后向散射调制频谱整形技术及其优点

⃝⃝可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectICT Express 3（2017）52www.elsevier.com/locate/icte后向散射调制桑托什·纳加拉杰圣地亚哥州立大学电气与计算机工程系，5500 Campanile Dr.，San Diego，CA 92182，美国接收日期：2016年9月30日;接收日期：2016年12月7日;接受日期：2017年1月25日2017年1月31日在线提供摘要在这封信中，我们展示了一种技术，在后向散射调制为基础的通信系统中的频谱整形。利用反向散射调制，通过切换连接到天线的负载阻抗来传输数据比特。在传统的通信系统中，滤波器用于执行整形脉冲或频谱的任务。由于大多数反向散射调制无线电工作在从阅读器的RF信号，滤波可能不合适。在这封信中，我们展示了一种简单的频谱整形技术，该技术基于切换三个负载而不是通常的两个负载来传输一个比特。我们展示了两个众所周知的整形技术，只使用负载切换。对频谱进行整形的优点是（i）在接收机处的较低复杂度和功耗，以及（ii）对于给定的信噪比，较低的比特错误概率。c2017韩国通信信息科学研究所。出版社：Elsevier B.V.这是一篇开放获取的文章，CC BY-NC-ND许可证（http：//creativecommons. org/licenses/by-nc-nd/4. 0/）。关键词：后向散射调制;频谱整形;双二进制调制1. 介绍超低功耗无线通信是看到今天的兴趣增加了。射频识别（RFID）是一种技术，其中标签本身没有电源，从来自读取器的入射电磁信号中获取功率并传输数据。反向散射调制是RFID系统中常用的技术，其中失配负载用于以幅度和/或相位调制将入射射频信号反射回来。该技术避免了使用功耗高的振荡器、混频器、滤波器和放大器，因此非常适合无源器件[2]。接收器可以使用非相干解调，为简单起见，与一个小的处罚方面的比特错误概率（通常是一个包络检测器）。RFID系统的功率优化包括减少标签内部消耗/耗散的功率以及接收器以可接受的误码性能工作所需的反射功率电子邮件地址：snagaraj@mail.sdsu.edu。同行评审由韩国通信信息科学研究所负责。这篇论文已经由教授处理金承林使用天线作为通信的反射器已经知道几十年了[3，4]。近年来，由于新兴的应用，它可能无法更换电池，因此人们对它的兴趣越来越一个应用是在通常分布在区域上并传输感兴趣的信号的大量传感器的网络中（参见[5]和其中的参考文献）。例如，它们可用于测量空调管道中的空气质量、结构的机械强度、环境参数等。反向散射通信也可应用于生物医学工程，其中传感器可植入体内，因此电池更换可能不是一种选择[6，7]。最近在反向散射通信领域以IQ调制[8]、编码调制[9]和多信道传输[10]的形式取得了快速进展。二元反向散射调制器的方框图如图所示。1.一、调制器发送二进制数据的开关，ING连接到阻抗Z0的天线的两个负载之一。通常，开关负载之一是与天线阻抗匹配的功率整流器。整流器为开关和调制器的其他必要组件供电。关于反向散射调制的一个值得注意的事实是信号包络固有地是矩形的。这是因为调制是通过简单地切换不同的负载来实现的http://dx.doi.org/10.1016/j.icte.2017.01.0012405-9595/c2017韩国通信信息科学研究所。Elsevier B. V.的出版服务。这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http：//creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4. 0/）。−−=+−= −−= −−+−R=0。（三）二−+0Z= ||−(2)S. Nagaraj / ICT Express 3（2017）52-5553Fig. 1. 二元反向散射调制器。并且切换导致矩形包络变化。[7，8]中的基带信号（以及其中的参考文献）都是开/关非归零（NRZ）线路代码。在这封信中，我们展示了一种简单的技术来塑造后向散射调制的频谱。该技术是基于切换第三负载阻抗，以改变发射信号的自相关特性。由于不需要额外的滤波或其他复杂的信号处理，非常适合于无源标签的反向散射调制。我们展示了两个众所周知的整形技术，传统上实现与有源电源的发射机中的滤波负载切换实现。这封信的其余部分组织如下。在第二节中，我们设计了一个后向散射调制器，实现了双二进制编码的频谱。在第3节中，我们展示了信号的功率谱密度（PSD）的仿真结果。在第4节中，我们总结了我们的观察。2. 频谱整形图2显示了一种简单的频谱整形技术的结构，称为双二进制滤波[11]，用于传统（非反向散射）通信系统。数据比特首先由不归零（NRZ）调制器调制，该不归零调制器生成用于数据比特1的幅度为A的脉冲和用于数据比特0的幅度为A的脉冲双二进制滤波器的输出可以有三种不同的输出电压：2A、0或2A。由于双二进制输出具有记忆性，因此最佳接收机是最大似然序列估计器（MLSE）。或者，信息比特可以在输入到NRZ调制器之前进行预编码[11]然后，双二进制信号可以被逐个符号地解调，而代价很与MLSE接收机相比。如果图中的加法器。 2被替换为一个二进制滤波器，所得到的方案被称为修改的二进制滤波器。它有不同的，图三. 基于负载切换的双二进制调制的实现。但是当与DUO二进制滤波器相比时，同样有用的光谱特性。重要的是要注意，修改的双二进制滤波器的可能输出也是2A、0或2A。图3显示了我们的设计，用于实现双二进制（或修改）滤波器与负载切换。由于需要三个可能的输出电压Z0、Z1和Z2是必要的。在这里，Z0仍然是共轭匹配的负载，将所有入射功率传输到充电电路并反射0 V。 假设Z1反射振幅为2A的信号，我们需要负载Z2反射2A V. 这可以通过选择Z 2来实现，使得Γ2Γ1，其中Γ是反射系数，定义为：ΓZ-Z0。（一）Z+ Z0求解Γ2Γ1将导致Z1和Z2之间的以下关系：Z2j Z1Im（Z0）2Z1+jIm（Z0），其中，符号Im代表阻抗的虚部。对于天线阻抗为实数R0的特定情况，两个负载电阻R1和R2的关系为：R2R12.1. 双二进制编码双二进制编码信号的两个主要特征是：（i）数据位0总是映射到零伏，以及（ii）数据位1的交替序列映射到2A和2A V。这种交替的正负信号格式使自相关函数的周期图二. 传统（非反向散射）通信系统中的双二进制（++−54S. Nagaraj / ICT Express 3（2017）52与NRZ信号相比，调制信号的带宽减少了一半。开关逻辑必须连接负载Z0，以获得数据位0，并且必须在Z1和Z2之间交替，以获得数据位1的序列。这只需要一个额外的要注意的一个有趣的事实是，输送到充电电路的功率与图1中的情况不一致。1.一、一 优势 的 使用 的 朵 二元反向散射与图1的调制系统相比，图3中的调制系统的优点在于，对于相同的数据速率，带宽减半;对于给定的带宽，这转化为更高的数据速率。此外，由于接收器现在将不得不以较低的采样频率操作，所以复杂性和功耗也将降低。2.2. 修正双二进制编码修改的二进制编码信号的主要特征是，它消除了2A或2A V的连续运行（序列长于1）的可能性。对于任何数据序列，即使是几个符号的信号平均值也总是接近于零。因此，基带信号频谱在DC处呈现零。对于数据位0，开关逻辑必须连接负载Z0，对于每个数据位1，开关逻辑必须在Z1和Z2连续二进制1的序列仍将呈现交替极性。同样，它只需要一个额外的触发器来存储先前传输的数据位1的极性。输送到充电电路的功率与图1中的情况相比没有变化。1.一、图3中的修改的双二进制系统相对于图1的优点是降低了接收机复杂度，到华盛顿的零反向散射调制中的主要问题是，在存在来自读取器的发射器单元的高得多的功率信号的情况下，读取器的接收器单元试图解调低功率反向散射信号。在将输入信号从其载波频率同步到基带时，载波信号出现在DC。RFID阅读器通过在接收器基带使用DC消除器来解决这个问题，这反过来又需要带宽效率低下的数据编码方案，例如FM 0或Miller码。利用频谱整形，既不需要DC消除也不需要带宽低效的编码。3. 仿真结果我们进行了Matlab仿真，以获得PSD的来自图1和图2中的系统的反向散射信号。1和3. 图4中示出了与二进制编码信号的比较，并且图5中示出了与修改的二进制信号的比较。如所预期的，双二进制编码信号具有基带带宽仅为符号率的一半，而传统的反向散射调制具有等于符号率的带宽从图5中，修改的二进制二进制信号具有与图1中的系统的带宽相等的带宽，但是在DC处的基带频谱中呈现零值。见图4。 非归零码和二进制调制的PSD比较。图五.非归零码调制和修正双二进制调制的PSDs比较。4. 结论在这封信中，我们展示了一个简单的技术，在后向散射通信系统中的频谱整形。所提出的技术可以通过使用一个额外的负载和明智地设计的开关逻辑来塑造频谱，以达到期望的性能。我们在这封信中展示了两种成形技术。频谱整形可以降低接收机的复杂度，因为它可以降低采样率要求。引用[1] EPC Global US，Class 1 Generation 2 UHF RFID协议，适用于860MHz-960 MHz的操作。http://www.epcglobalus.org网站。[2] 联合卡尔豪斯，M。Fisher，全集成无源UHF RFID应答器最小射频输入功率为16.7 µ w的IC，IEEE J. Solid-State Circuits（2003）16021608。[3] H. 斯托克曼，通过反射功率的通信，在：Proc.爱尔兰共和国，1948年10月，p. 11961204。[4] A. Koelle，S.德普河Freyman，使用调制RF反向散射进行电子识别的短距离无线电遥测12601261。S. Nagaraj / ICT Express 3（2017）52-5555[5] N.赵，S.- J. Song，S.金，H.- J. Yoo，5.1µ w UHF RFID标签芯片集成传感器用于无线环境监测，在：Proc.31st Eur.固态电路会议，2005年，p. 279282.[6] R. Muller，H. P. Le，W. Li，P. Ledochowitsch，S. Gambini，T. 比约尼宁，A. Koralek，J. Carmena，M. Maharbiz，E. Alon，J. Rabaey，一种微创64通道无线µ-ecog植入物，IEEE J. 2015年《固态电路》第344359期。[7] S. 托马斯河，巴西-地 Harrison，A. Leonardo，M. 雷诺兹…一个无电池的多通道数字神经/肌电遥测系统的飞行昆虫，IEEE trans. Biomed。Circuits Syst.（2012）424436.[8] S. Thomas，E. Wheeler，J. Teizer，M. Reynolds，QAM调制后向散射在无源和半无源UHF RFID系统中，IEEETrans. Microw.理论技术（2012）11751182。[9] C. Boyer，S.Roy，用于RFID的编码QAM反向散射调制p. 19251934，July 2012.[10] I. Cnaan-On，S. Thomas，J. 克罗里克，M. 雷诺兹， 多通道-Nel backscatter communication and ranging for distributed sensing withan FMCW radar，IEEE Trans.Microw.理论技术（2015）23752382.[11] J.G. Proakis，数字通信，第四版，McGraw-Hill，2001年。