線性調(diào)頻信號的調(diào)制與解調(diào)

線性調(diào)頻信號在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用使用線性調(diào)頻信號進(jìn)行擴(kuò)頻是利用整個帶寬上線性變化的正弦脈沖來傳輸信息。線性調(diào)頻信號由于抗多普勒頻移能力較強，一般用于雷達(dá)和水聲通信中。由于不需要時間同步，也用于一些低速低功耗的系統(tǒng)中。線性調(diào)頻信號的調(diào)制方式基本分為兩種：二進(jìn)制正交鍵控(BOK，BinaryOrthogonalKeying)和直接調(diào)制(DM:DirectModulation)。BOK利用不同的Chirp脈沖表示不同的數(shù)據(jù)，例如使用從低到高的線性頻率變化表示1，從高到低的線性頻率變化表示0。DM是在信號上乘以一個Chirp信號，802.15.4a定義的Chirp擴(kuò)頻就是采用DM方式。線性調(diào)頻信號的基本特征線性調(diào)頻信號的一般表達(dá)式：F(t)=A(t)是幅度函數(shù)，通常情況下，幅度為恒定值。θ(t)是相位函數(shù)，信號的瞬時頻率是θ(t)對時間的一階導(dǎo)數(shù)，調(diào)頻率是θ(t)θ(t)=這里的瞬時頻率為ω+K?t，調(diào)頻斜率為線性調(diào)頻信號的帶寬定義為B=K?T，信號在例如，帶寬B=10Hz，時寬T=10s，載頻fc=0Hz，采樣率fs=40Hz頻域信號時域信號線性調(diào)頻信號的脈沖壓縮特性線性調(diào)頻信號的自相關(guān)函數(shù)如下：?=從表達(dá)式可以看出，自相關(guān)函數(shù)具有sinc函數(shù)的特點，主瓣寬度為2B，幅度為BT脈沖壓縮是采用匹配濾波器來實現(xiàn)的。采用F1(t)=cos(ω?t+12?下圖對不同參數(shù)的線性調(diào)頻信號進(jìn)行了脈沖壓縮處理，可以看到脈壓運算有較高的處理增益，同時，主瓣能量的分布與帶寬有關(guān)。帶寬B時寬T=10s采樣率fs=400Hz延遲0帶寬B時寬T=10s采樣率fs=400Hz延遲0在雷達(dá)信號處理中對目標(biāo)回波進(jìn)行脈沖壓縮，峰值點的位置就反應(yīng)了目標(biāo)的距離；峰值點的大小反應(yīng)了回波的強弱；相位變化就反應(yīng)了目標(biāo)的速度。帶寬B時寬T=10s采樣率fs=400Hz延遲10帶寬B時寬T=10s采樣率fs=400Hz延遲20調(diào)制與解調(diào)BOK調(diào)制線性調(diào)頻信號在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用最初是用相反的調(diào)頻斜率來表示不同的信號。線性調(diào)頻信號的典型表達(dá)式為F(t)=expj?π?(2fct+K?發(fā)射機(jī)框圖如下圖所示。在發(fā)射端，使用二進(jìn)制比特流控制開關(guān)電路，當(dāng)信號為1時，發(fā)送Up-Chirp信號；當(dāng)信號為0時，發(fā)送Down-Chirp信號。ChirpBOK調(diào)制發(fā)射機(jī)框圖匹配濾波接收ChirpBOK調(diào)制接收機(jī)機(jī)框圖匹配濾波（matchedfiltering）是最佳濾波的一種。當(dāng)輸入信號具有某一特殊波形時，其輸出信噪比達(dá)到最大。當(dāng)Up-Chirp與對應(yīng)的Down-Chirp卷積時，能量被壓縮在一個很窄的頻帶內(nèi)；當(dāng)Chirp信號與自身卷積時，得到的是一個較為平坦的寬帶信號。比較取樣時刻的最大值進(jìn)行判決。帶寬B時寬T=10s采樣率fs=400HzUp-Chirp與Down-Chirp卷積帶寬B時寬T=10s采樣率fs=400HzUp-Chirp與Up-Chirp卷積Down-Chirp與Down-Chirp卷積直接調(diào)制線性調(diào)頻信號的瞬時頻率隨時間線性變化，線性脈沖調(diào)頻CSS（ChirpSpreadSpectrum）就是利用線性調(diào)頻信號頻譜較寬的特點去調(diào)制信號。該系統(tǒng)所占用的頻帶寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信息帶寬，所以有較強的抗干擾性能?；诰€性調(diào)頻信號的直接調(diào)制系統(tǒng)是將編碼后的數(shù)據(jù)流與chirp信號相乘來實現(xiàn)頻譜的擴(kuò)展。LoRa假設(shè)擴(kuò)頻因子SF=7，M=2^SF=128，帶寬125kHz。待調(diào)制數(shù)據(jù)為0時，up-chirp和down-chirp的頻率如下:Up-chirp的頻率X=0Down-chirp的頻率待調(diào)制數(shù)據(jù)為64時，up-chirp和down-chirp的頻率如下：Up-chirp的頻率X=64Down-chirp的頻率調(diào)制數(shù)據(jù)為32時，up-chirp和down-chirp的頻率如下：Up-chirp的頻率X=32Down-chirp的頻率可以看到，調(diào)制不同信息時，改變的是掃頻的起始頻率。在接收端，有兩種解調(diào)方式，分別是非相干解調(diào)和相干解調(diào)。采用非相干解調(diào)時，對每個長度為128的采樣序列做FFT，找出其中最大點，對應(yīng)的索引就是原始的碼元。非相干解調(diào)采用相干解調(diào)時，則使用128個本地調(diào)頻信號分別對接收序列做相關(guān)運算，并找出128值中的最大值，以此