CN117424619A - 双路线性调频信号及其发送与接收方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及无线通信技术领域，公开了一种双路线性调频信号及其发送与接收方法，所述双路线性调频信号，包括时间重叠的基本调频信号和附加调频信号；基本调频信号和附加调频信号的扩频因子SF相同；基本调频信号的扫频起始位置由基本符号进行调制；一个基本符号包括SF个基本比特；附加调频信号的扫频起始位置的根据基本调频信号的扫频起始位置和偏移量确定；其中，偏移量根据附加符号的取值确定，一个附加符号包括SF‑1个附加比特。本申请实施例中，将时间重叠的基本调频信号和附加调频信号叠加后传输，可以提高频谱利用率，提高数据的传输效率。

Description

双路线性调频信号及其发送与接收方法

技术领域

本申请涉及无线通信技术领域，具体涉及一种双路线性调频信号及其发送与接收方法。

背景技术

物联网技术的飞速发展对信息传输技术提出了更高的要求。由于节点数量多、分布范围广，一般要求物联网通信部件需要具备传输距离远、功耗低、成本低等特点。而线性调频(chirp)扩频通信技术即可较好地满足上述要求，其通过不同程度的频谱展宽，在传输速率和可靠性之间进行折中，同时还能较好地实现低功耗和广覆盖，因此在物联网信息传输技术中得到了广泛的应用。

Chirp扩频通信技术最大的问题在于其所支持的数据速率较低，这一问题源于其为了提升传输可靠性而对频谱进行的展宽。例如LoRaWAN系统采用的6种扩频因子(SF:spreading factor)为7、8、9、10、11、12，对应的频谱利用率η＝SF/(2^SF)，分别是0.055、0.031、0.018、0.0098、0.0054和0.0029bps/Hz。为了提升chirp扩频技术的频谱效率，人们还提出了一些改进技术，例如文献1(T.Elshabrawy and J.Robert,"Interleaved ChirpSpreading LoRa-Based Modulation,"IEEE Internet ofThings Journal,vol.6,no.2,pp.3855-3863,April 2019)利用额外1比特决定对线性调频扩频序列是否进行交织，可使得频谱效率从原始的SF/(2^SF)变为(SF+1)/(2^SF)，但接收端需要额外的与解交织相关的1个接收通路。再如文献2(A.Mondal,M.HanifandH.H.Nguyen,"SSK-ICS LoRa:ALoRa-BasedModulation Scheme With Constant Envelope and Enhanced Data Rate,"IEEECommunications Letters,vol.26,no.5,pp.1185-1189,May 2022)使用额外比特对调频斜率和交织与否同时进行控制，可在SF＝7时额外承载2比特，从而提升频率效率2/7≈28.5，但是接收端通路从原来的1路要增加到4路，其成本和复杂度难以有效控制。

因此，现有的技术难以在不额外增加接收通路、不提升节点的成本和复杂度的情况下提升chirp扩频技术的频谱效率。

发明内容

本申请实施例提供了一种双路线性调频信号，以解决现有技术中，难以在不额外增加接收通路、不提升节点的成本和复杂度的情况下提升chirp扩频技术的频谱效率的问题。

相应的，本申请实施例还提供了一种双路线性调频信号的发送方法、一种双路线性调频信号的接收方法。

为了解决上述技术问题，本申请实施例公开了一种双路线性调频信号，包括时间重叠的基本调频信号和附加调频信号；

所述基本调频信号和附加调频信号的扩频因子SF相同；

所述基本调频信号的扫频起始位置由基本符号进行调制；一个所述基本符号包括SF个基本比特；

所述附加调频信号的扫频起始位置的根据所述基本调频信号的扫频起始位置和偏移量确定；

其中，所述偏移量根据附加符号的取值确定，一个所述附加符号包括SF-1个附加比特。

优选地，所述附加符号的取值不为0。

优选地，所述基本符号的取值范围为0～2^SF；所述附加符号的取值范围为1～2^(SF-1)。

优选地，所述附加调频信号的扫频起始位置a＝(b+s+N/2)mod(N)；

其中，b为基本调频信号的扫频起始位置；s为附加符号的取值；N为基本调频信号的扫频起始位置的数量；N＝2^SF。

本申请实施例还公开了一种上述的双路线性调频信号的发送方法，所述发送方法包括：

将基本调频信号和附加调频信号叠加，生成双路线性调频信号；

发送所述双路线性调频信号。

本申请实施例还公开了一种双路线性调频信号的接收方法，所述接收方法包括：

接收权利要求5所述的由基本调频信号和附加调频信号叠加生成的双路线性调频信号；

基于所述双路线性调频信号，确定两个峰值位置I1和I2，其中I1<I2；

根据所述两个峰值位置I1和I2，确定基本符号和附加符号。

可选地，所述基于所述双路线性调频信号，确定两个峰值位置I1和I2，包括：

将所述双路线性调频信号与下扫频信号进行点乘，获得解调信号；所述下扫频信号为所述基本调频信号的共轭信号；

对所述解调信号进行快速傅立叶变换，获得变换结果，并对所述变换结果取绝对值，获得频域信号；

检测所述频域信号，获得两个峰值，并确定两个峰值对应的所述两个峰值位置I1和I2。

可选地，所述根据所述两个峰值位置I1和I2，确定基本符号和附加符号，包括：

根据所述两个峰值位置I1和I2，确定峰值间隔ITV＝I2-I1；

若所述峰值间隔ITV<N/2，则基本符号为I2-1，附加符号为N/2-ITV；

若所述峰值间隔ITV>N/2，则基本符号为I1-1，附加符号为ITV-N/2；

其中，N为扫频起始位置的数量，N＝2^SF，SF为扩频因子。

本申请实施例还公开了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如本申请实施例中一个或多个所述的方法。

本申请实施例中的双路线性调频信号，包括时间重叠的基本调频信号和附加调频信号；基本调频信号和附加调频信号的扩频因子SF相同；基本调频信号的扫频起始位置由基本符号进行调制；一个基本符号包括SF个基本比特；附加调频信号的扫频起始位置的根据基本调频信号的扫频起始位置和偏移量确定；其中，偏移量根据附加符号的取值确定，一个附加符号包括SF-1个附加比特。本申请实施例中，将时间重叠的基本调频信号和附加调频信号叠加后传输，可以提高频谱利用率，提高数据的传输效率。

本申请实施例附加的方面和优点将在下面的描述部分中给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本申请实施例提供的双路线性调频信号的瞬时频率位置图；

图2为本申请实施例提供的发送-接收双路线性调频信号的流程示意图；

图3为本申请实施例提供的双路线性调频信号扫频起始位置未折叠情况下解扩峰值图；

图4为本申请实施例提供的双路线性调频信号扫频起始位置折叠情况下解扩峰值图；

图5为本申请实施例提供的双路线性调频信号相对于LoRaWAN的频谱效率提升率图；

图6为本申请实施例提供的双路线性调频信号与LoRaWAN的误码率性能对比图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，实施例的示例在附图中示出，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。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

本领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请实施例所提供的方案可以由任一电子设备执行，如可以是终端设备，也可以是服务器，其中，服务器可以是独立的物理服务器，也可以是多个物理服务器构成的服务器集群或者分布式系统，还可以是提供云计算服务的云服务器。终端可以是智能手机、平板电脑、笔记本电脑、台式计算机、智能音箱、智能手表等，但并不局限于此。终端以及服务器可以通过有线或无线通信方式进行直接或间接地连接，本申请在此不做限制。对于现有技术中所存在的技术问题，本申请提供的双路线性调频信号及其发送与接收方法，旨在解决现有技术的技术问题中的至少一项。

下面以具体实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本申请的实施例进行描述。

本申请实施例提供了一种可能的实现方式，提供了一种双路线性调频信号，包括时间重叠的基本调频信号和附加调频信号；所述基本调频信号和附加调频信号的扩频因子SF相同。

对应地，系统传输的信息比特被分为基本比特和附加比特。

本申请实施例中基本调频信号的扫频起始位置由基本符号进行调制；一个基本符号包括SF个基本比特；附加调频信号的扫频起始位置的根据基本调频信号的扫频起始位置和偏移量确定；其中，偏移量根据附加符号的取值确定，一个附加符号包括SF-1个附加比特。

本申请实施例中的1个基本符号控制基本调频信号的扫频起始位置，1个附加符号控制附加调频信号的扫频起始位置相对于基本调频信号的扫频起始位置的偏移量，即附加调频信号的扫频起始位置以基本调频信号的扫频起始位置为起点，并根据附加符号的取值获得相应的偏移量后，将此偏移量加到基本调频信号的扫频起始位置作为附加调频信号的扫频起始位置。

本申请实施例中，在确定好基本调频信号的扫频起始位置及附加调频信号的扫频起始位置后，将基本调频信号和附加调频信号叠加后之后，作为最终的发送信号，即双路线性调频信号，可以提高频谱利用率，提高数据的传输效率。

在一个可选的实施例中，所述附加符号的取值不为0。

在一个可选的实施例中，所述基本符号的取值范围为0～2^SF；

所述附加符号的取值范围为1～2^(SF-1)。

本申请实施例中的双路线性调频信号中基本调频信号的扫频起始位置共有N＝2^SF种可能取值，对应的频率位置从频率-B/2开始，以B/N为单位依次增加。N个扫频起始位置可区分N个基本符号。以-B/2为扫频起始位置的线性调频信号称为上扫频信号，对其进行循环移位后可得到以其他频率为扫频起始位置的线性调频信号。上扫频信号的共轭信号称为下扫频信号。

在一个可选的实施例中，所述附加调频信号的扫频起始位置a＝(b+s+N/2)mod(N)；其中，b为基本调频信号的扫频起始位置；s为附加符号的取值；N为基本调频信号的扫频起始位置的数量；N＝2^SF。

其中，基本调频信号的扫频起始位置b的取值范围为0≤b≤N-1；附加符号的取值s的取值范围为0≤b≤N/2-1。

基本调频信号可区分2^SF个基本符号；附加调频信号可区分2^(SF-1)-1个附加符号。

作为第一示例，如图1所示，设定SF＝7，则N＝128，基本调频信号(基本chirp信号)的扫频起始位置b＝20，附加符号的取值为s＝16，对应的附加调频信号(附加chirp信号)的扫频起始位置为a＝b+s+N/2＝100。其中，图1中横坐标为样点，纵坐标表示频率位置。

本申请实施例还提供了一种针对上述的双路线性调频信号的发送方法，如图2所示，在发送端，所述发送方法包括：

步骤201，将基本调频信号和附加调频信号叠加，生成双路线性调频信号；

步骤202，发送所述双路线性调频信号。

本申请实施例中的基本调频信号的附加调频信号为上述实施例中的，在发送端，将时间上重叠的基本调频信号和附加调频信号叠加后发送，可以提高数据的传输效率。

本申请实施例还提供了一种针对上述的双路线性调频信号的接收方法，如图2所示，在接收端，所述接收方法包括：

步骤203，接收上述的由基本调频信号和附加调频信号叠加生成的双路线性调频信号；

步骤204，基于所述双路线性调频信号，确定两个峰值位置I1和I2，其中I1<I2；

步骤205，根据所述两个峰值位置I1和I2，确定基本符号和附加符号。

在接收端，接收到发送端发送的双路线性调频信号后，基于双路线性调频信号的信号波形，首先确定代表基本调频信号和附加调频信号的两个峰值，然后确定两个峰值的位置。假设两个峰值位置分别为I1和I2，I1<I2，根据两个峰值的位置，以及发送端基本调频信号的扫频起始位置和附加调频信号扫频起始位置的关系(附加信号的扫频起始位置相对于基本信号的扫频起始位置的偏移量为s+N/2，其中，s为附加符号的取值，N＝2^SF)，可以确定基本调频信号的扫频起始位置和附加调频信号的扫频起始位置。

本申请实施例中，发送端发送基本调频信号和附加调频信号叠加形成的双路线性调频信号，接收端接收到双路线性调频信号，并基于双路线性调频信号确认两个峰值，根据两个峰值的位置解算出基本调频信号的扫频起始位置和附加调频信号的扫频起始位置，使得发送端和接收端在数据传输过程中能够提高传输效率。

在一个可选的实施例中，所述基于所述双路线性调频信号，确定两个峰值位置I1和I2，包括：

将所述双路线性调频信号与下扫频信号进行点乘，获得解调信号；所述下扫频信号为所述基本调频信号的共轭信号；

对所述解调信号进行快速傅立叶变换，获得变换结果，并对所述变换结果取绝对值，获得频域信号；

检测所述频域信号，获得两个峰值，并确定两个峰值对应的所述两个峰值位置I1和I2。

在一个可选的实施例中，所述根据所述两个峰值位置I1和I2，确定基本符号和附加符号，包括：

根据所述两个峰值位置I1和I2，确定峰值间隔ITV＝I2-I1；

若所述峰值间隔ITV<N/2，则基本符号为I2-1，附加符号为N/2-ITV；

若所述峰值间隔ITV>N/2，则基本符号为I1-1，附加符号为ITV-N/2；

其中，N为扫频起始位置的数量，N＝2^SF，SF为扩频因子。

本申请实施例中，取接收到长度为N的双路线性调频信号为样点，使用下扫频信号对接收到的长度为N的双路线性调频信号进行点乘，获得解调信号Y。之后，对解调信号Y的N个点进行快速傅立叶变换(FFT)，并对变换结果取绝对值，可获得两个峰值。针对图1中的双路线性调频信号，经过上述处理后，如图3所示。由图3可见，第一个峰值(基本符号解扩峰值)的位置指示了发送的基本符号的扫频起始位置b＝20，第二个峰值(附加符号解扩峰值)的位置指示了发送的附加符号的扫频起始位置s＝100-b-N/2＝16，与图1对应，本申请实施例中的扩频因子SF＝7，N＝2^SF＝128。因此，本申请实施例中通过对峰值位置的探测即可还原发送的基本符号和附加符号。

由于发送端的发送规则，附加信号的扫频起始位置相对于基本信号的扫频起始位置的偏移量为s+N/2，s为附加符号的取值，N＝2^SF，因此接收端两个峰值的最小间隔应为N/2，但由于扫频起始位置到达B/2时也折叠到-B/2，故当附加符号的扫频起始位置超过B/2时，接收端两峰值的间隔小于N/2，此时的情况如图4所示，图4为发送基本符号的取值为60，附加符号的取值为50时接收端检测的两个峰值位置示意图，此时两个峰值的间隔为N/2-50＝14(本申请实施例中的扩频因子SF为7，因此N＝2^SF＝128)。与图3所示的指示基本符号的峰值(基本符号解扩峰值)位置在左、指示附加符号的峰值(附加符号解扩峰值)位置在右不同，这种情况下指示基本符号的峰值(基本符号解扩峰值)位置在右、指示附加符号的峰值(附加符号解扩峰值)位置在左。

本申请实施例中，峰值间隔与实际发送附加符号的取值的差别问题和指示基本符号的峰值位置的模糊性(左边或者右边)问题是通过设定附加符号的取值区间为基本符号取值区间的一半这一措施来消除的。通过这项措施，当附加符号的扫频起始位置没有折叠时，两个峰值的间隔大于N/2，且左峰值位置指示了基本符号，右峰值位置指示了附加符号；当附加符号的扫频起始位置折叠时，两个峰值的间隔小于N/2，且左峰值位置指示了附加符号，右峰值位置指示了基本符号。

因此，基于检测到的两个峰值位置I1和I2，首先确定峰值间隔ITV＝I2-I1，若峰值间隔ITV<N/2，则基本符号为I2-1，附加符号为N/2-ITV；若峰值间隔ITV>N/2，则基本符号为I1-1，附加符号为ITV-N/2。

本申请实施例中，当附加符号取值为0时，无论发送的基本符号取值如何，接收端检测到的峰值的间隔都是N/2。此时上述依据峰值间隔判断左右峰值所指示符号的措施无效，故附加符号取值应避免0值，即实际能传输的附加符号个数应为N/2-1个。

传统双路线路调频扩频通信技术的频谱利用率为：

η1＝SF/(2^SF)bps/Hz

而在本申请实施例中，单个双路调频信号可区分的符号数为(2^SF)*(2^(SF-1)-1)，故其频谱利用率为：

η2＝log2((2^SF)*(2^(SF-1)-1))/(2^SF)

其提升因子α约为α＝(η2-η1)/η1≈(SF-1)/SF。

本申请实施例中，图5为不同扩频因子SF下本申请实施例中的双路线性调频信号相对于和文献2(A.Mondal,M.HanifandH.H.Nguyen,"SSK-ICS LoRa:ALoRa-BasedModulation Scheme With Constant Envelope and Enhanced Data Rate,"IEEECommunications Letters,vol.26,no.5,pp.1185-1189,May 2022)中方法LoRaWAN(LongRange WideAreaNetwork，是基于远距离无线电技术的一种低功耗广域物联网通信协议)的频率利用率的提升率。当扩频因子SF取值为7～12时，对应的提升因子(即图5中的频谱利用率的提升率)分别为85.7％、87.5％、88.9％、90％、90.9％和91.7％。

本申请实施例中，通过时间重叠的两路线性调频信号的叠加传输，实现了频谱利用率的有效提升，同时系统的误码率性能与LoRaWAN基本持平。图6是扩频因子SF＝7时本申请实施例与LoRaWAN的误码率性能对比，其中，图6中横坐标表示比特信噪比(Eb/No)，单位为分贝(dB)；纵坐标表示误码率(BER)；参照图6，比特信噪比性能仅降低约0.5dB。对于其他扩频因子SF，降低的幅度类似。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的公开范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述公开构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (8)

1.一种双路线性调频信号，其特征在于，包括时间重叠的基本调频信号和附加调频信号；

所述基本调频信号和附加调频信号的扩频因子SF相同；

所述基本调频信号的扫频起始位置由基本符号进行调制；一个所述基本符号包括SF个基本比特；

所述附加调频信号的扫频起始位置的根据所述基本调频信号的扫频起始位置和偏移量确定；

其中，所述偏移量根据附加符号的取值确定，一个所述附加符号包括SF-1个附加比特。

2.根据权利要求1所述的双路线性调频信号，其特征在于，所述附加符号的取值不为0。

3.根据权利要求2所述的双路线性调频信号，其特征在于，所述基本符号的取值范围为0～2^SF；

所述附加符号的取值范围为1～2^(SF-1)。

4.根据权利要求1所述的双路线性调频信号，其特征在于，所述附加调频信号的扫频起始位置a＝(b+s+N/2)mod(N)；

其中，b为基本调频信号的扫频起始位置；s为附加符号的取值；N为基本调频信号的扫频起始位置的数量；N＝2^SF。

5.一种针对权利要求1-4中任一项所述的双路线性调频信号的发送方法，其特征在于，所述发送方法包括：

将基本调频信号和附加调频信号叠加，生成双路线性调频信号；

发送所述双路线性调频信号。

6.一种双路线性调频信号的接收方法，其特征在于，所述接收方法包括：

接收权利要求5所述的由基本调频信号和附加调频信号叠加生成的双路线性调频信号；

基于所述双路线性调频信号，确定两个峰值位置I1和I2，其中I1<I2；

根据所述两个峰值位置I1和I2，确定基本符号和附加符号。

7.根据权利要求6所述的双路线性调频信号的接收方法，其特征在于，所述基于所述双路线性调频信号，确定两个峰值位置I1和I2，包括：

将所述双路线性调频信号与下扫频信号进行点乘，获得解调信号；所述下扫频信号为所述基本调频信号的共轭信号；

对所述解调信号进行快速傅立叶变换，获得变换结果，并对所述变换结果取绝对值，获得频域信号；

检测所述频域信号，获得两个峰值，并确定两个峰值对应的所述两个峰值位置I1和I2。

8.根据权利要求6或7所述的双路线性调频信号的接收方法，其特征在于，所述根据所述两个峰值位置I1和I2，确定基本符号和附加符号，包括：

根据所述两个峰值位置I1和I2，确定峰值间隔ITV＝I2-I1；

若所述峰值间隔ITV<N/2，则基本符号为I2-1，附加符号为N/2-ITV；

若所述峰值间隔ITV>N/2，则基本符号为I1-1，附加符号为ITV-N/2；

其中，N为扫频起始位置的数量，N＝2^SF，SF为扩频因子。