CN111669200A - 基于低复杂度的chrip信号发生器的CSS发射机设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明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。
Description
技术领域
本发明涉及扩频通信及短距离无线通信技术领域，更具体的，涉及一种基于低复杂度的chrip信号发生器的CSS(Chirp Spread specturm)发射机设计方法。
背景技术
国内外研究的Chirp信号发生器大部分应用于Chirp超宽带雷达***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技术领域低复杂度的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(Spreading Factor)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***中低截获有所帮助，广泛应用于雷达(RADAR)***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***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***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***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(Look uptable LUT)。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***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***设计的要求。
Chrip信号中扩频因子(Spreading Factor SF)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***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***能够均衡通信***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***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***的功耗越大，生产成本越高。
发明内容
本发明为克服传统的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***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，本发明的技术方案如下：
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；
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。
其中，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***时钟频率。
其中，在所述步骤S33中，所述频率调制模块由加法器、扩频因子控制器、中心频率控制器及Chirp信号方向控制器组成；所述步骤S33具体包括以下步骤：
S331：频率调制模块中的加法器为频率累加器输出的频率斜坡函数增加额外的一位用来半步频率的校正；
S332：校正之后的频率斜坡函数通过扩频因子控制器确定信号发生器生成的Chirp信号的扩频因子及带宽大小，然后输入到中心频率控制器中；
S333：经过掩码调制后的频率斜坡函数输入到中心频率控制器中，加上确定的中心频率后输出到Chirp信号方向控制器中；
S334：中心频率确定的频率斜坡函数输入Chirp信号方向控制器确定生成chirp信号的方向；
S335：将方向确定的频率斜坡函数输出至相位累加器。
其中，所述步骤S332具体为：
扩频因子控制器由掩码器和按位与门组成。掩码器能够控制频率斜坡函数的频率翻转速度；掩码器与频率累加器有相同的位宽；掩码log2(ML)+1个最低有效位LSB都为1，剩余的位数为0；按位与门的掩码操作与公式(4)中的以2ML为单位取模的操作相对应；不同的SF产生不同的Chirp信号；
掩码器根据控制单元CU中的Bw信号和Sf信号创建掩码，生成的掩码信息与频率累加器产生通过校正后输出的频率采样点按位相与得到一个经过确定扩频因子的频率斜坡函数，并输入到中心频率控制器中。
其中，所述步骤S333具体为：
中心频率控制器由最高位MSB翻转电路和加法器组成，MSB翻转电路将被掩码器调制过由按位与AND门输出的频率斜坡函数采样点进行翻转，掩码器调制后的频率斜坡函数频率采样点从0Hz开始，每个掩码调制的频率斜坡采样点分别代表一个从最低有效位到最高有效位的字符，最高位有效翻转电路仅仅对字节的最高有效电位进行翻转，翻转最高有效位使掩码调制的频率斜波函数采样点数据格式从无符号数到有符号数；当翻转之前，频率斜坡函数在0到BW之间翻转，经过翻转之后，频率分别从-BW/2到BW/2，在公式里，频率中心代表公式(4)中的-ML项；
加法器直接将中心频率加到MSB翻转电路，即逆变器输出的倒频率采样上；Chrip信号的中心频率受中心频率信号Center_freq控制，中心频率控制信号Center_freq是与频率累加器具有相同位宽的控制字，因此，中心频率的分辨率也是Fsys/freq_acc_width(Hz)。
其中，所述步骤S334具体为：
Chirp信号方向控制器由选择性逆变器组成，受控制单元CU中输出的Chirp_dir信号控制，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。
其中，所述步骤S35具体为：
通过流水线结构的CORDIC算法来完成向量的旋转，CORDIC算法不需要消耗乘法器，因此本Chirp信号发生器不需要消耗任何的乘法器硬件，能够大大的降低信号发生器设计的功耗；
输入向量x[n]通过以下方式改变产生的Chirp符号的幅度和相位：
当x[n]是一个标量时，对Chirp信号添加一个功率比因子；在这种情况下，Chirp信号发生器产生的Chirp扩频信号有连续的相位，即每一个chirp扩频符号都从零相位开始，从零相位结束；Chirp符号相位的连续性对Chirp信号的频率和时间同步非常重要；
当x[n]是一个单位复数时，对Chirp信号产生相位旋转；在这种情况下，每个符号的相位开始和结束由输入的x[n]决定；这提供了将额外的位编码到每个chirp符号的相位信息中的机会；
当x[n]是一个一般的复数时，同时对Chirp信号进行幅度和相位的改变；这可以将额外的位编码到每个chirp符号的相位和辅导信息中。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明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。
附图说明
图1为上扫频信号的瞬时频率与时间关系图；
图2为上扫频信号的瞬时频率与时间关系图；
图3为现有技术的基于有源法的Chirp信号生成电路示意图；
图4为现有技术的基于查询表的Chirp信号生成电路示意图；
图5为本发明设计的低复杂度的CSS***发射机结构图；
图6为本发明设计的低复杂度的CSS***发射机的工作流程图；
图7为本发明设计的低复杂度的、灵活的Chirp信号发生器结构图；
图8为本发明Chirp信号发生器产生Chirp信号方法的工作流程图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图5所示，本发明提供基于低复杂度的chrip信号发生器的CSS发射机设计方法，包括控制单元(CU)、Chirp信号发生器、脉冲整形滤波器和正交调制器。
在具体实施过程中，如图6所示，CSS发射机由控制单元(CU)，为Chirp信号发生器提供输入信号；Chirp信号发生器，产生所需的Chirp信号；一对脉冲整形滤波器，可以减少Chirp扩频信号的频谱成分带外泄露。例如，平方根升余弦滤波(SRRC)；射频部分组成。正交调制器(射频)把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。正交调制器的数字振荡器在通带产生两个相位差为90°的正弦信号，这两个正弦信号分别与两个DAC输出的Chirp信号相乘，然后通过加法器混合在一起，在通带得到一个单边信号频谱。最后通过控制单元来配置信号发生器和DCO，混合后的信号通过功率放大器发射出去。
在具体实施过程中，该发射机***的核心是低复杂度的、灵活的Chirp信号发生器。Chirp信号发生器的复杂度大小在CSS***发射机复杂度大小上起决定性因素。
为了实现发射机整体低功耗的技术效果，本发明还提出了了一种低复杂度、灵活的Chirp信号发生器的设计方法。
为了使设计的Chirp信号发生器达到低复杂度、灵活性高的技术效果，本发明的技术方案如下：
如图7所示，设计一种低复杂度、灵活的Chrip信号发生器，包括一个频率累加器，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。一个频率控制器，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。所得到的的频率采样值将作为相位累加器的输入。一个相位累加器，调制后的频率采样点输入到相位累加器通过累加生成Chrip信号的相位采样点。一个向量旋转器，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。
更具体的，在传统的数字通信***中，数据符号发送一般采用上变频技术，数据符号首先在基带上进行IQ调制，提高低速传输信号的存储有效性，然后通过上变频分别对I域和Q域处理，最后通过两个数模转换器(DAC)转换成模拟信号。然而，如果Chirp信号的中心频率在不同的频带，上变频技术是非常复杂的。
本专利设计方案的Chirp信号发生器能够在很低的复杂度下直接将Chirp扩频信号调制到通频带。可以降低生成不同频带的信号发生器的复杂度。
Chrip信号中扩频因子(SpreadingFactorSF)及Chirp信号带宽(BW)是非常重要的参数。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***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。
本发明设计的Chirp信号发生器的灵活性体现在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。
本发明设计的Chirp信号发生器的低复杂度体现在：
第一：Chirp信号发生器由两个累加器和一个CORDIC组成，不需要使用LUT(查询表)和乘法器，因此有非常低的复杂度。
第二：本发明通过修改SF、BW、freq_step及Chirp信号的方向可以产生不同的Chirp信号组合，而且几乎没有更复杂的设计及更多的消耗。
实施例2
更具体的，在实施例1的基础上，本发明提供一个完整的低复杂度的Chirp信号发射机的设计，Chirp信号发射机包括控制单元(CU)、Chirp信号发生器、脉冲整形滤波器和正交调制器。该发射机的工作流程包括以下步骤：
S1：控制单元(CU)为chirp信号发生器提供输入信号，包括：Chirp_dir、Center_freq、Sf、Bw、Freq_step和向量x[n]，作为低复杂度的Chirp信号发生器的输入，灵活的产生所需的Chirp信号。
S2：Chirp信号发生器接受控制单元(CU)中产生的Chirp信号信息，生成同相的y[n]_real和正交的y[n]_image通过加法器组合在一起产生所需的规格的Chirp信号。
S3：在Chirp信号发生器之后是一对脉冲整形滤波器，脉冲整形滤波器可以减少Chirp扩频信号的频谱成分带外泄露。例如，平方根升余弦滤波(SRRC)。通过调整脉冲整形滤波器的滚降因子可以控制Chirp扩频信号的频谱滚降。在接收端使用SRRC匹配滤波器能够消除符号间干扰(ISI)，因此能够保持Chirp符号之间的正交性。
S4：正交调制器(射频)把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。正交调制器的数字振荡器在通带产生两个相位差为90°的正弦信号，这两个正弦信号分别与两个DAC输出的Chirp信号相乘，然后通过加法器混合在一起，在通带得到一个单边信号频谱。最后通过控制单元来配置信号发生器和DCO，控制单元可以是一个微型控制器或者是有限状态机。混合后的信号通过功率放大器发射出去。
低复杂度的、灵活的Chirp信号发生器是低复杂度的CSS通信***发射机的重要组成部分，图5为低复杂度的、灵活的Chirp信号发生器的组成结构框图，本发明设计的Chirp信号发生器包含：频率累加器、频率调制器、相位累加器、CORDIC模块。其中频率调制器由掩码器、按位与门、最高位翻转电路、加法器、逆变器组成。
本发明的Chirp信号发生器支持Chirp信号频率步进字、Chirp信号扩频因子和带宽的变化、可实现对Chirp信号方向(上/下扫频)的控制、能够控制所生成的Chirp信号的中心频率、能够直接生成一个过采样的基带组合Chirp符号。
更具体的，如图8所示，本发明的Chirp信号发生器生成chirp信号的具体步骤为：
S1：低复杂度的、灵活的Chirp信号发生器在接收控制单元(CU)发送的一系列信号的基础上产生可调的Chirp组合信号。
本Chirp信号发生器的输入信号包括：一个频率控制字信号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；一个Chirp方向控制器C_dir，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)；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(Down-Chirp)；用来控制Chirp信号的方向；一个中心频率控制信号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；一个扩频因子控制信号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；一个带宽控制信号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。
S2：控制单元输出的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。
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。位宽公式如公式(3)：
其中Sfmax和Bwmin分别表示最大扩频因子和最小信号带宽，Fsys是***时钟频率。
S3：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。所得到的的频率采样值将作为相位累加器的输入。
频率调制模块由加法器1、扩频因子控制器、中心频率控制器及Chirp信号方向控制器组成。频率调制模块的功能：
(1)根据带宽控制信号Bw选择Chirp信号的带宽。
(2)根据扩频因子控制信号Sf选择Chirp信号的扩频因子。
(3)确定信号发生器产生的Chirp信号的中心频率。
(4)确定信号发生器产生的Chirp信号的方向。
由频率调制模块产生的可控制的、调制的频率斜坡函数作为相位累加器的输入。
S4：频率调制模块中的加法器为频率累加器输出的频率斜坡函数增加额外的一位用来半步频率的校正。因为相位是频率在时间下的积分，针对线性变化频率随时间的离散积分与连续积分的区别，通过加法器对频率进行半步频率校正。
S5：校正之后的频率斜坡函数通过扩频因子控制器确定信号发生器生成的Chirp信号的扩频因子及带宽大小，然后输入到中心频率控制器中。
扩频因子控制器由掩码器和按位与门组成。掩码器能够控制频率斜坡函数的频率翻转速度。掩码器与频率累加器有相同的位宽。掩码log2(ML)+1个最低有效位(LSB)都为1，剩余的位数为0.按位与门的掩码操作与公式(4)中的以2ML为单位取模的操作相对应。不同的SF产生不同的Chirp信号(有一个例子)例如：关于给定的带宽Bw,如果扩频因子Sf减少一位，掩码操作会降屏蔽频率采样函数最高有效位更多一位，频率翻转的速度就会提高两倍。关于给定的扩频因子Sf，如果带宽Bw减少一位，结果恰恰相反。
掩码器根据控制单元(CU)中的Bw信号和Sf信号创建掩码，生成的掩码信息与频率累加器产生通过校正后输出的频率采样点按位相与得到一个经过确定扩频因子的频率斜坡函数，并输入到中心频率控制器中。
S6：经过掩码调制后的频率斜坡函数输入到中心频率控制器中，加上确定的中心频率后输出到Chirp信号方向控制器中。
中心频率控制器由最高位(MSB)翻转电路和加法器组成，MSB翻转电路将被掩码器调制过由按位与(AND)门输出的频率斜坡函数采样点进行翻转，掩码器调制后的频率斜坡函数频率采样点从0Hz开始，每个掩码调制的频率斜坡采样点分别代表一个从最低有效位到最高有效位的字符，最高位有效翻转电路仅仅对字节的最高有效电位进行翻转，翻转最高有效位使掩码调制的频率斜波函数采样点数据格式从无符号数到有符号数。当翻转之前，频率斜坡函数在0到BW之间翻转，经过翻转之后，频率分别从-BW/2到BW/2，在公式里，频率中心代表方程(4)中的-ML项。
加法器3直接将中心频率加到MSB翻转电路(逆变器)输出的倒频率采样上。Chrip信号的中心频率受中心频率信号Center_freq控制，中心频率控制信号Center_freq是与频率累加器具有相同位宽的控制字，因此，中心频率的分辨率也是Fsys/freq_acc_width(Hz)。
S7：中心频率确定的频率斜坡函数输入Chirp信号方向控制器确定生成chirp信号的方向。Chirp信号方向控制器由选择性逆变器组成，受控制单元(CU)中输出的Chirp_dir信号控制，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)；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(Down-Chirp)。
S8：方向确定的频率斜坡函数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：
在方程中：
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。
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。
S9：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。
在具体实施过程中，通过流水线结构的CORDIC算法来完成向量的旋转，CORDIC算法不需要消耗乘法器，因此本发明的Chirp信号发生器不需要消耗任何的乘法器硬件，能够大大的降低信号发生器设计的功耗。
输入向量x[n]通过以下方式改变产生的Chirp符号的幅度和相位：
当x[n]是一个标量时，对Chirp信号添加一个功率比因子。在这种情况下，Chirp信号发生器产生的Chirp扩频信号有连续的相位，也就是说，每一个chirp扩频符号都从零相位开始，从零相位结束。Chirp符号相位的连续性对Chirp信号的频率和时间同步非常重要。
当x[n]是一个单位复数时，对Chirp信号产生相位旋转。在这种情况下，每个符号的相位开始和结束由输入的x[n]决定。这提供了将额外的位编码到每个chirp符号的相位信息中的机会.
当x[n]是一个一般的复数时，同时对Chirp信号进行幅度和相位的改变。这可以将额外的位编码到每个chirp符号的相位和辅导信息中。例如：一种PSK/QAM调制的相位调制器应用PSK/QAM映射额外的信息。
本发明设计的Chirp信号发生器有很多的优点：
第一：Chirp信号发生器由两个累加器和一个CORDIC组成，不需要使用LUT(查询表)和乘法器，因此有非常低的复杂度。
第二：本发明的chirp信号发生器是灵活的，通过修改SF、BW、freq_step及chirp信号的方向可以产生不同的chirp信号组合，而且几乎没有更多的消耗。
第三：本发明涉及的chirp信号发生器能够通过设置不同的x[n]值将额外的信息编码到chirp扩频信号的相位和幅度中。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (9)
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；
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***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发射机设计方法，其特征在于，在所述步骤S33中，所述频率调制模块由加法器、扩频因子控制器、中心频率控制器及Chirp信号方向控制器组成；所述步骤S33具体包括以下步骤：
S331：频率调制模块中的加法器为频率累加器输出的频率斜坡函数增加额外的一位用来半步频率的校正；
S332：校正之后的频率斜坡函数通过扩频因子控制器确定信号发生器生成的Chirp信号的扩频因子及带宽大小，然后输入到中心频率控制器中；
S333：经过掩码调制后的频率斜坡函数输入到中心频率控制器中，加上确定的中心频率后输出到Chirp信号方向控制器中；
S334：中心频率确定的频率斜坡函数输入Chirp信号方向控制器确定生成chirp信号的方向；
S335：将方向确定的频率斜坡函数输出至相位累加器。
6.根据权利要求5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S332具体为：
扩频因子控制器由掩码器和按位与门组成。掩码器能够控制频率斜坡函数的频率翻转速度；掩码器与频率累加器有相同的位宽；掩码log2(ML)+1个最低有效位LSB都为1，剩余的位数为0；按位与门的掩码操作与公式(4)中的以2ML为单位取模的操作相对应；不同的SF产生不同的Chirp信号；
掩码器根据控制单元CU中的Bw信号和Sf信号创建掩码，生成的掩码信息与频率累加器产生通过校正后输出的频率采样点按位相与得到一个经过确定扩频因子的频率斜坡函数，并输入到中心频率控制器中。
7.根据权利要求6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S333具体为：
中心频率控制器由最高位MSB翻转电路和加法器组成，MSB翻转电路将被掩码器调制过由按位与AND门输出的频率斜坡函数采样点进行翻转，掩码器调制后的频率斜坡函数频率采样点从0Hz开始，每个掩码调制的频率斜坡采样点分别代表一个从最低有效位到最高有效位的字符，最高位有效翻转电路仅仅对字节的最高有效电位进行翻转，翻转最高有效位使掩码调制的频率斜波函数采样点数据格式从无符号数到有符号数；当翻转之前，频率斜坡函数在0到BW之间翻转，经过翻转之后，频率分别从-BW/2到BW/2，在公式里，频率中心代表公式(4)中的-ML项；
加法器直接将中心频率加到MSB翻转电路，即逆变器输出的倒频率采样上；Chrip信号的中心频率受中心频率信号Center_freq控制，中心频率控制信号Center_freq是与频率累加器具有相同位宽的控制字，因此，中心频率的分辨率也是Fsys/freq_acc_width(Hz)。
8.根据权利要求7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S334具体为：
Chirp信号方向控制器由选择性逆变器组成，受控制单元CU中输出的Chirp_dir信号控制，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。
9.根据权利要求8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S35具体为：
通过流水线结构的CORDIC算法来完成向量的旋转，CORDIC算法不需要消耗乘法器，因此本Chirp信号发生器不需要消耗任何的乘法器硬件，能够大大的降低信号发生器设计的功耗；
输入向量x[n]通过以下方式改变产生的Chirp符号的幅度和相位：
当x[n]是一个标量时，对Chirp信号添加一个功率比因子；在这种情况下，Chirp信号发生器产生的Chirp扩频信号有连续的相位，即每一个chirp扩频符号都从零相位开始，从零相位结束；Chirp符号相位的连续性对Chirp信号的频率和时间同步非常重要；
当x[n]是一个单位复数时，对Chirp信号产生相位旋转；在这种情况下，每个符号的相位开始和结束由输入的x[n]决定；这提供了将额外的位编码到每个chirp符号的相位信息中的机会；
当x[n]是一个一般的复数时，同时对Chirp信号进行幅度和相位的改变；这可以将额外的位编码到每个chirp符号的相位和辅导信息中。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112636788A (zh) * | 2020-12-09 | 2021-04-09 | 重庆邮电大学 | 一种chirp信号在电力线上传输的方法及*** |
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| CN113472294A (zh) * | 2021-07-02 | 2021-10-01 | 上海航天电子通讯设备研究所 | 一种多相dds产生线性调频信号装置和方法 |
| CN116137539A (zh) * | 2023-04-14 | 2023-05-19 | 深圳市国电科技通信有限公司 | 基于LoRa调制的信号生成方法、装置及LoRa设备 |
| WO2024096751A1 (en) * | 2022-11-01 | 2024-05-10 | Enatel | Battery charging and communications using chirp spread spectrum signal modulation |
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2020
- 2020-05-13 CN CN202010401709.8A patent/CN111669200A/zh active Pending
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| CN113472294A (zh) * | 2021-07-02 | 2021-10-01 | 上海航天电子通讯设备研究所 | 一种多相dds产生线性调频信号装置和方法 |
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| CN116137539A (zh) * | 2023-04-14 | 2023-05-19 | 深圳市国电科技通信有限公司 | 基于LoRa调制的信号生成方法、装置及LoRa设备 |
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