一种基于MFSK调制和Chirp扩频技术的物理层发射信号产生方法
阅读说明：本技术 一种基于MFSK调制和Chirp扩频技术的物理层发射信号产生方法 (Physical layer transmission signal generation method based on MFSK modulation and Chirp spread spectrum technology ) 是由 赵锋 李帆 李东敏 李健勋 毕扬帆 江升辉 于 2019-08-28 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种基于MFSK调制和Chirp扩频技术的物理层发射信号产生方法。其实现方案为：物理层收到来自媒介访问控制(MAC)子层的输入后,对来自MAC层的信息进行循环编码。数据信息经过循环编码后,进行交织。之后对交织后的数据进行信息映射。映射后,进行信号调制。同时产生前导信息,进行调制。最后加入前导信号,与帧控制符号、载荷符号组成一帧信号,进入射频链路。本发明产生的信号波形具有恒包络特性,所述的调制技术具有低功耗,高灵敏度,高可靠性等优点。(The invention provides a physical layer transmission signal generation method based on MFSK modulation and Chirp spread spectrum technology. The implementation scheme is as follows: the physical layer, upon receiving input from the Medium Access Control (MAC) sublayer, performs cyclic encoding of information from the MAC layer. The data information is interleaved after being circularly encoded. And then mapping the information of the interleaved data. After mapping, signal modulation is performed. And meanwhile, generating preamble information for modulation. And finally, adding a preamble signal, forming a frame signal with the frame control symbol and the load symbol, and entering a radio frequency link. The signal waveform generated by the invention has the constant envelope characteristic, and the modulation technology has the advantages of low power consumption, high sensitivity, high reliability and the like.)
技术领域
本发明属于物联网通信技术领域，具体涉及一种基于MFSK调制和Chirp扩 频技术的物理层发射信号产生方法。
背景技术
当今，物联网已经进入我们的日常生活，例如电力应用中的用电信息采集、 设备自动感知、互联与控制系统、水气热计量领域的远程抄表系统，能源环境 远程监测系统等。低功耗广域技术的提出，使物联网更上一层楼。在低功耗广 域技术中，具有远距离，可扩展，低成本等特点的调制技术，高性能的物理层 调制方案以及自适应通信速率的通信算法，是物联网通信系统的基础。
传统的直接序列扩频(DSSS)，需要用伪随机码作为扩频码，进行解扩获取 扩频增益。若想获取高增益，扩频码需要很长，复杂度比较高。同样，跳频扩 频也需要跳频图案。对于应用于物联网的调制技术，调制技术简单、增益高， 且复杂度低，显的尤为重要。
Chirp扩频调制技术(CSS)既不需要伪随机码作为扩频码，也不需要跳频图 样，而是利用chirp信号的匹配滤波和脉冲压缩特性来实现扩频通信，实现简 单，复杂度低。首先进行MFSK调制，用MFSK的调制频率来编码信息，然后进 行Chirp扩频调制，利用脉冲压缩特性获取扩频增益，灵敏度高，并且具有恒 包络的特点，符合物联网的低功耗要求。在无线通信领域，MFSK调制联合chirp 扩频调制技术，是一种比较新型的技术。
发明内容
本发明主要提供了一种基于MFSK调制和Chirp扩频技术的的物理层发射信 号产生方法，发射机信号的产生流程如图1所示。
本发明物理层的帧结构由前导，帧控制和载荷组成，一帧信号的帧结构如图 2所示。其中，前导由未调制的A，调制的a，以及未调制的B组成。具体的前 导数据格式如图3所示。不失一般性，可以设置A的数目为8个或者8个以上。 调制的a为2个，分别设置为a1和a2，若a1设置为4，a2可以设置为M-4，M为 FSK调制的调制阶数；也可以设置a1为4，a2为8，a1，a2的具体值可以根据实际 需求灵活变动。B为A的反向扩频。
本发明另一方面提供了一种循环编码方法，此编码方法将数据分为4bit一 组，对每组添加监督bit，每组的码字长度为7或者8。
本发明另一方面提供了一种交织方法。此交织方法的流程为：根据载荷数据 块的大小决定交织矩阵的大小；再按列将数据输入交织器；然后对交织器中每 一行的数据进行循环移位，不失一般性，可以将第i行循环移位i个数据；最 后按行读取数据，完成交织。
本发明另一方面提供了一种信息映射方法，此方法通过一定的映射方式，将 交织后的数据bit，映射成要调制的数据。
本发明另一方面提供了一种调制方法，此方法基于MFSK调制，得到初始频 率，然后进行chirp扩频，得到一个线性调频信号。
本发明的技术方案包括如下步骤：
(1)物理层接收来自介质访问控制(MAC)子层的输入；
(2)物理层对来自MAC层的数据进行编码；
(3)对编码后的数据进行交织；
(4)对交织后的数据进行信息映射；
(5)对信息映射后的数据进行调制；
(6)生成前导信号；
(7)加入前导，生成一帧信号进入射频链路。
本发明具有以下优点：
本发明利用了MFSK调制和chirp扩频技术，因此有很多优点。例如，本发 明的调制技术具有低功耗，高灵敏度，高可靠性等特点。在恶劣的噪声环境中 能够正常通信，具有较强的抗信道衰落能力，较强的多普勒频移容忍能力。本 发明通过循环编码，交织，信息映射等方式降低了数据的误码率，提升了系统 的鲁棒性。通过不同的参数配置能够在速率和鲁棒性中进行合理选择。
附图说明
图1是本发明的发射机信号产生框图；
图2是本发明的一帧信号的帧结构图；本发明的帧结构由前导，帧控制和数 据载荷组成。
图3是前导数据结构图；前导由未调制的A，调制的a，以及未调制的B组 成。
图4是[7,4]循环码编码器的工作原理图；
图5是输入数据进交织器的具体输入方法示意图；
图6是交织器中数据循环移位示意图；
图7是频率f随M的变化曲线
图8是未调制A的时间频率、时域波形图
图9是调制a1(a1＝4)的时间频率、时域波形图
图10是调制38的的时间频率、时域波形图
具体实施方式
希望下文结合附图，对本发明的示范性实施例进行描述，但并不希望表示为 可实践本发明的仅有实施例。贯穿此描述所使用的属于“示范性”表示“充当 实例、例子或说明”，且未必应解释为比其他示范性实施例优选或有利。所述详 细描述出于提供对本发明的示范性实施例透彻理解的目的而包含特定细节。所 属领域的技术人员将明白，可在无这些特定细节的情况下实践本发明的示范性 实施例。
参照图1，本发明的具体实施步骤如下：
步骤一、物理层接收来自MAC层的输入。
步骤二、物理层对来自MAC层的数据进行编码：
图4表示[7,4]循环码编码器的工作原理，将信息bit分组，每4bit一组， 4bit信息依次送入移位寄存器中，通过做移位操作、模2加操作，经过移位3 次后，3bit监督位全部输出。与4bit信息位一起构成一个完整的码组。
[7,4]循环码编码也可以按照本原多项式g(x)＝x3+x+1对应的生成矩阵进行 编码。
[7,4]循环码对应的生成矩阵为：
[8,4]循环码是在[7,4]循环码的后面添加了一位偶校验位，校验能力增强。
步骤三、对编码后的数据进行交织：
交织的流程为：根据发送的字节数PB及每个符号发送的有效信息比特数inforBitPerSymbol确定交织矩阵的大小；再按列将数据输入交织器；然后对交 织器中每一行的数据进行循环移位；最后按行读取数据，完成交织。
3a)交织矩阵大小的确定；
载荷的数据大小定义为从PB4到PB508。在调制时，每个符号发送的有效信 息bit数表示为inforBitPerSymbol。
交织器列数nColumn如表1所示：
表1：交织器列数
inforBitPerSymbol/PB
PB<16
16＝<PB<64
64＝<PB<128
PB>＝128
1
8
16
32
64
2
8
16
32
64
3
6
12
24
48
4
8
16
32
64
5
5
20
40
80
6
6
24
48
96
7
7
14
28
56
8
8
16
32
64
9
9
18
36
72
10
10
20
40
80
11
11
22
44
88
12
12
24
48
96
交织器行数计算方式如下：
其中，nRow表示交织行数，PB表示发送信号的字节数，codeRate表示编码 码率，nColumn表示交织器的列数。
3b)按列将数据输入交织器；
数据输入交织器前可能不满***织器大小要求，需要先补零，补零个数 为：
其中，Npad表示需要补零个数，PB表示发送信号的字节数，codeRate表示 编码速率，nColumn表示交织器列数。
然后按列输入交织器，不失一般性，假设输入数据为7后按大小的，具体输 入方法如图5所示。
3c)对交织器中每一行数据进行循环移位；
不失一般性，假设交织器大小为7织器，循环移位方法如下图6所示。 循环移位间隔可以根据具体情况灵活设置，实施例中假设第i行的循环移位参 数为mod(i,bitPerSymbol)，也可根据实际情况设置为第i行循环移位 mod(2i,bitPerSymbol)。
3d)按行读取数据
循环移位后的数据按行读取，交织完成。
步骤四、对交织后的数据进行信息映射：
输入数据流以inforBitPerSymbol比特分组，每inforBitPerSymbol个信息 bit映射一次。输入数据流按照低位先进，高位后进的顺序进行。
信息映射是将inforBitPerSymbol比特通过一定的映射方式，增加冗余比 特，映射成bitPerSymbol比特。最终bitPerSymbol比特再映射成十进制位置。
设每个符号实际发送的bit数为bitPerSymbol，映射前的信息bit为 (I1 I2 …IinforBitPerSymbol-1 IinforBitPerSymbol)
其中，IinforBitPerSymbol表示映射前第inforBitPerSymbol位置的信息bit，为0 或者1.
映射后的信息bit为 (m1 m2 … mbitPerSymbol-1 mbitPerSymbol)
其中，mbitPerSymbol表示映射后第bitPerSymbol位置的信息bit，为0或者1.
映射方式如下：
m1＝0；
…
mbitPerSymbol-inforBitPerSymbol＝1；
mbitPerSymbol-inforBitPerSymbol+1＝mod(I1+I2+…+IinforBitPerSymbol,2)；
mbitPerSymbol-inforBitPerSymbol+2＝mod(I2+…+IinforBitPerSymbol,2)；
…
mbitPerSymbol-1＝mod(IinforBitPerSymbol-1+IinforBitPerSymbol,2)；
mbitPerSymbol＝IinforBitPerSymbol；
bitPerSymbol比特映射成十进制位置的方式如下：
Li＝2bitPerSymbol-inforBitPerSymbol-1
+mbitPerSymbol-inforBitPerSymbol+1×2bitPerSymbol-inforBitPerSymbol
+mbitPerSymbol-inforBitPerSymbol+2×2bitPerSymbol-inforBitPerSymbol+1
+mbitPerSymbol-inforBitPerSymbol+3×2bitPerSymbol-inforBitPerSymbol+2
+…
+mbitPerSymbol-1×2bitPerSymbol-2+mbitPerSymbol×2bitPerSymbol-1
其中，Li表示bitPerSymbol比特信息经过映射后的十进制位置， 0≤Li≤2bitPerSymbol-1。Li也表示MFSK映射频率对应的位置。
不失一般性，假设inforBitPerSymbol＝5，bitPerSymbol＝7，映射前的信息 bit为(1 0 1 1 0)，映射后的信息bit为(0 1 1 0 0 1 0),7bit再映射成 十进制位置为loc＝38。
步骤五、对信息映射后的数据进行调制：
5a)MFSK调制
通过上面的信息映射，每inforBitPerSymbol个信息bit，映射得到一个十 进制位置Li，该Li与MFSK的调制频率有对应关系。
MFSK调制频率与Li的对应关系如下：
其中，M＝2bitPerSymbol,i＝1,2,…2inforBitPerSymbol，表示log2Mbit信息对应的频率，Ts表示一个调制符号的时间长度，
不失一般性，起始频率f0可以为任意频率，包含但不限于-B/2。
MFSK调制后的信号表示为
5b)Chirp扩频
经过MFSK调制，得到频率为
其中，y表示时域信号，B表示信号带宽，Ts表示一个符号时间，M表示一个 符号的采样点数，M＝2bitPerSymbol。斜率k表示频率随着时间线性变化的快 慢。频率f随着M的变化规律如图7所示。
先进行MFSK调制，产生起始频率
其中，x表示MFSK+Chirp扩频后的时域信号，B表示信号带宽，M表示一个 符号的采样点数，M＝2bitPerSymbol，表示起始频率。
不失一般性，假设loc＝38，调制后的时间频率曲线图如下图10所示。
步骤六、生成前导信号，
图3表示前导数据结构，前导由8个未调制的A，1个调制为a1，一个调制 为a2，,2.25个未调制的B组成。A为基本波形，B为A的反向扩频。调制的a1和a2可以根据实际需求灵活变动。不失一般性，若a1设置为4，a2可以设置为 M-4，M为FSK调制的调制阶数，或者a1设置为4，a2设置为8。
这里设置MFSK的起始频率f0为-B/2，未调制的A对应的十进制位置loc为 0，频率范围为-B/2～B/2。调制为a1的符号对应的十进制位置loc为a1，频率范 围-B/2+a1/Ts～B/2，-B/2～-B/2+a1/Ts。调制为a2的符号对应的十进制位置loc为 a2，频率范围-B/2+a2/Ts～B/2，-B/2～-B/2+a2/Ts。未调制的B为未调制A的反向 调制，频率范围为B/2～-B/2。具体的时间频率曲线及时域波形如图8、图9所 示。
步骤七、加入前导，生成一帧信号进入射频链路。
其中一帧信号的帧结构如图2所示。物理层的帧结构由前导，帧控制和数据 载荷组成。如图2中所示，每个符号长度为nLength，其中前导符号个数为12.25， 长度为12.25*nLength。帧控制和数据载荷的符号个数是可变的，与信息映射的 inforBitPerSymbol有关。