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线性调频脉冲（Chirp）信号.docx

发布时间：2022-06-06 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.24M 资料格式：docx 举报 版权申诉
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    物联网基于室内实时定位综述 无线网室内能够实时定位是利用线性调频脉冲（Chirp）信号良好的自相关性以 及匹配滤波后尖锐的时域特性，将线性调频脉冲扩频技术用于高速的超宽带无线通 信，设计 Chirp-DM 调制的超宽带通信系统。线性调频 DM 方式传输速率较快，而且误 码率较低，但是实现复杂。首先对 DM 调制方式给出理论 分析，然后再进行性能仿真。 关键词：关键词： Chirp；超宽带；BOK；调制 一、Chrip 信号——chrip 函数推算 A chirp is a signal in which the frequencyincreases (up-chir p) or decreases (down-chirp) with time。 也就是说:是频率随着时间增加或减小的信号。 若 那么瞬时频率被定义为相位速率: 而瞬时 chirp 则被定义为频率比率: 例如一-个线性 chirp,信号的瞬时频率 f(t)随时间变化: 1
    其中，f0 是初始频率，而 k 则是频率变化率, 由 再由前面可以知道: 因为任何振荡信号的相位的相应的时域函数是频率函数的积分 因此一个正弦信号的 chirp 信号可以为: 二、Chrip 的调制: 2
    目前 Chirp 的调制方式主要有两大类:直接调制(DM)和正交键控调制(BOK)。 Chirp 信号只起到扩频作用，不能用来表达输入符号，调制模块可以采用多种调 制方式。 直接调制(DM)是用一路 Chirp 信号来表达输入符号，调制与扩频分开的，基带调 制可以采用不同的调制方式。信号从调制模块出来被乘以 Chirp 信号进行扩频，信号 在时域与频域均被扩展，然后调至射频发射。在接收端首先用匹配滤波器进行解扩， 然后在解调模块进行解调，最后取样判决恢复原始数据。 DM 调制模块采用 DQPSK 调制方式。由图可以知道，在高斯白信道下 DM 调制的理 论值与仿真值相一致，但是其性能优于采用相干解调的 BOK 理论值。如果 DM 调制采 用交叠技术和高阶调制会进一步提高系统的传输速率和调制效率，但是这样也会 增 加系统的复杂度。如果要求低复杂的系统，可以选择 BOK 调制；如果传输速率较快， 可以选择 DM 调制。 Bok 调制中 Chirp 信号既被用来调制以表达输入符号，又起到扩频作用以达到扩 展频谱目的，调制模块和扩频模块是一起的。在发射部分，用 Chirp 信号来表示输 入符号，“1”可以用正斜率 Chirp 信号（Up Chirp） 表示，“0”可以用负斜率 Chirp 信号（Down Chirp）表示。在接收端，信号经匹配滤波后再进行判决以再决定输出是 “0”还是“1”。 Bok 是指通过两路正交的波形传输信息，实际上两路传输的消息相同（目的是方 便接收端解调 ）。 三、高斯白噪音 本文科普一下高斯白噪声（white Gaussian noise，WGN）。 百度百科上解释为“高斯白噪声，幅度分布服从高斯分布，功率谱密度服从均匀 分布”，听起来有些晦涩难懂，下面结合例子通俗而详细地介绍一下。 3
    白噪声，如同白光一样，是所有颜色的光叠加而成，不同颜色的光本质区别是的 它们的频率各不相同（如红色光波长长而频率低，相应的，紫色光波长短而频率高）。 白噪声在功率谱上（若以频率为横轴，信号幅度的平方为功率）趋近为常值，即噪声 频率丰富，在整个频谱上都有成分，即从低频到高频，低频指的是信号不变或缓慢变 化，高频指的是信号突变。 由傅里叶变换性质可知，时域有限，频域无限；频域有限，时域无限。那么频域 无限的信号变换到时域上，对应于冲击函数的整数倍（由公式也可推得：）。即说明 在时间轴的某点上，噪声孤立，与其它点的噪声无关，也就是说，该点噪声幅值可以 任意，不受前后点噪声幅值影响。简而言之，任意时刻出现的噪声幅值都是随机的（这 句话实际上说的就是功率谱密度服从均与分布的意思，不同的是，前者从时域角度描 述，而后者是从频域角度描述）。这里要指出功率谱密度（Power Spectral Density， PSD）的概念，它从频域角度出发，定义了信号的功率是如何随频率分布的，即以频 率为横轴，功率为纵轴。 既然白噪声信号是“随机”的，那么反过来，什么叫做“相关”呢？顾名思义， 相关就是某一时刻的噪声点不孤立，和其它时刻的噪声幅值有关。其实相关的情况有 很多种，比如此时刻的噪声幅值比上一时刻的大，而下一时刻的噪声幅值比此时刻的 还大，即信号的幅值在时间轴上按从小到大的顺序排列。除此之外，幅值从大到小， 或幅值一大一小等都叫做“相关”，而非“随机”的。 解释完了“白噪声”，再来谈谈“高斯分布”。高斯分布，又名正态分布（normal distribution）。概率密度函数曲线的形状又两个参数决定：平均值和方差。简单来 说，平均值决定曲线对称中线，方差决定曲线的胖瘦，即贴近中线的程度。概率密度 定义了信号出现的频率是如何随着其幅值变化的，即以信号幅值为横轴，以出现的频 率为纵轴。因此，从概率密度角度来说，高斯白噪声的幅度分布服从高斯分布 描述了“白噪声”和“高斯噪声”两个含义，那么，回到文章开头的解释：高斯 白噪声，幅度分布服从高斯分布，功率谱密度服从均匀分布。它的意义就很明确了， 上半句是从空域(幅值)角度描述“高斯噪声”，而下半句是从频域角度描述“白噪声”。 下面以 matlab 程序演示，感性认识一下高斯白噪声。 4
    由上图可以看出，高斯白噪声的功率谱密度服从均匀分布。 若对噪声进行由小到大排序，则使其从随机噪声变为相关噪声，则功率谱密度就 不再是均匀分布了。 程序 2（非高斯白噪声）： 5
    下面让我们从高斯白噪声的统计信息和幅值分布看一下它的特点。 高斯白噪声 直方图的纵轴为频次，而概率密度的纵轴为频率，但是两者大致的分布曲线确是 一样的，因此，这幅图解释了高斯白噪声的幅度分布服从高斯分布。 四、 CSS 技术核心 — 脉冲压缩技术 CSS 信号一般被称为切谱信号，台湾学者称为啁啾信号，英文 Chirp Pulse。CSS 的核心技术是源于雷达系统的脉冲压缩技术。根据该技术理论，带宽为 B, 扫频时间 为 T 的 CSS 信号，经过压缩匹配后，能量将基本集中在中心 B/2 的区域，而脉冲幅度 将提高到 。因此脉冲能量将集中在一个很短的时间内。下图显示 CSS 信号经过压缩 处理后，能量将集中在 B/2 区域内，且幅度有很大的提高。 6
    在实际信号调制过程中，一般利用 SAW 器件（声表面波滤波器），通过激励脉冲 触发出具有脉冲特性的 CSS 信号, 这些信号在信道中传输，并被接收端收到后，经过 滤波器处理，获取脉冲压缩。由于接收端检测到的脉冲压缩信号中的噪音成分，解扩 时已经在时域上被匹配滤波器展宽削弱或滤掉，这样就等于把宽带干扰转变成窄带干 扰，且因有用脉冲幅值很大，很容易被检测到脉冲。 由于接收端可以运用脉冲压缩技术直接捕获高能量、高幅值脉冲，且抗频率偏移 特性较好，实际通讯过程中能够不需要频率同步或者时间同步；这种检测时间精准的 特性，为精确的距离测量提供了保证。在测距与定位系统中，接收机总是能够准确而 快速的检测到脉冲到达的时间。 五、 CSS 与其他扩频手段比较 无线扩频手段包括直接序列扩频（DS，如 Zigbee）、跳频(FH)、跳时(TH)以及 线性调频(CSS)。这四种技术中，最常用的是前三种，以及其混合系统；第四种一般 在雷达系统中才会用到。有时第四种 CSS 手段也会作为前三种系统的补充应用，用于 抵抗这些系统的频移特性。前种系统的缺点如下： 1． DS 扩频：处理增益容易受到 PN 码速率限制；时间同步要求高；捕获时间相 对长，也受到 PN 码长度影响； 2． FH 扩频：获取高处理增益的同时，容易受到脉冲和全频带干扰影响；快速 跳频系统设计复杂、频率合成难度高；慢速跳频时隐蔽性差； 3． TH 扩频：连续波干扰严重；需要峰值功率高，时间同步难； 容易看出，DS 系统由于同步时间的问题，以及 PN 码的限制，在定位与测距系统 中很难获得较好的测量结果；FH 系统容易受到干扰，不易应用于恶劣环境；TH 系统 则在功耗和干扰问题上难以适用于现代的低功耗健壮系统的应用；本文第二节中已经 介绍 CSS 系统的特性，不难看出，CSS 系统由于采用了脉冲压缩的处理机制，在避免 使用 PN 码的同时，有效实现了脉冲捕获时间精准的需求；而对于脉冲和连续波干扰 信号，脉冲压缩处理过程也进行了过滤以及能量分散，同时有用脉冲能量压缩加大， 避免了电磁信号干扰；在解扩过程获取高增益、脉冲压缩能量集中的特性，使得发射 机并不需要通过增加 Chirp 线性脉冲能量来获取射频功率，大大降低了峰值功率的需 求。 因此总的来说，CSS 技术除了具有传统扩频技术如直序列扩频（DSSS），跳频扩 7
    频（FHSS）共同的优点，即抗衰减能力强，保密性好，处理增益大等，还具有功率谱 密度低，抗频率偏移能力强，传输距离远，射频功耗低等特点。这些特点使得 CSS 技术从脉冲压缩雷达的特殊应用，到构建现代室内外通讯系统成为可能：较低的发射 功率、较好的保密性、与通讯稳定性以及抗干扰、低功耗等特点，使 CSS 能够应用于 大多数具有挑战性的环境。 六、 CSS 与 UWB 技术 UWB 事实上有两种定义，一种是根据美国国防部规定：凡是带宽与中心频率之比 超过 25%的通讯信号，都称之为 UWB 信号；另外一种按照 FCC 规定，在 3.1~10.6GHz 频段中占用 500MHz 以上的带宽的信号称为 UWB 信号。因此前者是一种相对意义下的 超宽带，后者是绝对意义下的超宽带。现代商用的理解一般驶 FCC 的定义。 事实上，UWB 系统底层虽然是脉冲机制，但是也分为载波 UWB 系统和无载波 UWB 系统。无载波 UWB 系统是最早意义上的通讯系统，通常又称为基带、无载波或脉冲系 统。这种系统中，发射机产生基带窄脉冲序列，并通过脉冲位置调制(PPM )或脉冲幅 度调制(PAM)等调制方式携带信息，基带窄脉冲序列通过跳时（TH）扩频码选择时隙 后直接发送到空中，而无需对载波进行调制。因此这种系统与传统的无线通信技术相 比，系统收发机结构简单，系统功耗小，成本低，具有良好的定位功能。但是无载波 脉冲方案存在两个主要的缺点：存在严重的符号间干扰（ISI），频谱利用率也不高。 [1] Young 著：高斯白噪声[J] http://younghit.cnblogs.com/ [2] Leowen15 著：什么是 Chrip 信号 来源：CSDN https://blog.csdn.net/sinat_26545113/article/details/78835038?utm_source=app [3] 谭云涛、郭波、郑敏，企业多项目管理中的优先排序问题研究[J].管理工程学报，2005， 19：152-155. [4] 黄明亮，基于 BOK 调制的 Chirp 超宽带通信系统性能研究[J].广西 8
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