基于低复杂度的chrip信号发生器的CSS发射机设计方法技术

本发明专利技术提供的基于低复杂度的chrip信号发生器的CSS发射机设计方法，通过设计一种Chirp信号发生器，能够根据调节控制信号，自由设定Chirp信号的带宽、扩频因子、中心频率及Chirp信号的方向，提高了信号发生器的灵活性；在此基础上，实现了在很低的复杂度下直接将Chirp扩频信号调制到通频带，有效降低生成不同频带的信号发生器的复杂度。

【技术实现步骤摘要】
基于低复杂度的chrip信号发生器的CSS发射机设计方法
本专利技术涉及扩频通信及短距离无线通信
，更具体的，涉及一种基于低复杂度的chrip信号发生器的CSS(ChirpSpreadspecturm)发射机设计方法。
技术介绍
国内外研究的Chirp信号发生器大部分应用于Chirp超宽带雷达系统中，通信领域主要应用在室内无线定位等领域。现如今物联网技术发展的如火如荼，短距离无线通信技术在物联网中有新的应用，为了填补在低功耗物联网通信
低复杂度的Chirp扩频技术应用的空白。Chirp信号又称线性调频信号，它以很快的速度扫过频率，信号的持续期间信号连续的线性变化，使得信号的频谱占据一定的带宽。当扫频带宽为B，扫频时间为T时，基本的信号时域表达式为：其中f0为中心频率，a(t)为线性调频的脉冲包络。Chirp信号的相位瞬时频率为f(t)＝f0+μt，瞬时频率f(t)与时间t呈线性变化关系，变化的斜率则由扫频速率μ控制。μ代表了Chirp信号的速率，也就是还说Chirp信号扫频随时间变化的速度。可以表示为：μ的正负表示Chirp信号的扫频方向。如图1所示，当取“+”号时，表示Chirp信号的瞬时频率随着时间而增加，为上扫频Chirp信号(Up-Chirp)；如图2所示，当取“-”号时，表示Chirp信号的瞬时频率随着时间而减小，为下扫频Chirp信号(Down-Chirp)。上扫频Chirp信号和下扫频Chirp信号的扫频速率、带宽和时宽都是相同的。Chirp信号的时间带宽积TB简称TB积，是衡量Chirp信号的一个重要标准。Chirp扩频的调制阶数为M×2SF＝TB，SF(SpreadingFactor)为扩频因子，其中M表示每个CSS符号携带扩频因子的位数。在基带，每个CSS符号包含M个复数采样点，以等于信号带宽B的速率发送出去。传统的Chirp信号常用的产生方法有两种：模拟法和数字法，其中Chirp信号的模拟产生法又可以分为有源法和无源法。有源法如图3利用一定速率的模拟信号(如三角波、锯齿波等)控制压控振荡器(VCO)产生所需的Chirp信号。无源法主要采用声表面波(SAW)滤波器来产生Chirp信号，该方法能够产生高频率和高带宽的Chirp信号。模拟有源法易实现、结构简单、灵活性高，对雷达系统中低截获有所帮助，广泛应用于雷达(RADAR)系统中，但是这种方法所产生的脉冲起始振荡新相位不相干，不适合与数字基带系统设计。无源法主要采用声表面波(SAW)滤波器来产生Chirp信号。该方法能够产生高频率和高带宽的Chirp信号，在现代的室内定位chirp扩频通信系统中应用比较广泛。但是产生的Chirp信号的频率和宽带都是固定不变的，在Chirp扩频通信技术中较为常见，但是SAW器件一经过生产定型，扫频起始频率和扫频时宽就确定了，无法更改故采用SAW器件的Chirp系统灵活性差，且SAW器件制作工艺要求精度高、条件苛刻，所以成本较高，价格昂贵。Chrip信号的数字产生方法主要是采用直接数字合成(DDS)技术来产生Chirp信号。数字法能够产生大时宽、大带宽、高稳定性的Chirp信号，DSS技术产生的信号的特点是频率分辨率高、频率转换时间短。目前常用的数字产生方法生成Chirp信号的方法如图4多为查找表法(LookuptableLUT)。将不同的规格的chirp信号的相位采样点存储在查找表中，然后输出chirp信号。但是传统的实现DDS的方法需要占用较多的存储单元、高精度乘法运算需花费较多的运算时间，特别是当系统所需扩频因子较大时，LUT方法设计的Chirp信号发生器的复杂度将显著增加，不适合低功耗、低成本通信系统设计的要求。Chrip信号中扩频因子(SpreadingFactorSF)及chirp信号带宽(BW)是非常重要的可调节参数。扩频因子(SF)参数越大能够很明显的扩展Chirp扩频通信的覆盖面积，但增加扩频因子大小的同时通信系统的复杂度也会随之上升；带宽(BW)参数越大，信号传输速度越快，抗窄带干扰能力也越强。Chirp扩频通信系统能够均衡通信系统的有效性、可靠性和低成本之间的关系，低复杂度的Chirp信号发生器是低功耗、低成本的Chirp扩频通信系统的关键，传统的Chirp信号发生器的灵活性与硬件资源的消耗成正相关。信号发生器越是灵活，信号发生器的设计就越复杂，消耗的硬件资源越多，进而导致通信系统的功耗越大，生产成本越高。
技术实现思路
本专利技术为克服传统的Chirp信号发生器由于灵活性与硬件资源的消耗成正相关，当信号发生器越灵活，其设计就越复杂，消耗的硬件资源越多，进而存在通信系统的功耗越大，生产成本越高的技术缺陷，提供一种基于低复杂度的chrip信号发生器的CSS发射机设计方法。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下：基于低复杂度的chrip信号发生器的CSS发射机设计方法，包括以下步骤：S1：构建Chirp信号发生器；S2：通过控制单元CU产生可调的Chirp组合信号，作为Chirp信号发生器的输入；S3：Chirp信号发生器根据Chirp组合信号，生成同相的y[n]_real和正交的y[n]_image，并通过加法器组合在一起产生所需的规格的Chirp信号；S4：通过脉冲整形滤波器对Chirp信号进行整形滤波，减少Chirp扩频信号的频谱成分带外泄露；S5：通过采用正交调制器把整形滤波后的Chirp信号上变频到通带，然后通过一对DAC将输入的Chirp信号采样点转化为模拟信号，由功率放大器进行信号发射。其中，在所述步骤S1中，所述Chirp信号发生器包括频率累加器、频率调制模块、相位累加器和向量旋转器；其中：频率累加器通过反复的累加频率输入步进字freq_step产生一个频率斜坡函数；频率调制模块用于对频率斜坡函数进行调制，得到频率采样值；频率采样值作为相位累加器的输入，通过累加生成Chrip信号的相位采样点；将相位采样点输入向量旋转器中，由向量旋转器进行Chrip信号相位旋转，输出Chrip信号。其中，在所述步骤S3中，Chirp信号发生器生成Chrip信号的过程具体为：S31：Chirp信号发生器在控制单元CU接收Chirp组合信号，Chirp组合信号包括频率控制字信号Step_freq，代表Chirp信号频率的增量，用来控制频率斜坡函数的斜率；Chirp方向控制器C_dir，用来控制Chirp信号的方向：当取“+”号时，表示Chirp信号的瞬时频率随着时间而增加，为上扫频Chirp信号，即Up-Chirp；当取“-”号时，表示Chirp信号的瞬时频率随着时间而减少，为下扫频Chirp信号，即Down-Chirp；中心频率控制信号Center_freq，代表Chirp信号的中心频率大小，用来控制Chirp信号的中心频率；扩频因子控制信号Sf，代表Chirp信号扩本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于低复杂度的chrip信号发生器的CSS发射机设计方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1：构建Chirp信号发生器；/nS2：通过控制单元CU产生可调的Chirp组合信号，作为Chirp信号发生器的输入；/nS3：Chirp信号发生器根据Chirp组合信号，生成同相的y[n]_real和正交的y[n]_image，并通过加法器组合在一起产生所需的规格的Chirp信号；/nS4：通过脉冲整形滤波器对Chirp信号进行整形滤波，减少Chirp扩频信号的频谱成分带外泄露；/nS5：通过采用正交调制器把整形滤波后的Chirp信号上变频到通带，然后通过一对DAC将输入的Chirp信号采样点转化为模拟信号，由功率放大器进行信号发射。/n

【技术特征摘要】
1.基于低复杂度的chrip信号发生器的CSS发射机设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：构建Chirp信号发生器；
S2：通过控制单元CU产生可调的Chirp组合信号，作为Chirp信号发生器的输入；
S3：Chirp信号发生器根据Chirp组合信号，生成同相的y[n]_real和正交的y[n]_image，并通过加法器组合在一起产生所需的规格的Chirp信号；
S4：通过脉冲整形滤波器对Chirp信号进行整形滤波，减少Chirp扩频信号的频谱成分带外泄露；
S5：通过采用正交调制器把整形滤波后的Chirp信号上变频到通带，然后通过一对DAC将输入的Chirp信号采样点转化为模拟信号，由功率放大器进行信号发射。


2.根据权利要求1所述的基于低复杂度的chrip信号发生器的CSS发射机设计方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述Chirp信号发生器包括频率累加器、频率调制模块、相位累加器和向量旋转器；其中：
频率累加器通过反复的累加频率输入步进字freq_step产生一个频率斜坡函数；
频率调制模块用于对频率斜坡函数进行调制，得到频率采样值；
频率采样值作为相位累加器的输入，通过累加生成Chrip信号的相位采样点；
将相位采样点输入向量旋转器中，由向量旋转器进行Chrip信号相位旋转，输出Chrip信号。


3.根据权利要求2所述的基于低复杂度的chrip信号发生器的CSS发射机设计方法，其特征在于，在所述步骤S3中，Chirp信号发生器生成Chrip信号的过程具体为：
S31：Chirp信号发生器在控制单元CU接收Chirp组合信号，Chirp组合信号包括频率控制字信号Step_freq，代表Chirp信号频率的增量，用来控制频率斜坡函数的斜率；Chirp方向控制器C_dir，用来控制Chirp信号的方向：当取“+”号时，表示Chirp信号的瞬时频率随着时间而增加，为上扫频Chirp信号，即Up-Chirp；当取“-”号时，表示Chirp信号的瞬时频率随着时间而减少，为下扫频Chirp信号，即Down-Chirp；中心频率控制信号Center_freq，代表Chirp信号的中心频率大小，用来控制Chirp信号的中心频率；扩频因子控制信号Sf，代表Chirp信号扩频因子的个数，用来控制Chirp信号的扩频因子大小；带宽控制信号Bw，代表Chirp信号的带宽，用来控制Chirp信号的带宽大小以及一个输入向量x[n]，代表调制信号，输入向量与产生的Chirp信号相乘能够对Chirp信号的幅度和相位进行调制；
S32：控制单元CU输出的Step_freq控制信号输入到频率累加器中，输出一个随时间线性增长的频率函数；
S33：频率累加器生成的频率斜坡函数经过频率调制模块得到被调制的频率采样值；
S34：频率采样值输入到相位累加器生成Chirp信号的相位采样点；相位累加器由加法器和相位累加寄存器组成；相位累加器对调制后的频率采样函数进行离散积分得到Chirp信号的相位采样点的表达式：



式中：
M＝2SF＝Bw×Tsub是扩频因子,其中Bw为Chirp信号带宽，Tsub是chirp符号的周期；

是过采样因子，其中Fsys是系统时钟频率；
n∈[0,ML-1]，其中ML＝Tsub×Fsys为时域采样点的下标；在数学表达上，相位累加器代表了生成Chirp信号方程的主求和项；
S35：向量旋转器在输入相位采样点和矢量x[n]的控制下进行相位旋转。


4.根据权利要求3所述的基于低复杂度的chrip信号发生器的CSS发射机设计方法，其特征在于，所述步骤S32具体为：
频率累加器由累加寄存器和加法器组成，频率累加器中的累加寄存器对加法器中的输入字进行累加，生成频率斜坡函数；频率斜坡函数由频率采样点序列组成；频率累加器位宽根据Chirp信号扩频因子Sf及带宽Bw确定，频率累加器的位宽要足以容纳最大扩频因子Sf和最小带宽Bw组合的Chirp信号；位宽公式具体为：



其中Sfmax和Bwmin分别表示最大扩频因子和最小信号带宽，Fsys是系统时钟频率。


5.根据权利要求4所述的基于低复杂度的chrip信号发生器的CSS...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭洪舟，贺宇翔，陆许明，徐永键，
申请(专利权)人：中山大学，中山大学花都产业科技研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44