[发明专利]一种基于FPGA高吞吐反向散射细粒度移频编码方法

说明书

本发明公开了一种基于FPGA高吞吐反向散射细粒度移频编码方法，其特征在于该方法包括构建32位相位累加器，使用Matlab数据分析软件辅助构造的65536个离散键值对的正弦信号寄存器，细粒度频率发生算法、步长计算公式，在接收端使用改进的分数阶傅里叶变换进行解码，从而获得高吞吐编码的基础频率，最终在系统上实现高吞吐低功耗的通信方法。

技术领域

本发明属于反向散射通信的技术领域，具体涉及一种基于FPGA的高吞吐编解码方法。

背景技术

传统的无线通信技术需要收发双方通过天线辐射电磁波发送无线信号，从而进行数据交换。

天线辐射是通过导线中的交变电流产生辐射电磁波。天线将电路中的高频电流转换成空间电磁波发射出去；接收电磁波时，则将来自空间特定方向的电磁波转换为电路中的高频电流。天线发送的电磁波包括了9khz到300000Ghz 之间的频率，这种方法虽然易于实现，但在无源物联网领域却有非要严重的缺陷。即辐射效果受系统供能模块影响较大，无源物联网系统往往采用小功率的电池或者采集环境能量进行供电，这部分电量很难维持天线进行长时间的大功率辐射，

随着物联网技术的发展，针对物联网系统设备对低功耗技术的依赖和对能量的严格控制，基于天线散射特性的反向散射通信技术也逐渐成型，反向散射通信技术利用已有的基础设施，解决了对无线设备的充电和收发信息的大难题。基于LoRa信号的反向散射通信系统只需要获取环境中能量就能持续工作，但现有设计的主要缺点是吞吐量太低，如在LoRa信号的包结构chirp上进行1bit 的编码，吞吐量最高只有2.838Kbps，极大限制了系统应用的扩展能力。

综上所述：现有反向散射方法可以解决物联网中对低功耗的需求，但无法提供高吞吐量的调制方案，这个问题使得物联网系统只能进行简单的数据通信，制约了物联网的发展。

发明内容

为解决上述问题，本发明的首要目的在于提供一种基于FPGA高吞吐反向散射细粒度移频编码方法，该方法能够通过采用高吞吐的编码方案，对数据进行有效的编码，就可以使原本被浪费的频带资源有效利用起来，提高基于LoRa 信号的无源物联网通信系统的吞吐量，很大程度避免了频带资源的浪费。

本发明的另一目的在于提供一种基于FPGA高吞吐反向散射细粒度移频编码方法，该方法有效的弥补了物联网通信系统通信吞吐量有限的特点，并能够保证设备功耗进一步降低。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下。

一种基于FPGA高吞吐反向散射细粒度移频编码方法，该方法包括构建32 位相位累加器，使用Matlab数据分析软件辅助构造的65536个离散(相位-幅值)键值对的正弦信号寄存器，细粒度频率发生算法、步长计算公式，在接收端使用改进的分数阶傅里叶变换进行解码，从而获得高吞吐编码的基础频率，最终在系统上实现高吞吐低功耗的效果。

具体地说，该方法包括以下步骤：

步骤1、根据LoRa信号的时域和频域特征，设计基于LoRa信号的反向散射通信编码调制方案；

步骤2、针对所选芯片内存资源情况，在相同环境下进行测试系统，根据实验结果选择累加器位数，直到获得最高吞吐通信，构建出32位相位累加器；

步骤3、依据系统功耗-鲁棒性互斥特性，在不同应用场景下，选择搭建 65536、131072、262144个点的(相位-幅值)键值对的正弦信号寄存器；

步骤4、将累加器、信号寄存器通过Verilog硬件描述语言实现，嵌入用于LoRa反向散射信号的编码调制算法，用以对传感器获取的数据进行编码调制；

步骤5、接收端通过USRP设备获取发送端编码调制后的信号，在PC上采用分数阶傅里叶变换进行解码，实现收发双发完整的通信过程。