CN110224720A - 一种基于交叉相乘二阶差分结构的css系统非相干解调方法 - Google Patents

一种基于交叉相乘二阶差分结构的css系统非相干解调方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于信号处理领域，公开一种基于交叉相乘二阶差分结构的CSS系统非相干解调方法，包含如下步骤：得到chirp波形；将chirp波形进行正交上变频；将正交上变频后的信号输入信道中得到接收信号s(n)；得到I(n)、Q(n)；将I(n)通过低通滤波器得到IL(n)，将信号Q(n)通过低通滤波器得到信号QL(n)；将信号I(n)进行差分得到Id(n)，将Q(n)进行差分得到QL(n)；将信号IL(n)与Qd(n)相乘得到信号Qm(n)，将信号QL(n)与Id(n)相乘得到Im(n)；得接收信号的频率变化曲线uf(n)；得到接收信号的调频斜率的变化曲线uf′(n)；对uf′(n)进行抽样判决得到解调数据。本发明抗干扰能力强、同步简单、对多普勒频移不敏感、多径分辨能力强和抗噪性能好。

Description

一种基于交叉相乘二阶差分结构的CSS系统非相干解调方法
技术领域
本发明属于信号处理领域，尤其涉及一种基于交叉相乘二阶差分结构的CSS系统非相干解调方法。
背景技术
线性调频LFM是一种不需要伪随机编码序列的扩展频谱调制技术。因为线性调频信号占用的频带宽度远大于信息带宽，所以也可以获得很大的系统处理增益。线性调频信号也称为鸟声Chirp信号，因为其频谱带宽落于可听范围，听着像鸟声，所以又称Chirp扩展频谱即CSS技术。LFM技术在雷达、声纳技术中有广泛应用，例如，在雷达定位技术中，它可用来增大射频脉冲宽度、加大通信距离、提高平均发射功率，同时又保持足够的信号频谱宽度，不降低雷达的距离分辨率。
1962年，M.R.Wiorkler将CSS技术用于通信中，它以同一码元周期内不同的Chirp速率表达符号信息。研究表明，这种以Chirp速率调制的恒包络数字调制技术抗干扰能力强，能显著减少多径干扰的影响，有效地降低移动通信带来的快衰落影响，非常适合无线接入的应用。进入21世纪以来，将CSS技术用于扩频通信的研究发展日益活跃，尤其随着超宽带UWB技术的发展，将CSS技术与UWB的宽带低功率谱相结合形成的Chirp-UWB通信，它利用Chirp技术产生超宽带宽，具备二者优势，增强了抗干扰与抗噪声的能力。CSS技术已成为传感网络通信标准IEEE802.15中物理层候选标准。
Chirp信号的调制基本上是两种方式：二进制正交键控、直接调制。二进制正交键控是利用不同的Chirp脉冲来表示不同的数据，如用从低到高的线性频率变化表示1，从高到低的线性频率变化表示0。由于Chirp扩频的处理增益由信号的时间带宽积所决定，为了得到良好的增益，时间带宽积应远大于1，从而导致通信速度不可能太高。直接调制是在其他方式调制如DPSK、DQPSK等后的信号上乘以一个Chirp信号，以达到扩频的目的。在这种情况下，Chirp信号类似于DSSS的PN序列，这种调制方式结构简单，易于实现，而且整个系统可以只用一种Chirp信号，接收处理也方便。802.15.4a定义的Chirp扩频就是采用了DM的方式。
CSS技术拥有复杂程度低、功率消耗低、抗干扰能力强、同步实现简单、对多普勒频移不敏感和多径分辨能力强等特点，所以它不仅在战场通信、电子对抗、军事雷达探测等场景中具有很高的应用价值，还在许多领域中被广泛应用。比如，医学中的超声成像技术就是采用Chirp编码实现的。在图像处理中的水印技术也常常用到Chirp水印算法。此外，Chirp信号还被利用与无线定位及测量技术中。对于CSS通信系统，现有的基于CORDIC差分鉴频的非相干解调技术对接收信号进行了一阶差分运算，其抗噪性能比二进制最佳接收方法差3dB。在扩频通信系统中，为达到更好的隐蔽效果，增加系统的抗噪性能显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于公开抗干扰能力强、抗噪性能好的一种基于交叉相乘二阶差分结构的CSS系统非相干解调方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于交叉相乘二阶差分结构的CSS系统非相干解调方法，包含如下步骤：
步骤(1)：将基带数据分别与Up-Chirp和Down-Chirp相乘后映射为chirp波形；
步骤(2)：将chirp波形进行正交上变频；
步骤(3)：将正交上变频后的信号输入信道中，得到接收信号s(n)；
步骤(4)：将接收信号s(n)与本地信号uI(n)相乘得到信号I(n)，将接收信号s(n)与本地信号uQ(n)相乘得到信号Q(n)；
步骤(5)：将信号I(n)通过低通滤波器得到信号IL(n)，将信号Q(n)通过低通滤波器得到信号QL(n)；
步骤(6)：将信号I(n)进行差分得到Id(n)，将信号Q(n)进行差分得到Qd(n)；
步骤(7)：将信号IL(n)与Qd(n)相乘得到信号Qm(n)，将信号QL(n)与Id(n)相乘得到信号Im(n)；
步骤(8)：令Im(n)减Qm(n)得接收信号的频率变化曲线uf(n)；
步骤(9)：将uf(n)差分得到接收信号的调频斜率的变化曲线uf′(n)；
步骤(10)：对uf′(n)进行抽样判决得到解调数据。
进一步地，步骤(4)中：
接收信号s(n)：
s(n)＝A cos[ωin+θi(n)]；
上式中，n表示信号采样时刻，A表示接收信号幅度，ωi表示接收信号瞬时角频率，θi(n)表示接收信号瞬时相位，θi(n)＝πμin2；
本地信号uI(n)：
uI(n)＝2cos[ωvn+θ0]；
上式中，ωv表示本地波形的角频率，θ0表示本地产生波形的相位；
本地信号uQ(n)：
uQ(n)＝2sin[ωvn+θ0]；
信号I(n)：
信号Q(n)：
上式中，Δω＝ωi-ωv。
进一步地，步骤(5)中，
IL(n)＝A cos[Δωn+θi(n)-θ0]；
进一步地，步骤(6)中，
Id(n)＝-A sin[Δωn+θi(n)-θ0]·[Δω+θi(n)-θi(n-1)]；
Qd(n)＝A cos[Δωn+θi(n)-θ0]·[Δω+θi(n)-θi(n-1)]。
进一步地，步骤(7)中，
Im(n)＝-A2 sin2[Δωt+θi(n)-θ0]·[Δω+θi(n)-θi(n-1)]；
进一步地，步骤(8)中，
uf(n)＝A2[Δω+θi(n)-θi(n-1)]。
进一步地，步骤(9)中，
uf′(n)＝uf(n)-uf(n-1)＝2πA2μi。
本发明的有益效果为：
本发明拥有CSS技术的复杂程度低、功率消耗低、抗干扰能力强、同步简单、对多普勒频移不敏感和多径分辨能力强的特点，还通过引入交叉相乘二阶差分结构进行两次差分运算计算出信号调频斜率之间的跳变值，极大地提高了抗噪性能。对于CSS通信系统，基于CORDIC差分鉴频的非相干解调技术对接收信号进行了一阶差分运算，其抗噪性能比二进制最佳接收方法差3dB。而本专利提出的交叉相乘二阶差分结构通过两次差分运算计算出信号调频斜率之间的跳变值，其抗噪性能比二进制最佳接收方法差1dB。该非相干解调方法比常规一阶差分解调方法抗噪性能提升2dB。
附图说明
图1是一种基于交叉相乘二阶差分结构的CSS系统非相干解调方法系统链路图；
图2是接收信号经一次差分并交叉相乘求和后的信号uf(n)；
图3是信号uf(n)进行一次差分得到的信号uf′(n)。
具体实施方式
下面结合附图来进一步描述本发明：
在CSS系统中，对接收信号进行二阶差分运算后得到接收信号调频斜率的差分结果，利用其在码元相邻位置的调频率跳变值进行信息的解调。
本发明的整体系统链路如图1所示，包括相乘模块、低通滤波模块、一阶差分模块、交叉相乘模块、求和模块、二阶差分模块、解调判决模块。
如图1，一种基于交叉相乘二阶差分结构的CSS系统非相干解调方法，包含如下步骤：
步骤1：将接收信号s(n)与I、Q两路本地信号uI(n)、uQ(n)分别相乘，得到信号I(n)与Q(n)；
步骤2：将信号I(n)与Q(n)分别通过低通滤波器得到信号IL(n)与QL(n)；
步骤3：将滤波后的信号IL(n)与QL(n)分别进行差分得到信号Id(n)与Qd(n)；
步骤4：将滤波后的信号IL(n)与QL(n)分别与差分得到信号Id(n)与Qd(n)交叉相乘得到信号Im(n)与Qm(n)；
步骤5：将Im(n)减Qm(n)得信号uf(n)，即接收信号的频率变化曲线，如图2；
步骤6：将信号再进行一次差分得到信号uf′(n)，即接收信号的调频斜率的变化曲线，如图3；
步骤7：对信号uf′(n)进行抽样判决得到解调数据。
输入信号s(n)可以表述为：
s(n)＝A cos[ωin+θi(n)]；
式中，n表示信号采样时刻，A表示接收信号幅度，ωi表示接收信号瞬时角频率，θi(n)表示接收信号瞬时相位，θi(t)＝πμin2。NCO产生的I、Q两路本地信号分别为
uI(n)＝2cos[ωvn+θ0]；
uQ(n)＝2sin[ωvn+θ0]；
上式中，ωv表示本地波形的角频率，θ0表示本地产生波形的相位；
接收信号s(n)与I、Q两路本地信号分别相乘，得到的信号I(n)与Q(n)可以具体表示为：
式中，Δω＝ωi-ωv。
信号I(n)与Q(n)分别通过低通滤波器得到信号IL(n)与QL(n)可以具体表示为：
IL(n)＝A cos[Δωn+θi(n)-θ0]；
QL(n)＝A sin[Δωn+θi(n)-θ0]；
差分得到信号Id(n)与Qd(n)可以具体表述为：
当抽样时刻n与n-1无限接近时，θi(n)≈θi(n-1)，且Δω＜＜1，上式可化简为
Id(n)≈-A sin[Δωn+θi(n)-θ0]·[Δω+θi(n)-θi(n-1)]；
同理，
Qd(n)≈A cos[Δωn+θi(n)-θ0]·[Δω+θi(n)-θi(n-1)]；
Im(t)与Qm(t)可以具体表述为：
Im(n)＝-A2 sin2[Δωt+θi(n)-θ0]·[Δω+θi(n)-θi(n-1)]；
Qm(n)＝A2 cos2[Δωn+θi(n)-θ0]·[Δω+θi(n)-θi(n-1)]；
信号uf(n)可以具体表述为：
uf(n)＝A2[Δω+θi(n)-θi(n-1)]；
接收信号的调频斜率变化曲线uf′(n)可以具体表述为：；
uf′(n)＝uf(n)-uf(n-1)＝2πA2μi；
由于实际通信过程码元时宽有限，则在相邻码片交接处会出现调频斜率的跳变，此时会产生较大的脉冲，通过对该脉冲的采样可以实现信号的正确解调。
发射端主要包括以下几步：
步骤1：将基带数据映射为chirp波形；
步骤2：将已调chirp信号波形进行正交上变频；
步骤3：将上变频后的信号发射到无线信道中。
系统接收端主要包括以下几步：
步骤1：将接收信号经过正交下变频变为基带波形；
步骤2：对基带信号波形进行二阶差分运算得到信号调频斜率变化曲线uf′(n)；
步骤3：对uf′(n)进行抽样判决。如图3所示，设置正负判决门限，抽取相邻码元交接处的调频斜率跳变值。当抽样值大于正判决门限时则判为0；当抽样值小于负判决门限时则判为1；当抽样值处于正负判决门限之间时则将前一符号取反作为当前判决结果。
利用chirp信号线性调频特性，对接收信号进行两次差分，得出chirp信号调频率跳变曲线，从而得到解调信息。本发明用调频斜率的跳变实现信息的解调，与CORDIC差分鉴频方法相比，在高白信道下具有更好的抗噪性能。对于CSS通信系统，基于CORDIC差分鉴频的非相干解调技术对接收信号进行了一阶差分运算，其抗噪性能比二进制最佳接收方法差3dB。而引入交叉相乘二阶差分结构通过两次差分运算计算出信号调频斜率之间的跳变值，其抗噪性能比二进制最佳接收方法差1dB。该非相干解调方法比常规一阶差分解调方法抗噪性能提升2dB。
以上所述并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于交叉相乘二阶差分结构的CSS系统非相干解调方法，其特征在于：包含如下步骤：
步骤(1)：将基带数据分别与Up-Chirp和Down-Chirp相乘后映射为chirp波形；
步骤(2)：将chirp波形进行正交上变频；
步骤(3)：将正交上变频后的信号输入信道中，得到接收信号s(n)；
步骤(4)：将接收信号s(n)与本地信号uI(n)相乘得到信号I(n)，将接收信号s(n)与本地信号uQ(n)相乘得到信号Q(n)；
步骤(5)：将信号I(n)通过低通滤波器得到信号IL(n)，将信号Q(n)通过低通滤波器得到信号QL(n)；
步骤(6)：将信号I(n)进行差分得到Id(n)，将信号Q(n)进行差分得到Qd(n)；
步骤(7)：将信号IL(n)与Qd(n)相乘得到信号Qm(n)，将信号QL(n)与Id(n)相乘得到信号Im(n)；
步骤(8)：令Im(n)减Qm(n)得接收信号的频率变化曲线uf(n)；
步骤(9)：将uf(n)差分得到接收信号的调频斜率的变化曲线uf′(n)；
步骤(10)：对uf′(n)进行抽样判决得到解调数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于交叉相乘二阶差分结构的CSS系统非相干解调方法，其特征在于：所述的步骤(4)具体为：
接收信号s(n)：
s(n)＝Acos[ωin+θi(n)]；
上式中，n表示信号采样时刻，A表示接收信号幅度，ωi表示接收信号瞬时角频率，θi(n)表示接收信号瞬时相位，θi(n)＝πμin2；
本地信号uI(n)：
uI(n)＝2cos[ωvn+θ0]；
上式中，ωv表示本地波形的角频率，θ0表示本地产生波形的相位；
本地信号uQ(n)：
uQ(n)＝2sin[ωvn+θ0]；
信号I(n)：
信号Q(n)：
上式中，Δω＝ωi-ωv。
3.根据权利要求2所述的一种基于交叉相乘二阶差分结构的CSS系统非相干解调方法，其特征在于：步骤(5)中，
IL(n)＝Acos[Δωn+θi(n)-θ0]；
QL(n)＝Asin[Δωn+θi(n)-θ0]。
4.根据权利要求3所述的一种基于交叉相乘二阶差分结构的CSS系统非相干解调方法，其特征在于：步骤(6)中，
当抽样时刻n与n-1无限接近时，θi(n)≈θi(n-1)，且Δω＜＜1，上式可化简为Id(n)≈-Asin[Δωn+θi(n)-θ0]·[Δω+θi(n)-θi(n-1)]；
同理，
Qd(n)≈Acos[Δωn+θi(n)-θ0]·[Δω+θi(n)-θi(n-1)]。
5.根据权利要求4所述的一种基于交叉相乘二阶差分结构的CSS系统非相干解调方法，其特征在于：步骤(7)中，
Im(n)＝-A2sin2[Δωt+θi(n)-θ0]·[Δω+θi(n)-θi(n-1)]；
Qm(n)＝A2cos2[Δωn+θi(n)-θ0]·[Δω+θi(n)-θi(n-1)]。
6.根据权利要求5所述的一种基于交叉相乘二阶差分结构的CSS系统非相干解调方法，其特征在于：步骤(8)中，
uf(n)＝A2[Δω+θi(n)-θi(n-1)]。
7.根据权利要求6所述的一种基于交叉相乘二阶差分结构的CSS系统非相干解调方法，其特征在于：步骤(9)中，
uf′(n)＝uf(n)-uf(n-1)＝2πA2μi。
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