制信号可以分为两个连续部分：间断39之前的第一部分，其频率比基准线性调频30的频率高恒定位移Δf，以及间断之后的第二部分，其频率比基准线性调频30的频率低等于BW-Δf的位移。在解线性调频的过程中，与基本线性调频的共轭相乘将得到(图3b)具有恒定正频率Δf的信号，随后是具有恒定负频率Δf-BW的信号。如果以等于BW(奈奎斯特频率)的频率对信号进行采样，这些正负分量将混叠为一个峰值。通过过采样，可以分离正频率峰值和负频率峰值。
本发明的接收器优选地被配置为在源自对过采样信号的处理的FFT中寻找成对的峰值。如上所述，峰值位置是相互依赖的，因为必须保持f2＝f1-BW。因此，接收器可以被配置为对正负频率中的相应仓的内容进行(非相干地)求和。
通过使用两个峰值的相对幅度由调制值以可预测的方式先验地确定的事实，可以改善非相干和。具有接近N/2的循环移位的符号将具有接近该符号的中间的间断39，因此FFT将呈现具有近似相同幅度的两个峰值，而循环移位接近极值0和N的符号将显示一个大的峰值和一个小得多的峰值，其幅度与间断之前和之后的段的长度成比例。
重要的是，在该第二分析步骤中，确定接收的信号的相位及其时间展开，并将其与标称相位函数进行比较，以提供相位误差。接收的信号的相位可以包括未知的恒定偏移，该偏移可以被设置为任意值而没有后果，如下文中将看到的那样。
图4是具有定时误差的发射器的预期相位误差的绘图(绘图61)和具有定时和频率误差的发射器的预期相位误差的绘图(绘图62)。完美对准的发射器的预期相位误差将是常数，没有绘制。该绘图忽略了噪声。这是一个可以接受的简化，因为在大多数测试程序中，发射器和接收器距离很近，并且信噪比很高。
绘图61示出了一个示例，其中对于扩频因子N＝1024，所分析的线性调频具有512的调制，因此间断是在线性调频的中间，并且具有等于样本的1/8的定时误差。在连续表示中，用BW-Δf表示接收的符号，并且用Δf表示发射的符号，其中Δf-BW是符号的起始，如果既不存在定时误差也不存在频率误差，则它将是BW。如果存在定时误差R(t0+t)，则在采样后将得到T(t0+t)，其中t0是样本索引。
如果考虑恰在间断之前的样本R(t0+t)＝T(t0+t)和恰在间断之后的样本Δt，则作为相位的时间导数的瞬时频率对于前者将非常接近R(t0+k/BW)＝T(t0+Δt+k/BW)，而对于后者将非常接近k。因此可以写出：
以及
这意味着采样误差Δt在频率间断之前和之后引入了符号相反的相位误差。相位误差在图4中Δ1所示的频率跳变时刻有一个阶跃，阶跃的高度与采样误差Δt直接成正比。由于这一点，本发明的接收器可以获得采样误差的独立估计。
频率误差引入了与时间成线性关系的相位误差。这可以在绘图62中看到，绘图62示出了对于扩频因子1024的循环移位896的符号，样本的1/16的定时误差以及频率误差。定时误差给出了阶跃Δ2。频率误差与第一个和最后一个样本之间的相位误差之差Δ3直接成正比。这样，本发明的接收器可以从相位误差获得频率误差的独立估计。
图5示出了本发明在用来表征发射器350的系统中的可能实施。发射器由工作站385控制，并向接收器360发送LoRa分组，接收器360被配置为执行上述信号处理，并确定接收的信号是否符合各种规范，包括频率误差和定时误差。基于上述相位误差函数来确定频率误差和定时误差，例如，频率误差与符号误差开始处之间的相位误差之差成比例，并且定时误差与频率跳变位置处的相位误差的阶跃成比例。
接收器360中的数据处理在服务器380中自动执行，服务器380使用编程脚本382的集合来捕获来自接收器360的数字基带I、Q信号。结果可以通过WAN 384中的安全传输而传输到工作站，WAN 384可以是互联网。
优选地，接收器被配置为自动补偿频率和相位误差，以及捕获的信号中的定时偏移和采样定时漂移。采样和采样漂移补偿优选地使用时间插值来计算。接收器可以被配置为在将补偿应用于了捕获的信号之后计算发射器精度指标。
本发明的接收器可以独立地确定从给定发射器连续接收的若干LoRa符号(即线性调频)或从给定发射器接收的甚至全部LoRa符号中的定时误差和频率误差。优选地，接收器被配置为跟踪这些误差随时间的漂移。捕获的数据中的定时误差的变化会产生样本定时漂移。对于捕获的数据中的任何符号，计算样本定时漂移与频率偏移的比值。由于样本定时和频率合成通常由发射器中相同的频率基准来驱动，因此预期样本定时漂移和频率误差应该是相关的。因此，频率偏移应等于中心发射频率乘以样本定时漂移，并且上述比率应给出中心发射频率。本发明的接收器可以被配置为跟踪比值在该预期值附近的变化，并且这些将给出发射器中频率一致性的度量。
频率基准漂移是频率基准在捕获的数据上的变化的度量。它包括两个指标，一个是从估计的频率偏移变化计算出来的，并且一个是从估计的样本定时漂移计算出来的。
调制器带宽损失是有限调制器带宽导致的发射器精度损失的度量。这是在频率和时间补偿后从解调的值测量出来的。在仅保留对应于频率跳变的样本的情况下，将接收的信号与具有相同调制值序列的理想发射信号进行比较。
所公开的系统可以用于对照高质量校准的接收器来表征发射器的性能，或者使用校准的“黄金”发射器来表征接收器。
图中的附图标记
30 基本线性调频
32 调制线性调频
39 频率跳变
61 具有定时误差的相位误差
62 具有定时和频率误差的相位误差
100 RF部分
102 RF开关
110 频率转换
120 功率放大器
129 振荡器，时基
150 调制器
152 要发射的数字信号
154 缓冲器
160 LNA
170 下变频级
180 处理器、解调器
182 重构的数字信号
190 受控振荡器
200 基带部分
350 发射器
385 工作站
360 接收器
380 服务器
381 计算单元
382 脚本
384 互联网

Claims (13)

1.一种表征包括多个线性调频的调制信号的方法，每个线性调频限于有限的时间间隔和有限的带宽，其中线性调频包括基本线性调频和调制线性调频，在基本线性调频中频率从所述时间间隔的开始到结束遵循单调函数，调制线性调频是基本线性调频的循环移位，该方法包括：采样和存储信号，确定信号中至少一个线性调频的相位，以及基于所述相位确定定时误差和/或频率误差，定时误差是线性调频的定时与标称预定定时之间的偏差，频率误差是线性调频的频率与标称预定频率之间的偏差。
2.根据权利要求1所述的方法，所述信号包括连续基本线性调频的前同步码，其后是调制线性调频的有效载荷。
3.根据权利要求1所述的方法，所述至少一个线性调频是调制线性调频或通过将窗口应用于两个连续的基本线性调频而获得的重组的调制线性调频，并且基于相位误差确定定时误差和/或频率误差，所述相位误差是所述至少一个线性调频的相位与标称线性调频的已知相位之差。
4.根据权利要求1所述的方法，定时误差被确定为与相位误差的阶跃变化的高度成比例。
5.根据权利要求1所述的方法，频率误差被确定为与相位误差的斜率成比例。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，采样具有带宽的至少两倍的采样频率，该方法包括：逐个样本地将采样信号乘以表示基本线性调频的复共轭的矢量，对乘积应用傅立叶变换，在傅立叶变换的结果中检测频率间隔等于带宽的两个峰值。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，对信号进行反复处理。
8.根据权利要求1所述的方法，包括：用无线电发射装置发射信号，在无线电接收装置中接收并采样信号，将采样的信号传输到计算服务器，在计算服务器中确定时间和频率偏差。
9.根据权利要求1所述的方法，包括：确定从给定的发射器接收的多个线性调频的定时误差，并基于所述定时误差来确定所述发射器的采样定时漂移。
10.根据权利要求9所述的方法，包括：针对每个接收的线性调频，确定所述发射器的采样定时漂移与接收的线性调频的频率偏移的比值，并使用所述比值作为所述发射器中的频率稳定性的度量。
11.一种表征无线电发射装置的性能的方法，包括：用基准无线电接收装置接收由所述无线电发射装置生成的信号，并通过根据权利要求1至10中的任一项所述的方法来确定定时误差和/或频率误差。
12.一种表征无线电接收装置的性能的方法，包括：用基准无线电发射装置生成信号，用所述无线电接收装置接收所述信号，并通过根据权利要求1至10中的任一项所述的方法来确定定时误差和/或频率误差。
13.一种用于LoRa信号的无线电接收装置，其被配置为执行根据权利要求1至12中的任一项所述的方法。
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