[发明专利]基于分组的频移啁啾扩频调制和解调方法

说明书

本发明提供了一种基于分组的频移啁啾扩频调制和解调方法，能够实现LoRa通信功率效率和频谱效率的折中，增强LoRa技术在物联网应用中的可扩展性。包括：发送端将输入的信息比特流进行串并转换，根据参数扩频因子SF和分组数目GN将输入的信息比特分为GN组，每一分组按照二进制数转十进制数的自然映射方式生成相应的各个分组的调制符号；之后每一分组根据其符号取值生成相应的LoRa调制信号，发射机将所有分组的所述LoRa调制信号进行叠加发送；接收端对接收到的信号依次进行de‑chirp处理、快速傅里叶变换和频域峰值判决。

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种基于分组的频移啁啾扩频调制和解调方法。

背景技术

LoRa作为低功耗广域网LPWAN(Low Power Wide Area Network)中最具发展前景的技术之一，具有带宽可扩展、抗干扰能力强、接收灵敏度高等优点，已成功应用于大量低功耗远距离的物联网通信场景中。

频移啁啾扩频调制(FSCM)作为LoRa物理层的调制技术，能够满足物联网应用中低功耗、远距离的通信需求。LoRa的物理层共有三个关键参数：信号带宽(B)、扩频因子(SF)、码率(CR)(这里需要指出LoRa中的码率CR实质上是指添加冗余比特的数目，与一般码率的概念不同)，其核心是频移啁啾扩频调制(FSCM)技术。

频移啁啾扩频调制(FSCM)可以视为频移键控(FSK)调制和啁啾扩频(CSS)的结合，由每个调制符号的起始频率承载信息，由啁啾(Chirp)信号进行扩频调制。LoRa物理层所采用的频移啁啾扩频调制(FSCM)方案能够给出不同扩频因子(SF)和信号带宽(B)的组合，从而实现数据速率和通信距离的折中、频谱效率和功率效率的折中，其主要优势在于能够实现低速率、低功耗、远距离的可靠通信。鉴于大多数物联网应用都有低速率、低功耗、长距离的通信需求，LoRa技术也因此成为此类物联网应用的解决方案之一。

然而，LoRa物理层所采用的频移啁啾扩频调制(FSCM)技术主要是以牺牲数据速率和频偏效率为代价换取通信距离和功率效率的提升，在对数据速率有较高需求的物联网应用中难以适用，因而限制了LoRa技术在物联网通信中的应用范围。有鉴于此，为了更灵活地实现频谱效率和功率效率的折中，不少学者纷纷提出基于传统LoRa调制的改进调制方式，从而进一步提升LoRa调制的数据速率和频谱效率，扩展LoRa技术的应用范围。

近些年，有学者提出将LoRa调制和相位调制PSK相结合的调制方式，命名为LoRa-PSK调制，在LoRa调制的基础上依靠调制符号的初始相位携带更多信息比特，从而实现数据速率和频谱效率的提升。然而，LoRa-PSK的调制方式需要在接收端恢复准确的信道状态信息(CSI)以便进行相干解调，增加了收发信机的设备复杂度和功耗，并且LoRa-PSK调制方式与传统的LoRa调制的兼容性差，故而可行性较低。

此外，有学者提出基于索引调制的LoRa调制方式，命名为SSK-LoRa(Slope ShiftKeying-LoRa)调制，通过引入索引比特实现了在每个调制符号中多传输一位信息比特。SSK-LoRa调制在系统的误码率性能与传统的LoRa调制保持一致甚至更优的情况下实现了数据速率和频谱效率的提升；且与LoRa调制的兼容性较好，相较于传统的LoRa调制该调制方式的算法复杂度和设备复杂度均没有明显提升。但是，基于索引调制的SSK-LoRa调制方式相比于传统的LoRa调制在每个调制符号中仅能多传输一位信息比特，系统可实现的数据速率和频谱效率的提升也极为有限。

为了进一步提升系统的频谱效率，也有学者提出使用同相和正交分量同时传输啁啾扩频调制信号的IQCSS(In-phase and Quadrature Chirp Spread Spectrum)调制方式，与传统的LoRa调制相比IQCSS调制每个调制符号能够传输的信息比特数多了一倍，频谱效率也变为原来的两倍，因而在数据速率和频谱效率方面实现了有效的提升。然而，该调制方式也存在接收机需要恢复信道状态信息进行相干解调从而引起设备复杂度提升的问题。

发明内容