CN109861718B - Chirp信号发生器、Chirp通信系统以及生成Chirp信号的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Chirp信号发生器、Chirp通信系统以及生成Chirp信号的方法，Chirp信号发生器包括压控振荡器、鉴相器、环路滤波器、加法器。压控振荡器用于输出Chirp信号，压控振荡器的振荡频率能够被调整从而控制其输出信号的相位或频率。鉴相器接收第一输入信号以及比较第一输入信号和压控振荡器输出信号的相位，并生成第一信号。环路滤波器对第一信号进行高频信号和噪声信号的滤除生成第二信号。加法器接收第二输入信号并将第二信号和第二输入信号进行叠加生成第三信号，第三信号控制压控振荡器调整振荡频率。第二输入信号为三角波信号，包括多个频率波形相同的三角波符号，符号起点和终点的频率均相同。本发明生成Chirp信号的过渡时间更短，能够应用于高速通信。
Description
技术领域
本发明是关于无线通信技术领域，特别是关于一种Chirp信号发生器、Chirp通信系统以及生成Chirp信号的方法。
背景技术
Chirp信号是一种扩频信号，表现出线性调频的特性，信号频率随着时间的变化而线性变化，也叫线性扫频信号。在雷达探测、水声通信、激光通信、超宽带通信和LORA通信中得到了大量的应用。
在通信系统中，利用Chirp信号的扫频特性，如扫频速度，扫频方向等表示通信的数据符号，达到扩频的效果，这种利用Chirp信号进行扩频的通信方式被称为Chirp扩频(CSS)通信系统。Chirp扩频通信系统除了有传统扩频通信系统的处理增益大，抗衰落能力强，抗截获能力强等优点，还有功率谱密度低，抗频偏能力强，系统功耗低等特点。
Chirp信号生成目前有模拟和数字两种方法，模拟包括有源法和无源法，有源法是用模拟信号直接控制压控振荡器(VCO)生成Chirp信号，这种方法容易实现，扫频线性度好，无源法是用声表面波(SAW)器件产生Chirp信号，成本低，精度高，但是参数固定，使用不灵活。数字的方法是采用直接数字频率合成器(DDS)来产生Chirp信号。
当扫频带宽为B，扫频时间为T时，基本的线性扫频信号为：
其中，
t∈[0,T)，fc为载波频率。
Chirp信号的时频图如图1所示：频率在时间0时为fc-B/2，随着时间增长，频率线性变化，到时刻T的时候，频率变成fc+B/2，整个扫频范围为B，扫频速度为B/T。
图2是Chirp信号的时域波形示意图。图3是Chirp信号的频谱示意图。图4是发射连续多个符号的时频图。
采用线性调频信号的Chirp扩频调制通信方法，由于自身的线性扫频特性，接收同步时实现复杂度低，抗频偏能力强。
目前通信系统实现时，为了降低成本，通常采用锁相环(PLL)加VCO控制频率的线性扫频方案，如图5所示，该通信系统包括：鉴相器10、环路滤波器11，加法器12，压控振荡器13。该通信系统采用锯齿波做压控振荡器13的控制电压，锯齿波的波形如图6所示。
发明人在实现本发明的过程中发现，在不同符号的边界，VCO的控制电压有很大的跳变，导致VCO的输出频率有很大的跳变，VCO的输出频率需要经过一段过渡时间才能跟踪到位。图7为VCO的输出频率示意图。图7表示连续3个符号，发的信息比特是全1，此时两个符号间发生频率跳变，但是锁相环需要Δt的时间才能跟踪到位，这段时间在接收端无法正确解调，降低通信系统的解调性能，如果在高符号率的情况下，此段过渡时间所占比例过大，会导致无法正确解调信号，不能恢复原始数据。
因此，现有的采用锁相环加VCO控制的Chirp调制的方案，由于存在符号边界的频率跳变，过渡时间长，所以无法实现高码率的Chirp调制的通信系统。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Chirp信号发生器、Chirp通信系统以及生成Chirp信号的方法，其生成Chirp信号的过渡时间更短，能够应用于高速通信。
为实现上述目的，本发明提供了一种Chirp信号发生器，其包括：压控振荡器、鉴相器、环路滤波器、加法器。压控振荡器用于输出Chirp信号，所述压控振荡器的振荡频率能够被调整从而控制其输出信号的相位或频率。鉴相器的输入端与所述压控振荡器的输出端相连，用于接收第一输入信号以及比较所述第一输入信号和所述压控振荡器的输出信号的相位，并基于比较结果生成第一信号。环路滤波器的输入端与所述鉴相器的输出端相连，用于对所述第一信号进行高频信号和噪声信号的滤除从而生成第二信号。加法器的输入端与所述环路滤波器相连，所述加法器的输出端与所述压控振荡器的输入端相连，所述加法器用于接收第二输入信号并将所述第二信号和所述第二输入信号进行叠加从而生成第三信号，所述第三信号能够控制所述压控振荡器调整所述振荡频率。其中，所述第二输入信号为三角波信号，该三角波信号包括多个频率波形相同的三角波符号，每个三角波符号的起点和终点的频率均为-B/2且其峰值为B/2或每个三角波符号的起点和终点的频率均为B/2且其谷值为-B/2，其中，B为所述Chirp信号的带宽。
在一优选的实施方式中，所述每个三角波符号包括两段扫频过程，且该两段扫频过程的周期相同或不同。
在一优选的实施方式中，所述第一输入信号为基准信号。
在一优选的实施方式中，该Chirp信号发生器还包括乘法器，乘法器的输入端与所述压控振荡器的输出端相连，用于接收二进制输入信号并通过所述二进制输入信号对所述压控振荡器的输出信号进行OOK调制或BOK调制。
本发明还提供了一种Chirp通信系统，其包括上述任一实施方式所述的Chirp信号发生器。
本发明还提供了一种生成Chirp信号的方法，包括：鉴相器将第一输入信号和压控振荡器的输出信号进行比较，并根据比较结果生成第一信号；环路滤波器将所述第一信号进行滤波处理从而生成第二信号；加法器将所述第二信号和第二输入信号进行叠加从而生成第三信号，其中，所述第二输入信号为三角波信号，该三角波信号包括多个频率波形相同的三角波符号，每个三角波符号的起点和终点的频率均为-B/2且其峰值为B/2或每个三角波符号的起点和终点的频率均为B/2且其谷值为-B/2，其中，B为所述Chirp信号的带宽；将所述第三信号输入至所述压控振荡器从而调整所述压控振荡器的振荡频率；所述压控振荡器控制其输出信号的相位和频率从而输出Chirp信号。
在一优选的实施方式中，所述每个三角波符号包括两段扫频过程，且该两段扫频过程的周期相同或不同。
在一优选的实施方式中，所述第一输入信号为基准信号。
与现有技术相比，根据本发明的Chirp信号发生器、Chirp通信系统以及生成Chirp信号的方法采用三角波取代锯齿波来作为Chirp信号调制的基波，单个三角波符号的起点和终点的频率相同，避免了频率跳变，生成Chirp信号的过渡时间更短，有效地提高了信号传输速率，有利于实现高速通信。
附图说明
图1是根据现有技术的Chirp信号的时频图；
图2是根据现有技术的Chirp信号的时域波形示意图；
图3是根据现有技术的Chirp信号的频谱图波形示意图；
图4是根据现有技术的连续多个Chirp信号的时频图；
图5是根据现有技术的基于锁相环的Chirp信号生成电路；
图6是根据现有技术的锯齿波波形；
图7是根据现有技术的基于锁相环的Chirp信号生成方法的连续Chirp信号的示意图；
图8是根据本发明一实施方式的三角波的波形图；
图9是根据本发明一实施方式的基于锁相环的Chirp信号生成电路；
图10是根据本发明一实施方式的连续3个符号的VCO控制电压波形；
图11是根据本发明一实施方式的VCO生成的时频波形；
图12是根据本发明一实施方式的锯齿波控制VCO经过滤波后的输出波形与VCO控制电压波形的对比图；
图13是根据本发明一实施方式的三角波控制VCO经过滤波后输出的波形与VCO控制电压波形的对比图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
在基于锁相环的chirp生成方法，为了使得生成的Chirp信号的过渡时间更短，使其能够适用于高速通信，本发明提供了一种Chirp信号发生器、Chirp通信系统以及生成Chirp信号的方法，其原理是采用三角波代替现有的锯齿波波形作为基波对Chirp信号进行调制，图8为本发明的几种三角波的波形，由于三角波的每个符号对应的频率波形是相同的，扫频过程分为两段，符号的起点和终点的频率相同，避免了频率跳变，生成Chirp信号的过渡时间更短，有利于实现高速通信。还需说明的是，图8所示的本发明的三角波的两段扫频周期不一定相同。
图9是根据本发明一实施方式的基于锁相环的Chirp信号生成电路。该Chirp信号生成电路包括鉴相器10、环路滤波器11、加法器12、压控振荡器13。可选地，还包括乘法器14。
鉴相器10的输入端与压控振荡器13的输出端以及第一输入信号均相连，用于比较第一输入信号和压控振荡器13的输出信号的相位，并基于比较结果生成信号a；环路滤波器11的输入端与鉴相器10的输出端相连，用于对信号a进行高频信号和噪声信号的滤除从而生成信号b；加法器12的输入端与环路滤波器11和第二输入信号均相连，加法器12的输出端与压控振荡器13的输入端相连，加法器12用于将信号b和第二输入信号进行叠加从而生成信号c，信号c能够控制压控振荡器13调整振荡频率，压控振荡器13用于输出Chirp信号，压控振荡器13的振荡频率能够被调整从而控制其输出信号的相位或频率。其中，第一输入信号为基准信号，该基准信号为适合锁相环结构的各类参考信号，例如正弦波、方波、窄脉冲等载波信号。第二输入信号为三角波信号，如图8所示，该三角波信号包括多个频率波形相同的三角波符号，每个三角波符号的起点和终点的频率均为-B/2且其峰值为B/2或每个三角波符号的起点和终点的频率均为B/2且其谷值为-B/2，其中，B为所述Chirp信号的带宽。每个三角波符号包括两段扫频过程，且该两段扫频过程的周期相同或不同，在图8中表现为三角波符号可以是等腰三角形，也可以不是等腰三角形。
为了便于Chirp扩频通信系统的接收端对信号进行解调，可以在该Chirp信号发生器设置乘法器14，乘法器14的输入端与压控振荡器13的输出端以及二进制输入信号相连，用于对压控振荡器13的输出信号进行OOK调制或BOK调制。当二进制数据为0、1的形式，则为OOK调制(二进制启闭键控调制)。当二进制数据为+1、-1形式，则为BOK调制(二进制正交键控)。
图10是本实施方式的连续3个符号的VCO控制电压波形。每个符号的扫频方向都相同，分别代表不同的信息符号。实际实现时，和上图相对应的VCO生成的时频波形如图11所示，可以看出连续的符号之间没有发生频率跳变，VCO输出的信号的频率是连续变化的，收敛速度较快，该三角波作为基波的调制方法实现Chirp信号发生器能够适用于高码率的Chirp扩频通信系统中。
为了更好地进行效果验证，分别对三角波控制VCO的方案以及锯齿波控制VCO的方案进行了仿真。图12是锯齿波控制VCO经过滤波后的输出波形与VCO控制电压波形的对比图。锯齿波控制VCO经过滤波后的输出波形与VCO控制电压波形之间的归一化误差MSE为：-11.5dB。
图13是三角波控制VCO经过滤波后的输出波形与VCO控制电压波形的对比图。三角波控制VCO经过滤波后的输出波形与VCO控制电压波形之间的归一化误差MSE为：-26dB。
从仿真结果可以看出，基于本实施方式的采用三角波控制VCO产生的Chirp信号方法可以保证在整个发射过程中的Chirp信号频率连续变化，防止频率跳变时收敛速度慢的问题，大大降低了高阶调制时的系统误差，有效地提高了信号传输速率。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (5)
1.一种Chirp信号发生器，其特征在于，包括：
压控振荡器，用于输出Chirp信号，所述压控振荡器的振荡频率能够被调整从而控制其输出信号的相位或频率；
鉴相器，其输入端与所述压控振荡器的输出端相连，用于接收第一输入信号以及比较所述第一输入信号和所述压控振荡器的输出信号的相位，并基于比较结果生成第一信号；
环路滤波器，其输入端与所述鉴相器的输出端相连，用于对所述第一信号进行高频信号和噪声信号的滤除从而生成第二信号；以及
加法器，其输入端与所述环路滤波器相连，所述加法器的输出端与所述压控振荡器的输入端相连，所述加法器用于接收第二输入信号并将所述第二信号和所述第二输入信号进行叠加从而生成第三信号，所述第三信号能够控制所述压控振荡器调整所述振荡频率，
其中，所述第二输入信号为三角波信号，该三角波信号包括多个频率波形相同的三角波符号，每个三角波符号的起点和终点的频率均为-B/2且其峰值为B/2或每个三角波符号的起点和终点的频率均为B/2且其谷值为-B/2，其中，B为所述Chirp信号的带宽，所述每个三角波符号包括两段扫频过程，且该两段扫频过程的周期相同或不同；
还包括：
乘法器，其输入端与所述压控振荡器的输出端相连，用于接收二进制输入信号并通过所述二进制输入信号对所述压控振荡器的输出信号进行OOK调制或BOK调制。
2.如权利要求1所述的Chirp信号发生器，其特征在于，所述第一输入信号为基准信号。
3.一种Chirp通信系统，其特征在于，包括基于权利要求1～2任一所述的Chirp信号发生器。
4.一种生成Chirp信号的方法，其特征在于，包括：
鉴相器将第一输入信号和压控振荡器的输出信号进行比较，并根据比较结果生成第一信号；
环路滤波器将所述第一信号进行滤波处理从而生成第二信号；
加法器将所述第二信号和第二输入信号进行叠加从而生成第三信号，其中，所述第二输入信号为三角波信号，该三角波信号包括多个频率波形相同的三角波符号，每个三角波符号的起点和终点的频率均为-B/2且其峰值为B/2或每个三角波符号的起点和终点的频率均为B/2且其谷值为-B/2，其中，B为待生成的Chirp信号的带宽，所述每个三角波符号包括两段扫频过程，且该两段扫频过程的周期相同或不同；
将所述第三信号输入至所述压控振荡器从而调整所述压控振荡器的振荡频率；以及
所述压控振荡器控制其输出信号的相位和频率从而输出Chirp信号；
还包括：
设置乘法器，所述乘法器的输入端与所述压控振荡器的输出端以及二进制输入信号相连，用于对所述压控振荡器的输出信号进行OOK调制或BOK调制。
5.如权利要求4所述的生成Chirp信号的方法，其特征在于，所述第一输入信号为基准信号。
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