CN113824468A - 一种基于激活载波标号调制的Chirp扩频人体通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激活载波标号调制的Chirp扩频人体通信方法。本发明中发送端对信源信息进行直接调制后进行Chirp扩频，能够有效对抗人体通信中的小尺度衰落，并利用在频域交叠的多路Chirp子载波进行激活载波标号调制，从而携带更多的信息比特以保证高速的通信速率，同时能解决多载波通信中的峰值功率高和载波干扰等问题；另外，本发明中接收端在分数域进行信道估计并完成虚拟时间反转，以及进行载波标号识别和解扩，成本低，实现简单，同时能够保证较高的通信质量。

Description

一种基于激活载波标号调制的Chirp扩频人体通信方法

技术领域

本发明涉及扩频通信、多载波通信、体域网等技术领域，具体涉及一种基于激活载波标号调制的Chirp扩频人体通信方法。

背景技术

随着穿戴式和植入式设备逐渐小型化、低功耗化和便携化，这些无线终端设备可用于移动医疗、长期健康检测和健康辅助、远程医疗系统等革命性的医学应用，也可用于辅助体育训练、安全认证、实时流媒体等非医学应用中，未来可采用无线方式接入体域网实现万物互联。无线体域网通信涉及到无线个域网、无线传感器网络、泛在传感器网络、无线短距离通信和传感器技术等多个技术领域，其中人体通信技术是无线体域网的关键技术。

人体信道由于体内器官组织错综复杂，导致人体信道具有密集多径的特点，多径效应会导致不同时间的符号重叠，造成符号间干扰，称之为频率选择性衰落，在频率选择性信道下，传输信号的符号周期要大于信道的多径时延扩展，使得通信的传输速率受到极大的限制。另外由于人体肢体的运动、呼吸、肠胃蠕动等原因，体内的通信节点之间会产生相对运动，导致多普勒频移，使得信道具有时变性，称之为时间选择性衰落。人体信道由于其中传输的信号会同时经历这两种衰落，故是一种时频双选信道。在低信噪比及时频双选衰落的信道下，扩频通信通过牺牲带宽来获取信噪比增益，可以保证在一定的通信速率下，实现可靠通信，非常适合应用于复杂人体信道中。

Chirp扩频(Chirp Spread Spectrum，CSS)通信技术源于无线通信领域，利用Chirp信号来实现扩频，由于Chirp信号具有时频耦合特性、脉冲压缩特性和天然抗多普勒特性等优点，可有效对抗信道的多径干扰和频率选择性衰落。分数阶傅里叶变换(Fractional Fourier Transform，FRFT)是傅里叶变换的一种推广，其变换域称为分数域，Chirp信号在特定阶次上的分数域上是一个冲激函数，表现出能量聚集的特性，故分数阶傅里叶变换作为一种时频分析方法，非常适合分析和处理Chirp这种非平稳信号。同时，由于FRFT的离散化和快速算法的实现，FRFT可以应用于时频双选信道的通信中代替传统的傅里叶变换(Fourier Transform，FT)。Chirp信号不仅有时移正交性，还具有频移正交性，故可以将Chirp信号作为子载波来实现多载波通信，在满足频域正交性的条件下，通过叠加多路频域正交的Chirp信号，即利用多路Chirp子载波同时传输的方式来提高信息传输速率。

传统的OFDM多载波通信系统是将串行数据并行地调制到多个正交载波上进行传输来提高通信速率，由于在时频双选信道中OFDM子载波的正交性易受到破坏，产生载波间干扰，导致通信性能快速下降，而Chirp扩频通信具有适应时频双选信道的特性，采用FRFT作为处理Chirp信号有力工具的情况下，利用Chirp信号作为子载波的多载波通信方式近来受到很大的关注。

发明内容

本发明目的是在保证高速通信的基础上，降低多载波人体通信的峰值功率和减少载波间干扰，提供了一种基于激活载波标号调制的Chirp扩频人体通信方法。通信的过程是将所要发送的信源信息在发送端经过调制后发射出去，经过人体信道后由接收端接收，在接收端完成解调送到信宿。其中对于发送端至少应该包括串并转换、CSS-DM扩频、载波标号激活、插入导频等步骤来实现调制，接收端应该包括信道估计、虚拟时间反转、载波标号识别、载波标号逆映射、CSS-DM解扩、并串转换等步骤来实现解调。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于激活载波标号调制的Chirp扩频人体通信方法，发送端将信源信息进行串并转换后一部分信息采用Chirp扩频直接调制，另一部分信息采用激活载波标号调制，加上导频信号后形成发射信号通过人体信道，接收端在分数域完成信道估计后进行虚拟时间反转，之后在分数域完成载波标号识别和解扩来实现解调。如图1所示，该Chirp扩频人体通信方法包括以下步骤：

串并变换：发送端将需要传输的信源序列进行串并转换，即将信源序列进行分组，一部分用来进行载波标号映射，另一部分用来进行Chirp扩频直接调制(Chirp SpreadSpectrum-Direct Modulation，CSS-DM)，采用这种并行传输数据流的多载波传输方式来保证高速通信速率，串并转换的分组宽度将由使用载波的数量和扩频方式共同决定；

载波标号映射：将一部分数据比特映射到载波激活的状态上去，对于需要传输的比特所能表示的信息，用各路子载波传输的各种状态进行表示，即用每次传输多少路子载波以及传输哪几路子载波的状态来传递额外的信息，每帧数据使用子载波的数量将由使用的带宽大小和信道特性等因素决定，各个载波传输状态的数量决定了所能承载的信息比特数。

Chirp扩频直接调制：将一部分数据比特进行数字调制，然后用Chirp扩频信号对调制后的信号进行频谱扩展，得到子载波信号。

Chirp扩频信号形式为：

其中，A为信号的幅度，f₀为信号中心频率，M＝B/T为调频率，B为信号带宽，T为信号持续时间，

为初始相位。采用频域正交的Chirp信号作子载波，对于给定的传输带宽B，设置n个子载波，子载波满足频移正交性的条件为两个子载波之间频率差满足:

Δf＝k/T,k∈N⁺

则子载波的带宽为:

B_sub＝B-(n-1)k/T

各个子载波的信号表达式为：

其中f_0i＝f₀+(2i-n-1)k/(2T),i＝1,…,n，表示第i个子载波的中心频率；

M_sub＝B_sub/T＝B/T-(n-1)k/T²，表示各个子载波的调频率。

将需要传输的数据调制在子载波的幅度或相位，即在幅度和相位上完成CSS-DM扩频调制，得到n路调制了数字信息的子载波。调制后的载波为：

g_i(t)＝G[x_i(t)]

其中G表示高阶数字调制的映射函数；g_i(t)表示调制后的第i路子载波信号。

载波标号激活：在多载波通信过程中常见的一个问题就是峰值功率高的问题，对于硬件实现有很高的要求，导致成本的增加，本发明中采用激活载波标号方式的目的就是为了能够降低峰值功率，同时保证高速可靠的多载波通信。按照载波标号映射的信息对子载波进行激活，通过叠加激活的各路子载波完成调制过程，得到激活载波标号调制后的信号：

其中c_i表示调制在第i路子载波上的载波激活状态比特。

插入导频：在传输调制后的信号前加上一段导频信号用于同步，形成发射信号。导频采用固定的Chirp信号形式，由于Chirp信号具有很好的自相关特性，即经过匹配滤波后由能量输出平均的低峰值功率信号变成一个能量集中在很短时间内的冲激信号，所以拥有很高的峰值功率来进行检测和同步，并且对于多普勒频偏和多径效应有着一定的宽容性。因此在发射端发射每一帧信号前加上一段Chirp信号，在接收端用相同的Chirp导频信号进行匹配滤波，检测相关峰值来进行门限判决从而完成同步。

信道估计：由于人体通信中的通信距离较短，一般来说，只相当于信号波长的数倍到数十倍，所以在人体通信中更加注重小尺度衰落模型的建立，宽频通信系统不同于窄带通信中对小尺度衰落的建模方式，宽频通信在小尺度衰落上更加关注散射，通常用CIR模型来近似，建模成一个线性时变滤波器，模型公式如下：

其中M为信道多径信号数目，a_m(t)为第m径信号的幅度，τ_m(t)为第m径信号的时延，θ_m(t)为第m径信号的相移。分数阶傅里叶变换非常适合用于多分量Chirp信号的检测和参数估计，并且不受交叉项的干扰，接收端利用导频信号同步之后，将导频信号进行分数阶傅里叶变换，在最佳阶次的分数域上，对于每一径信号的幅度、时延和相位进行估计，从而建立人体信道的CIR模型，得到信道的冲激响应。

虚拟时间反转镜(VTRM)：虚拟时间反转镜属于一种信道均衡技术，能够使多径信号相干叠加产生空间聚集和时间聚集，消除人体信道中密集多径导致的频率选择性衰落，还能利用信道的多径分集提高信噪比增益，完成信道估计后，将同步后的信号与估计出来的信道冲激响应的时间反转函数进行卷积，从而抑制信道和噪声干扰。

载波标号识别：对于在频域上间隔k/T的Chirp子载波信号，将其变换到分数域上的间隔为k·sinα/T，其中α为分数域变换的时频旋转角度，对应分数域阶次为p＝2α/π。选择合适的时频旋转角度，Chirp子载波信号将在分数域上形成冲激函数，子载波在分数域上的表达式为：

δ(u-(i-1)(k·sinα/T)),i＝1,…,

将接收信号进行分数阶傅里叶变换，对各个子载波在分数域上形成峰值的位置进行搜索，判断出发送的子载波数量和子载波标号，形成判决后的载波标号。

载波标号逆映射：将识别出来的载波标号进行逆映射，按照与发射端相逆的规则提取出映射在载波激活状态上的信息比特。

CSS-DM解扩：在分数域上对于传输的每一路子载波进行幅度和相位的估计，从而得到调制在载波上的数字信息，实现Chirp-DM的解扩来完成高阶数字调制的解调，得到解调的信息比特。

并串转换，将载波标号逆映射的信息比特与CSS-DM解扩得到的信息比特拼接后转换为串行数据完成解调过程，送入到信宿中。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本发明采用Chirp扩频信号作为人体通信的多载波信号形式，具有抵抗密集多径信道对信号产生的频率选择性衰落和天然抗多普勒频移的优点，相比于其它信号形式更加适合在复杂人体信道中进行传输。

(2)本发明采用扩频通信和多载波通信相结合的通信方式，在频域上采用满足频移正交性的多个Chirp子载波来进行并行传输，有效利用了带宽资源，保证了高速的通信传输速率，并采用激活载波标号调制的方案，克服了传统多载波通信系统中存在的峰值功率高和存在载波间干扰等问题。

(3)本发明采用分数阶傅里叶变换来进行信道的估计、载波标号的识别和Chirp扩频直接调制的解扩，相较于传统频域分析方法，分数域傅里叶变换更加适合对Chirp信号的处理和分析，在分数域上能够更加准确的估计出多径信道的多径时延拓展，更加方便实现载波标号的识别和Chirp扩频直接调制的解扩。

附图说明

图1是本发明公开的基于激活载波标号调制的Chirp扩频人体通信方法的系统框图；

图2是本发没发实施例中具体实现方式框图；

图3是本发明实施例中多载波时频示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

本实施例公开了一种基于激活载波标号调制的Chirp扩频人体通信方法，实现框图如图2所示，具体包括以下步骤：

S1、串并变换：将要传输的信源序列进行串并转换，根据调制的方案，按照每3比特信息为一组进行分组，将串行的信源数据流变换为并行数据进行传输。

S2、载波标号映射：将步骤S1中的3位并行数据中的前2位数据比特进行载波标号映射，2位的数据比特按照表1的方式进行映射，其中b₂和b₁表示信源序列串并转换后的前两位比特，c₁、c₂、c₃、c₄表示4位载波标号激活状态比特。通过这样的映射规则，2比特的信息位表示了4路载波的激活状态，在每次激活过程中，只有一路载波被激活。

表1.正向映射表

b<sub>2</sub>b<sub>1</sub>	c<sub>1</sub>c<sub>2</sub>c<sub>3</sub>c<sub>4</sub>
		00	0001
01	0010
		10	0100
11	1000

S3、CSS-DM扩频调制：将步骤S1中的3位并行数据中的第3位数据比特b₀进行扩频调制，扩频调制过程可以分为两个步骤，一是首先进行BPSK调制，将发送二进制数据转换为相位信息，二是进行Chirp扩频，将相位信息加到载波上，载波采用的是Chirp信号，Chirp信号表达式为：

x_c(t)＝cos(2πf₀+πMt²),-T/2<t<T/2

其中f₀为信号中心频率，T为信号持续时间，M为调频率，M＝B/T，其中B为信号的带宽。

其中参数设置为：f₀＝3MHz,B＝2MHz,T＝5us,M＝B/T＝4×10¹¹。调制后的信号表达式为：

S4、载波标号激活：在Chirp扩频之后，在频域上将载波分成4个子带载波，这4路子载波的带宽设置为B_subband＝B-3/T＝1.4MHz，这四路子载波的频带分别设置为2MHz到3.4MHz，2.2MHz到3.6MHz，2.4MHZ到3.8MHz，2.6MHz到4MHz。4路子载波的时频示意图如图3所示。

这4路载波在时域上的表达式分别为：

x₂(t)＝(-1)^b0·cos(2πf₀₂t+πM₂t²)，-T/2＜t＜T/2

其中每一路子载波的信号持续时间都为T＝5us，各路子载波中心频率分别为f₀₁＝2.7MHz,f₀₂＝2.9MHz,f₀₃＝3.1MHz,f₀₄＝3.3MHz调频率为M₁＝M₂＝M₃＝M₄＝2.8×10¹¹，在生成了4路子载波后进行载波标号激活，即将S2步骤中映射的4个载波激活状态比特与4路子载波相乘，然后叠加，完成激活载波的过程，得到激活后的信号表达式为：

S5、插入导频：在接收端进行虚拟时间反转和分数阶傅里叶变换的操作之前需要同步，在每一帧数据波形发送之前加入一段导频信号用于同步，这里采用的是Chirp信号，由于Chirp信号具有很强的自相关特性，能形成很高的自相关峰值，拥有抵抗噪声和多径干扰的能力，非常适合用作同步信号。

S6、信道估计：在通信过程中，需要进行信道估计去估算信道冲激响应h(t)，本实施例中采用的是分数域峰值检测法，由于Chirp信号在特定阶次的分数域上具有良好的能量聚集特性，形成很高的峰值，而噪声在分数域上仍然是噪声，噪声的能量不会聚集产生峰值，所以可以利用Chirp信号来进行信道多径特性的参数估计，得到估计出的信道冲激响应h′(t)，并且由于S4步骤中采用Chirp信号作为导频信号，故可直接利用导频信号来同时进行信道估计。

在接收端中利用导频信号同步后，将导频信号进行分数阶傅里叶变换，由于Chirp导频信号是预设的，故已知该Chirp信号的最佳分数阶傅里叶变换阶次，在此最佳阶次的分数域上对幅度谱进行峰值搜索，获得峰值的大小和位置，通过与发送的导频信号在此最佳阶次的分数域中的幅度谱进行比较，就可以获得幅度谱中锋值位置偏移和峰值比例。

由于Chirp信号在时域上的时延对应于分数域中信号幅度谱的偏移，所以通过估计多径分量信号在分数域上的位置偏移量，就可得到信道多径分量的时延估计，另外，通过获得多径信号分量在分数域上的幅值可以得到对多径信号幅度的估计。

S7、虚拟时间反转：在接收到导频信号完成同步后进行虚拟时间反转，将接收到的扩频调制信号r(t)与步骤S5中估计出来的信道冲激响应的时间反转信号h′(-t)进行卷积，从而尽可能消除信道衰落和噪声干扰。在接收端接收到的信号r(t)是发送信号s(t)经过了信道之后的响应，与h′(-t)卷积后的公式表达为：

r'(t)＝r(t)*h'(-t)

＝(s(t)*h(t)+n(t))*h'(-t)

＝s(t)*(h(t)*h'(-t))+n'(t)

当步骤S5中估计出的信道冲激响应h′(t)接近于实际信道冲激响应函数h(t)，则h(t)*h′(-t)运算的结果可以近似为δ(t)，这样就能在很大程度上消除人体信道对于信号的影响。

S8、载波标号识别：对接收信号进行虚拟时间反转后进行扩频信号的解扩，将接收信号进行分数阶傅里叶变换，由于4路子载波的调频率都相同，所以在最佳阶次的分数域上，这4路子载波都会汇聚成一个冲激函数，4路子载波中心频率的不同只会使其在分数域上形成的峰值位置不同，根据峰值位置的差异在分数域上进行峰值搜索从而判断出发送的是哪一路子载波，对这4路子载波在分数域峰值形成位置上进行判决，有峰值则判决为1，反之则为0，形成4个载波标号比特，这样就完成了载波标号识别的过程。

S9、载波标号逆映射：用步骤S7中得到的4位载波标号信息位按照S2中相逆的规则进行映射成两比特信息位，作为解调后的前两位信息比特，映射规则如表2，其中c′₁、c′₂、c′₃、c′₄分别表示载波标号识别出来的4位标号比特，将其映射为两位数据比特b′₂和b′₁。

表2.反向映射表

c′<sub>1</sub>c′<sub>2</sub>c′<sub>3</sub>c′<sub>4</sub>	b′<sub>2</sub>b′<sub>1</sub>
		0001	00
0010	01
		0100	10
1000	11

S10、BPSK解调：根据接收信号在分数域上形成峰值的位置和大小估计出信号的相位信息来完成BPSK解调，得到解调后的第3位信息比特。

S11、并串转换：将步骤S9、S10中解调出来的3位信息比特拼接后，转换为串行数据流送到信宿。

综上，本实施例可提高Chirp扩频人体通信的速率，同时能够保证在人体复杂信道下可靠的通信，具有通信速率高、抗干扰能力强、实现结构简单、鲁棒性好等优点，能够为未来体域网提供一种可靠的通信方式，为各种医学和非医学应用打下基础。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于激活载波标号调制的Chirp扩频人体通信方法，其特征在于，所述Chirp扩频人体通信方法包括以下步骤：

串并转换：发送端将需要传输的信源序列进行串并转换，即将信源序列进行分组，一部分数据比特用来进行载波标号映射，另一部分数据比特用来进行Chirp扩频直接调制；

载波标号映射：将一部分数据比特映射到载波激活的状态上，对于需要传输的比特所能表示的信息，用各路子载波传输的各种状态进行表示；

Chirp扩频直接调制：将一部分数据比特进行数字调制，然后用Chirp扩频信号对调制后的信号进行频谱扩展，得到子载波信号；

载波标号激活：按照载波标号映射的信息对子载波进行激活，通过叠加激活的各路子载波完成调制过程，得到激活载波标号调制后的信号；

插入导频：在传输调制后的信号前加上一段导频信号用于同步，形成发射信号并通过人体信道进行发射；

信道估计：接收端利用导频信号同步之后，将导频信号进行分数阶傅里叶变换，在最佳阶次的分数域上，对于每一径信号的幅度、时延和相位进行估计，从而建立人体信道的CIR模型，得到信道的冲激响应，即接收端在分数域完成信道估计；

虚拟时间反转镜：完成信道估计后，将同步后的信号与估计出来的信道冲激响应的时间反转函数进行卷积；

载波标号识别：对各路子载波的激活状态进行识别，对于各路子载波在分数域上形成的峰值位置进行搜索，判断出发送的子载波数量和子载波标号，形成判决后的载波标号；

载波标号逆映射：将识别出来的载波标号进行逆映射，按照与发射端相逆的规则提取出映射在载波激活状态上的信息比特；

Chirp扩频直接调制解扩：在分数域上对于传输的每一路子载波进行幅度和相位的估计，从而得到调制在载波上的数字信息，通过Chirp扩频直接调制的解扩完成高阶数字调制的解调，得到解调的信息比特；

并串转换：将载波标号逆映射的信息比特与Chirp扩频直接调制解扩得到的信息比特拼接后转换为串行数据完成解调过程，送入到信宿中。

2.根据权利要求1所述的一种基于激活载波标号调制的Chirp扩频人体通信方法，其特征在于，所述Chirp扩频直接调制中采用Chirp扩频信号作为多载波人体通信中的子载波，子载波间满足频移正交性，在频域相互交叠，通过提高频谱利用率以提高通信速率，Chirp扩频信号的形式为：

其中，A为信号的幅度，f₀为信号中心频率，M＝B/T为调频率，B为信号带宽，T为信号持续时间，

为信号的初始相位；

子载波间满足频移正交性的条件为子载波间中心频率相差：

Δf＝k/T，k∈N⁺；

其中，N⁺表示正整数。

3.根据权利要求2所述的一种基于激活载波标号调制的Chirp扩频人体通信方法，其特征在于，所述Chirp扩频人体通信方法通过载波标号映射和载波标号激活实现激活载波标号调制，激活载波标号调制将部分信源信息映射在多路子载波的激活状态上，然后进行叠加，发送每帧数据时，只有部分被激活的子载波携带着调制的信息进行传输，各路子载波带宽：

B_sub＝B-(n-1)k/T

其中n为子载波个数；

第i路子载波的信号表达式为：

其中第i路子载波的中心频率为：

各路子载波的调频率为：

4.根据权利要求3所述的一种基于激活载波标号调制的Chirp扩频人体通信方法，其特征在于，所述Chirp扩频直接调制和激活载波标号调制的过程，是对于每一路子载波进行高阶调制，得到调制后的信号：

g_i(t)＝G[x_i(t)]

其中G表示高阶数字调制的映射函数，g_i(t)表示第i路载波调制后的信号；

载波激活的过程是将信源信息映射在载波的激活状态上，然后进行叠加，叠加后的信号为：

其中c_i表示调制在第i路子载波上的载波激活状态比特，n为子载波个数。

5.根据权利要求1所述的一种基于激活载波标号调制的Chirp扩频人体通信方法，其特征在于，所述导频信号采用Chirp信号形式，在接收端通过相关峰值检测来完成同步，同时还能利用导频信号在分数域上完成对信道多径时延拓展的估计，建立人体通信信道的小尺度衰落模型，得到信道的冲激响应来完成虚拟时间反转。

6.根据权利要求1所述的一种基于激活载波标号调制的Chirp扩频人体通信方法，其特征在于，所述载波标号识别和解扩的操作是同时进行的，即将经过虚拟时间反转的接收信号进行分数阶傅里叶变换，在分数域上可以同时完成子载波激活状态的识别和激活子载波的幅值估计和相位估计，得到完整的解调后的信息。

7.根据权利要求1所述的一种基于激活载波标号调制的Chirp扩频人体通信方法，其特征在于，所述信道估计中用CIR模型来近似人体信道，建模成一个线性时变滤波器，模型公式如下：

其中M为信道多径信号数目，a_m(t)为第m径信号的幅度，τ_m(t)为第m径信号的时延，θ_m(t)为第m径信号的相移。

8.根据权利要求1所述的一种基于激活载波标号调制的Chirp扩频人体通信方法，其特征在于，所述载波标号识别过程如下：

对于在频域上间隔k/T的Chirp子载波信号，将其变换到分数域上的间隔为k·sinα/T，其中α为分数域变换的时频旋转角度，对应分数域阶次为p＝2α/π；选择合适的时频旋转角度，Chirp子载波信号将在分数域上形成冲激函数，子载波在分数域上的表达式为：

δ(u-(i-1)(k·sinα/T))，i＝1，...，n

将接收信号进行分数阶傅里叶变换，对各个子载波在分数域上形成峰值的位置进行搜索，判断出发送的子载波数量和子载波标号，形成判决后的载波标号。

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