CN111181600B - 一种基于QPSK的chirp扩频调制解调方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于QPSK的chirp扩频调制解调方法，所述方法包括如下步骤：S1.根据参数配置生成固定长度的chirp信号；S2.将所述chirp信号按照一定的格式组合成帧头信号；S3.将要发送的原始发送信号转化成QPSK信号，然后将所述QPSK信号与upchirp信号相乘生成调制信号。S4.将所述帧头信号与所述调制信号组合在一起生成完整的数据信息；数据信息经过射频发射模块发射出去；S5.将所述数据信息转变为基带信号；S6.将所述基带转变为解扩信号。S7.将所述解扩信号转变为解调数据；S8.将所述解调数据解交织、去白化和解码后恢复成原始发送信号。本发明解调算法简单易实现，信号同步易处理。

Description

一种基于QPSK的chirp扩频调制解调方法和系统
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体地说涉及一种基于QPSK的chirp扩频调制解调的方法和系统。
背景技术
当前无线通信在世界各地都得到了快速发展，并已成为全球通信和IT界共同关注的热门技术，尤其随着世界物联网建设的全面铺开，不仅使无线通信的基础技术不断完善发展变化，更促使各种不同类型的无线通信系统和无线通信新技术的不断涌现，市场对于无线通信技术的需求也随之迅速增长。远距离传输、低复杂度、低功耗成为新时代物联网产业对于无线通信芯片的寻求。蓝牙 BLE技术的物理层设计使用GFSK信号调制，成功降低了设计的复杂度，实现了通信芯片的低功耗，但是传输范围仅限于几米到几十米。而直接序列扩频技术是已知的并可以达到很高的编码增益水平，如GPS系统中采用直接扩频方式，实现了很好的抗噪声能力，实现远距离的信号传输。但GPS接收机的设计相当复杂，而且对弱信号同步时间非常长。而LoRa收发机采用的数字合成线性调频符号作调制的通信系统，也达到了很高的编码增益水平，显现出卓越的远距离抗造抗扰性，但LoRa收发机中采用复杂的傅里叶变换算法实现信号接收解调大大增加了接收系统的复杂度。
中国专利申请公布号：CN109547059A公开了一种chirp-GFSK联合扩频调制系统，涉及无线通信技术领域。系统包括射频部分、基带调制器和基带解调器；基带调制器包括数据调制器、帧同步生成器和数据帧组成模块；数据调制器包括白化模块、扩频模块和GFSK调制模块。在发射端，系统根据GFSK扩频模式动态生成并发送chirp波形成作为帧同步信号，然后由GFSK调制发送数据；在接收端，根据帧同步信号chirp采用多阀值同步算法估计信号在信道传输过程中的符号及频率偏差，补偿扩频GFSK的频率偏差后，对扩频GFSK信号进行GFSK解调及信号解扩，恢复出发送信号。该发明综合了chirp调制信号及扩频 GFSK调制信号的优势，降低了信号同步的复杂度，减少了对弱信号的同步时间，克服了信道符号频率偏差，在实现低功耗的同时降低了信号解调复杂度。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的上述问题，提供一种基于QPSK的 chirp扩频调制解调系统。本发明解调算法简单易实现，信号同步易处理。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于QPSK的chirp扩频调制解调方法，所述方法包括如下步骤：
S1.根据参数配置生成固定长度的chirp信号，所述chirp信号包括upchirp 信号和downchirp信号；
S2.将所述chirp信号按照一定的格式组合成帧头信号；
S3.将要发送的原始发送信号转化成QPSK信号，然后将所述QPSK信号与 upchirp信号相乘生成调制信号；
S4.将所述帧头信号与所述调制信号组合在一起生成完整的数据信息；将所述数据信息经过射频发射模块调制为射频信号发射出去；
S5.接收链路射频接收模块将射频信号转化为基带信号；
S6.将所述基带信号进行符号同步，并进行时偏和频偏估计，根据估计结果，对所述基带信号进行时偏和频偏校正，然后将时偏和频偏校正后的基带信号与 downchirp信号相乘得到解扩信号。利用帧头的不少于2个的downchirp信号进行符号同步，可采用相干解调进行同步，然后联合后面紧跟的2个upchirp 信号进行时频偏估计。
S7.将所述解扩信号进行相位判决，然后将判决后的解扩信号进行串并变换分配到I路和Q路，并进行双正交码字逆映射，最后将映射后的I路和Q路数据进行并串变化，得到解调数据；
S8.将所述解调数据解交织、去白化和解码后恢复成原始发送信号。
所述downchirp信号进行符号同步，所述downchirp信号之后包括两个与其共轭的upchirp信号用来进行频偏估计。
所述downchirp信号大于或等于2个。
所述原始发送信号依次进行信道编码、白化和交织，然后经过串并变化、双正交码字映射、并串变换生成QPSK信号。
所述原始发送信号包括包头信息、设备信息、包数据和CRC校验信息。
一种基于QPSK的chirp扩频调制解调系统，包括射频模块、基带调制模块和基带解调模块；所述射频模块包括射频发射模块和射频接收模块；所述基带调制模块包括chirp生成器、帧头生成模块、数据调制模块及帧组成模块；所述基带解调模块包括同步模块、时频校正模块、QPSK解调模块、解交织模块、去白化模块和解码模块；
所述chirp生成器用于根据参数配置生成固定长度的chirp信号，所述帧头生成模块用于利用所述chirp生成器生成的chirp信号按照一定格式组合成帧头信号；
所述数据调制模块用于将原始发送信号转化为调制信号；
所述数据调制模块包括编码模块、白化模块、交织模块和QPSK调制模块，所述原始发送信号依次经过编码模块、白化模块和交织模块进行编码、白化和交织，最后通过QPSK调制模块生成QPSK信号，生成的QPSK信号与upchirp信号相乘得到调制信号；
所述帧用于组成模块将所述帧头信号和所述调制信号组合在一起生成完整的数据信息；
所述射频发射模块用于发射数据信息，利用上变频器将数据信息转化为射频数据发射出去；
所述射频接收模块用于接收所述射频数据，并将所述射频数据转变为基带信号，并送至基带解调模块；
所述同步模块用于对所述基带信号进行时偏和频偏估计，所述时频校正模块用于对所述基带信号进行时偏和频偏校正，经过时偏和频偏校正后的基带信号与downchirp信号相乘得到解扩信号，所述QPSK解调模块将解扩信号转变成解调数据，所述解调数据依次通过解交织模块、去白化模块、解码模块恢复成原始发送信号。
所述QPSK解调模块与所述QPSK调制模块互逆。
所述QPSK调制模块包括串并变换模块、符号映射模块和并串变换模块，所述串并变换模块用于进行串并变换，所述符号映射模块用于进行双正交码字映射，所述并串变换模块用于进行串并变换的逆变换。
采用本发明的优点在于：
本发明利用chirp信号进行符号同步及时频偏校正，同时数据信息也同样采用chirp信号进行扩频调制，获得扩频增益，而解调时只需进行解扩和相位判断，相比于lora来说方法简单；chirp调制是一种线性调频扩频，会带来扩频增益，相比于传统的QPSK调制来说传输距离更远。本发明使解调算法简单易实现，同时更使调制解调系统实现结构更加简单，另外同步也比较容易处理；极大的降低了成本和故障率。
附图说明
图1为本发明的数据调制模块的结构示意图；
图2为本发明的QPSK调制模块的结构示意图；
图3为本发明的双正交码字映射表；
图4为本发明基带解调模块的机构示意图；
图中标号为：10、chirp生成器，11、编码模块，12、白化模块，13、交织模块，14、QPSK调制模块，21、同步模块，22、时频校正模块，23、QPSK解调模块，24、解交织模块，25、去白化模块，26、解码模块，141、串并交换模块，142、符号映射模块，143、并串变换模块。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
实施例1
一种基于QPSK的chirp扩频调制解调方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1.根据参数配置生成固定长度的chirp信号，所述chirp信号包括upchirp 信号和downchirp信号；
S2.将所述chirp信号组合成帧头信号；
S3.将要发送的原始发送信号转化成QPSK信号，然后将所述QPSK信号与 upchirp信号相乘生成调制信号；
S4.将所述帧头信号与所述调制信号组合在一起生成完整的数据信息；将所述数据信息经过射频发射模块调制为射频信号发射出去；
S5.接收链路射频接收模块将射频信号转化为基带信号；
S6.将所述基带信号进行符号同步，并进行时偏和频偏估计，根据估计结果，对所述基带信号进行时偏和频偏校正，然后将时偏和频偏校正后的基带信号与 downchirp信号相乘得到解扩信号；
S7.将所述解扩信号进行相位判决，然后将判决后的解扩信号进行串并变换分配到I路和Q路，并进行双正交码字逆映射，最后将映射后的I路和Q路数据进行并串变化，得到解调数据；
S8.将所述解调数据解交织、去白化和解码后恢复成原始发送信号。
所述downchirp信号进行符号同步，所述downchirp信号之后紧跟两个于其共轭的upchirp信号用来进行频偏估计。
所述downchirp信号大于或等于2个。
所述原始发送信号依次进行信道编码、白化和交织，然后经过串并变化、双正交码字映射、并串变换生成QPSK信号。
QPSK调制模块首先将经过编码、白化和交织后的原始发送信号，送入串并变换模块进行串并变化，即将处理后的原始发送信号(数据流)分成I和Q两路，按照逐位交错分配：第一个比特输入到I路，则第二个比特输入到Q路(此处也可以采用其他的交错分配机制)。串并变换后每一路的数据流每3bit由符号映射模块进行双正交码字映射(如图3所示)。双正交码字可以减少互相干扰和多径影响。映射后的I和Q路数据送入并串变换模块进行串并变换的逆变换，最终生成QPSK信号。
QPSK信号只有四种表达方式，分别为：1+j，-1+j，-1-j，1-j。对应的相位分别为π/4、3π/4、5π/4、7π/4。如果用复数形式表示为
Figure GDA0003272637890000071
其中N为QPSK码片序列的序号，θN为对应相位。
CN表示调制后的QPSK信号，aN为I路比特信号，j表示复数，bN为Q路比特信号，ejθN为QPSK信号的复数表示形式。
所述原始发送信号包括包头信息、设备信息、包数据和CRC校验信息。
实施例2
一种基于QPSK的chirp扩频调制解调系统，用于实现实施例1中的方法，所述调制解调系统包括射频模块、基带调制模块和基带解调模块；所述射频模块包括射频发射模块和射频接收模块；所述基带调制模块包括chirp生成器、帧头生成模块、数据调制模块及帧组成模块；所述基带解调模块包括同步模块、时频校正模块、QPSK解调模块、解交织模块、去白化模块和解码模块；
所述chirp生成器用于根据参数配置生成固定长度的chirp信号，所述帧头生成模块用于利用所述chirp生成器生成的chirp信号按照一定格式组合成帧头信号；
所述数据调制模块用于将原始发送信号转化为调制信号；
所述数据调制模块包括编码模块、白化模块、交织模块和QPSK调制模块，所述原始发送信号依次经过编码模块、白化模块和交织模块进行编码、白化和交织，最后通过QPSK调制模块生成QPSK信号，生成的QPSK信号与upchirp信号相乘得到调制信号；
所述QPSK调制模块包括串并变换模块、符号映射模块和并串变换模块，所述串并变换模块进行串并变换，所述符号映射模块进行双正交码字映射，所述并串变换进行串并变换的逆变换；
QPSK调制模块首先将经过编码、白化和交织后的原始发送信号，送入串并变换模块进行串并变化，即将处理后的原始发送信号(输入的二进制流)分成 I和Q两路，按照逐位交错分配：第一个比特输入到I路，则第二个比特输入到Q路(此处也可以采用其他的交错分配机制)。串并变换后每一路的数据流每3bit由符号映射模块进行双正交码字映射。双正交码字可以减少互相干扰和多径影响。映射后的I和Q路数据送入并串变换模块进行串并变换的逆变换，最终生成QPSK信号。
所述帧组成模块用于将所述帧头信号和所述调制信号组合在一起生成完整的数据信息；
所述射频发射模块用于发射数据信息，利用上变频器将数据信息转化为射频数据发射出去；
所述射频接收模块用于接收所述射频数据，并将所述射频数据转变为基带信号；
所述同步模块用于对所述基带信号进行时偏和频偏估计，所述时频校正模块用于对所述基带信号进行时偏和频偏校正，经过时偏和频偏校正后的基带信号与downchirp信号相乘得到解扩信号，所述QPSK解调模块将解扩信号转变成解调数据，所述解调数据依次通过解交织模块、去白化模块、解码模块恢复成原始发送信号。
所述QPSK解调模块与所述QPSK调制模块互逆。所述QPSK调制模块包括串并变换模块、符号映射模块和并串变换模块，所述串并变换模块用于进行串并变换，所述符号映射模块用于进行双正交码字映射，所述并串变换模块用于进行串并变换的逆变换。
QPSK解调模块完全是QPSK调制模块的逆处理过程，首先将解扩信号根据相位进行判决，判决后的相位符合QPSK信号的四种相位情况，然后将判决后的信号进行串并变换分配到I和Q路，并根据图3进行双正交码字的逆映射过程，最后将逆映射后的I和Q路数据进行并串变换，得到解调后的数据。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，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。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于QPSK的chirp扩频调制解调方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1.根据参数配置生成固定长度的chirp信号，所述chirp信号包括upchirp信号和downchirp信号；
S2.将所述chirp信号组合成帧头信号；
S3.将要发送的原始发送信号转化成QPSK信号，然后将所述QPSK信号与upchirp信号相乘生成调制信号；
S4.将所述帧头信号与所述调制信号组合在一起生成完整的数据信息；将所述数据信息经过射频发射模块调制为射频信号发射出去；
S5.接收链路射频接收模块将射频信号转化为基带信号；
S6.将所述基带信号进行符号同步，并进行时偏和频偏估计，根据估计结果，对所述基带信号进行时偏和频偏校正，然后将时偏和频偏校正后的基带信号与downchirp信号相乘得到解扩信号；
S7.将所述解扩信号进行相位判决，然后将判决后的解扩信号进行串并变换分配到I路和Q路，并进行双正交码字逆映射，最后将映射后的I路和Q路数据进行并串变化，得到解调数据；
S8.将所述解调数据解交织、去白化和解码后恢复成原始发送信号；
其中，所述原始发送信号依次进行信道编码、白化和交织，然后经过串并变化、双正交码字映射、并串变换生成QPSK信号。
2.如权利要求1所述的基于QPSK的chirp扩频调制解调方法，其特征在于：所述downchirp信号进行符号同步，所述downchirp信号之后包括两个与其共轭的upchirp信号用来进行频偏估计。
3.如权利要求2所述的基于QPSK的chirp扩频调制解调方法，其特征在于：所述downchirp信号大于或等于2个。
4.如权利要求1所述的基于QPSK的chirp扩频调制解调方法，其特征在于：所述原始发送信号包括包头信息、设备信息、包数据和CRC校验信息。
5.一种基于QPSK的chirp扩频调制解调系统，其特征在于：包括射频模块、基带调制模块和基带解调模块；所述射频模块包括射频发射模块和射频接收模块；所述基带调制模块包括chirp生成器、帧头生成模块、数据调制模块及帧组成模块；所述基带解调模块包括同步模块、时频校正模块、QPSK解调模块、解交织模块、去白化模块和解码模块；
所述chirp生成器用于根据参数配置生成固定长度的chirp信号，所述帧头生成模块用于利用所述chirp生成器生成的chirp信号组合成帧头信号；
所述数据调制模块用于将原始发送信号转化为调制信号；
所述数据调制模块包括编码模块、白化模块、交织模块和QPSK调制模块，所述原始发送信号依次经过编码模块、白化模块和交织模块进行编码、白化和交织，最后通过QPSK调制模块生成QPSK信号，生成的QPSK信号与upchirp信号相乘得到调制信号；
所述帧组成模块用于将所述帧头信号和所述调制信号组合在一起生成完整的数据信息；
所述射频发射模块用于发射数据信息，利用上变频器将数据信息转化为射频数据发射出去；
所述射频接收模块用于接收所述射频数据，并将所述射频数据转变为基带信号；
所述同步模块对用于所述基带信号进行时偏和频偏估计，所述时频校正模块用于对所述基带信号进行时偏和频偏校正，经过时偏和频偏校正后的基带信号与downchirp信号相乘得到解扩信号，所述QPSK解调模块将解扩信号转变成解调数据，所述解调数据依次通过解交织模块、去白化模块、解码模块恢复成原始发送信号。
6.如权利要求5所述的基于QPSK的chirp扩频调制解调系统，其特征在于：所述QPSK解调模块与所述QPSK调制模块互逆。
7.如权利要求5或6所述的基于QPSK的chirp扩频调制解调系统，其特征在于：所述QPSK调制模块包括串并变换模块、符号映射模块和并串变换模块，所述串并变换模块用于进行串并变换，所述符号映射模块用于进行双正交码字映射，所述并串变换模块用于进行串并变换的逆变换。
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