基于分数傅里叶变换的LoRa调制与解调研究

发布时间：2020-07-15 08:18

【摘要】：随着信息与通信技术的飞速发展,现如今,通信需求已经从人与人之间转向为人与人、人与物以及物与物之间的全面互联互通,无处不在的物联网通信时代即将到来。作为一个可能会引发信息技术领域新一轮革命的关键技术,物联网已经引起了科研学者极大的关注。因此为了满足物联网通信的业务需求,低功耗广域网这个概念被提出并迅速发展起来,拥有非常广阔的市场前景。在众多低功耗广域网技术中,LoRa是其中一种发展相对较快的通信技术。LoRa调制信号是线性调频类信号,在频域中能量是扩散的,而在分数傅里叶变换域却是能量聚集的,因此适合在分数傅里叶变换域进行分析和处理。鉴于此,本文基于分数傅里叶变换对LoRa调制与解调进行了研究,得到的主要结果可以归结为以下几个方面:首先,在分析线性调频信号频谱特性的基础上揭示了LoRa信息调制的机理,进而又分析了LoRa调制信号的时频特征。基于此,对LoRa的接收信号处理方法进行了归纳总结,阐明了LoRa解调的原理,并通过数值仿真验证了调制与解调方法的理论分析的结果以及误码率性能分析。其次,分析了线性调频信号在分数傅里叶变换域的谱特征,得到了任意角度下线性调频信号的分数傅里叶变换的闭合解,并以此建立了基于分数傅里叶变换的LoRa调制与解调的原理。提出了基于分数域的LoRa调制与解调方法,并对其进行了理论上的推导与仿真验证。将基于分数域的LoRa解调方式与传统LoRa解调方式相对比,所提方法能够利用线性调频信号在分数傅里叶变换域的聚集特性更好地抑制噪声,有利于系统误码性能的提升,并对这一结论进行了仿真分析。此外,考虑到未来物联网业务将会呈现出从由以低速率为主转向低速率、中速率、高速率共存的趋势,提出了能够支持更高速率的基于分数傅里叶变换的线性调频多载波LoRa调制与解调方法,并对其建立了系统模型,给出了相应的理论分析与数学上的结论推导,并通过仿真分析对理论结果与系统的性能进行了验证。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP393.2;TN929.5;TP391.44
【图文】：

体系结构图,体系结构

够进行大规模组网连接，并且能够进行扩展应用。对 LoRa 中的两个不同的层进行了定义，包括 Loa 物理层。推出的 LoRa WAN 协议是一种 LPWAN 标准，它是层的协议标准，它能够为电池供电的设备提供低功AN 规定了应用 LoRa 的一些核心需求，例如电池供、移动通信与位置定位等服务。LoRaWAN 协议能完美互操作性，而不需要复杂的本地实现。LoRa构实现了 LoRa 网络。LoRa 架构的结构可以分为后部分包括存储从传感器接收到的信息的网络服务器设备节点组成，网关模块充当终端设备节点和网络服务器与网关模块之间的信息通过 IP 连接发送数功能，消息通过单跳机制直接发送到网关集中器。寿命，设备通过自适应数据速率（ADR）机制管理率。LoRa 体系结构如图 1-1 所示。

扩频因子,广域网,低功耗,信号

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 EP2763321（欧洲、2013），US7791415（美国、使用了线性调频扩频技术，将传输信息经过线性对于远距离传输具有很高的鲁棒性。而且在运用，可以通过改变几个参数来适用于不同的需求，宽等，通过定义这些参数可以影响通信范围、比性、纠错能力以及编码的易用性。频因子是以 2 为基底的对数，能决定每个符号扩用较高的扩频因子时，比特率会越低，传输一个要在编码率和通信范围之间进行权衡选择，采用是正交的，因此一个接收机就可以同时接收通过子的信号。通过对不同扩频因子 SF 的 LoRa 信号 LoRa 信号的传输时间的关系，如图 1-2 所示。

时域波形,线性调频信号,线性调频,频率

2dt频信号的频率随时间变化函数是一条直线，0f (t ) t f斜率，0f 为初始频率，且是一个非 0 常数202,( )= 2 20, 其他 j t j f tT Te tc t 据线性调频信号瞬时频率的边界范围将其扫号定义，带宽、持续时间以及调频斜率有如B t信号的频率随时间变化而增大时，即 0时为 up-Chirp；当线性调频信号的频率随时间频信号为降线性调频，称为 down-Chirp。升的频率随时间变化关系以及时域波形如图 10up-chirp频率随时间变化10down-chirp频率随时间变化

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