具体实施方式

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：

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。

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。

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。

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。

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。

第一实施例

1)系统组成

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：

(1)射频源F

向外发送单频电磁信号c(t)。

(2)物端节点N

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。

(3)接收机R

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。

2)调制方法

可分作预编码、脉冲赋形、后向散射类似DBPSK调制等三个步骤：

(1)预编码

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。

(2)脉冲赋形

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)。

(3)调制过程

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。

具体工作过程为：

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

其中，A₂为振幅，w₀为角频率，为相位。

假设天线的负载阻抗为Z_a，则：

(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：

(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：

令Z₀＝0Ω(即短路)，Z₁＝∞Ω(即短路)，则：

Γ₀＝(Z₀-Z_a)/(Z₀+Z_a)＝-1 (4)

Γ₁＝(Z₁-Z_a)/(Z₁+Z_a)＝+1 (5)

将公式(4)、(5)代入公式(2)、(3)，则已调信号s(t)可表示为：

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。

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。

3)解调方法

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。

1)带通滤波

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)。

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。

2)相干低通

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)：

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。

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)。

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)。

3)平方求和

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：

将y₄(t)隔去直流后，得到平方和信号y₅(t)。

4)差分相乘

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)。

在nT_B,n＝0,1,2,3,...时刻，对y₇(t)做采样，获得采样值y₇(nT_B)。

5)对采样值y₇(nT_B)做判决，判决结果为e_n。

当采用传号差分码时：

当采用空号差分码时：

e_n即为接收机R最终解调出的二进制比特序列。

第二实施例

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。

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。

第三实施例

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)：

b(t)＝∑_nb_ng(t-nT_B) (14)

其中，g(t)为幅度为1，持续时间为T_B的矩形脉冲。

第四实施例

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：

1)差分相除

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)。

在nT_B,n＝0,1,2,3,...时刻，对y₇(t)做采样，获得采样值y₇(nT_B)。

2)对采样值y₇(nT_B)做判决，判决结果为e_n。

当采用传号差分码时：

当采用空号差分码时：

e_n即为接收机R最终解调出的二进制比特序列。

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