KR20230133213A - 확산 스펙트럼 수신기 및 테스트 방법 - Google Patents

확산 스펙트럼 수신기 및 테스트 방법 Download PDF

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KR20230133213A
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올리버 버나드 안드레 셀러
파비오 안드레 베르나
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셈테크 코포레이션
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Abstract

복수의 처프들을 심볼들로 사용하여 LoRa 변조 신호 또는 그러한 신호들을 특성화하는 방법. 신호를 샘플링 및 저장하고, 신호에서 적어도 하나의 처프의 위상을 결정하고, 위상에 기반하여 타이밍 에러 및/또는 주파수 에러를 결정한다. 타이밍 에러는 순환 시프트의 포지션에서 위상의 불연속 단차의 높이에 의해 추출되는 반면, 주파수 에러는 위상의 기울기에 의해 획득된다. 이 방법은 LoRa 전송기들의 특성화를 위한 전용 수신기에 적용할 수 있다.

Description

확산 스펙트럼 수신기 및 테스트 방법{SPREAD SPECTRUM RECEIVER AND TESTING METHOD}
본 발명은 확산 스펙트럼 처프-변조 신호(chirp-modulated signal)들에 기반한 무선 네트워크 시스템들에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 그러한 신호들을 위한 진보된 수신기, 및 확산 스펙트럼 처프-변조 전송기를 테스트하고 특성화하는 방법에 관한 것이다.
무선 연결 디바이스들은 최근 많은 관심과 노력의 대상이 되어 왔다. 향상된 무선 통신 기법들은 "사물 인터넷"의 생성 및 개발에 중요하다. 이러한 맥락에서, 여러 무선 통신 프로토콜들이 제안되어 활용되고 있다. 특히 특허 EP2449690B1, EP2763321B1, EP2767847B1, EP3247046B1 및 EP2449690B1로 알려진 LoRa™ 통신 시스템은 처프 확산-스펙트럼 변조를 사용하여 복잡성이 낮고 전력 소비가 적은 긴 전송 범위들을 달성한다.
본 개시내용의 맥락에서, "LoRa"라는 용어는 복수의 주파수 처프들을 포함하는 무선 신호들의 교환에 기반한 통신 시스템을 간략하게 나타내고, 각각의 처프는 유한한 시간 간격 및 유한한 대역폭으로 제한되고, 처프들은 주파수들이 시간 간격의 처음부터 끝까지 주어진 함수를 따르는 기본 처프와 기본 처프의 순환 시프트인 변조된 처프를 포함한다. 기본 처프들 및 변조된 처프들은 변조 알파벳의 심볼들로 간주된다. 이 정의는 알려진 LoRa™ 제품들 및 표준들뿐만 아니라, 가능하지만 아직 구현되지 않은 광범위한 개념의 변형들을 포함한다.
LoRa™ 변조는 저전력 광역 통신망들과 장거리 지점 간 통신 둘 모두를 위해 많은 애플리케이션들과 디바이스들에 사용된다. 이의 확산 증가는 칩셋들, 모듈들 및 참조 설계들의 핵심 기술에 대한 다양한 판매처들에 의해 지원된다. 이와 같이, 상이한 소스들과 모델들의 전송기들과 수신기들의 성능들을 표준화하여 상호운용성을 보장할 필요가 있다.
상호운용성은 LoRa™ 전송기들과 수신기들의 다양한 조합들의 기존 연결 테스트에 의해 정기적으로 테스트된다. 이용 가능한 디바이스들의 수가 증가함에 따라, 이러한 진행 방식은 가능한 조합들의 수가 압도적으로 많기 때문에, 장기적으로 비실용적이다.
예를 들어, Wi-Fi와 같은 다른 디지털 통신 기술들에서, 성능은 전송된 성상 포인트들이 이상적인 위치들에서 얼마나 멀리 벗어나 있는지를 측정하는 에러 벡터 크기(EVM)로 정량화된다. EVM은 신호 대 잡음비와 비교하기 위해 이상적인 심볼 진폭의 백분율 또는 dB로 표현될 수 있다. LoRa 전송기들의 성능을 정의하는 주요 메트릭은 프레임들이 매우 길 수 있기 때문에 시간 경과에 따른 타이밍 및 주파수 안정성이다.
기존의 LoRa 수신기들은 시간 및 주파수 에러에 대한 포괄적인 추정을 획득할 수 있지만, 이들 파라미터들을 독립적으로 추정하려고 시도하지 않는다. 본 발명의 목적은 LoRa 신호들에 대한 전송기들 및 수신기들을 테스트 및 특성화하고 그 타이밍 및 주파수 안정성을 독립적으로 측정하는 방법을 제공하는 것이다. 본 발명은 또한 LoRa 신호들용 고급 수신기 아키텍처에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 최신 기술의 결점들 및 한계들을 극복하는 LoRa 무선-전송 또는 무선-수신 디바이스 또는 LoRa 신호의 적합성을 특성화하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 특정 디바이스 설계에 대한 무선 장애들을 정량화하는 것이다. 장애들은 위상 노이즈, 주파수 불안정성 또는 드리프트, 또는 비선형성들로 인해 발생할 수 있다. 방법은 전송 에러의 주요 원인을 알 수 있는 메트릭을 제공한다.
위의 목적들은 첨부된 청구범위의 목적에 의해 달성되고, 특히 복수의 처프들을 포함하는 변조 신호를 특성화하는 방법에 의해 달성되며, 각 처프는 유한한 시간 간격과 유한한 대역폭으로 제한되고, 처프들은 주파수들이 기본 처프의 순환 시프트들인 변조된 처프들과 시간 간격의 처음부터 끝까지 단조 함수(monotonic function)를 따르는 기본 처프들을 포함하고, 방법은 신호를 샘플링 및 저장하는 단계, 신호의 적어도 하나의 처프의 위상을 결정하는 단계, 및 위상에 기반하여 타이밍 에러 및/또는 주파수 에러를 결정하는 단계를 포함하고, 타이밍 에러는 처프의 타이밍과 공칭 미리 결정된 타이밍 사이의 편차이고, 주파수 에러는 처프의 주파수와 공칭 미리 결정된 주파수 사이의 편차이다.
종속항들은 본질적이지 않으면서 유용하거나 유리할 수 있는 본 발명의 특징들에 관한 것이다. 종속항들은 특히 연속적인 기본 처프들의 프리앰블 다음에 변조된 처프들의 페이로드를 갖는 신호 구조와, 위상으로부터 타이밍 에러 및 주파수 에러를 획득하는 다양한 방식과 처음에 프레임 구조를 결정하고, 이어서 모든 또는 일부 심볼들에 대한 시간 및 주파수 에러들을 다시 계산하는, 동일한 메시지가 반복적으로 프로세싱될 수 있는 반복 프로세스를 소개한다. 몇 개의 처프들이 분석될 때, 방법은 전송기의 샘플링 타이밍 드리프트의 결정을 포함할 수 있다. 전송기의 샘플링 타이밍 드리프트와 각 수신 처프의 주파수 오프셋 사이의 비율을 통해 전송기의 주파수 안정성을 정량화하는 것은 또한 유리하고, 이는 이상적으로 중심 전송 주파수를 산출한다.
변형은 수신된 변조 처프들 대신 2개의 연속적인 기본 처프들에 창을 적용하여 재구성된 변조 처프의 합성을 포함하고, 이에 따라 타이밍 에러 및/또는 주파수 에러는 적어도 하나의 처프의 위상과 공칭 처프의 알려진 위상 간의 차이인 위상 에러에 기반하여 결정된다. 타이밍 에러는 위상 에러의 단차 변화(순환 시프트에 대응)의 높이에 비례하여 결정될 수 있고, 주파수 에러는 위상 에러의 기울기에 비례하여 결정될 수 있다.
바람직하게는, 위상 에러의 결정은 기본 처프의 복소수 켤레를 나타내는 벡터에 의해 샘플링된 신호를 샘플 단위로 곱셈하고, 곱셈의 곱에 푸리에 변환을 적용하고, 푸리에 변환 결과의 대역폭과 동일한 주파수 분리로 2개의 피크들을 검출하는 것으로 이루어진 디처핑 단계를 포함한다. 수신된 처프들은 바람직하게 피크들을 해결하기 위해 샘플링 주파수와 신호 대역폭 사이에서 적어도 2의 오버샘플링 인자로 나이퀴스트(Nyquist) 한계 초과로 샘플링되지만, 이것은 엄격하게 요구되지 않는다.
본 발명의 방법은 부합이 무시 가능한 "골든" 전송기를 통해 후자의 경우 LoRa 전송기들 및 수신기들의 특성화에 적용될 수 있다. 바람직하게는, 수신된 신호는 수신기에서만 디지털화되고 샘플들은 계산 서버에서 시간 및 주파수 편차들의 결정을 위해 계산 서버로 송신된다.
본 발명의 예시적인 실시예들은 상세한 설명에 개시되고 도면들에 의해 예시된다.
도 1은 본 발명의 일 양태에 따른 무선 모뎀의 구조를 개략적으로 단순화된 방식으로 표시한다.
도 2a는 본 발명의 일 양태에 따른 기본 처프 및 변조된 처프의 순시 주파수를 표시한다. 동일한 신호들의 위상은 도 2b에 표현되고, 도 2c는 기본 처프와 변조된 처프의 실수 성분과 복소수 성분을 시간 도메인과 기저대역 표현으로 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 기본 처프의 순시 주파수와 변조된 처프의 순시 주파수를 비교한다.
도 4는 타이밍과 주파수가 부합하지 않는 LoRa 신호의 위상 에러를 나타내는 플롯이다.
도 5는 LoRa 전송기들 및/또는 수신기들의 특성화를 위한 시스템을 개략적으로 예시한다.
본 발명에 이용된 처프 변조 기법의 여러 양태들은 유럽 특허 EP　2449690　B1에 설명되고, 이에 의해 이는 참조로 포함되고, 본원에서 요약해서 상기될 것이다. 도 1에 개략적으로 표현된 무선 트랜스시버는 본 발명의 가능한 실시예이다. 트랜스시버는 기저대역 섹션(200) 및 무선 주파수 섹션(100)을 포함한다. 이것은 자신의 입력에서 디지털 데이터(152)에 기반하여 기저대역 복소 신호를 생성하는 기저대역 변조기(150)를 포함한다. 이어서, 이것은 RF 섹션(100)에 의해 원하는 송신 주파수로 변환되고, 전력 증폭기(120)에 의해 증폭되고, RF 스위치(102)를 통해 안테나에 의해 송신된다.
신호가 무선 링크의 다른 단부에서 수신되면, 신호는 저잡음 증폭기(160)를 포함하는 도 1의 트랜스시버의 수신부에 의해 프로세싱되고, 일련의 처프들을 포함하는 기저대역 신호(이는 다시, 예를 들어 2개의 성분(I, Q)에 의해 표현된 복소 신호임)를 생성하는 하향-변환 스테이지(170)로 이어지고, 이어서 변조기(150)의 기능과 역의 기능을 갖는 기저대역 프로세서(180)에 의해 처리되고, 재구성된 디지털 신호(182)를 제공한다.
EP2449690호에서 논의된 바와 같이, 프로세싱될 신호는 주파수가, 미리 결정된 시간 간격을 따라, 초기 순시 값()에서 최종 순시 주파수()로 변하는 일련의 처프들을 포함한다. 설명을 단순화하기 위해, 모든 처프들이 동일한 지속 시간(T)을 갖는 것으로 가정하지만, 이것은 본 발명에 대한 절대적인 요건이 아니다.
기저대역 신호의 처프들은 순시 주파수의 시간 프로파일(f(t)) 또는 또한 신호의 위상을 시간의 함수로 정의하는 함수()로 설명될 수 있다. 중요하게, 프로세서(180)는 미리 결정된 변조 알파벳의 심볼에 각각 대응하는 복수의 상이한 프로파일들을 갖는 처프들을 프로세싱하고 인식하도록 배열된다.
본 발명의 중요한 특징에 따르면, 수신된 신호(Rx)는 주기적으로 기본 주파수 프로파일을 시간-시프팅함으로써 기본 처프들로부터 획득된 특정하고 미리 정의된 주파수 프로파일을 갖는 기본 처프(또한 이하 변조되지 않은 처프들이라고 칭해짐), 또는 가능한 변조된 처프들의 세트 중 하나를 포함할 수 있다. 도 2a및 도 2b는 처프 시작 시간 시점()과 처프 종료 시점()사이에서 기본 처프(30) 및 하나의 변조된 처프(32)의 가능한 주파수 및 위상 프로파일들을 예로써 예시하는 반면, 도 2c는 시간 도메인에서 대응하는 기저대역 신호들을 도시한다. 수평 눈금은 예를 들어 심볼에 대응하고, 플롯들이 연속적으로 그려지지만, 실제로 구체적인 구현에서 유한 개수의 개별 샘플들을 나타낸다. 수직 눈금은 의도된 대역폭 또는 대응 위상 범위로 정규화된다. 위상은 마치 무한한 변수인 것처럼 도 2b에 표현되지만, 실제로는 구체적인 구현에서 여러 회전들에 걸쳐 있을 수 있다.
묘사된 예에서, 기본 처프들의 주파수는 초기 값(-BW/2)에서 최종 값(BW/2)까지 선형적으로 증가하지만(여기서 BW)는 대역폭 확산을 나타냄), 내림차순 처프들 또는 다른 처프 프로파일들이 또한 가능하다. 따라서, 정보는 미리 결정된 기본 처프에 관하여 복수의 가능한 순환 시프트들 중 하나를 갖는 처프들의 형태로 인코딩되고, 각각의 순환 시프트는 가능한 변조 심볼에 대응하거나, 그렇지 않으면 프로세서(180)가 기본 처프 프로파일의 주기적으로 시간-시프트된 복제본들인 복수의 주파수 처프들을 포함하는 신호를 프로세싱하고, 상기 시간-시프트들의 연속으로 인코딩된 메시지를 추출할 필요가 있다고 말해진다.
신호는 또한 변조되지 않은 기본 처프의 복소수 켤레인 켤레 처프들을 포함할 수 있다. 켤레 처프들을 주파수가 BW/2에서 -BW/2로 떨어지는 다운-처프(down-chirp)들로 간주할 수 있다.
로컬 시간 기준에 관하여 수신된 처프의 시간 시프트를 평가하는 동작은 다음에서 "디처핑(dechirping)"으로 지칭될 수 있고, 수신된 처프에 샘플 단위로 로컬적으로 생성된 기본 처프의 복소수 켤레를 곱하는 것을 포함하는 역확산 단계에 의해 유리하게 수행될 수 있다. 이것은 주 주파수가 수신된 처프의 순환 시프트에 비례하는 것으로 도시될 수 있는 진동 디지털 신호를 생성한다. 이어서, 복조는 역확산 신호의 푸리에 변환을 포함할 수 있다. 푸리에의 최대치 포지션은 순환 시프트 및 변조 값의 측정치이다. 수학적 항들에서, 를 갖는 k-번째 수신된 심볼을 나타내어, 대응 변조 값은 에 의해 주어지고, 여기서 는 와 기본 처프()의 켤레와 켤레 간의 곱의 푸리에 변환을 나타낸다. 그러나, 신호를 복조하고 각각의 심볼의 순환 시프트를 추출하는 다른 방식들도 가능하다.
일반 LoRa 복조는 도 2b의 플롯에 표현된 위상 값들의 명시적 추출을 요구하지 않는다. 본 발명은 위상 정보를 사용하여 LoRa 신호들을 분석하는 유리한 방법에 관한 것이다. 이를 위해, 그 위상은 알려진 기술로 수신된 신호들()로부터 디지털 값들의 시계열로 계산될 수 있다.
본 발명의 변형에서, 수신된 처프된 LoRa 신호의 특성화는 무선 신호를 수신하고 다음 동작들/단계들에 의해 이 무선 신호를 프로세싱하도록 구성된 특수 수신기를 사용할 수 있다.
EP2449690 및 EP2763321에 개시된 바와 같이, 바람직하게는 변조되지 않은 동일한 처프들의 프리앰블을 포함하는 것은 검출에 유리하다. 이 신호를 수신하는 디바이스는 위에서 설명된 디처핑 프로세스를 적용하고 노이즈 위의 FFT 스펙트럼에서 피크를 찾는다. 피크의 검출은 수신기에 LoRa 신호가 수신되었음을 알리고, 이 피크의 포지션은 전송기와 수신기 시스템 사이에 존재하는 타이밍 및 주파수 오프셋을 나타낸다. 감도를 향상시키기 위해, 수신기는 복잡한 도메인에서 프리앰블에 여러 연속적인 동일한 처프들의 FFT 출력을 추가하도록 구성될 수 있다.
EP2763321에 개시된 바와 같이, 수신기는 순환 시프트의 미리 결정된 값을 갖는 심볼들, 및 켤레(내림차순) 심볼들과 같은 프리앰블의 다른 특별한 특징들을 살펴봄으로써 시간 및 주파수 동기화를 개선하도록 구성될 수 있다. 수신기는 또한 시간적으로 이격된 상이한 심볼들로부터 발생하는 FFT 피크를 비교함으로써 동기화 수치들을 개선하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 프레임에서, 수신기는 인용 문헌들에 개시된 방법을 사용하여 타이밍 에러를 결정하고 데이터 프레임을 따라, 또는 적어도 프리앰블을 따라 타이밍 및/또는 주파수 에러를 추적하고, 이들을 적합한 추적 알고리즘에 의해 추적하도록 구성된다. 특성화는 추정된 크리스탈 에러(crystal error)에 기반하여 합성된 처프들에 체계적 오프셋을 적용하여 더욱 개선될 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 수신기는 위에서 약술된 바와 같이 수신된 데이터 프레임을 분석하고, 이어서 적어도 하나의 처프, 바람직하게는 향상된 신뢰성으로 수신된 신호에서 여러 처프들의 위상을 결정하기 위해 동일한 디지털 데이터 시리즈에 대한 분석을 반복하도록 구성된다.
바람직하게 본 발명에서, 수신된 처프들의 디지털 표현은 오버샘플링된다. 일반 LoRa 수신기들이 인입 처프들의 대역폭(BW)과 동일한 샘플링 주파수를 관례적으로 채택하지만, 본 발명에 사용되는 수신기들은 대역폭의 적어도 2배의 주파수에서 인입 처프를 샘플링한다.
도 3a는 변조된 처프(32) 및 기본 처프(30)의 순시 주파수를 나타내고, 변조된 신호는 2개의 연속 부분들로 나뉘어질 수 있다: 일정한 시프트(Δf)만큼 기준 처프(30)보다 주파수가 더 높은 불연속 부분(39) 이전의 제1 부분, 및 BW-Δf와 동일한 시프트만큼 기준 처프(30)의 주파수보다 낮은 주파수를 갖는 불연속 부분 이후의 제2 부분. 디처핑 프로세스에서, 기본 처프()의 켤레에 의한 곱셈은 일정한 양의 주파수(Δf)를 가진 신호와 일정한 음의 주파수(Δf-BW)를 가진 신호를 생성할 것이다(도 3b). 신호들이 BW(나이퀴스트 주파수)와 동일한 주파수에서 샘플링된 경우, 이러한 양 및 음의 성분은 하나의 피크로 에일리어싱(aliasing)된다. 오버샘플링을 통해, 양의 주파수 피크와 음의 주파수 피크는 분리될 수 있다.
본 발명의 수신기는 바람직하게는 오버샘플링된 신호의 프로세싱을 위한 FFT 결과에서 피크들의 쌍을 찾도록 구성된다. 피크 포지션들은 위에서 본 것처럼 f2 = f1-BW를 유지해야 하므로, 상호 의존적이다. 그러므로, 수신기는 양 및 음의 주파수들에서 대응하는 빈(bin)들의 내용을 (비일관적) 합산하도록 구성될 수 있다.
비일관적인 합은 2개의 피크들의 상대 진폭들이 예측 가능한 방식으로 변조 값에 의해 선험적으로 결정된다는 사실을 사용하여 개선될 수 있다. N/2에 가까운 순환 시프트를 갖는 심볼들은 심볼 중간에 가까운 불연속성 39를 가지므로, FFT는 거의 동일한 진폭을 갖는 2개의 피크들을 나타내지만, 순환 시프트가 극단 값들 0 및 N에 가까운 심볼들은 큰 피크와 훨씬 작은 피크를 나타낼 것이고, 진폭들은 불연속성 전후의 세그먼트 길이에 비례한다.
중요하게, 이 분석의 제2 단계에서, 수신된 신호의 위상과 시간 전개는 결정되고 공칭 위상 함수와 비교되어 위상 에러를 제공한다. 수신된 신호의 위상은 알 수 없는 상수 오프셋을 포함할 수 있고, 이는 다음에서 볼 수 있는 것처럼 결론들 없이 임의의 값으로 설정될 수 있다.
도 4는 타이밍 에러를 갖는 전송기(플롯 61)와 타이밍 및 주파수 에러를 갖는 전송기(플롯 62)에서 예상되는 위상 에러의 플롯이다. 완벽하게 정렬된 전송기에서 예상되는 위상 에러는 일정하고 도시되지 않는다. 플롯은 노이즈를 무시한다. 이것은 대부분의 테스트 절차들에서, 전송기와 수신기가 가깝고 S/N이 높기 때문에 허용 가능한 단순화이다.
플롯 61은 분석된 처프가 확산 계수(N=1024)에 대해 512개의 변조를 갖고, 따라서 불연속성은 처프의 중간에 있고 샘플의 1/8과 같은 타이밍 에러를 갖는 예를 도시한다. 연속적인 표현에서 BW-Δf를 갖는 수신된 심볼과 Δf를 갖는 전송된 심볼을 나타내는데, 여기서 Δf-BW은 심볼의 시작이고, 타이밍 에러나 주파수 에러가 없으면, BW일 것이다. 타이밍 에러(R(t0+t))가 있는 경우, 샘플링 후, T(t0+t)를 가질 것이고, 여기서 t0는 샘플 인덱스이다.
불연속 직전의 샘플(R(t0+t)=T(t0+t)과, 불연속 직후의 샘플(Δt)을 고려하면, 위상의 시간 도함수인 순시 주파수는 전자에 대해 에 매우 가깝고, 후자에 대해 k에 매우 가깝다. 따라서, 다음과 같이 쓸 수 있다.
, 및
이는 샘플링 에러(Δt)가 주파수 불연속성 전후에 반대 부호들을 갖는 위상 에러를 도입함을 의미한다. 위상 에러는 도 4에서 Δ1로 표시된 주파수 점프 시점에 단차를 가지며 단차의 높이는 샘플링 에러(Δt)에 정비례한다. 이것 덕분에, 본 발명의 수신기는 샘플링 에러의 독립적인 추정을 획득할 수 있다.
주파수 에러는 시간에 따라 선형인 위상 에러를 도입한다. 이것은 확산 계수(1024), 샘플의 1/16의 타이밍 에러 및 주파수 에러에 대한 순환 시프트(896)를 갖는 심볼을 나타내는 플롯(62)에서 볼 수 있다. 타이밍 에러는 단차(Δ2)를 제공한다. 주파수 에러는 제1 샘플과 마지막 샘플 간의 위상 에러 차이(Δ3)에 정비례한다. 이러한 방식으로, 본 발명의 수신기는 위상 에러로부터 주파수 에러의 독립적인 추정을 획득할 수 있다.
도 5는 전송기(350)를 특성화하는 시스템에서 본 발명의 가능한 구현을 예시한다. 전송기는 워크스테이션(385)에 의해 제어되고 LoRa 패킷을, 위에 개시된 신호 프로세싱을 수행하고 주파수 에러 및 타이밍 에러를 포함하여, 다양한 사양에 대한 수신된 신호의 적합성을 결정하도록 구성된 수신기(360)로 전송한다. 주파수 에러 및 타이밍 에러는 위에서 설명된 위상 에러 함수, 예를 들어 심볼의 에러의 시작 사이의 위상 에러 차이에 비례하는 주파수 에러와 주파수 점프 포지션에서 위상 에러의 단차에 비례하는 타이밍 에러에 기반하여 결정된다.
수신기(360)에서의 데이터 프로세싱은 프로그래밍된 스크립트들(382)의 집합을 사용하여, 수신기(360)로부터 디지털 기저대역(I, Q) 신호들을 캡처하는 서버(380)에서 자동으로 수행된다. 그 결과는 인터넷일 수 있는 wan(384)의 보안 전송을 통해 워크스테이션으로 전송될 수 있다.
바람직하게는, 수신기는 캡처된 신호에서 타이밍 오프셋 및 샘플링 타이밍 드리프트뿐만 아니라, 주파수 및 위상 에러를 자동으로 보상하도록 구성된다. 샘플링 및 샘플링 드리프트 보상은 바람직하게는 시간 보간법을 사용하여 계산된다. 수신기는 보상이 캡처된 신호에 적용된 후에 계산되는 전송기 정확도 메트릭을 계산하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 수신기는 주어진 전송기로부터 연속적으로 수신되는 여러 LoRa 심볼들(즉, 처프들) 또는 심지어 주어진 전송기로부터 수신되는 모든 LoRa 심볼들에서 타이밍 에러 및 주파수 에러를 독립적으로 결정할 수 있다. 바람직하게, 수신기는 이들 에러들의 드리프트를 시간에 따라 추적하도록 구성된다. 캡처된 데이터 내 타이밍 에러의 변동은 샘플 타이밍 드리프트를 생성한다. 캡처된 데이터 내의 모든 심볼에 대해, 주파수 오프셋에 대한 샘플 타이밍 드리프트의 비율이 계산된다. 샘플 타이밍과 주파수 합성 둘 모두가 일반적으로 전송기의 동일한 주파수 기준에 의해 구동되기 때문에, 샘플 타이밍 드리프트와 주파수 에러가 상호관련되어야 하는 것이 예상된다. 따라서, 주파수 오프셋은 중심 전송 주파수에 샘플 타이밍 드리프트를 곱한 것과 같아야 하고 위에서 언급된 비율은 중심 전송 주파수를 제공해야 한다. 본 발명의 수신기는 이 예상 값 주변의 비율 변동들을 추적하도록 구성될 수 있고, 이는 전송기에서 주파수 일관성의 척도를 제공할 것이다.
주파수 기준 드리프트는 캡처 데이터에 대한 주파수 기준 변동의 척도이다. 이는 추정된 주파수 오프셋 변동들에서 계산된 지표와, 추정된 샘플 타이밍 드리프트에서 계산된 지표의 2개의 지표들로 이루어진다.
변조기 대역폭 손실들은 제한된 변조기 대역폭으로 인해 발생하는 전송기 정확도 손실의 측정치이다. 이는 주파수 및 시간 보상 후, 복조된 값에서 측정된다. 수신된 신호는 주파수 점프에 대응하는 샘플들만 유지하면서 동일한 변조 값들의 시퀀스를 가진 이상적인 전송 신호와 비교된다.
개시된 시스템은 고품질의 교정된 수신기에 대한 전송기의 성능들을 특성화하거나, 교정된 "골든" 전송기를 사용하여 수신기를 특성화하는 데 사용될 수 있다.
30 기본 처프
32 변조된 처프
39 주파수 변환
61 타이밍 에러를 갖는 위상 에러
62 타이밍 및 주파수 에러를 갖는 위상 에러
100 RF 섹션
102 RF 스위치
110 주파수 변환
120 전력 증폭기
129 발진기, 타임베이스
150 변조기
152 송신할 디지털 신호
154 버퍼
160 LNA
170 하향-변환 스테이지
180 프로세서, 복조기
182 재구성된 디지털 신호
190 제어 발진기
200 기저대역 섹션
350 전송기
385 워크스테이션
360 수신기
380 서버
381 컴퓨팅 유닛
382 스크립트들
384 인터넷

Claims (13)

  1. 복수의 처프(chirp)들을 포함하는 변조된 신호를 특성화하는 방법으로서,
    각 처프들은 유한한 시간 간격과 유한한 대역폭으로 제한되고, 상기 처프들은 주파수들이 기본 처프(base chirp)의 순환 시프트들인 변조된 처프들과 상기 시간 간격의 처음부터 끝까지 단조 함수(monotonic function)를 따르는 기본 처프들을 포함하고, 상기 방법은 상기 신호를 샘플링 및 저장하는 단계, 상기 신호의 적어도 하나의 처프의 위상을 결정하는 단계, 및 상기 위상에 기반하여 타이밍 에러 및/또는 주파수 에러를 결정하는 단계를 포함하고, 상기 타이밍 에러는 상기 처프의 타이밍과 공칭 미리 결정된 타이밍 사이의 편차이고, 상기 주파수 에러는 상기 처프의 주파수와 공칭 미리 결정된 주파수 사이의 편차인, 변조 신호를 특성화하는 방법.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 신호는 연속적인 기본 처프들의 프리앰블 다음에 변조된 처프들의 페이로드를 포함하는, 변조 신호를 특성화하는 방법.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 처프는 2개의 연속적인 기본 처프들에 창을 적용하여 획득된 변조 처프 또는 재구성된 변조 처프이고, 상기 타이밍 에러 및/또는 상기 주파수 에러는 적어도 하나의 처프의 위상과 공칭 처프의 알려진 위상 간의 차이인 위상 에러에 기반하여 결정되는, 변조 신호를 특성화하는 방법.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 타이밍 에러는 상기 위상 에러의 단차 변화의 높이에 비례하여 결정되는, 변조 신호를 특성화하는 방법.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 주파수 에러는 상기 위상 에러의 기울기에 비례하여 결정되는, 변조 신호를 특성화하는 방법.
  6. 제1 항에 있어서, 상기 샘플링은 상기 대역폭의 적어도 2배인 샘플링 주파수를 가지며, 상기 방법은 기본 처프의 복소수 켤레를 나타내는 벡터에 의해 샘플링된 신호를 샘플 단위로 곱셈하는 단계, 상기 곱셈의 곱에 푸리에 변환을 적용하는 단계, 상기 푸리에 변환 결과의 대역폭과 동일한 주파수 분리로 2개의 피크들을 검출하는 단계를 포함하는, 변조 신호를 특성화하는 방법.
  7. 제1 항에 있어서, 상기 신호는 반복적으로 프로세싱되는, 변조 신호를 특성화하는 방법.
  8. 제1 항에 있어서, 무선-전송 디바이스로 상기 신호를 전송하는 단계, 무선-수신 디바이스에서 상기 신호를 수신 및 샘플링하는 단계, 샘플링된 신호를 계산 서버로 전송하는 단계를 포함하고, 상기 시간 및 주파수 편차들은 상기 계산 서버에서 결정되는, 변조 신호를 특성화하는 방법.
  9. 제1 항에 있어서, 주어진 전송기로부터 수신된 복수의 처프들의 타이밍 에러들을 결정하는 단계 및 상기 타이밍 에러들에 기반하여 상기 전송기의 샘플링 타이밍 드리프트를 결정하는 단계를 포함하는, 변조 신호를 특성화하는 방법.
  10. 제9 항에 있어서, 각각의 수신된 처프에 대해, 상기 수신된 처프의 주파수 오프셋에 대한 상기 전송기의 상기 샘플링 타이밍 드리프트의 비율을 결정하는 단계 및 상기 비율을 상기 전송기에서의 주파수 안정성의 척도로서 사용하는 단계를 포함하는, 변조 신호를 특성화하는 방법.
  11. 무선-전송 디바이스의 성능을 특성화하는 방법으로서,
    상기 무선-전송 디바이스에 의해 생성된 신호를 기준 무선-수신 디바이스로 수신하는 단계 및 제1 항 내지 제10 항 중 어느 한 항의 방법에 의해 타이밍 에러 및/또는 주파수 에러를 결정하는 단계를 포함하는, 무선-전송 디바이스의 성능을 특성화하는 방법.
  12. 무선-수신 디바이스의 성능을 특성화하는 방법으로서,
    기준 무선-전송 디바이스로 신호를 생성하는 단계, 상기 신호를 상기 무선-수신 디바이스로 수신하는 단계 및 제1 항 내지 제10 항 중 어느 한 항의 방법에 의해 타이밍 에러 및/또는 주파수 에러를 결정하는 단계를 포함하는, 무선-수신 디바이스의 성능을 특성화하는 방법.
  13. 제12 항의 방법을 수행하도록 구성된 LoRa 신호들용 무선-수신 디바이스.
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