调制解调方法、物端节点、接收机、通信系统与流程

1.本发明涉及通信领域，特别涉及一种基于电磁波后向散射的超低功耗的用于物联网的调制解调方法、物端节点、接收机、通信系统。


背景技术：

2.随着智慧城市、智慧农业、智慧医疗、智能可穿戴等概念的提出，物联网在社会生活中获得了越来越多的应用，已经成为国内外重点发展的产业之一。物端节点是物联网的必要组成部分，它属于物联网的感知层，处于物联网拓扑结构的末端，一般嵌入到人体或物体中使用，充当客观事物的感知器官和执行器官，是实现智慧网络，构建网络智能的关键一环。然而，通信功耗过大等问题一直没有得到妥善的解决，毫瓦级的通信功耗会很快耗尽电池电量，这严重制约着物联网的应用。


技术实现要素：

3.本发明利用电磁波后向散射原理，实现了一种新型的调制解调，在保证无线通信功耗较低的同时，提高了可靠性，增强了抗干扰能力，降低了误码率，受噪声影响小，对信道特性变化不敏感，有利于节点移动，可以应用于物联网领域。
4.本发明一些实施例提出一种调制方法，包括：
5.物端节点n接收单频电磁信号r2(t)，r2(t)来自射频源f发送的单频电磁信号c(t)；
6.物端节点n将待发送比特序列a
n
变换为差分码b
n
；
7.物端节点n将差分码b
n
的每个码元变换为单极性方波信号b(t)；
8.物端节点n使用单极性方波信号b(t)，控制射频开关k的开闭状态，调整反射系数，将生成的单极性方波信号b(t)寄生调制在单频电磁信号r2(t)上，并反射出去。
9.在一些实施例中，物端节点n将待发送比特序列a
n
变换为差分码b
n
包括：
10.物端节点n按照或者将待发送比特序列a
n
变换为差分码b
n
，
11.其中，n＝0,1,2,...，b
n
‑1为b
n
的前一码元，差分码b
n
的初始比特b
‑1可预置为0或1，表示模2加，
‑
表示二进制取反。
12.在一些实施例中，物端节点n将差分码b
n
的每个码元变换为单极性方波信号b(t)包括：
13.物端节点n按照b(t)＝∑
n
b
n
g(t
‑
nt
b
)，将差分码b
n
的每个码元变换为单极性方波信号b(t)，
14.其中，g(t)为幅度为1、持续时间为t
b
的矩形脉冲，t
b
为比特持续时间。
15.在一些实施例中，物端节点n的天线的负载阻抗为z
a
，，a2为振幅，w0为角频率，为相位，
16.当单极性方波信号b(t)＝0时，射频开关k连接到负载z0，反射系数此时物端节点反射出去的电磁波s0(t)＝γ0r2(t)；
17.当单极性方波信号b(t)＝1时，射频开关k连接到负载z1，反射系数此时物端节点反射出去的电磁波s1(t)＝γ1r2(t)。
18.在一些实施例中当z0＝0ω，z1＝∞ω时，γ0＝
‑
1，γ1＝ 1，物端节点反射出去的电磁波
19.本发明一些实施例提出一种解调方法，包括：
20.接收机r接收到电磁信号r(t)，其来自物端节点n反射的电磁波s(t)，并获取相应的同相分量y
i2
(t)和正交分量y
q2
(t)；
21.接收机r分别对同相分量y
i1
(t)和正交分量y
q1
(t)做平方操作，然后将平方操作的结果相加，得到信号y4(t)，将y4(t)隔去直流后，得到平方和信号y5(t)；
22.接收机r将平方和信号y5(t)延迟时间t
b
得到延迟信号y6(t)，t
b
为比特持续时间，将y5(t)和y6(t)相乘或相除，得到信号y7(t)；
23.接收机r在nt
b
,n＝0,1,2,3,...时刻，对y7(t)做采样，获得采样值y7(nt
b
)；
24.接收机r对采样值y7(nt
b
)做判决，判决结果为e
n
，其中，根据y7(nt
b
)大于0或小于0，判决e
n
为0或1，e
n
即为接收机r最终解调出的二进制比特序列。
25.在一些实施例中，接收机r获取相应的同相分量y
i2
(t)和正交分量y
q2
(t)包括：
26.接收机r使用带通滤波器对接收到的电磁信号r(t)进行滤波处理，得到信号y(t)；
27.接收机r生成相干载波，包括同相载波c
i
(t)和正交载波c
q
(t)；
28.接收机r使用信号y(t)同c
i
(t)相乘，得到信号y
i1
(t)，然后通过低通滤波器，得到同相分量y
i2
(t)；
29.接收机r使用信号y(t)同c
q
(t)相乘，得到信号y
q1
(t)，然后通过低通滤波器，得到正交分量y
q2
(t)。
30.在一些实施例中，接收机r生成的相干载波的同相载波c
i
(t)和正交载波c
q
(t)分别为：
[0031][0032][0033]
其中，为相干载波的相位，用于表征相干载波的频率偏移，它的大小随时间τ缓慢变化，w0为角频率，a为幅度。
[0034]
在一些实施例中，接收机r对采样值y7(nt
b
)做判决，判决结果为e
n
包括：
[0035]
当采用传号差分码时：
[0036][0037]
当采用空号差分码时：
[0038][0039]
本发明一些实施例提出一种物端节点，被配置为执行调制方法。
[0040]
本发明一些实施例提出一种接收机，被配置为执行调解方法。
[0041]
本发明一些实施例提出一种用于物联网的通信系统，包括：物端节点，以及接收机。
[0042]
本发明相比现有技术具有如下优点：
[0043]
本发明在保证无线通信功耗较低的同时，提高了可靠性，增强了抗干扰能力，降低了误码率，受噪声影响小，对信道特性变化不敏感，有利于节点移动。
附图说明
[0044]
图1示出基于电磁波后向散射的超低功耗调制解调方法。
[0045]
图2示出后向散射类似dbpsk系统组成框图。
[0046]
图3示出后向散射类似dbpsk调制方法。
[0047]
图4示出后向散射类似dbpsk已调信号的生成。
[0048]
图5示出后向散射类似dbpsk解调过程。
具体实施方式
[0049]
本发明设计了一种基于电磁波后向散射的超低功耗调制解调方法，原理如图1所示。其中，a为天线(天线阻抗z
a
)，b为环境射频源，c为射频开关，z
l
为负载，且z
l
＝z
a
。具体工作过程为：
[0050]
1.物端节点通过信道编码等基带处理方法，将采集到的数据变换为单极性方波信号，然后使用方波信号控制射频开关c的状态(开或闭)实现信号调制：(1)当需要传输比特位1时(如图1中左半部分所示)，控制ctrl处出现高电平，使得开关k1闭合，a和负载z
l
导通，因为z
l
＝z
a
，射频电路同天线匹配，所以反射系数为0，理想情况下，电磁信号被全部吸收，反射信号的功率为0。(2)当需要传输比特位0时(如图1中右半部分所示)，ctrl处出现低电平，使得开关k1打开，天线a和负载z
l
不连通，此时对天线而言，负载阻抗无穷大，反射系数为1。理想情况下，信号被全部反射，反射信号功率最大。
[0051]
2.接收端通过辨别反射信号的强度，就可以恢复出物端节点发送的比特数据，具体地：抽样判决接收到的电磁波信号，(1)当电磁波信号在一个符号周期内的能量大于阈值时，表明物端节点发送的原始数据为比特0；(2)当电磁波信号在一个符号周期内的能量小于阈值时，表明物端节点发送的原始数据为比特1。
[0052]
由图1可见，在发信机中，只有射频开关一个有源器件。以ad生产的射频开关adg901为例，功耗≤2.75微瓦，远远低于zigbee、bluetooth、lora、nb
‑
iot等物联网通信芯片动辄毫瓦级别的功耗。
[0053]
然而图1所示方案，在本质上，就是利用电磁波后向散射原理，实现了一种类似ook(on
‑
offkeying，开关键控)的调制，在解决无线通信功耗过大问题的同时，也存在较多的不足：受噪声影响大、抗干扰能力弱、误码率高、可靠性差，对信道变化敏感，不利于节点移动等。
[0054]
为了解决上述问题，本发明实施例进一步提出一种新型调制解调技术，利用电磁波后向散射原理，实现了类似dbpsk(differential binary phase shift keying，二进制差分相移键控)的调制解调，在保证无线通信功耗较低的同时，提高了可靠性，增强了抗干扰能力，降低了误码率，受噪声影响小，对信道特性变化不敏感，有利于节点移动。下面结合第一实施例至第四实施例进行描述。
[0055]
第一实施例
[0056]
1)系统组成
[0057]
如图2所示，整个系统主要由射频源f、物端节点n和接收机r三种网元组成。它们的功能是：
[0058]
(1)射频源f
[0059]
向外发送单频电磁信号c(t)。
[0060]
(2)物端节点n
[0061]
是数字消息的发送方。不同于传统发信机，n并不产生载波，当有消息需要发送时，它只是利用电磁波后向散射原理，将待发送二进制比特序列，寄生调制在f发送的单频电磁信号上，以降低通信功耗。
[0062]
(3)接收机r
[0063]
是数字消息的接收方。负责从接收到的电磁信号中，还原出物端节点n发送的二进制比特序列，最终得到原始数字消息。
[0064]
2)调制方法
[0065]
可分作预编码、脉冲赋形、后向散射类似dbpsk调制等三个步骤：
[0066]
(1)预编码
[0067]
物端节点n有数字消息需要发送时，首先进行预编码操作，将待发送的二进制比特序列a
n
变换为差分码b
n
。变换方法既可以采用传号差分码变换，也可以采用空号差分码变换。无论何种变换方法，差分码的初始比特，都可任意预置为0或1，只需收发双方预先配置一致即可。
[0068]
(2)脉冲赋形
[0069]
物端节点n将差分码的每个码元变换为单极性方波信号b(t)。
[0070]
(3)调制过程
[0071]
如图3所示，可以使用单极性方波信号b(t)，控制射频开关k的开闭状态(开或闭)，调整反射系数，从而将生成的单极性方波信号寄生调制在f发送的单频电磁信号上，并反射出去。
[0072]
具体工作过程为：
[0073]
假设射频源f发送的单频电磁信号c(t)，经图2中的路径1传输到物端节点n处，可表示为
[0074][0075]
其中，a2为振幅，w0为角频率，为相位。
[0076]
假设天线的负载阻抗为z
a
，则：
[0077]
(1)当单极性方波信号b(t)＝0时，开关k连接到负载z0，此时，反射系数γ0＝(z0‑
z
a
)/(z0 z
a
)，物端节点反射出去的电磁波为：
[0078][0079]
(2)当单极性方波信号b(t)＝1时，开关k连接到负载z1，此时，反射系数γ1＝(z1‑
z
a
)/(z1 z
a
)，物端节点反射出去的电磁波为：
[0080][0081]
令z0＝0ω(即短路)，z1＝∞ω(即短路)，则：
[0082]
γ0＝(z0‑
z
a
)/(z0 z
a
)＝
‑1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0083]
γ1＝(z1‑
z
a
)/(z1 z
a
)＝ 1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0084]
将公式(4)、(5)代入公式(2)、(3)，则已调信号s(t)可表示为：
[0085][0086]
可见，这实际上是一种二进制差分相移键控，差分码的比特0对应π相，差分码的比特1对应0相。令z0＝∞ω，z1＝0ω，可以得到另一种二进制差分相移键控，只是差分码的比特0对应0相，差分码的比特1对应π相。
[0087]
图4给出了待发送比特序列a
n
到已调信号s(t)的变换关系。
[0088]
3)解调方法
[0089]
解调过程如图5所示，主要包括带通滤波、相干低通、平方求和、差分相乘、抽样判决五个环节。
[0090]
1)带通滤波
[0091]
将接收机r接收到的电磁信号表示为r(t)，使用带通滤波器对r(t)进行滤波处理，得到信号y(t)。
[0092]
带通滤波器的中心频率为w0，它的带宽可以根据传输速率确定。
[0093]
2)相干低通
[0094]
接收机r生成相干载波，包括同相载波c
i
(t)和正交载波c
q
(t)：
[0095][0096][0097]
其中，w0为角频率，a为幅度，例如a＝2，为相干载波的相位，用于表征相干载波的频率偏移，它的大小随时间τ缓慢变化，可以与不同。可见，本发明的解调方法的其中一个优点是，降低了对接收端载波同步的要求，在接收端不必严格实现与发送端载波同步。
[0098]
使用信号y(t)同c
i
(t)相乘，得到信号y
i1
(t)，然后通过低通滤波器，得到同相分量y
i2
(t)。
[0099]
使用信号y(t)同c
q
(t)相乘，得到信号y
q1
(t)，然后通过低通滤波器，得到正交分量
y
q2
(t)。
[0100]
3)平方求和
[0101]
分别对同相分量y
i1
(t)和正交分量y
q1
(t)做平方操作，然后将平方操作的结果相加，得到信号y4(t)，即：
[0102][0103]
将y4(t)隔去直流后，得到平方和信号y5(t)。
[0104]
4)差分相乘
[0105]
将平方和信号y5(t)延迟时间t
b
(t
b
为比特持续时间)后，得到延迟信号y6(t)，将y5(t)和y6(t)相乘，得到信号y7(t)。
[0106]
在nt
b
,n＝0,1,2,3,...时刻，对y7(t)做采样，获得采样值y7(nt
b
)。
[0107]
5)对采样值y7(nt
b
)做判决，判决结果为e
n
。
[0108]
当采用传号差分码时：
[0109][0110]
当采用空号差分码时：
[0111][0112]
e
n
即为接收机r最终解调出的二进制比特序列。
[0113]
第二实施例
[0114]
物端节点可以按照公式(12)进行传号差分码变换操作，以获得差分码。也可以按照公式(13)进行空号差分码变换。
[0115][0116][0117]
其中，a
n
,b
n
的取值为0或1。a
n
为物端节点n待发送的二进制比特序列，b
n
为差分码，b
n
‑1为b
n
的前一码元，最初的b
‑1可任意预置为0或1，但需收发双方一致，表示模2加，
‑
表示二进制取反。
[0118]
第三实施例
[0119]
物端节点使用数模变换器件将b
n
变换为单极性方波信号b(t)：
[0120]
b(t)＝∑
n
b
n
g(t
‑
nt
b
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0121]
其中，g(t)为幅度为1，持续时间为t
b
的矩形脉冲。
[0122]
第四实施例
[0123]
可以将解调方法中的“差分相乘”修改为“差分相除”，然后再进行抽样判决，得到二进制比特序列。具体步骤为：
[0124]
1)差分相除
[0125]
将平方和信号y5(t)延迟时间t
b
(t
b
为比特持续时间)后，得到延迟信号y6(t)，将y5(t)和y6(t)相除，得到信号y7(t)。
[0126]
在nt
b
,n＝0,1,2,3,...时刻，对y7(t)做采样，获得采样值y7(nt
b
)。
[0127]
2)对采样值y7(nt
b
)做判决，判决结果为e
n
。
[0128]
当采用传号差分码时：
[0129][0130]
当采用空号差分码时：
[0131][0132]
e
n
即为接收机r最终解调出的二进制比特序列。
[0133]
本领域内的技术人员应当明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机程序代码的非瞬时性计算机可读存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd
‑
rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0134]
以上所述仅为本公开的较佳实施例，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。