CN116886485A - 基于LoRa信号的通信感知一体化方法、系统、装置及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于LoRa信号的通信感知一体化方法、系统、装置及介质，包括：根据所需传输的信息对LFM信号进行循环移位调制，得到LoRa信号；基于FFT对LoRa信号进行解调完成信息提取；基于对LoRa信号回波的处理获取回波的延时，通过延时计算目标距离。本发明实现了基于FFT的信息快速调制解调，并通过回波复原法、间隔发射信号法以及自适应匹配滤波法实现了对LoRa信号的回波进行脉冲压缩，并根据脉压的结果得到回波延时，完成测距。本发明能够提高频谱的利用效率，缓解频谱资源紧缺问题。本发明提出三种对LoRa信号回波处理的方案，能够在实际使用中根据应用场景侧重点的不同来进行切换，从而实现通信和感知功能。
Description
技术领域
本发明属于信号解调技术领域，涉及一种基于LoRa信号的通信感知一体化方法、系统、装置及介质。
背景技术
虽然雷达的感知探测功能与无线通信功能在信号处理方式上各有不同，但是感知与通信的实质都依赖于最本质的电磁信号的发射以及接收。随着信息技术的快速发展，频谱资源变得稀有而珍贵，但现有的频谱的利用效率比较低，因此亟需一种提高频谱利用效率的方法。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中在频谱资源稀少的背景下，频谱的利用效率低的问题，提供一种基于LoRa信号的通信感知一体化方法、系统、装置及介质。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
基于LoRa信号的通信感知一体化方法，包括：
根据所需传输的信息对LFM信号进行循环移位调制，得到LoRa信号；
基于FFT对LoRa信号进行解调完成信息提取；
基于对LoRa信号的回波进行脉压处理，获取回波的延时，通过延时计算目标距离。
本发明的进一步改进在于：
进一步的，根据所需传输的信息对LFM信号进行循环移位调制，得到LoRa信号，具体为：
基于LoRa信号的参数选取LFM信号；
基于扩频因子以及带宽的不同，按照所需传输的信息位的个数选取合适的扩频因子对LFM信号的整个频带进行分段，将不同的信息位对应不同的频率，再将需要传输的信息所对应的频率设置为信号的初始频率，即得到LoRa信号。
进一步的，LFM信号的表达式为：
其中，u为LFM信号的斜率；
若LoRa信号的扩频因子为SF，带宽为B，则整个频带B被分为2SF段，每段带宽为B/2SF；
所述LoRa信号的表达式为：
其中，m为当前传输的数据；Ts为LoRa信号周期。
进一步的，基于FFT对LoRa信号进行解调完成信息提取，具体为：对LoRa信号sL(t)与原LFM信号sF(t)的共轭进行相乘，得到
对结果以fs＝B的频率进行采样，得到t＝nT＝n/B，则由公式(3)得
X(n)代表采样后的某一个离散信号，n代表第几个信号；N为2的SF次幂；
对公式(4)在区间做离散傅里叶变换得到
当k＝m时输出为N，其他情况下输出为0，则对信号实现解调。
进一步的，基于对LoRa信号回波的处理，获取回波的延时，通过延时计算目标距离，具体为：基于回波复原法、间隔发射信号法或自适应匹配滤波法对LoRa信号的回波进行处理，获取回波的延时，通过延时计算目标距离；
所述基于回波复原法对LoRa信号的回波进行处理，具体为：
对回波进行解调，得到当前回波所携带的信息后产生与回波携带相同信息LoRa信号，所述产生的LoRa信号与回波信号进行匹配滤波，得到脉冲压缩结果，基于所获取的脉压结果完成测距；
所述基于间隔发射信号法对LoRa信号进行处理，具体为：在一个发射周期内只发射一个LoRa信号，将当前LoRa信号作为匹配滤波器的基准信号，与回波信号进行匹配滤波，得到脉冲压缩结果，基于所获取的脉压结果完成测距；
所述基于自适应匹配滤波法对回波和LoRa信号进行处理，具体为：
将2SF个LoRa信号依次输入进匹配滤波器与回波信号进行脉冲压缩处理；对2SF次脉冲压缩处理的结果取幅度上的最大值，即得到最佳脉冲压缩结果，基于所获取的最佳脉压结果完成测距。
进一步的，脉冲压缩具体为：若在一个线性滤波器的输入端同时加了信号和噪声，则线性滤波器的输入为：
x(t)＝s(t)+n(t) (6)
因为线性滤波器满足叠加原理，线性滤波器的输出为：
y(t)＝s0(t)+n0(t) (7)
其中：
式中：s(t)为滤波器的输入信号的复包络；s0(t)为滤波器的输出信号的复包络；n(t)为滤波器的输入噪声的复包络；n0(t)为滤波器的输出噪声的复包络；
匹配滤波器的冲激响应hm(t)为：
hm(t)＝s*(t0-t) (10)
信号叠加噪声经过hm(t)的响应为：
令t-τ＝τ，有：
根据自相关的定义，最后可得：
y(t)＝Rss(t-t0)+Rns(t-t0) (13)
若发射信号为sr(t)，则回波信号为
h(t)＝sr *(t0-t) (14)
若设t0＝0，则
h(t)＝sr *(-t) (15)
对两个信号进行卷积则得到
y(t)＝sr(t)*h(t) (16)
进一步的，测距具体为：
其中，C为光速，t为回波信号时延。
基于LoRa信号的通信感知一体化系统，包括：发射端、接收端和匹配滤波器；
调制模块，所述调制模块根据所需传输的信息对LFM信号进行循环移位调制，得到携带信息的LoRa信号；
解调模块，所述解调模块基于FFT对LoRa信号进行解调完成信息提取；
感知模块，所述感知模块基于对LoRa信号的回波进行脉压处理，获取回波的延时，通过延时计算目标距离。
一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下优势：
本发明对LFM信号进行循环移位调制，得到携带信息的LoRa信号；基于FFT对LoRa信号进行解调完成信息提取；基于对LoRa信号回波的处理，获取回波的延时，通过延时计算目标距离；本发明实现了基于FFT的信息快速调制解调，并通过回波复原法、间隔发射信号法以及自适应匹配滤波法对LoRa信号回波进行处理，通过获取的脉压结果完成测距。本发明能够提高频谱的利用效率，缓解频谱资源紧缺问题。本发明提出三种对LoRa信号回波处理的方案，能够在实际使用中根据应用场景侧重点的不同来进行切换，从而实现通信和感知功能。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的基于LoRa信号的通信感知一体化方法的流程示意图；
图2为本发明的基于LoRa信号的通信感知一体化系统的结构示意图；
图3为本发明的基于LoRa信号的通信感知一体化系统的总体框架示意图；
图4为LFM信号的频率随时间变化示意图；
图5为LoRa信号的频率随时间变化示意图；
图6为接收端信息解调仿真结果示意图；
图7为通信部分流程示意图；
图8为脉冲压缩示意图；
图9为带延时的LoRa信号与LFM信号脉冲压缩示意图；
图10为带延时的LFM信号与LFM信号脉冲压缩示意图；
图11为回波解调复原法的流程示意图；
图12为间隔发射信号法的流程示意图；
图13为自适应匹配滤波法的流程示意图；
图14为回波解调复原法、间隔发射信号法和自适应匹配滤波法的测距示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。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。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明公布了一种基于LoRa信号的通信感知一体化方法，包括：
S101，根据所需传输信息对LFM信号进行循环移位调制，得到LoRa信号。
基于LoRa信号的参数选取LFM信号；
基于扩频因子以及带宽的不同，按照所需传输的信息位的个数选取合适的扩频因子对LFM信号的整个带宽进行分段，将不同的信息位对应不同的频率，再将需要传输的信息所对应的频率设置为信号的初始频率，得到LoRa信号。
LFM信号的表达式为：
其中，u为LFM信号的斜率；
若LoRa信号的扩频因子为SF，带宽为B，则整个频带B被分为2SF段，每段带宽为B/2SF；
LoRa信号的表达式为：
其中，m为当前传输的数据；Ts为LoRa信号周期。
S102，基于FFT对LoRa信号进行解调完成信息提取。
对LoRa信号sL(t)与原LFM信号sF(t)的共轭进行相乘，得到
对结果以fs＝B的频率进行采样，可得到t＝nT＝n/B，则由公式(3)得
X(n)代表采样后的某一个离散信号，n代表第几个信号；N为2的SF次幂；
对公式(4)在区间做离散傅里叶变换得到
当k＝m时输出为N，其他情况下输出为0，则对信号实现解调。
S103，基于对LoRa信号的回波进行脉压处理，获取回波的延时，通过延时计算目标距离。
基于回波复原法、间隔发射信号法或自适应匹配滤波法对回波和LoRa信号进行处理，获取回波的延时，通过延时计算目标距离；
基于回波复原法对LoRa信号的回波进行处理，具体为：
对回波进行解调，得到当前回波所携带的信息后产生与回波携带相同信息LoRa信号，所述产生的LoRa信号与回波信号进行匹配滤波，得到脉冲压缩结果，基于所获取的脉压结果完成测距；
所述基于间隔发射信号法对回波和LoRa信号进行处理，具体为：在一个发射周期内只发射一个LoRa信号，将当前LoRa信号作为匹配滤波器的基准信号，与回波信号进行匹配滤波，得到脉冲压缩结果，基于所获取的脉压结果完成测距；
所述基于自适应匹配滤波法对回波和LoRa信号进行处理，具体为：
将2SF个LoRa信号依次输入进匹配滤波器与回波信号进行脉冲压缩处理；对2SF次脉冲压缩处理的结果取幅度上的最大值，即可得到最佳脉冲压缩结果，基于最佳脉压结果完成测距。
脉冲压缩具体为：若在一个线性滤波器的输入端同时加了信号和噪声，则线性滤波器的输入为：
x(t)＝s(t)+n(t) (6)
因为线性滤波器满足叠加原理，线性滤波器的输出为：
y(t)＝s0(t)+n0(t) (7)
其中：
式中：s(t)为滤波器的输入信号的复包络；s0(t)为滤波器的输出信号的复包络；n(t)为滤波器的输入噪声的复包络；n0(t)为滤波器的输出噪声的复包络；
匹配滤波器的冲激响应hm(t)为：
hm(t)＝s*(t0-t) (10)
信号叠加噪声经过hm(t)的响应为：
令t-τ＝τ，有：
根据自相关的定义，最后可得：
y(t)＝Rss(t-t0)+Rns(t-t0) (13)
若发射信号为sr(t)，则回波信号为
h(t)＝sr *(t0-t) (14)
若设t0＝0，则
h(t)＝sr *(-t) (15)
对两个信号进行卷积则得到
y(t)＝sr(t)*h(t) (16)
测距具体为：
其中，C为光速，t为回波信号时延。
参见图2，本发明公布了一种基于LoRa信号的通信感知一体化系统，包括：
调制模块，所述调制模块根据所需传输的信息对LFM信号循环移位进行调制，得到携带信息的LoRa信号；
解调模块，所述解调模块基于FFT对LoRa信号进行解调完成信息提取；
感知模块，所述感知模块基于对LoRa信号的回波进行脉压处理，获取回波的延时，通过延时计算目标距离。
实施例：
所谓的通感一体化，指的是在实现二者硬件共用的基础上，进一步进行波形融合，使用一个信号同时执行感知和通信功能，以优化系统性能、节约频谱资源。基于LoRa信号的通信感知一体化的总体方案如下:
在通信方面，对线性调频信号(Linear Frequency Modulation，LFM)进行循环移位得到LoRa信号，利用LFM信号的循环移位对应频谱的移位的特点，通过快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)的方式快速实现快速解调，从而实现信息传递的功能。
在感知方面，利用LFM信号是一种大时宽带宽积信号，在接收端采用脉冲压缩算法可以实现较大的压缩比，获得窄脉冲，从而可以获得高距离分辨率，实现感知功能。
参见图3，通感一体化系统由发送端、接收端、匹配滤波器三部分组成，各部分的具体功能如下：
发送端：基于符号位对LFM信号循环移位完成调制，得到携带信息的LoRa信号，并对LoRa信号进行传输。
接收端：接收到LoRa信号后利用FFT进行解调完成信息提取。
匹配滤波器：当前LoRa信号在遇到目标时会产生反射形成回波，基于回波和LoRa信号，获取回波的延时，通过延时计算目标距离。
通感一体化实现具体为：通信部分和感知部分；其中，通信部分包括LoRa信号调制和LoRa信号解调；感知部分包括脉冲压缩和基于回波复原法、间隔发射信号法或自适应匹配滤波法对回波和LoRa信号进行处理，获取回波的延时，通过延时计算目标距离。
LFM信号的表达式为：
其中，u为LFM信号的斜率。LoRa信号由LFM信号经循环移位而来，LFM信号的频率是一条上升的直线，而LoRa信号的初始频率则根据所携带信息位的不同而变化，相当于对LFM信号的频率进行折叠分段。设LoRa信号的扩频因子为SF，带宽为B，则整个频带B被分为2SF段，每段带宽为B/2SF。在常见的物联网应用场景中，LoRa的调制带宽B的范围为7.8～500kHz，扩频因子SF为7～12之间。
LoRa信号的表达式为：
其中，m为当前传输的数据。
LFM信号和LoRa信号的频率随时间变化的关系分别如图4和图5所示，其中LoRa信号当前传输的数据m＝100。
LoRa信号解调为对LoRa信号sL(t)与原LFM信号sF(t)的共轭进行相乘，得到
对结果以fs＝B的频率进行采样，得到t＝nT＝n/B，则由公式(3)得
对公式(4)在区间做离散傅里叶变换得到
当k＝m时输出为N，其他情况下输出为0，则对信号实现解调。当传输信息为100时，参见图6，图6为接收端解调结果示意图。
综上，通信部分的基本步骤如下：
第一步，根据LoRa信号的参数选取合适的LFM信号。
第二步，根据扩频因子以及带宽的不同，按照所需传输的信息位的个数选取合适的扩频因子对LFM信号的整个带宽进行分段，将不同的信息位对应不同的频率，再将需要传输的信息所对应的频率设置为信号的初始频率，即生成LoRa信号。
第三步，发射端发出已调制的信号，接收端通过FFT解调的方式快速实现对信号的解调，即可得到所传输的信息。具体流程如图7所示。
感知部分中的脉冲压缩：在雷达信号处理中，脉冲压缩技术用来解决雷达探测能力和分辨力的矛盾。如果一个滤波器使得叠加了噪声的信号通过该滤波器后得到最大输出信噪比，就称这个滤波器为匹配滤波器。匹配滤波器是最佳线性滤波器。当回波经过匹配滤波器后其幅度远远增大，而脉宽变得很窄，从而提高距离分辨率。
若在一个线性滤波器的输入端同时加了信号和噪声，则线性滤波器的输入为：
x(t)＝s(t)+n(t) (6)
因为线性滤波器满足叠加原理，线性滤波器的输出为：
y(t)＝s0(t)+n0(t) (7)
其中：
式中：s(t)为滤波器的输入信号的复包络；s0(t)为滤波器的输出信号的复包络；n(t)为滤波器的输入噪声的复包络；n0(t)为滤波器的输出噪声的复包络；
匹配滤波器的冲激响应hm(t)为：
hm(t)＝s*(t0-t) (10)
信号叠加噪声经过hm(t)的响应为：
令t-τ＝τ，有：
根据自相关的定义，最后可得：
y(t)＝Rss(t-t0)+Rns(t-t0) (13)
从上可以看出，在噪声存在的情况下，匹配滤波器是一个互相关器，否则是自相关器。可以在时域或频域完成匹配滤波，两者效果一样。但是，当处理的信号较长，点数较多的时候，在频域完成匹配滤波可以提高运算速度。
若发射信号为sr(t)，则回波信号为
h(t)＝sr *(t0-t) (14)
若设t0＝0，则
h(t)＝sr *(-t) (15)
对两个信号进行卷积则得到
y(t)＝sr(t)*h(t) (16)
图8为脉冲压缩示意图。在匹配滤波器中为了保证最大信噪比的输出，往往采用回波信号的原信号与之进行脉冲压缩，即输入进匹配滤波器中的两个信号保持如式(14)所示的关系；但由于采用的LoRa信号在传递信息的同时进行测距，每个不同的信息导致了不同的信号波形，若对携带不同信息的LoRa信号用相同的基准信号与之进行匹配滤波，就会出现因调制信息带来的固有偏差现象，从而导致测距存在偏差。图9与图10中的两个信号的延时均为0.0003s，对比发现在LoRa信号脉压后，调制信息带来了固有偏差，这种现象导致无法使用相同的基准信号对携带不同信息的LoRa信号进行脉压从而测距。
针对LoRa信号与基准LFM信号脉压带来测距偏差的问题，提出了回波解调复原法、间隔发射信号法以及自适应匹配滤波法。
参见图11，回波解调复原法：在发射端对LoRa回波信号进行解调，得到回波信号所携带的信息，再根据该信息产生脉压基准信号，完成匹配滤波。
第一步：与通信部分相同，将信息加载在LFM信号上形成LoRa信号进行发射。信号在经过传输后与目标端相遇发生反射，产生回波。
第二步，回波到达发射端后，发射端对回波解调，在正确得到当前回波所携带的信息后产生与回波携带相同信息LoRa信号，与回波信号进行匹配滤波，根据匹配滤波的结果可以得到回波的延时，从而得到目标的距离信息。
参见图12，间隔发射信号法：在一个发射周期内只发射一个LoRa信号，这样可以保证发射端时刻掌握回波信号所携带的信息，保证匹配滤波器中的基准信号与回波LoRa信号的关系如式(14)所示，再进行脉冲压缩即可。
第一步：与通信部分相同，将信息加载在LFM信号上形成LoRa信号进行发射。信号在经过传输后与目标端相遇发生反射，产生回波。
第二步：由于发射间隔的存在，可以保证输入进匹配滤波器中的两个信号关系如式(14)所示，再根据脉压结果计算距离。
参见图13，自适应匹配滤波法：利用匹配滤波器的特性，即输出最大的信噪比，当输入进匹配滤波器中的两个信号关系不如式(14)所示时，这导致匹配滤波器此时的输出不会达到最大，依据匹配滤波器这一特性，设计出自适应匹配滤波器，即生成所有可能得到LoRa信号，依次与回波信号进行脉冲压缩处理，当匹配滤波器中输入的两个信号关系如式(14)时，此时匹配滤波器输出可以达到最大，可以对所有脉冲压缩结果取最大值，即可得到最佳匹配滤波的结果，进而实现测距。
第一步：与通信部分相同，将信息加载在LFM信号上形成LoRa信号进行发射。信号在经过传输后与目标端相遇发生反射，产生回波。
第二步：生成2SF个LoRa信号，依次输入进匹配滤波器与回波信号进行脉冲压缩处理。
第三步：对2SF次脉冲压缩处理的结果取幅度上的最大值，即可得到最佳匹配滤波结果，即两个信号的关系如式(14)时的脉冲压缩结果，利用这一脉压结果测距即可。
实验结果：实验测试中回波信号时延为t＝0.0002s，则理论上距离R＝Ct/2＝30000m,其中光速C＝3×108m/s,以上三种方案实际测距结果均如图14所示。
本发明一实施例提供的终端设备。该实施例的终端设备包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各个方法实施例中的步骤。或者，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能。
所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。
所述终端设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述终端设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。
所述处理器可以是中央处理单元(CentralProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignalProcessor，DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述终端设备的各种功能。
所述终端设备集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于LoRa信号的通信感知一体化方法，其特征在于，包括：
根据所需传输的信息对LFM信号进行循环移位调制，得到LoRa信号；
基于FFT对LoRa信号进行解调完成信息提取；
基于对LoRa信号的回波进行脉压处理，获取回波的延时，通过延时计算目标距离。
2.根据权利要求1所述的基于LoRa信号的通信感知一体化方法，其特征在于，所述根据所需传输的信息对LFM信号进行循环移位调制，得到LoRa信号，具体为：
基于LoRa信号的参数选取LFM信号；
基于扩频因子以及带宽的不同，按照所需传输的信息位的个数选取合适的扩频因子对LFM信号的整个频带进行分段，将不同的信息位对应不同的频率，再将需要传输的信息所对应的频率设置为信号的初始频率，即得到LoRa信号。
3.根据权利要求2所述的基于LoRa信号的通信感知一体化方法，其特征在于，所述LFM信号的表达式为：
其中，u为LFM信号的斜率；
若LoRa信号的扩频因子为SF，带宽为B，则整个频带B被分为2SF段，每段带宽为B/2SF；
所述LoRa信号的表达式为：
其中，m为当前传输的数据；Ts为LoRa信号周期。
4.根据权利要求3所述的基于LoRa信号的通信感知一体化方法，其特征在于，所述基于FFT对LoRa信号进行解调完成信息提取，具体为：对LoRa信号sL(t)与原LFM信号sF(t)的共轭进行相乘，得到
对结果以fs＝B的频率进行采样，得到t＝nT＝n/B，则由公式(3)得
X(n)代表采样后的某一个离散信号，n代表第几个信号；N为2的SF次幂；
对公式(4)在区间做离散傅里叶变换得到
当k＝m时输出为N，其他情况下输出为0，则对信号实现解调。
5.根据权利要求4所述的基于LoRa信号的通信感知一体化方法，其特征在于，所述基于对LoRa信号回波的处理，获取回波的延时，通过延时计算目标距离，具体为：基于回波复原法、间隔发射信号法或自适应匹配滤波法对LoRa信号的回波进行处理，获取回波的延时，通过延时计算目标距离；
所述基于回波复原法对LoRa信号的回波进行处理，具体为：
对回波进行解调，得到当前回波所携带的信息后产生与回波携带相同信息LoRa信号，所述产生的LoRa信号与回波信号进行匹配滤波，得到脉冲压缩结果，基于所获取的脉压结果完成测距；
所述基于间隔发射信号法对LoRa信号进行处理，具体为：在一个发射周期内只发射一个LoRa信号，将当前LoRa信号作为匹配滤波器的基准信号，与回波信号进行匹配滤波，得到脉冲压缩结果，基于所获取的脉压结果完成测距；
所述基于自适应匹配滤波法对回波和LoRa信号进行处理，具体为：
将2SF个LoRa信号依次输入进匹配滤波器与回波信号进行脉冲压缩处理；对2SF次脉冲压缩处理的结果取幅度上的最大值，即得到最佳脉冲压缩结果，基于所获取的最佳脉压结果完成测距。
6.根据权利要求5所述的基于LoRa信号的通信感知一体化方法，其特征在于，所述脉冲压缩具体为：若在一个线性滤波器的输入端同时加了信号和噪声，则线性滤波器的输入为：
x(t)＝s(t)+n(t) (6)
因为线性滤波器满足叠加原理，线性滤波器的输出为：
y(t)＝s0(t)+n0(t) (7)
其中：
式中：s(t)为滤波器的输入信号的复包络；s0(t)为滤波器的输出信号的复包络；n(t)为滤波器的输入噪声的复包络；n0(t)为滤波器的输出噪声的复包络；
匹配滤波器的冲激响应hm(t)为：
hm(t)＝s*(t0-t) (10)
信号叠加噪声经过hm(t)的响应为：
令t-τ＝τ，有：
根据自相关的定义，最后可得：
y(t)＝Rss(t-t0)+Rns(t-t0) (13)
若发射信号为sr(t)，则回波信号为
h(t)＝sr *(t0-t) (14)
若设t0＝0，则
h(t)＝sr *(-t) (15)
对两个信号进行卷积则得到
y(t)＝sr(t)*h(t) (16)。
7.根据权利要求6所述的基于LoRa信号的通信感知一体化方法，其特征在于，所述测距具体为：
其中，C为光速，t为回波信号时延。
8.基于LoRa信号的通信感知一体化系统，其特征在于，包括：发射端、接收端和匹配滤波器；
调制模块，所述调制模块根据所需传输的信息对LFM信号进行循环移位调制，得到携带信息的LoRa信号；
解调模块，所述解调模块基于FFT对LoRa信号进行解调完成信息提取；
感知模块，所述感知模块基于对LoRa信号的回波进行脉压处理，获取回波的延时，通过延时计算目标距离。
9.一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-7任一项所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述方法的步骤。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310753878.1A CN116886485A (zh) | 2023-06-25 | 2023-06-25 | 基于LoRa信号的通信感知一体化方法、系统、装置及介质 |
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