面向低功耗广域网的DSSS系统关键技术研究及实现

摘要

低功耗广域网(LPWAN: Low Power Wide Area Network)，是专门为实现低功耗、远距离、低速率、大连接的物联网应用而设计。电气和电子工程师协会IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)针对这一需求在低速率无线个域网上制定了IEEE802.15.4k标准。该标准主要适用于低功耗关键基础设施监控（LECIM:Low Energy Critical Infrastructure Monitoring）网络的应用。
　　本文基于IEEE802.15.4k标准的直接序列扩展频谱系统的低功耗关键基础设施监控网络（DSSS LECIM: Direct Sequence Spread Spectrum LECIM），对其物理层(Physical Layer)收发链路各模块的关键技术进行了深入研究，设计并搭建了整个基带收发链路。实际工程应用中由于低成本的限制，一般采用普通的廉价的晶振，晶振的频率漂移高达40PPM(parts per million)以上。晶振的频率漂移将引起接收性能的恶化，这对接收端在低信噪比环境下正确恢复出发送的数据造成了一定的难度，因此对物理层接收机链路中同步技术的研究具有非常重要的学术价值以及实际应用意义。
　　针对上述问题，论文首先针对基带接收机在低信噪比环境下存在随机频偏的长码字捕获技术进行研究。主要以基于快速傅里叶变换(FFT: Fast FourierTransformation)运算的时频域二维搜索捕获和基于差分处理捕获算法两个方面进行研究，传统的捕获算法都不能满足LECIM网络的应用需求。本论文提出一种基于差分处理的M阶自相关伪码同步改进算法。先将接收信号和伪码相乘以消除伪码信息，然后进行M阶差分自相关消除载波频偏信息同时对噪声有一定的抑制。最后和传统的几种差分捕获算法在相同条件下进行仿真验证。实验结果表明本论文提出改进算法的抗噪性能更加优越，其捕获性能有4-5dB的改善，很大程度上改善了信噪比，提高了基带系统的接收灵敏度，故更适应于低信噪比条件下工作。
　　其次，对实现超低信噪比环境下的高精度频偏估计技术，主要研究了利用FFT运算以及基于时域上的经典Fitz算法。基于经典Fitz算法，提出了对信号先进行预处理再进行相关运算的策略。该项处理在不缩小频偏估计范围的前提下，能通过有偏自相关并迭代的方法抑制噪声，从而实现了在低信噪比环境下的频偏估计问题。该算法可以大大的提高估计性能，并且随着预处理次数增加而提高估计精度。该方法稳定可靠，非常适合应用于IEEE802.15.4k标准下超长码字、低信噪比、远距离通信、超高接收灵敏的应用需求。
　　最后，基于MATLAB平台搭建整个基带系统，分别对接收端的频偏纠正模块以及信道编译码模块进行相应现场可编程门阵列FPGA(Field ProgrammableGate Array)功能的实现。通过分析结果验证了模块实现的正确性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景意义

1．2 国内外研究现状和趋势

1．2．1 低功耗广域网络技术标准

1．2．2 同步技术的研究现状

1．3 论文的主要研究内容和结构安排

第二章 IEEE802．15．4k标准中DSSS PHY收发机原理

2．1 LECIM网络

2．1．1 网络特点及应用

2．1．2 设备类型与网络拓扑

2．2 发送模块

2．2．1 实现框架

2．2．2 信道编码

2．2．3 调制

2．2．4 直接序列扩频

2．3 接收模块

2．3．1 实现框架

2．3．2 解调解扩

2．3．3 信道译码

2．4 本章小结

第三章 低信噪比下长码字扩频系统伪码同步算法及改进

3．1 伪码同步原理

3．2 常用伪码同步算法

3．2．1 基于相关的伪码捕获算法

3．2．2 基于差分处理的伪码捕获算法

3．3 改进的捕获算法

3．3．1 基于PMF-FFT的伪码捕获算法

3．3．2 基于差分处理的伪码捕获算法

3．4 本章小结

第四章 低信噪比和大频偏范围下频偏估计算法研究

4．1 频偏估计原理

4．2 基于FFT的频偏估计算法

4．2．1 理论分析

4．2．2 仿真分析

4．3 基于自相关函数的频偏估计算法

4．3．1 延迟自相关法

4．3．2 经典Fitz算法

4．3．3 对Fitz算法的改进

4．4 本章小结

第五章 基带通信系统的设计和部分模块的实现

5．1 基带系统收发机框架设计

5．2 基带系统部分模块功能的实现

5．2．1 开发工具及FPGA器件选型

5．2．2 频偏估计纠正模块

5．2．3 维特比译码

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文和参与的科研项目