一种基于DDS直接数字频率合成的LoRa散射通信系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于DDS直接数字频率合成的LoRa散射通信系统，包含数字基带处理器、一射频开关、一阻抗匹配电路及天线，射频开关的控制端连接数字基带处理器的输出端，一开关连接端连接所述天线，另一开关连接端与地之间串接所述阻抗匹配电路；数字基带处理器用于根据LoRa协议规范，通过编程或者数字逻辑电路的方式对LoRa数据帧进行Whitenning加扰、Hamming纠错编码、Interleaving交织以及De‑Gray编码，再将得到的Symbol符号采用DDS直接数字频率合成方法进行CSS线性调频调制，得到数字方波信号并依次发送至射频开关；射频开关用于根据所述数字方波信号，控制射频开关的开关状态，将信号以散射的方式发送出去。本发明专利技术可在数字域实现，成本低，功耗低，鲁棒性好。

A LoRa Scattering Communication System Based on DDS Direct Digital Frequency Synthesis

The invention discloses a LoRa scattering communication system based on DDS direct digital frequency synthesis, which comprises a digital baseband processor, a radio frequency switch, an impedance matching circuit and an antenna. The control end of the radio frequency switch connects the output end of the digital baseband processor, one switch connects the antenna, and the other switch connects the impedance matching circuit in series with the ground. Processor is used to scramble LoRa data frame by programming or digital logic circuit according to LoRa protocol specification, Hamming error correction coding, Interleaving interleaving and De Gray coding. The symbols are then modulated by CSS linear frequency modulation using DDS direct digital frequency synthesis method, and the digital square wave signal is obtained and sent to RF switch in turn. The switch is used to control the switching state of the radio frequency switch according to the digital square wave signal and transmit the signal by scattering. The invention can be realized in the digital domain with low cost, low power consumption and good robustness.

【技术实现步骤摘要】
一种基于DDS直接数字频率合成的LoRa散射通信系统
本专利技术涉及LoRa散射通信领域，更具体地说，涉及一种基于DDS直接数字频率合成的LoRa散射通信系统。
技术介绍
2017年9月，美国华盛顿大学的VamsiTalla等人在论文《LoRaBackscatter:EnablingTheVisionofUbiquitousConnectivity》中提出了LoRa散射通信技术，给出了模数混合LoRa散射通信设计方案，其原理图如图1所示。数字基带处理器将待发送的数据按照扩展因子SF处理成数字符号后，输入至DAC将数字信号转换为模拟信号，然后模拟信号经VCO转换为频率信号，给到映射开关，映射开关控制8路匹配负载的通断，从而将信号散射出去。关于上述技术，基于FPGA平台进行了原理样机开发和通信试验验证，并设计了具有LoRa散射通信功能的集成电路芯片(LoRa散射通信原理详见该论文，此处不再赘述)。LoRa散射通信方案的最大特点是功耗低、成本低，但是模数混合LoRa散射通信技术中采用了DAC、VCO、开关映射、单刀八掷RF开关、8路匹配负载等诸多功能模块。该设计方案采用的模/数混合电路，对模拟信号的线性度、精度都有较高的要求，实现较为复杂，且不利于降功耗、降成本。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，针对现有技术中模数混合LoRa散射通信方案必须采用模/数混合电路，对模拟信号的线性度、精度都有较高的要求，实现较为复杂，且不利于降功耗、降成本的技术缺陷，提供一种基于DDS直接数字频率合成的LoRa散射通信系统。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于DDS直接数字频率合成的LoRa散射通信系统，其特征在于，包含数字基带处理器、一射频开关、一阻抗匹配电路及天线，射频开关的控制端连接数字基带处理器的输出端，一开关连接端连接所述天线，另一开关连接端与地之间串接所述阻抗匹配电路；所述数字基带处理器用于根据LoRa协议规范，通过编程或者数字逻辑电路的方式对LoRa数据帧进行Whitenning加扰、Hamming纠错编码、Interleaving交织以及De-Gray编码，再将得到的Symbol符号采用DDS直接数字频率合成方法进行CSS线性调频调制，得到数字方波信号依次并发送至射频开关；所述射频开关用于根据所述数字方波信号，控制射频开关的开关状态，将信号以散射的方式发送出去。优选地，在本专利技术的LoRa散射通信系统中，所述数字基带处理器为MCU、FPGA、ASIC中的任意一种或者多种的组合。优选地，在本专利技术的LoRa散射通信系统中，所述将得到的Symbol符号采用DDS直接数字频率合成进行CCS线性调频调制，得到数字方波信号具体包括如下步骤：将得到的Symbol符号采用DDS直接数字频率合成，对于每个Symbol符号通过更新频率控制字实现线性调频，并将相位累加器的MSB最高比特位输出，即可产生对应的数字方波序列。优选地，在本专利技术的LoRa散射通信系统中，在数字基带处理器中，通过编程的方式，先按时间顺序计算出每个Symbol符号对应的每一个时钟周期相位累加器的值，并把该值的MSB最高比特位依次保存在数字基带处理器的存储器中，最后再通过DMA传输到GPIO端口或者高速串行端口，驱动射频开关实现LoRa散射通信。优选地，在本专利技术的LoRa散射通信系统中，在一个Symbol符号周期内，定义一个Symbol＝0的CCS线性调频调制形成的数字方波序列作为基准，并保存在数字基带处理器的存储器的数组symbol_baseline[N]中，当需要计算不同符号值Symbol对应的CCS线性调频调制形成的方波序列时，将数组指针偏移符号值Symbol×N/2SF后所指示的数组元素整体提前到剩余元素之前所形成的方波序列作为所述不同符号值Symbol所对应的方波序列；其中N为数组的元素个数。优选地，在本专利技术的LoRa散射通信系统中，N取2SF的整数倍。优选地，在本专利技术的LoRa散射通信系统中，所述LoRa协议规范是指WANTM1.1Specification协议规范。与现有的技术方法比较，本专利技术的优点是：本专利技术提出的“一种基于DDS直接数字频率合成的LoRa散射通信方法”比
技术介绍
方案更加简单易行、且仅在数字域即可实现，因此能够显著降低LoRa散射通信的功耗、成本，同时具有数字系统鲁棒性高的优点；本专利技术在低功耗MCU平台上实现了LoRa散射通信，比
技术介绍
方案中基于FPGA的通信功耗低，而且无需花费巨资进行IC流片，在低成本MCU上即可实现LoRa散射通信系统的开发、设计；本专利技术提出的快速查表CCS线性调频调制方法，显著加快了CCS线性调频调制波形序列的生成速度，进一步降低了LoRa散射通信功耗。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1是现有技术中模数混合LoRa散射通信的原理图；图2是本专利技术的LoRa散射通信的原理图；图3是SF＝2时，CCS线性调频调制波形的频率变化规律图。具体实施方式为了对本专利技术的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本专利技术的具体实施方式。针对
技术介绍
中所指出的现有模数混合LoRa散射通信的技术缺陷，本申请提出了一种基于DDS直接频率合成的LoRa散射通信方案，该方案简单易行，且仅在数字域即可实现，因此能够显著降低LoRa散射通信的功耗、成本，同时具有数字系统鲁棒性高的优点。而且，本专利基于该DDS方案，首次在低功耗数字基带处理器上实现了LoRa散射通信。通过数字基带处理器编程实现了“LoRa数据帧—>Whitenning加扰—>Hamming纠错编码—>Interleaving交织—>De-Gray编码—>CSS线性调频数字虚拟调制—>DMA高速串行端口输出”这一过程。因此无需花费巨资进行IC流片，在低成本数字基带处理器上即可实现LoRa散射通信系统的开发、设计。此外，本专利还对该方案中的DDS直接频率合成过程进行改进，提出了快速查表CSS散射调制方法，显著加快了CSS散射调制波形的生成速度，进一步降低了LoRa散射通信功耗。本专利技术仅需要数字基带处理器(可以是MCU、FPGA或者ASIC)、射频开关、天线及其匹配电路即可实现LoRa散射通信，如图2所示。首先，在数字基带处理器内，根据LoRaWANTM1.1Specification协议规范，通过编程或者数字逻辑电路的方式对LoRa数据帧进行Whitenning加扰、Hamming纠错编码、Interleaving交织、De-Gray编码，最终得到了Symbol符号。根据LoRa规范可知，扩展因子为SF时，Symbol符号可取的值有2SF个(0、1、2……2SF-1)，为了简化，以SF＝2举例说明。如图3所示分别是符号取值为0、1、2、3时CSS线性调频调制波形的频率变化规律。再以Symbol＝2为例，该符号期间CSS调制波形如图中的正弦波所示。而本专利技术专利提出在数字域，采用DDS直接频率合成方案，每个Symbol符号通过更新频率控制字实现线性调频，并将相位累加器的MSB最高比特位输出，即可产生和正弦波相同频率的数字方波，如图3中最下方的波形所示。DDS直接频率合成原理及其本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于DDS直接数字频率合成的LoRa散射通信系统，其特征在于，包含数字基带处理器、一射频开关、一阻抗匹配电路及天线，射频开关的控制端连接数字基带处理器的输出端，一开关连接端连接所述天线，另一开关连接端与地之间串接所述阻抗匹配电路；所述数字基带处理器用于根据LoRa协议规范，通过编程或者数字逻辑电路的方式对LoRa数据帧进行Whitenning加扰、Hamming纠错编码、Interleaving交织以及De‑Gray编码，再将得到的Symbol符号采用DDS直接数字频率合成方法进行CSS线性调频调制，得到数字方波信号并依次发送至射频开关；所述射频开关用于根据所述数字方波信号，控制射频开关的开关状态，将信号以散射的方式发送出去。

【技术特征摘要】
1.一种基于DDS直接数字频率合成的LoRa散射通信系统，其特征在于，包含数字基带处理器、一射频开关、一阻抗匹配电路及天线，射频开关的控制端连接数字基带处理器的输出端，一开关连接端连接所述天线，另一开关连接端与地之间串接所述阻抗匹配电路；所述数字基带处理器用于根据LoRa协议规范，通过编程或者数字逻辑电路的方式对LoRa数据帧进行Whitenning加扰、Hamming纠错编码、Interleaving交织以及De-Gray编码，再将得到的Symbol符号采用DDS直接数字频率合成方法进行CSS线性调频调制，得到数字方波信号并依次发送至射频开关；所述射频开关用于根据所述数字方波信号，控制射频开关的开关状态，将信号以散射的方式发送出去。2.根据权利要求1所述的LoRa散射通信系统，其特征在于，所述数字基带处理器为MCU、FPGA、ASIC中的任意一种或者多种的组合。3.根据权利要求1所述的LoRa散射通信系统，其特征在于，所述将得到的Symbol符号采用DDS直接数字频率合成的方法进行CCS线性调频调制，得到数字方波信号具体包括如下步骤：将得到的Symbol符号采用DDS直接数字频率合成，对于每个Symbol符号通过更新频率控制字实现线...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐晓庆，谢桂辉，刘鑫，佘亚军，张帅，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七一九研究所，
类型：发明
国别省市：湖北,42