CN116112327A - 一种基于线性调频信号的通信系统 - Google Patents

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胡彦曦
余森源
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Abstract

本发明公开了一种基于线性调频信号的通信系统。该系统的数据帧包含前导码、报头、有效载荷(数据)和CRC校验码。前导码中保存两个个同步字用于接收数据流的同步，前导码的长度与同步字可以自定义。前导码结构中UpChirp(升频chirp信号)的长度可设置范围为6‑65536之间，默认为8个。短前导码有利于加快数据传输速率，长前导码主要用于唤醒设备，确认数据到来状态。为了减少功耗，节点在不工作时，处于休眠状态，但是会定时检测发射机信号的前导码，如果检测到的前导码就会准备接收数据，并发出中断或者将相关寄存器置1，外围软件通过定期查询或者相应中断来接收数据。本发明与传统的信道估计方法相比，接收机能够以低复杂度进行数据接收，且能够应对高动态多普勒漂移，提高系统通信稳定性。

Description

一种基于线性调频信号的通信系统
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别是一种基于线性调频信号的通信系统。
背景技术
通信技术的发展，也促进了其他行业领域的发展，例如物联网(IoT)技术。1999年，物联网概念由麻省理工学院提出，早期是指依托射频识别(RFID)技术和设备，按约定的通信协议与互联网的结合，使物品信息实现智能化管理。如今物联网作为各类传感器和现有的互联网相互衔接的一个新技术，已经在各行各业拥有长足和可靠发展，物联网依托各类无线通信技术和标准，例如ZigBee,蓝牙，Wi-Fi，远距离的LTE等等，但这些技术都有自身的限制。Wi-Fi作为短距通信技术，有功耗低、成本低等特点，但通信距离极大限制了其发展；LTE的通讯距离较远，一个基站的覆盖范围能达到数公里，但其通讯设备价格高昂且功耗很高，无法在智慧城市和农业中进行广泛应用。因此，一种低功耗、覆盖范围大的通信技术—-低功耗广域网络(LPWAN)应运而生，并快速发展起来，其中最具代表性的就是LoRa技术。
全球来看，线性调频(Chirp)调制的研究是于19世纪中期从无线通信领域发展起来的，最早是因其较好的脉冲压缩性，被广泛应用于雷达测距之中。1962年，Chirp被国外学者M.R.Winkler首次应用在无线通信领域，因其提出上下扫频信号传输二进制数据的方法，即利用2两个极性相反的Chirp信号分别代表0和1，被称为Chirp-BOK。在解调端，此种调制方式利用Chirp调制信号的自相关特性进行处理，奠定了Chirp调制方法在通信系统的应用基础。1973年，Bemi和Gregg等人对Chirp-BOK调制方式的性能进行了更加深入的性能分析，提出在相干解调下，Chirp-BOK的BER属于中等，和一般的频率调制FSK以及相位调制技术PSK相似。1974年，Gott创造性地提出了把Chirp调制与传统的调制方式相互结合的方式，这种调制方式主要利用Chirp信号代替传统的扩频码，从而实现新型的通信模式。2004年，Brocato首次提出把Chirp扩频应用到短距离的无线通信领域，由此开启了Chirp在通信领域的长足发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于线性调频信号的通信系统，使得其接收机能够以低复杂度进行数据接收，且能够应对高动态多普勒漂移，提高系统通信稳定性。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于线性调频信号的通信系统，该系统的数据帧包含前导码、报头、有效载荷(数据)和CRC校验码。前导码中保存两个个同步字用于接收数据流的同步，前导码的长度与同步字可以自定义。前导码结构中UpChirp(升频chirp信号)的长度可设置范围为6-65536之间，默认为8个。短前导码有利于加快数据传输速率，长前导码主要用于唤醒设备，确认数据到来状态。为了减少功耗，节点在不工作时，处于休眠状态，但是会定时检测发射机信号的前导码，如果检测到的前导码就会准备接收数据，并发出中断或者将相关寄存器置1，外围软件通过定期查询或者相应中断来接收数据。
报头用于指示数据传输长度、编码速率与类型，数据是否添加CRC，是否含有定时导频信号。报头留有4个保留位(默认为全0)，用于后续协议的升级，采用5位CRC比特对报头内容进行校验。
待发送的数据与报头首先进行汉明编码(报头采用4/8固定码率汉明码，数据域编码方式与码率可选)，然后进行序列白化，再经过对角交织、格雷编码后进行线性调频调制，线性调频信号的初始频点由格雷编码后的输出比特决定。
每个经过格雷编码后的比特序列g16-p,i,g17-p,i,…,g15,i都可以采用线性调频信号的不同偏移序列表示，
Figure BDA0004078463510000021
其中，B表示信号带宽，Ts表示信号持续时间，
Figure BDA0004078463510000022
为频率翻折时刻，f0∈[-B/2，B/2]是线性调频信号的初始频率，不同的信息比特序列对应不同的f0。对于该线性调频信号，其时宽带宽积为BTs＝N，对应的扩频因子表示为SF＝log2N。初始频率f0与比特序列g16-p,i,g17-p,i,…,g15,i之间的关系可以表示为
Figure BDA0004078463510000023
其中
Figure BDA0004078463510000024
为了提升高动态场景下的通信质量，可以在时域上增加导频信号。多个数据chirp信号间插入一个初始频率为
Figure BDA0004078463510000025
的upchirp和一个初始频率为
Figure BDA0004078463510000026
的downchirp，用于应对高多普勒动态场景下的长时间传输。通过报头中的导频指示可以选择是否插入该导频，1表示插入导频，0表示不插入导频。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：采用与LoRa相似的体制，能够获得与LoRa系统相同的优势，即高灵敏度(-137dB@62.5kHz带宽)，广覆盖，强抗干扰，低功耗等。同时，本发明针对高动态场景进行改进设计，能够应对大多普勒漂移场景，以62.5kHz带宽为例，可抗300Hz/s@SF＝11的多普勒漂移。其次，本发明阐述的通信系统单次传输的比特数远超LoRa系统，最多可实现单包2048字节传输(超过IP包对应的1500字节)，可实现IP包的透明转发。再次，本发明采用更加先进的LDPC编码，能够获得更好的纠错性能，且本发明阐述的通信系统支持连续传输，动态跟踪多普勒变化。
附图说明
图1是基于线性调频信号的通信系统的数据帧结构。
图2是基于线性调频信号的通信系统的发送端调制流程。
图3是基于线性调频信号的通信系统的LDPC编码参数。
图4是基于线性调频信号的通信系统的LDPC编码参数。
图5是基于线性调频信号的通信系统的发送时域信号示意图。
图6是基于线性调频信号的通信系统的接收端处理流程。
图7在基于线性调频信号的通信系统的数据解调流程示意图。
具体实施方式
本发明一种基于线性调频信号的通信系统，本发明的目的在于提供一种基于线性调频信号的通信系统，使得其接收机能够以低复杂度进行数据接收，且能够应对高动态多普勒漂移，提高系统通信稳定性。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于线性调频信号的通信系统，该系统的数据帧包含前导码、报头、有效载荷(数据)和CRC校验码。前导码中保存两个个同步字用于接收数据流的同步，前导码的长度与同步字可以自定义。前导码结构中UpChirp(升频chirp信号)的长度可设置范围为6-65536之间，默认为8个。短前导码有利于加快数据传输速率，长前导码主要用于唤醒设备，确认数据到来状态。为了减少功耗，节点在不工作时，处于休眠状态，但是会定时检测发射机信号的前导码，如果检测到的前导码就会准备接收数据，并发出中断或者将相关寄存器置1，外围软件通过定期查询或者相应中断来接收数据。
报头用于指示数据传输长度、编码速率与类型，数据是否添加CRC，是否含有定时导频信号。报头留有4个保留位(默认为全0)，用于后续协议的升级，采用5位CRC比特对报头内容进行校验。
待发送的数据与报头首先进行汉明编码(报头采用4/8固定码率汉明码，数据域编码方式与码率可选)，然后进行序列白化，再经过对角交织、格雷编码后进行线性调频调制，线性调频信号的初始频点由格雷编码后的输出比特决定。
每个经过格雷编码后的比特序列g16-p,i,g17-p,i,…,g15,i都可以采用线性调频信号的不同偏移序列表示，
Figure BDA0004078463510000041
其中，B表示信号带宽，Ts表示信号持续时间，
Figure BDA0004078463510000042
为频率翻折时刻，.f0∈[-B/2，B/2].是线性调频信号的初始频率，不同的信息比特序列对应不同的f0。对于该线性调频信号，其时宽带宽积为BTs＝N，对应的扩频因子表示为SF＝log2N。初始频率f0与比特序列g16-p,i,g17-p,i,…,g15,i之间的关系可以表示为
Figure BDA0004078463510000043
其中
Figure BDA0004078463510000044
K＝2p-1g16-p,i+2p-2g17-p,i+…+20g15,i。
为了提升高动态场景下的通信质量，可以在时域上增加导频信号。多个数据chirp信号间插入一个初始频率为
Figure BDA0004078463510000045
的upchirp和一个初始频率为
Figure BDA0004078463510000046
的downchirp，用于应对高多普勒动态场景下的长时间传输。通过报头中的导频指示可以选择是否插入该导频，1表示插入导频，0表示不插入导频。
综上所述，本发明阐述的通信系统的发射端分为七个步骤：1)计算CRC；2)编码；3)白化；4)交织；5)格雷编码；6)Chirp调制；7)插入导频。
在接收端，首先在下变频到奈奎斯特采样率后对接收信号的每2SF个采样点进行dechirp，通过门限检测法检测是否存在前导码中的upchirp信号，利用upchirp进行小数倍频偏估计并对随后的数据进行补偿。当检测到同步字后，进行downchirp信号的检测，估计整数倍频偏并进行补偿。随后可对接收到的数据信号进行解调，在解调过程中需要进行定时估计和多普勒频偏漂移估计。
在估计出定时点和去除频偏后，经过dechirp操作可获得接收数据比特，再经过反格雷编码、解对角交织、解白化、汉明译码后可译码得到发送信息。在此过程中，需要先对报头进行译码，再根据报头中的信息长度确定接收信号的长度。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例
本发明考虑的使用场景为卫星通信、无人机通信和地面物联网通信。
本发明的数据帧结构如图1所示，包含前导码、报头、有效载荷(数据)和CRC校验码。前导码中保存两个个同步字用于接收数据流的同步，前导码的长度与同步字都可以自定义。前导码结构中UpChirp(升频chirp信号)的长度可设置范围为6-65536之间，默认为8个。短前导码有利于加快数据传输速率，长前导码主要用于唤醒设备，确认数据到来状态。为了减少功耗，Hchirp节点在不工作时，处于休眠状态，但是会定时检测发射机信号的前导码，如果检测到的前导码长度等于自身设定的长度就会准备接收数据，并发出中断或者将相关寄存器置1，CPU通过定期查询或者相应中断来接收数据。
图1中报头部分的每一小格表示一个比特，整个报头用于指示数据传输长度、编码速率与类型，数据是否添加CRC，是否含有定时导频信号。报头留有4个保留位(默认为全0)，用于后续协议的升级，采用5位CRC比特对报头内容进行校验。
图2给出了数据的调制流程，待发送的数据与报头首先进行汉明编码(报头采用4/8固定码率汉明码，数据域编码方式与码率可选，例如汉明，turbo，LDPC等)，然后进行序列白化，再经过对角交织、格雷编码后进行线性调频调制，线性调频信号的初始频点由格雷编码后的输出比特决定。
步骤1：计算CRC
a)数据域CRC
假设输入数据比特为a0,a1,a2,a3,...,aA-1,CRC校验比特为p0,p1,p2,p3,...,pL-1。A是数据比特个数，L是校验比特个数。通过以下表达式生成CRC校验位:
gCRC24A(D)＝[D24+D23+D18+D17+D14+D11+D10+D7+D6+D5+D4+D3+D+1]
gCRC16(D)＝[D16+D12+D5+1].
其中，gCRC24A(D)为24比特CRC，gCRC16(D)为16比特CRC。当报头中CRC指示域为1时，表示数据尾部有CRC，CRC的长度采取事先约定方式确定，当数据长度小于等于256字节时，采用16位CRC，数据长度大于256字节时采用24位CRC。
当CRC长度为24时，在GF(2)域上添加CRC后的数据多项式表示为:
a0DA+23+a1DA+22+...+aA-1D24+p0D23+p1D22+...+p22D1+p23。
当CRC长度为16时，在GF(2)域上添加CRC后的数据多项式表示为:
a0DA+15+a1DA+14+...+aA-1D16+p0D15+p1D14+...+p14D1+p15。
假设添加完CRC后的比特序列表示为b0,b1,b2,b3,...,bB-1,其中B＝A+L，那么ak与bk之间的关系可以表示为:
bk＝ak for k＝0,1,2,…,A-1
bk＝pk-A for k＝A,A+1,A+2,...,A+L-1.
b)报头CRC
假设报头的28个比特序列为h0,h1,h2,…,h27，其中h0表示图1中左上角的比特。那么h23,h24,h25,h26,h27表示报头的CRC，其生成公式为
Figure BDA0004078463510000061
步骤2：编码
本系统可采用多种编码方式，接收端可由报头中编码类型/速率域确定数据域采用的编码形式，对应关系如所示。报头固定采用4/8汉明码。
<![CDATA[比特组合(h<sub>16</sub>,h<sub>17</sub>,h<sub>18</sub>,h<sub>19</sub>)]]> 编码类型
0000 4/5汉明码
0001 4/6汉明码
0010 4/7汉明码
0011 4/8汉明码
0100 1/2LDPC
0101 1/3LDPC
0110 4/5LDPC
0111～1111 TBD(待定，Turbo)
a)汉明码
先对添加CRC后的比特序列b0,b1,b2,b3,...,bB-1进行分组，每4个比特一组，然后对每组比特序列根据不同的码率进行汉明编码。假设待编码的比特序列为b4i,b4i+1,b4i+2,b4i+3，编码后的K个比特为cKi,cKi+1,cKi+2,,cKi+K-1，码率为4/K,K＝5,6,7,8，映射关系可以表示为
[cKi,cKi+1,cKi+2,,cKi+K-1]T＝G[b4i,b4i+1,b4i+2,b4i+3]T,
其中G为编码矩阵。
当K＝6,7,8时，分别取以下G矩阵的前K行
Figure BDA0004078463510000071
当K＝5时，
Figure BDA0004078463510000072
b)LDPC
当采用LDPC编码时，其信息比特长度目前只支持三种：k＝1024bits，4096bits，和16384bits，每个信息比特长度k分别对应有三种码率r＝1/2,1/3,和4/5。
对于1/2码率的码字，其奇偶校验矩阵应满足下列方程：
Figure BDA0004078463510000073
其中，IM和0M分别是M×M维度的单位矩阵和全零矩阵，Π1～Π8是M×M维度的单位置换矩阵。
对于码率为2/3和4/5的码字，其奇偶校验矩阵有其它的子矩阵维度和单位置换矩阵，且都应满足下列方程。
Figure BDA0004078463510000081
Figure BDA0004078463510000082
单位置换矩阵Πk中的非零元素的位置坐标(i,πk(i))，i∈{0,…,M-1}，应满足下列方程
Figure BDA0004078463510000083
其中，函数θk和
Figure BDA0004078463510000084
如图3和图4所示。对于每一种不同的码字，最后M个码字符号(对应于其奇偶校验矩阵的最后M列)应被打孔(不发送)。
步骤3：白化
假设编码后的比特序列为c0,c1,c2,…,cN-1，N为编码后的比特数量。通过对编码后的比特序列进行PN序列加扰，达到白化目的，即数据随机，同时增加保密性。完整的PN序列的生成多项式为
P(z)＝z32+z22+z2+z+1
其中，序列初始状态对应的寄存器初值为[01011010100010101000101010001110]。假设生成的PN序列为s0,s1,s2,…,sN-1,那么加扰后的序列可以表示为
di＝(ci+si)mod2,i＝0,1,2,…,N-1。
为了进一步提高安全性，可对PN序列的选取进行进一步的约定，可以根据报头的特定参数(数据长度，编码类型，保留位等)计算起始序列的偏移，从而采用不同PN序列加扰，只需要提前在收发端定好相应的约定即可。
步骤4：交织
为了应对连续的错误，采用行进列出的交织方式，结合格雷码与纠错编码，具有较强的纠错能力。采用格雷编码使得相邻两个移位chirp序列对应的bit序列相差1位，降低chirp序列检测错误的影响，结合纠错码，具有错误恢复的能力。
首先将白化后的比特序列d0,d1,d2,…,dN-1分组，每8比特为一个分组，每
Figure BDA0004078463510000091
个分组组成一个矩阵D(行数为p，列数为8)，其中SF表示扩频因子，当最后的数据比特不足以组成一个完整的D矩阵时，通过补零形成完整的矩阵。然后对矩阵D进行交织。交织规则符合以下表达式：
Fm,n＝Dn,m,
其中，Dm.n,m＝0～7,n＝0～p-1表示矩阵D中第m列第n行元素,Fn,m表示交织后的矩阵中第n列第m行元素，因此交织后的比特矩阵F的行数为8，列数为p。
步骤5：格雷编码
假设交织后产生的比特矩阵F中第i行的数据为f0,i,f1,i,f2,i,…,fp-1,i，首先在序列左侧补16-p个0，使其成为16比特，表示为f′i＝[f′0,i,f′1,′,f′2,i,…,f′15,i]，那么经过格雷编码后的16比特可以表示为
fi″＝(fi′+fi′＞＞8)mod 2
fi″′＝(fi″+fi″＞＞4)mod 2
fi″″＝(fi″′+fi″′＞＞2)mod 2
gi＝(fi″″+fi″″＞＞1)mod 2
截取gi序列最右侧的p比特g16-p,i,g17-p,i,…,g15,i作为f0,i,f1,i,f2,i,…,fp-1,i经过格雷编码后的结果。
步骤6：Chirp调制
每个经过格雷编码后的比特序列g16-p,i,g17-p,i,…,g15,i都可以采用线性调频信号的不同偏移序列表示，
Figure BDA0004078463510000092
其中，B表示信号带宽，Ts表示信号持续时间，
Figure BDA0004078463510000093
为频率翻折时刻，f0∈[-B/2，B/2]是线性调频信号的初始频率，不同的信息比特序列对应不同的f0。对于该线性调频信号，其时宽带宽积为BTs＝N，对应的扩频因子表示为SF＝log2N。初始频率f0与比特序列g16-p,i,g17-p,i,…,g15,i之间的关系可以表示为
Figure BDA0004078463510000101
其中
Figure BDA0004078463510000102
K＝2p-1g16-p,i+2p-2g17-p,i+…+20g15,i。
步骤7：插入导频
为了提升高动态场景下的通信质量，需要增加导频信号。总的时域波形如图5所示，分为前导码，参考信号，数据chirp，导频信号。其中数据chirp包含报头对应的chirp信号，报头部分编码方式固定，从比特到chirp信号的映射参照上述的描述。
图6给出了接收流程示意图，在下变频到奈奎斯特采样率后首先对接收信号的每2SF个采样点进行dechirp，通过门限检测法检测是否存在前导码中的upchirp信号，利用upchirp进行小数倍频偏估计并对随后的数据进行补偿。当检测到同步字后，进行downchirp信号的检测，估计整数倍频偏并进行补偿。随后可对接收到的数据信号进行解调，在解调过程中需要进行定时估计和多普勒频偏漂移估计。
图7给出了数据解调流程图，在估计出定时点和去除频偏后，经过dechirp操作可获得接收数据比特，再经过反格雷编码、解对角交织、解白化、汉明译码后可译码得到发送信息。在此过程中，需要先对报头进行译码，再根据报头中的信息长度确定接收信号的长度。

Claims (7)

1.一种基于线性调频信号的通信系统，其特征在于，数据帧包含前导码、报头、有效载荷(数据)和CRC校验码。前导码中保存两个个同步字用于接收数据流的同步，前导码的长度与同步字都可以自定义。
2.根据权利要求1所述的基于线性调频信号的通信系统，其特征在于，前导码结构中UpChirp(升频chirp信号)的长度可设置范围为6-65536之间，优选值为8个。
3.根据权利要求1所述的基于线性调频信号的通信系统，其特征在于，报头用于指示数据传输长度、编码速率与类型，数据是否添加CRC，是否含有定时导频信号。
4.根据权利要求3所述的基于线性调频信号的通信系统，其特征在于，报头长度为24比特，报头留有4个保留位(默认为全0)，用于后续协议的升级，采用5位CRC比特对报头内容进行校验。
5.根据权利要求1和3所述的基于线性调频信号的通信系统，其特征在于，待发送的数据与报头首先进行汉明编码，然后进行序列白化，再经过对角交织、格雷编码后进行线性调频调制，线性调频信号的初始频点由格雷编码后的输出比特决定。
6.根据权利要求5所述的基于线性调频信号的通信系统，其特征在于，每个经过格雷编码后的比特序列g16-p,i,g17-p,i,…,g15,i都可以采用线性调频信号的不同偏移序列表示，
Figure FDA0004078463480000011
其中，B表示信号带宽，Ts表示信号持续时间，
Figure FDA0004078463480000012
为频率翻折时刻，f0∈[-B/2，B/2]是线性调频信号的初始频率，不同的信息比特序列对应不同的f0。对于该线性调频信号，其时宽带宽积为BTs＝N，对应的扩频因子表示为SF＝log2N。初始频率f0与比特序列g16-p,i,g17-p,i,…,g15,i之间的关系可以表示为
Figure FDA0004078463480000013
其中
Figure FDA0004078463480000014
K＝2p-1g16-p,i+2p-2g17-p,i+…+20g15,i。
7.根据权利要求1和权利要求6,所述的基于线性调频信号的通信系统，其特征在于，为了提升高动态场景下的通信质量，在多个数据信号间增加导频信号。多个数据chirp信号间插入一个初始频率为
Figure FDA0004078463480000021
的upchirp和一个初始频率为
Figure FDA0004078463480000022
的downchirp，用于应对高多普勒动态场景下的长时间传输。通过报头中的导频指示可以选择是否插入该导频，1表示插入导频，0表示不插入导频。
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