窄带数据传输中均衡与迭代解调的方法与装置

窄带数据传输中均衡与迭代解调的方法与装置

杨彦波  ,李涛  ,杨邓弘

深圳华海尖兵科技有限公司，广东 深圳 518000

摘  要：随着物联网的高速发展和普及，近几年来窄带物联网以自身独特的优势赢得了大众的欢迎。窄带物联网，它的耗能较低，覆盖的范围又比较广泛，因此广泛的应用到人们的日常生活中。作为新时代物联网技术创新的一种形式，窄带物联网技术在各行各业中受到了广泛的重视。所以本文对窄带物联网进行分析，同时探讨窄带数据传输中均衡与迭代解调的方法与装置。

  关键词：窄带；数据传输；均衡与迭代解调；方法与装置

在如今信息化飞速发展的时代下，移动互联网和计算机技术应用到人们的生活中，随之物联网也崛起发展起来。物联网已经成为新时代各行各业信息化发展的必然趋势。它能够促进各行各业之间的衔接，提升整个行业的价值和资源发展。窄带物联网它相对于传统的技术来说有很多的优点，具有独特的优势，在市场上广泛应用，受到了更多运营商的欢迎，很多运营商纷纷将窄带物联网引入到领域当中。

一、对物联网的概述

物联网指的就是将各个信息传递功能的设备进行联网设置，最终接入到互联网的网络体系当中，通过使用这种技术将移动设备与互联网连接在一起，形成人与物、物与物之间的互相联系。物联网这一技术的发展在通信行业应用越来越广泛，也获得了很多运营商的广泛重视，利用通信技术将物联网系统中的信息数据在不同的设备上共享交换，成为支持物联网联系各个应用的关键。随着对物联网的深入探讨，对于物联网的概念也在不断的变化，很多学者又认为物联网是依据标准的通信协议利用传感器和扫描器等等信息传感设备，将各类物品连接入互联网当中，实现各个设备之间的交流和传递。也通过这样的手段，对设备和物品进行智能化的监控和管理，真正实现物与物之间的相互联系和通信。

二、窄带数据传输的特点

（一）频谱利用率高

在窄带数据传输应用技术中，高频频带的无线频谱应用资源将被广泛使用，但在当前信息技术开发水平下，由于受电力波影响高的无线电波影响的频谱频段具有译的能力受到影响，并且高频带无线频谱应用资源的综合利用效率也可能受到一定程度的影响。

（二）通信系统性能有很大提高

传统我国移动通信网络信息系统网络技术开发思路是网络编译代码与不同信息源之间的点之间的网络信息交换，以及传输各种网络技术的发展目标。集成作为核心网络技术的发展目标，窄带数据传输信息系统网络技术的差异主要是，它将更广泛，多功能和天线，多用户，更多功能点和小区都是协作，互连和多网络技术研究作为关键网络基础技术研究点，以大幅度提高我国通信系统管理和子系统的信息网络管理性能。

（三）设计理念先进

在窄带数据传输中，占据市场主导地位的主要是室内移动通信网络业务的优先应用，窄带数据传输系统的应用优先技术设计应用目标主要定位在室内移动无线网络的区域覆盖面和性能及其通信业务网络支撑综合能力上，这将彻底改变传统窄带数据传输系统的优先设计应用理念。

（四）能耗和运营成本降低

窄带数据传输网络的“软”资源配置方案设计，将成为是未来该网络技术的重要理论研究、探索发展方向，网络基础资源配置可以由网络运营商直接根据当前动态的不同业务网络流量配置变化而实时进行调整，这样，可以有效率地降低网络能耗和提高网络基础资源使用运营管理成本。
三、 窄带数据传输中均衡与迭代解调技术

随着信息技术的快速发展，当今的世界已经进入万物互联的时代，各种物联网技术层出不穷。其中，窄带物联网(narrow band internet of things，nb-iot)作为万物互联网络的一个重要分支，以其高连通性、高穿透力的特性很快在物联网水表、物联网燃气表等领域得到广泛应用。目前，为了解决深度覆盖问题，在nb-iot技术中，通常是通过减小信号发射带宽以及增加信号重复发送次数来提高接收端的信噪比，从而提高解码成功率。但是在现有技术中，接收端必须要在接收到发送端发送的所有重复信号后才进行解调译码，而实际应用中由于信号传输环境的复杂及外界噪声干扰的影响，实际空口环境是时变的，可能只需要少量重复甚至一次重复的数据传输即可译码成功，所以，现有的用于窄带物联网的数据传输和解调译码的方法会造成空口资源的浪费以及发送端的功耗浪费。

技术实现要素:

1.本技术实施例提供了一种用于窄带物联网的数据传输方法、装置、存储介质及设备，有助于克服现有的用于窄带物联网的数据传输的缺点，在空口信道质量良好的情况下提前进行信号的解调和译码，并在译码成功后提前终止剩余重复信号的收发处理，从而不仅能够降低发送方的功率消耗，而且可以将剩余的空口信道资源用于与其他接收端的通信，进而提高了空口频谱利用率。

2.第一方面，本技术提供了一种用于窄带物联网的数据传输方法，该方法包括:在窄带物联网中进行数据传输时，接收端首先接收发送端发送的下行调度指令，其中，下行调度指令用于指示接收端通过预设的空口信道接收发送端发送的n次重复信号；n为大于0的正整数，然后，根据接收到的下行调度指令，通过预设的空口信道逐次接收发送端发送的重复信号，接着，在接收了m次重复信号后，判断接收到的m次重复信号是否满足预设译码条件；其中，m为大于0且小于n的正整数，若是，则对接收到的m次重复信号进行译码，并在译码成功后，向发送端发送ack响应信息，以及停止接收发送端发送的剩余次数的重复信号。

3.与传统技术相比，本技术实施例是提前对重复信号进行了译码，并在译码成功后提前终止剩余重复信号的收发处理，从而不仅能够降低发送端的功率消耗，而且还可以将剩余的空口信道资源用于发送端与其他接收端的通信，进而提高了空口频谱利用率

4.一种可能的实现方式中，在接收发送端发送的空口调度指令之前，该方法还包括:预先与发送端构建快速反馈信道；其中，快速反馈信道用于发送所述确认响应信息ack。这样，可以通过快速反馈信道快速将确认响应信息ack上报给基站，提高数据传输效率。

5.一种可能的实现方式中，预设译码条件为m次重复信号对应的合并信号的信噪比达到预设阈值。

6.第二方面，本技术还提供了一种用于窄带物联网的数据传输方法，该方法包括:向接收端发送空口调度指令，其中，空口调度指令用于指示接收端通过预设的空口信道接收发送端发送的n次重复信号；n为大于0的正整数；逐次向接收端发送重复信号，并在接收到接收端返回的确认响应信息ack后，停止向接收端发送剩余次数的重复信号。

7.一种可能的实现方式中，在向接收端发送空口调度指令之前，该方法还包括:预先与接收端构建快速反馈信道；其中，快速反馈信道用于接收确认响应信息ack。

8.第三方面，本技术还提供了一种用于窄带物联网的数据传输装置，该装置包括:

9.第一接收单元，用于接收发送端发送的空口调度指令，其中，空口调度指令用于指示接收端通过预设的空口信道接收发送端发送的n次重复信号；n为大于0的正整数；

10.第二接收单元，用于根据空口调度指令，通过预设的空口信道逐次接收发送端发送的重复信号；

11.判断单元，用于在接收了m次重复信号后，判断m次重复信号是否满足预设译码条件；其中，m为大于0且小于n的正整数；

12.发送单元，用于若判断出m次重复信号是否满足预设译码条件，则对接收到的m次重复信号进行译码，并在译码成功后，向发送端发送确认响应信息ack，以及停止接收发送端发送的剩余次数的重复信号。

13.一种可能的实现方式中，该装置还包括:

14.构建单元，用于预先与所述发送端构建快速反馈信道；所述快速反馈信道用于发送所述确认响应信息ack。

15.一种可能的实现方式中，预设译码条件为所述m次重复信号对应的合并信号的信噪比达到预设阈值。

16.第四方面，本技术还提供了一种用于窄带物联网的数据传输装置，该装置包括:

17.第一发送单元，用于向接收端发送空口调度指令，其中，空口调度指令用于指示接收端通过预设的空口信道接收发送端发送的n次重复信号；n为大于0的正整数；

18.第二发送单元，用于逐次向接收端发送重复信号，并在接收到接收端返回的确认响应信息ack后，停止向接收端发送剩余次数的重复信号。

四、 窄带数据传输中均衡与迭代解调的方法与装置分析

本文以实际工程应用为背景，在对传统差分检波解调算法原理进行分析的基础上，对算法在具体实现过程中存在的问题进行了理论分析并提出了改进意见；利用MATLAB软件进行设计仿真并取得算法具体参数后，在以TI定点DSP芯片和高速AD芯片为核心搭建的硬件平台上，完成了算法移植；通过对中心频率1900Hz、频偏±400Hz的气象传真图像信号进行解调实验，验证了采用DSP实现FSK信号软件解调的可行性。

频移键控信号(Frequency Shift Keyed，FSK)因其抗噪声和抗干扰性较强以及解调不需恢复本地载波等优点而在现代数字通信系统中得到广泛应用。通用数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)是针对信号处理需要而设计的一种可编程的处理器，它具有运算速度快、编程便利、接口灵活等优点，采用DSP器件实现数字信号处理系统已成为当前信号处理领域的发展趋势。利用定点DSP实现FSK信号软件解调，能够简化无线电接收设备的硬件设计，改善解调效果，在现代通信系统特别是小型无线电系统中具有广阔的应用前景。

一、差分检波解调算法

（一）差分检波解调算法的原理

一般来说，传统的数字解调理论中，FSK信号解调方式主要分为相干解调和非相干解调两类。相干数字解调虽然解调效果更好些，但解调过程中要求将具有精确频率和相位的相干信号恢复出来，实现起来较为困难，所需设备也较复杂。非相干数字解调方法可根据FSK信号的特点，在接收端不需要相干信号，因而应用更为广泛。差分检波解调算法作为非相干解调算法中重要的一种，具有原理简单，运算量较小的特点，其原理框图如图1所示[2-4]。

即FSK频偏值不同时，乘法器有不同的常值信号输出，从而可以实现信号的解调。

（二）差分检波解调算法在应用中的问题

从仿真波形上可以 从仿真波形上可以看到，在上下边频切换处的解调输出振荡较大，其原因主要包括三个方面：滤波器的滤波效果较差、滤波器的变量精度有限以及差分检波算法在对FSK信号进行软件解调时存在不足。

（三）算法的实现

         系统硬件平台采用TMS320F2812定点DSP芯片和ADS7805高速AD芯片为核心搭建而成。

         TMS320F2812是TI公司推出的定点DSP芯片，其最高主频150MHz，高性能的32位中央处理器通过改进型的哈佛总线结构可以并行的执行指令和读取数据，片上乘法器可以实现32×32位的二进制补码乘法运算[5]。ADS7805为TI公司生产的高速、低功耗、单通道同步采样模/数转换芯片，采用5V供电，信号输入范围为±10V，最高转换频率100kHz。

         ADS7805以40KHz的采样频率对FSK信号采样，模数转换后的数据在TMS320F2812上利用所设计的解调算法实现解调。

         为防止定点DSP的变量溢出，将FDATool设计得到的直接型FIR滤波器参数利用MATLAB转化为级联型参数，对滤波器的每个二阶节系数定标使得每个二阶节的输出都为小数的方式，能够有效避免溢出情况的出现。

         为解决利用差分检波解调算法解调FSK信号时信号边频处的解调输出不是常数项的问题，对算法的输出需进行判别。针对前文所述的二值气象传真图像信号，当采样频率fs=40KHz时，取，则τfs=5.263158，即在FSK信号的边频前存在5个点不能与之前的点处于同一变频上。对于频率范围在0~1200Hz之间的二值基带信号，在FSK信号的每个边频信号上的采样点最少为16个。因此对于滤波器的输出数据，当发现有8个点的值在一定误差范围内时，则认为这些点的值对应于当前边频的解调值，将这些点用前面的五个点覆盖，从而实现输出值的甄别。

     利用波形发生器发送载波中心频率1900Hz，频偏400Hz，信号频率为500Hz的音频信号，在所设计的硬件平台上进行测试实验。通过CCS图像观察工具观察输出，获得的解调结果如图4所示。从中可以看出，算法具有较好的效果。

结论：

本文根据差分检波解调算法原理，提出了以定点DSP和高速AD芯片为核心的音频FSK信号软件解调设计方案。分析了传统差分检波解调算法在实际应用中存在的问题，并给出了改进方法。利用MATLAB进行了系统仿真和参数的设计，并将算法移植到硬件平台上，实现了FSK信号的软件解调，利用气象传真机图像信号，验证了解调算法的可行性。
本技术涉及通信技术领域，尤其涉及一种用于窄带物联网的数据传输方法、装置、存储介质及设备。
结束语
   综上，本实施例提供的一种用于窄带物联网的数据传输方法，在进行窄带物联网中的数据传输时，接收端首先接收发送端发送的下行调度指令，其中，下行调度指令用于指示接收端通过预设的空口信道接收发送端发送的n次重复信号；n为大于0的正整数，然后，根据接收到的下行调度指令，通过预设的空口信道逐次接收发送端发送的重复信号，接着，在接收了m次重复信号后，判断接收到的m次重复信号是否满足预设译码条件；其中，m为大于0且小于n的正整数，若是，则对接收到的m次重复信号进行译码，并在译码成功后，向发送端发送ack响应信息，以及停止接收发送端发送的剩余次数的重复信号。可见，由于本技术实施例提前对重复信号进行了译码，并在译码成功后提前终止剩余重复信号的收发处理，从而不仅能够降低发送端的功率消耗，而且还可以将剩余的空口信道资源用于发送端与其他接收端的通信，进而提高了空口频谱利用率。

 

参考文献：

   [1]樊昌信.通信原理教程（第二版）[M].北京：电子工业出版社，2020：137-140.
  [2]张少波，毕光国．直接序列扩频系统中的捕获－一种方案的实现及其性能分析[J].通信技术与发展，2021，15（2）：58-60.
  [3]刘丽，何加铭，陈志君.直接序列扩频接收机同步技术研究[J].宁波大学学报：理工版，2020，19（02）：161-165.
    [4]杨文飞.窄带物联网（NB-IoT）的发展与应用[J].电子技术与软件工程.2021
　　[5]谷常鹏. 窄带数据传输的关键技术研究[D].重庆邮电大学，2020.        

作者简介：杨彦波（1971年7月）男，汉族 ，山东单县，本科，总工；研究方向：基于复杂信号条件下的数据传输。