一种基于多子载波调制控制反向散射电路的方法及系统
阅读说明：本技术 一种基于多子载波调制控制反向散射电路的方法及系统 (Method and system for controlling backscattering circuit based on multi-subcarrier modulation ) 是由 朱丰源 冯宇达 李倩茹 田晓华 王新兵 于 2020-05-13 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于多子载波调制控制反向散射电路的方法及系统,包括：反向散射标签的多子载波调制算法；步骤M1：基于相位的数字振荡器,决定最终的逻辑输出0/1；步骤M2：根据多个相位的数字振荡器的逻辑输出,基于输出决策模块,决定最后输出给射频开关的控制信号的逻辑值0/1；所述输出决策模块是多个相位的数字振荡器的逻辑输出投票选择最后输出给射频开关的控制信号的逻辑值。本发明的方法可以运用于任何反向散射或非传统意义上的反向散射电路。实现多载波为数字域的算法,而不对模拟电路做限制。(The invention provides a method and a system for controlling a backscattering circuit based on multi-subcarrier modulation, which comprises the following steps: a multi-subcarrier modulation algorithm of the backscattering label; step M1: a phase-based digital oscillator that determines a final logic output 0/1; step M2: determining 0/1 a logic value of a control signal to be finally output to the radio frequency switch based on the output decision module according to the logic output of the digital oscillator of the plurality of phases; the output decision module is used for voting and selecting the logic value of the control signal finally output to the radio frequency switch by the logic output of the digital oscillators with multiple phases. The method of the present invention can be applied to any backscatter or backscatter circuit in the unconventional sense. The multi-carrier is realized as an algorithm of a digital domain without limitation to an analog circuit.)
技术领域
本发明涉及通信领域，具体地，涉及一种基于多子载波调制控制反向散射电路 的方法及系统，更为具体地，涉及一种能够实现多子载波调制的算法以及如何将算 法的输出提供给电路，且对反向散射的射频电路没有任何限制。
背景技术
反向散射通信近年来在物联网领域引起了广泛的关注。其主要特点是利用外界的电磁波加以调制来实现自身的通信。由于不需要主动生成电磁波，即使生成进行 Wi-Fi通信，功耗也非常低，仅几十个微瓦(见2016年BryceKellogg等人在NSDI 的论文)。然而，当前的反向散射设备还存在三个问题：(a)通信速率过低，(b)网 络容量不够,(c)对长距离协议的支持度不够。在速率方面，当前最高速率的反向散 射通信设备仅能以11Mbps进行物理层的数据上传(BryceKellogg,2016)。在容量 方面，目前的反向散射设备仅能支持48个设备在同一Wi-Fi频段进行通信。在对长 距离协议的支持上，目前的反向散射系统只支持LoRa协议(VamsiTalla,Mehrdad Hessar,2017)，而没有对其他长距离协议，如LTE-M等协议的支持能力。而多子载 波调制技术对以上三个问题的解决都有极大的帮助。OFDM技术是典型的多子载波调 制技术，它的频谱利用率极高，适合高速通信；而基于OFDM的OFDMA技术则是提升 容量的关键技术，被运用于新一代802.11协议和4G,5G网络；此外，LTE-M协议也 要求实现多子载波调制来兼容LTE的物理层模式。
专利文献CN106506426B(申请号：201610885466.3)公开了基于OFDM(正交频 分复用)载波的反向散射通信调制方法。本发明的调制方法用于反向散射通信系统， 所述反向散射通信系统包括射频源、阅读器和标签；主要步骤为：射频源发射OFDM 载波信号到标签；标签接收OFDM信号，所述标签还包括反向散射天线和射频能量收 集模块，所述射频能量收集模块用于收集来自标签环境中的OFDM信号的能量，所述 反向散射天线用于向阅读器发送信息比特；阅读器接收并解码来自标签的反向散射 信号。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于多子载波调制控制反向散射电路的方法及系统。
根据本发明提供的一种基于多子载波调制控制反向散射电路的方法，包括：反 向散射标签的多子载波调制算法；
步骤M1：基于相位的数字振荡器，决定逻辑输出0/1；
步骤M2：根据多个相位的数字振荡器的逻辑输出，基于输出决策模块，决定最后输出给射频开关的控制信号的逻辑值0/1；
所述输出决策模块是多个相位的数字振荡器的逻辑输出投票选择最后输出给射频开 关的控制信号的逻辑值。
优选地，所述步骤M1包括：
基于相位的数字振荡器根据预设的采样时钟，每次采样时钟根据相位的数字振荡器 的子载波频率在寄存器中存入特定的相位与原来寄存器存储的相位相加；每次存入特定 的相位为定值，数字振荡器根据相位相加数值做区间判断，然后决定逻辑输出0/1。
优选地，所述数字振荡器根据相位相加数值做区间判断包括：数字振荡器根据相位 相加后的小数部分做区间判断和/或数字振荡器根据相位相加数值做统一的数值变化，使得相位相加数值中小数点移动，得到相位相加整数做区间判断。
优选地，所述步骤M2包括：多子载波调制需要多个数字振荡器，多个数字振荡器提供多个0/1输出；基于输出决策模块，根据投票的方法，决定最后输出给射频开关的控 制信号的逻辑值0/1。
优选地，所述投票方法是根据多个数字振荡器提供的多个逻辑值0/1输出，当逻辑值0的数量大于逻辑值1的数量，则最终输出逻辑值0；当逻辑值0的数量小于逻辑值 1的数量，则最终输出逻辑值1；当逻辑值0的数量等于逻辑值1的数量，则最终输出 逻辑值0或逻辑值1。
优选地，所述反向散射标签的多子载波调制算法的载体包括：微控制器和可编辑逻 辑电路。
根据本发明提供的一种基于多子载波调制控制反向散射电路的系统，包括：反向散射标签的多子载波调制算法；
模块M1：基于相位的数字振荡器，决定逻辑输出0/1；
模块M2：根据多个相位的数字振荡器的逻辑输出，基于输出决策模块，决定最后输出给射频开关的控制信号的逻辑值0/1；
所述输出决策模块是多个相位的数字振荡器的逻辑输出投票选择最后输出给射频开 关的控制信号的逻辑值。
优选地，所述模块M1包括：
基于相位的数字振荡器根据预设的采样时钟，每次采样时钟根据相位的数字振荡器 的子载波频率在寄存器中存入特定的相位与原来寄存器存储的相位相加；每次存入特定 的相位为定值，数字振荡器根据相位相加数值做区间判断，然后决定逻辑输出0/1；
所述数字振荡器根据相位相加数值做区间判断包括：数字振荡器根据相位相加后的 小数部分做区间判断和/或数字振荡器根据相位相加数值做统一的数值变化，使得相位相加数值中小数点移动，得到相位相加整数做区间判断。
优选地，所述模块M2包括：多子载波调制需要多个数字振荡器，多个数字振荡器提供多个0/1输出；基于输出决策模块，根据投票的方法，决定最后输出给射频开关的控 制信号的逻辑值0/1；
所述投票方法是根据多个数字振荡器提供的多个逻辑值0/1输出，当逻辑值0的数量大于逻辑值1的数量，则最终输出逻辑值0；当逻辑值0的数量小于逻辑值1的数量， 则最终输出逻辑值1；当逻辑值0的数量等于逻辑值1的数量，则最终输出逻辑值0或 逻辑值1。
优选地，所述反向散射标签的多子载波调制算法的载体包括：微控制器和可编辑逻 辑电路。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提出的方法能使得反向散射设备能实现多子载波调制，从而支持更广泛的通信协议。
2、本发明的方法使得反向散射设备能够以OFDM方式通信，从而获得更高的频 谱效率。
3、本发明的方法可以运用于任何反向散射或非传统意义上的反向散射电路。实现多载波为数字域的算法，而不对模拟电路做限制；
4、由于最后的输出为1bit的逻辑控制信号，与现有的任何反向散射电路都能 兼容；这是因为反向散射通信天然地要求阻抗的切换功能；而本发明提供的算法生 成的逻辑信号即可用于控制阻抗切换。本发明提供的算法生成的逻辑信号即可用于 控制阻抗切换。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明中基于相位的数字振荡器的一种样例设计方案。
图2为本发明中输出决策器根据多个数字振荡器的输入决定输出的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人 员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于 本发明的保护范围。
本发明提供了一种适用于反向散射通信的多子载波调制技术。该技术为数字域的算 法，在射频电路上只需要存在两种可切换的阻抗即可支持多子载波调制，能够适用于绝大部分已有的反向散射电路。
实施例1
根据本发明提供的一种基于多子载波调制控制反向散射电路的方法，包括：反向散射标签的多子载波调制算法；如图2所示，
步骤M1：基于相位的数字振荡器，决定逻辑输出0/1；
具体地，所述步骤M1包括：
基于相位的数字振荡器根据预设的采样时钟，每次采样时钟根据相位的数字振荡器 的子载波频率在寄存器中存入特定的相位与原来寄存器存储的相位相加；每次存入特定 的相位为定值，数字振荡器根据相位相加数值做区间判断，然后决定逻辑输出0/1。
所述原来寄存器存储的相位是指寄存器是一个存储器件，其本身内部一定存储着一 个值。在初始化后，该值为0。随着系统的运行，这个值会变化(因为我们的算法会将 新的值赋值给它)。用这个值代表相位。所以说这里存储的相位就是指当前寄存器中的 值。
寄存器下一个时钟存入的相位＝原相位(寄存器中的)+Delta相位。其中Delta相位在子载波固定的情况下是一个定值，Delta\phi＝k/N。其中k为子载波编号，N为常数 (系统总子载波数量)。当然，如果我们改变分配给这个设备的子载波,k会发生变化， Delta相位也会发生变化。
具体地，所述数字振荡器根据相位相加数值做区间判断包括：数字振荡器根据相位 相加后的小数部分做区间判断和/或数字振荡器根据相位相加数值做统一的数值变化，使得相位相加数值中小数点移动，得到相位相加整数做区间判断。
步骤M2：根据多个相位的数字振荡器的逻辑输出，基于输出决策模块，决定最后输出给射频开关的控制信号的逻辑值0/1；即控制射频开关的控制信号来源于多子载波调 制算法；
所述输出决策模块是多个相位的数字振荡器的逻辑输出投票选择最后输出给射频开 关的控制信号的逻辑值。
例如：有a个振荡器，a个振荡器都各自独立工作，按照上述规则，a个振荡器都可能生成0/1的输出，共有2^a种可能。在芯片中，a个振荡器的运算是并行的，输出也 是同时的。然而我们的反向散射器件最终控制RF开关的信号不能有a个信号，而只能 由一个逻辑信号0/1来判断最终的输出。这就是这个输出决策模块的作用，根据a个振 荡器的输出结果投票选择最终是0还是1。
具体地，所述步骤M2包括：多子载波调制需要多个数字振荡器，多个数字振荡器提供多个0/1输出；基于输出决策模块，根据投票的方法，决定最后输出给射频开关的控 制信号的逻辑值0/1。
具体地，所述投票方法是根据多个数字振荡器提供的多个逻辑值0/1输出，当逻辑值0的数量大于逻辑值1的数量，则最终输出逻辑值0；当逻辑值0的数量小于逻辑值 1的数量，则最终输出逻辑值1；当逻辑值0的数量等于逻辑值1的数量，则最终输出 逻辑值0或逻辑值1。
具体地，所述反向散射标签的多子载波调制算法的载体包括：微控制器(MCU)和可编辑逻辑电路，如PLD/CPLD/FPGA。
其他使用本发明的多子载波调制算法的有源/无源电路，例如：有源的射频电路上利 用切换功率放大器的状态，并使用本发明的多子载波调制算法，即基于本发明的多子载波调制算法控制有源的射频电路上切换功率放大器的状态。
由于最后的输出为1bit的逻辑控制信号，与现有的任何反向散射电路都能兼容；这 是因为反向散射通信天然地要求阻抗的切换功能；而本发明提供的算法生成的逻辑信号 即可用于控制阻抗切换。
根据本发明提供的一种基于多子载波调制控制反向散射电路的系统，包括：反向散射标签的多子载波调制算法；
模块M1：基于相位的数字振荡器，决定逻辑输出0/1；
具体地，所述模块M1包括：
如图1所示，基于相位的数字振荡器根据预设的采样时钟，每次采样时钟根据相位的数字振荡器的子载波频率在寄存器中存入特定的相位与原来寄存器存储的相位相加；每次存入特定的相位为定值，数字振荡器根据相位相加数值做区间判断，然后决定逻辑 输出0/1。
所述原来寄存器存储的相位是指寄存器是一个存储器件，其本身内部一定存储着一 个值。在初始化后，该值为0。随着系统的运行，这个值会变化(因为我们的算法会将 新的值赋值给它)。用这个值代表相位。所以说这里存储的相位就是指当前寄存器中的 值。
寄存器下一个时钟存入的相位＝原相位(寄存器中的)+Delta相位。其中Delta相位在子载波固定的情况下是一个定值，Delta\phi＝k/N。其中k为子载波编号，N为常数 (系统总子载波数量)。当然，如果我们改变分配给这个设备的子载波,k会发生变化， Delta相位也会发生变化。
具体地，所述数字振荡器根据相位相加数值做区间判断包括：数字振荡器根据相位 相加后的小数部分做区间判断和/或数字振荡器根据相位相加数值做统一的数值变化，使得相位相加数值中小数点移动，得到相位相加整数做区间判断。
模块M2：根据多个相位的数字振荡器的逻辑输出，基于输出决策模块，决定最后输出给射频开关的控制信号的逻辑值0/1；即控制射频开关的控制信号来源于多子载波调 制算法；
所述输出决策模块是多个相位的数字振荡器的逻辑输出投票选择最后输出给射频开 关的控制信号的逻辑值。
例如：有a个振荡器，a个振荡器都各自独立工作，按照上述规则，a个振荡器都可能生成0/1的输出，共有2^a种可能。在芯片中，a个振荡器的运算是并行的，输出也 是同时的。然而我们的反向散射器件最终控制RF开关的信号不能有a个信号，而只能 由一个逻辑信号0/1来判断最终的输出。这就是这个输出决策模块的作用，根据a个振 荡器的输出结果投票选择最终是0还是1。
具体地，所述模块M2包括：多子载波调制需要多个数字振荡器，多个数字振荡器提供多个0/1输出；基于输出决策模块，根据投票的方法，决定最后输出给射频开关的控 制信号的逻辑值0/1。
具体地，所述投票方法是根据多个数字振荡器提供的多个逻辑值0/1输出，当逻辑值0的数量大于逻辑值1的数量，则最终输出逻辑值0；当逻辑值0的数量小于逻辑值 1的数量，则最终输出逻辑值1；当逻辑值0的数量等于逻辑值1的数量，则最终输出 逻辑值0或逻辑值1。
具体地，所述反向散射标签的多子载波调制算法的载体包括：微控制器(MCU)和可编辑逻辑电路，如PLD/CPLD/FPGA。
其他使用本发明的多子载波调制算法的有源/无源电路，例如：有源的射频电路上利 用切换功率放大器的状态，并使用本发明的多子载波调制算法，即基于本发明的多子载波调制算法控制有源的射频电路上切换功率放大器的状态。
由于最后的输出为1bit的逻辑控制信号，与现有的任何反向散射电路都能兼容；这 是因为反向散射通信天然地要求阻抗的切换功能；而本发明提供的算法生成的逻辑信号 即可用于控制阻抗切换。
实施例2
实施例2是实施例1的变化例
所述数字振荡器根据相位相加数值做区间判断包括：数字振荡器根据相位相加后的 小数部分做区间判断和/或数字振荡器根据相位相加数值做统一的数值变化，使得相位相加数值中小数点移动，得到相位相加整数做区间判断。
为了方便描述，这里规定相位等于物理相位/2。但是实际在芯片中计算的时候用的 是定点数，可以与这里的相位进行映射，比如说统一乘1024，这样会导致小数点的移动。有个例子，物理世界的0.5在芯片中可以表示成512(乘1024)，可以以10-bit的无 符号整数的方式存储在芯片中，这种情况下整数部分为n倍的1024，小数为小于1024 的部分，这样我们在做加法的时候，物理世界舍弃整数部分、保留小数部分的操作等同 于只保留最低位的10bit、舍弃两个10bit数字相加可能产生的第11bit的进位。这样 的两种方法实质上是等价的。
实施例3
实施例3是实施例1和/或实施例2的变化例
所述数字振荡器根据相位相加后的小数部分做区间判断包括：
最简单的区间是(0,0.5)判定为“0”；(0.5,1)判定为“1”。大于1的情况不存在， 因为已经舍弃了整数部分。也不会小于0，因为相位存储格式是无符号正数。当然这也 不是唯一的判定区间，只要满足两个区间在(0,1)之间互补，且各占0.5的长度(但是得 连续)就行。比如说(0,0.1)和(0.6,1)判定为“0”，(0.1,0.6)判定为“1”也是可以的。 这样的选择有无数种。0相位和1相位，按照之前的映射规则，在归一化之前实际上是 应为0和2π，所以这两个点是同一个点，因此(0,0.1)和(0.6,1)是一个连续的区间。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、 装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系 统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以 被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件 内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以 是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上 述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改， 这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的 特征可以任意相互组合。