CN114665918B - 一种具有纠错能力的多斜率Chirp信号生成及解扩方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开具有纠错能力的多斜率Chirp信号生成及解扩方法，包括：构建具有奇偶校验能力的Chirp信号，奇数扩频符号和偶数扩频符号各对应一路不同斜率的Chirp基础图样，奇数扩频符号的扩频序列和偶数扩频符号的扩频序列分别由对应的Chirp基础图样循环移位得到；在Chirp解扩中基于Chirp信号的奇、偶分组特性，针对每个满足扩频序列长度的接收数据，分别与两路Chirp基础图样进行本地相关解扩，并比较两路解扩峰值大小进行联合优选判定峰值；在由峰值解析扩频符号时，基于最优峰值对应的解扩电路的奇、偶性，对解析符号进行校验，若不满足校验条件，则进行最优解扩符号的校正；结合优选峰值解析的符号理论峰值位置与实际解扩位置的偏移趋势，对接收数据的码元偏差修正。

Description

一种具有纠错能力的多斜率Chirp信号生成及解扩方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别涉及编码与扩频信号生成相结合，优化扩频系统性能的扩频信号生成和解扩性能优化方法。

背景技术

扩展频谱通信是围绕提高通信信息传输的可靠性而提出的一种有别于常规通信系统的新调制理论和技术，简称扩频通信。扩频通信系统是指将待传输信息信号的频谱用某个特定的扩频函数扩展频谱后成为宽频带信号，然后送入信道中传输；在接收端在利用相应的技术或手段将扩展的频谱进行压缩，恢复为原来待传输信息信号的带宽，从而达到传输信息目的的通信系统。目前常用的扩频系统分为三类：直接序列扩频(DSSS)，频率跳变系统(FHSS)，线性调频脉冲系统(Chirp System)。其中Chirp系统由于其低复杂度、低功耗、良好的抗多径和抗干扰能力已经日益受到人们的关注，并且已经于2004年别被列为IEEE802.15.4标准的物理层方案之一。

虽然Chirp扩频技术已经得到广泛的应用，但仍然存在不完善之处。例如，如果不结合其他调制技术而单独使用Chirp扩频技术进行信息传输，一般链路容量都比较低。另外，采用M进制的Chirp扩频调制方式虽然能有效提高每比特的信息携带量，但导致信号间出现较大互相关性，从而导致系统的误码率升高，即误码性能下降。

发明内容

针对上述情况，为了优化现有技术性能，本发明结合奇偶编码思想提出了一种具有纠错能力的多斜率Chirp(线性调频脉冲)信号生成及解扩方法。

为达到优化解扩性能的目的，本发明采用了以下技术方案：

一种具有纠错能力的多斜率Chirp信号生成及解扩方法，所述Chirp信号是指线性调频脉冲信号，包括：1)构建具有奇偶校验能力的Chirp信号，该Chirp信号的奇数扩频符号和偶数扩频符号各对应一路不同斜率的Chirp基础图样，奇数扩频符号对应的Chirp基础图样记为C_Bodd，偶数扩频符号对应的Chirp基础图样记为C_BEven；奇数扩频符号的扩频序列和偶数扩频符号的扩频序列分别由对应的Chirp基础图样循环移位得到；2)在Chirp解扩中基于所述Chirp信号的奇、偶分组特性，针对每个满足扩频序列长度的接收数据，分别与两路所述Chirp基础图样进行本地相关解扩，并比较两路解扩峰值大小，进行联合优选判定峰值；3)在由峰值解析扩频符号时，基于最优峰值对应的解扩电路的奇、偶性，对解析符号进行校验，若不满足校验条件，则进行最优解扩符号的校正；4)结合优选峰值解析的符号理论峰值位置与实际解扩位置的偏移趋势，对接收数据的码元偏差修正。

本发明技术方案的有益效果在于：本发明将奇偶编码的思想引入Chirp信号生成设计中，使Chirp信号具有奇偶校验能力和一定的纠错能力，且本发明在解扩方案中充分利用了此奇偶特性，对解扩数据进行修正，对残留的码元定时误差进行自适应修正，从而达到优化解扩性能的目的。另一方面，基于奇偶扩频符号不同斜率的Chirp信号，提升码元符号的最小分辨间隔，提升解扩性能。

附图说明

图1为SF7的奇数扩频符号的基础图样C_Bodd；

图2为SF7的偶数扩频符号的基础图样C_BEven；

图3为SF7奇数扩频符号31的循环移位示意图；

图4为SF7偶数扩频符号32的循环移位示意图；

图5为解扩方案的整体流程图；

图6为SF7采用奇偶分组Chirp循环移位和非奇偶分组的性能对比曲线；

图7为本发明实施例解扩采用符号奇偶修正的对比效果。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步说明。

本发明实施例提供一种具有纠错能力的多斜率Chirp信号生成及解扩方法，包括步骤1)～步骤4)：

1)构建具有奇偶校验能力的Chirp信号，该Chirp信号的奇数扩频符号和偶数扩频符号各对应一路不同斜率的Chirp基础图样，奇数扩频符号对应的Chirp基础图样记为C_Bodd，偶数扩频符号对应的Chirp基础图样记为C_BEven；奇数扩频符号的扩频序列和偶数扩频符号的扩频序列分别由对应的Chirp基础图样循环移位得到。相邻的奇数扩频符号或偶数扩频符号的符号分辨率为2*Ratio，这里Ratio为采样倍率，相比不分组的扩频方案，增加了一倍，这将在解扩时提升系统对码元偏差估计和采样偏差估计的容忍度。

步骤1)结合奇偶编码思想，对扩频符号进行奇偶分组，分别对应一个基础Chrip图样，基于扩频符号的奇偶性及取值n，由对应的基础图样进行前向或后向循环移动n*Ratio个采样点得到对应的扩频序列。

其中，两路Chirp基础图样可以为任意两路相关度很弱的基础Chirp信号；所谓相关度很弱，是相对于两路基础Chirp信号的自相关程度而言，可以认为，这两路基础Chirp信号之间的相关程度弱于各自的自相关。也就是说，在基础图样(或称“基础序列”)的选择上，适用于任意的具有弱相关的Chirp信号，通过收发端明确的奇偶基础图样的映射关系，使系统自身具有奇偶校验能力，且采用奇偶分别循环移位的扩频序列生成方案，增加了相邻奇数或偶数扩频符号间的循环移位间隔，及增加最小符号分辨率，达到提升解扩性能的目的。

2)在Chirp解扩中基于所构建的Chirp信号的奇、偶分组特性，针对每个满足扩频序列长度的接收数据，分别与两路所述Chirp基础图样进行本地相关解扩，并比较两路解扩峰值大小，进行联合优选判定峰值。

步骤2)中进行Chirp解扩包括如下两路本地相关解扩：

[Peak_odd,PeakIdx_odd]＝max(abs(ifft(fft(Rx).*conj(C_Bodd))).^2)

[Peak_evn,PeakIdx_evn]＝max(abs(ifft(fft(Rx).*conj(C_BEven))).^2)

其中，Peak_odd表示接收数据Rx与C_Bodd的相关解扩峰值，Peak_evn表示接收数据Rx与C_BEven的相关解扩峰值；PeakIdx_odd表示Peak_odd的峰值位置，PeakIdx_evn表示Peak_evn的峰值位置。

进行Chirp解扩时，比较Peak_odd和Peak_evn的大小，记录对应的峰值位置PeakIdx_odd和PeakIdx_evn；选取Peak_odd和Peak_evn中的较大者记为Peak，选取较大者的峰值位置记为PeakIdx，则扩频符号解析算法为：

SymV_Tmp＝PeakIdx/Ratio

其中，SymV_Tmp表示解析出的未经修正的扩频符号，Ratio为采样倍率。

3)在由峰值解析扩频符号时，基于最优峰值对应的解扩电路的奇、偶性，对解析符号进行校验，若不满足校验条件，则进行最优解扩符号的校正。由峰值解析扩频符号时，峰值Peak与解扩符号关系为：

若Peak＝Peak_odd，解扩符号Sym取值为最接近SymV_Tmp的奇数；

若Peak＝Peak_evn，解扩符号Sym取值为最接近SymV_Tmp的偶数。

4)结合优选峰值解析的符号理论峰值位置与实际解扩位置Sym*2*2*Ratio的偏移趋势，对接收数据的码元偏差修正。本发明实施例统计连续n个符号的实际峰值与理论峰值的平均偏差，将平均偏差乘以修正因子后的值作为下个接收扩频序列的码元定时修正参数；本发明实施例通过设计基于奇偶扩频符号不同斜率的Chirp信号，提升码元符号的最小分辨间隔，提升解扩性能。修正因子可由整个系统的统计得出或经验得出，比如在0.5～1之间根据系统实际情况合理取值。

为了充分利用本发明实施例所设计的Chirp信号的奇偶分组特性，参考图5，本发明实施例在解扩方案上，一方面：基于奇偶特征，对接收的完整码元周期长度的码元序列采用两路本地相关解扩，优选最大峰值。在解扩符号解析时，结合峰值对应的基础图样的奇偶映射关系，进行解扩符号的自校验和修正，修正为符合基础图样映射关系的最小误差符号。另一方面：统计连续n个符号的实际峰值与理论峰值的平均偏差，将平均偏差乘以修正因子后的值作为下个接收扩频序列的码元定时修正参数。

在以示例性的实施案例中，设定系统的基本参数：带宽BW＝125kHz，扩频因子SF＝7，符号周期Tc＝1.024ms，扩频信号斜率μ＝BW/Tc＝1.2207e⁸，且令奇数符号的基础图样C_Bodd为Up-Chirp，见图1所示；偶数符号的基础图样C_BEven为斜率为2μ的Down_Chirp+Up_Chirp，见图2所示；其中，Down_Chirp表示斜率为负数的下降Chirp信号，Up_Chirp表示斜率为正数的上升Chirp信号。因此，奇数符号的基础图样的时域表达式为：

偶数符号的基础图样的时域表达式为：

其中A为信号幅值，t为时间，为第一段的初始相位，/>为第二段的初始相位。

针对符号的奇偶特性及其取值，由对应的基础图样进行循环移位产生，这里设定循环移位方向为向右移位循环，移位的时间步进为t_step＝Tc/2^(SF+1)＝4微秒，循环移位的频率步进f_step＝BW/2^SF＝976.56Hz。这里以奇数符号31和偶数符号32为例，进行时域表达式说明：

奇数符号Sym＝31由基础图样C_Bodd经过右向循环移位，由两段连续的时频变换直线构成，如图3，其中第一段的起始频率f0_odd＝Sym*f_step＝30273Hz，初始相位为第二段的起始频率f1_odd＝0Hz，初始相位为/>即符号Sym31的线性扩频符号为：

偶数符号Sym＝32由基础图样C_BEven经过右向循环移位，由三段连续的时频变换直线构成，如图4，其中第一段的起始频率f0_evn＝Sym*2*f_step＝62500Hz，第二段的起始频率f1_evn＝BW＝125kHz，第三段的起始频率f2_evn＝0Hz，即符号Sym32的线性扩频符号为：

从图3和图4中可以看出，基于相邻的符号，其线性扩频序列完全不同，其具有很弱的互相关性，能保证在进行奇偶基础图样的本地相关中，保持正确的自相关特性。且相邻的偶数或奇数序列的循环移位间隔增大一倍，有利于基于相关峰值位置的符号解析。

本实施案例中，假定系统已完成信号检测，帧同步，码元同步，将完成码元同步的信息作为输入参与双路本地相关解扩方案，具体处理流程如下：

(步骤1)针对接收满足码元符号周期，长度N＝512的接收信号进行双路本地相关解扩，本方案中采用基于FFT的圆周循环相关检测方案，具体处理如下：

[Peak_odd,PeakIdx_odd]＝max(abs(ifft(fft(Rx).*conj(C_Bodd))).^2)

[Peak_evn,PeakIdx_evn]＝max(abs(ifft(fft(Rx).*conj(C_BEven))).^2)

比较两路本地圆周相关峰值Peak_odd和Peak_evn的大小，记录峰值位置PeakIdx_odd,PeakIdx_evn，选取Peak＝max(Peak_odd，Peak_evn)及其对应的峰值位置作为PeakIdx输出，符号解析算法为：SymV_Tmp＝floor(PeakIdx/采样倍率+0.5)；floor表示向下取整。

(步骤2)基于输出的相关峰值Peak对应的本地基础图样的奇偶映射关系，进行奇偶校验和纠正，具体处理为：

若Peak＝Peak_Odd，则将相关器标识FlagCorr置1；若Peak＝Peak_Evn，则将相关器标识FlagCorr置0；若SymV_Tmp+FlagCorr为偶数，则表明满足奇偶特性，不需要进行解析符号修正，令Sym＝SymV_Tmp，PeakIdx_m＝PeakIdx；PeakIdx_m为进行解析符号修正后的峰值位置，即符号理论峰值位置。否则，需要进行最优距离修正，令左、右基准分别为：

Left＝(SymV_Tmp-1)*Ratio；

Right＝(SymV_Tmp+1)*Ratio；

若PeakIdx>(Right+Left)/2，则修正峰值位置索引PeakIdx_m＝Right，Sym＝SymV_Tmp+1；否则PeakIdx_m＝Left,Sym＝SymV_Tmp-1。

(步骤3)结合优选峰值解析的符号理论峰值位置PeakIdx_m与实际解扩位置PeakIdx的偏移趋势，对接收数据的码元偏差修正，本实施案例中，统计连续5个符号的实际峰值与理论峰值的平均偏差，将平均偏差乘以修正因子后的值作为下个接收扩频序列的码元定时修正参数DeltaShift。

(步骤4)将码元定时修正参数DeltaShift，作为码元偏差的补偿输入参数，对后续的解扩数据有效索引进行修正。在扩频处理过程中，处理需要时间，针对接收的数据，需要先存储在缓存器中，当处理完当前码元周期长度的数据后，再基于起始偏移值和修正参数DeltaShift，从缓存中取值，开展下一个码元周期长度接收数据的解扩。假定DeltaShift＝m，则将整个码元周期的起始位置偏移m，即若m>0，则向后取值m个，以第Idx+m+1个为首个有效的码片，整个码元周期为Idx+m+1至Idx+m+N；若m<0，则采用向前取m个，以第Idx-m为首个有效的码片，整个码元周期为Idx-m至Idx-m+N-1。其中，Idx为当前参与解扩的首个Rx数据在数据缓存器中的索引。

本实施案例为了更直观地表明本发明在解扩性能上的优化，进行了性能仿真比较，仿真参数设置为带宽BW＝125KHz，扩频因子SF＝7；采样率fs＝4*BW＝500KHz，AWGN信道，SNR＝-15:1:5dB，每帧的符号个数为20000。三种方案：本发明奇偶分组方案和未分组的两种方案，未分组的两种方案：基础图样为UpDownChirp的Chirp信号，基础图样为Up-Chirp的Chirp信号。

图6为三种方案统计的误符号率；从图6中三种方案的性能对比可以看出，本发明奇偶分组的方案明显优化了解扩的性能，以误符号率10e-3为比较门限，相比未分组的两种方案(带小圆形的曲线和带小方形的曲线)性能提升了约5dB。

为了更直观地说明本发明实施例基于奇偶分组特性，采用符号修正带来的性能优化，图7给出了Up-Chirp和奇偶分组的误符号个数，以及奇偶分组下符号修正次数随着SNR的变化曲线，可以看出修正次数与Up-Chrip的误符号个数曲线具有高度的重合性，从另一种角度说明，本发明采用奇偶分组特性的双路解扩，符号修正方案，有效的降低了误符号个数，提升了系统性能。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种具有纠错能力的多斜率Chirp信号生成及解扩方法，所述Chirp信号是指线性调频脉冲信号，其特征在于，包括：

1)构建具有奇偶校验能力的Chirp信号，该Chirp信号的奇数扩频符号和偶数扩频符号各对应一路不同斜率的Chirp基础图样，奇数扩频符号对应的Chirp基础图样记为C_Bodd，偶数扩频符号对应的Chirp基础图样记为C_BEven；奇数扩频符号的扩频序列和偶数扩频符号的扩频序列分别由对应的Chirp基础图样循环移位得到；两路所述Chirp基础图样为两路弱相关的基础Chirp信号；所述弱相关是指，两路基础Chirp信号之间的相关程度弱于各自的自相关；

2)在Chirp解扩中基于所述Chirp信号的奇、偶分组特性，针对每个满足扩频序列长度的接收数据，分别与两路所述Chirp基础图样进行本地相关解扩，并比较两路解扩峰值大小，进行联合优选判定峰值；

步骤2)中进行Chirp解扩包括如下两路本地相关解扩：

[Peak_odd,PeakIdx_odd]＝max(abs(ifft(fft(Rx).*conj(C_Bodd))).^2)

[Peak_evn,PeakIdx_evn]＝max(abs(ifft(fft(Rx).*conj(C_BEven))).^2)

其中，Peak_odd表示接收数据Rx与C_Bodd的相关解扩峰值，Peak_evn表示接收数据Rx与C_BEven的相关解扩峰值；PeakIdx_odd表示Peak_odd的峰值位置，PeakIdx_evn表示Peak_evn的峰值位置；

进行Chirp解扩时，比较Peak_odd和Peak_evn的大小，记录对应的峰值位置PeakIdx_odd和PeakIdx_evn；选取Peak_odd和Peak_evn中的较大者记为Peak，选取较大者的峰值位置记为PeakIdx，则扩频符号解析算法为：

SymV_Tmp＝PeakIdx/Ratio

其中，SymV_Tmp表示解析出的未经修正的扩频符号，Ratio为采样倍率；

3)在由峰值解析扩频符号时，基于最优峰值对应的解扩电路的奇、偶性，对解析符号进行校验，若不满足校验条件，则进行最优解扩符号的校正；

步骤3)由峰值解析扩频符号包括：

若Peak＝Peak_odd，则解扩符号Sym取值为最接近SymV_Tmp的奇数；

若Peak＝Peak_evn，则解扩符号Sym取值为最接近SymV_Tmp的偶数；

4)结合优选峰值解析的符号理论峰值位置与实际解扩位置的偏移趋势，对接收数据的码元偏差修正；

步骤4)包括：统计连续n个符号的实际峰值与理论峰值的平均偏差，将平均偏差乘以修正因子后的值作为下个接收扩频序列的码元定时修正参数；所述实际解扩位置为Sym*2*2*Ratio。

2.如权利要求1所述的具有纠错能力的多斜率Chirp信号生成及解扩方法，其特征在于：相邻的奇数扩频符号或偶数扩频符号的符号分辨率为2*Ratio。

3.如权利要求1所述的具有纠错能力的多斜率Chirp信号生成及解扩方法，其特征在于，还包括：将码元定时修正参数作为码元偏差的补偿输入参数，对后续的解扩数据有效索引进行修正。

4.如权利要求1所述的具有纠错能力的多斜率Chirp信号生成及解扩方法，其特征在于：所述修正因子在0.5～1之间取值。