一种基于FFT的扩频因子可配置的Chirp扩频调制的解调方法

本发明涉及一种基于fft的扩频因子可配置的chirp扩频调制的解调方法，属于无线数据通信。

背景技术：

1、近些年来，随着物联网(internet of things，简称iot)技术的发展与越来越广泛的应用，物联网数据传输越发需求带宽窄、功耗低且传输距离远的长距离通信技术，现今使用较多的短距离、高速度的无线传输技术不能满足物联网发展的需要。区别于传统移动通信网络技术中使用的无线接入技术，低功耗广域网(low-power wide-area network,lpwan)作为一种广域低功耗无线电通信网络技术，具有传输距离远、带宽窄、速率低、待机久、易于部署等特点，作为一项新兴物联网技术快速发展并在工农业、运输、健康等领域大规模应用。

2、sigfox、lora、nb-iot是当前lpwan中比较典型的几种技术。其中nb-iot相较sigfox和lora具有更快的调制速率，他采用单载波频分多址(fdma)进行上行通信，正交fdma(ofdma)进行下行通信并使用正交相移键控(qpsk)调制，具有同步通信和高服务质量的优势，但是其ofdm/fdma的访问模式需要设备消耗更多的能量。sigfox使用dbpsk上行和gfsk下行的方式缓慢少量地发送数据，该技术采用非常窄的信道带宽，接收机需监听的频谱段小，因此降低了噪声影响和天线的功耗，可以实现远程传输，但是sigfox的物理层通信技术和网络协议规范都是私有的，网络的部署由sigfox公司负责。lora使用宽带线性调频和扩频编码相结合的啁啾扩频(chirp spread spectrum，css)调制技术，通过扩频因子权衡传输距离、带宽和速率之间的关系，虽然占用了更宽的频带，换来了较强的抗干扰能力和较高的接收机灵敏度，相较于nb-iot具有低功耗的优势。且不同于sigfox，lora的规范协议lorawan是开放获取的，因此lora成为lpwan通信中越来越流行的调制方案。

3、然而lora作为semtech公司的专利技术，其物理层细节一直是没有公开的商业机密，对css调制解调技术的研究有助于开发自主可控的lpwan技术以避免lora芯片断供的风险。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于fft的扩频因子可配置的chirp扩频调制的解调方法，实现信号检测、符号同步和接收功能。

2、为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

3、第一方面，本发明提供了一种基于fft的扩频因子可配置的chirp扩频调制的解调方法，所述方法适用于css信号接收机，所述css信号接收机包括正交解调模块、css解调模块、帧头检测与同步模块、判决模块、逆映射和并串变换模块，所述css解调模块模块包括本地信号发生器和fft模块，所述方法包括：

4、接收css信号调制器发送的css信号，输入至正交解调模块，得到基带接收信号；

5、发送基带接收信号至css解调模块，其中css解调模块模块中的本地信号发生器不断产生dechirp信号与基带接收信号相乘；

6、将基带接收信号与dechirp信号相乘的结果输入至fft模块做fft运算，得到最大频幅值和其频率位置，输出到帧头检测与同步模块、判决模块中；

7、帧头检测与同步模块根据输入的最大频幅值和其频率位置进行帧头检测和符号同步，得到帧头检测信号和同步调整信号，并返回同步调整信号至本地信号发生器以使本地信号发生器根据同步调整信号修改dechirp信号的相位；

8、通过帧头检测信号启动判决模块，判决模块根据fft模块输入的最大频幅值和其频率位置，得到单频信号频率并输出到逆映射和并串变换模块；

9、逆映射和并串变换模块将判决模块输出的单频信号频率映射成符号调制值，再通过并串变换将sf位符号值还原成比特流，完成解调端数据接收。

10、进一步的，所述css信号调制器发送css信号的过程包括：

11、根据css信号的扩频因子sf，每sf位代表一个chirp符号，符号值为调制值q，发送比特流前端为多个调制值为0的前导符号用于接收机同步；

12、通过串并变换，将发送比特流分组，输入到css信号调制器；

13、css信号调制器根据调制值q产生线性调频信号s(n)，表达式如下：

14、

15、其中：

16、

17、上式(1)(2)中：是第i个chirp符号的相位，只在n∈[(i-1)2sf+1,i2sf]内有值，bw是信号带宽，dir为扫频方向，取值1或-1，fs为采样频率，为满足奈奎斯特定律取fs＝bw，是第i个chirp符号的扫频起始位置，代表了调制信息，取值[0,2sf-1]，在每个符号开始时改变；

18、将线性调频信号再经过正交调制后输出css信号。

19、进一步的，所述接收css信号调制器发送的css信号，输入至正交解调模块，得到基带接收信号，其中基带接收信号r(n)公式如下：

20、

21、上式(3)中：δfc为载波频率偏移。

22、进一步的，所述发送基带接收信号至css解调模块，其中css解调模块模块中的本地信号发生器不断产生dechirp信号与基带接收信号相乘，包括：

23、基带接收信号r(n)输入css解调模块中，模块中的本地信号发生器不断产生dechirp信号与r(n)相乘，dechirp信号是前导信号的共轭，其表达式为：

24、

25、其中：

26、

27、上式(4)(5)中：f0和θ0分别为频率、相位偏移量，是第i个dechirp符号的相位，只在[(i-1)2sf+1,i2sf]内有值，由于每个dechirp符号调制值都为0，因此dechirp信号d(n)也是周期信号，dcorr＝mod(dcorr+binm,2sf)为调整符号，初值为0，由帧头检测与同步模块输出的同步调整信号携带，用于抵消失步信息、修正本地信号相位，binm是后续做fft运算得到的最大频幅值所在频率。

28、进一步的，所述将基带接收信号与dechirp信号相乘的结果输入至fft模块做fft运算，得到最大频幅值和其频率位置，输出到帧头检测与同步模块、判决模块中，包括：

29、css解调模块将基带接收信号与dechirp信号相乘的结果做m＝2^sf点的fft运算，假设发送信号和dechirp信号的时延为采样间隔的整数倍，设为nd，接收到的基带信号和dechirp信号相乘，公式如下：

30、

31、上式是频率为[mod(fi+nd-dcorr,bw)+δf]的复正弦信号；

32、css解调模块将相乘结果(6)按序装入fft buffer中，buffer的大小为m＝2sf，每装入一个数据点fft计数器加一，当buffer装满且fft计数器等于m时，将计数器重置为一并以buffer中数据做m＝2sf点的fft运算：

33、

34、根据m点fft运算，得到最大频幅值valm和其频率位置binm，输出到帧头检测与同步模块、判决模块中。

35、进一步的，在前导接收阶段，所述帧头检测与同步模块根据输入的最大频幅值和其频率位置进行帧头检测和符号同步，得到帧头检测信号，包括：

36、帧头检测与同步模块根据输入的最大频幅值valm及其频率位置binm进行帧头检测和符号同步，若valm小于判决门限，则基带接收信号未到达，清空buffer并将fft计数器置1，继续接收信号并将数据装入fft buffer中，若大于门限，则接收信号到达，接着判断binm是否等于0，若为0，则说明接收信号与本地dechirp信号同步，若不为0，则此时有：

37、mod(fi+nd-dcorr,2sf)+δf＝nd+δf＝binm    (8)

38、将式(8)带入相位修正符号dcorr＝mod(dcorr+binm,2sf)后再带入式(6)有

39、mod(fi+nd-dcorr,2sf)+δf＝mod(fi+nd-binm,2sf)+δf＝fi    (9)

40、即下一个数据点开始时发送信号与本地信号对齐，之后在接收前导符号时，每m点的fft最大频幅将在fi频率处，同时在下一个数据点到达时，修改fft buffer的加载索fftloadidx＝binm，重新装载fftloadidx之后的数据，此时重新装载的数据已经是同步后的本地信号与基带接收信号相乘的结果，直到buffer装满后，因此次fft计数器未能累加到m，所以清空buffer不做fft运算，将计数器置1，当下一次fft buffer开始装载时，接收信号和本地信号已经对齐，buffer中装载的第一个点是当前发送chirp和当前dechirp信号中第一个点相乘的结果，buffer装满后做m点的fft运算，最大频幅在fi频位置，即binm＝fi，至此接收机已通过本模块完成帧头检测和符号同步，输出帧头检测信号到判决模块。

41、进一步的，所述通过帧头检测信号启动判决模块，判决模块根据输入的最大频幅值和其频率位置，得到单频信号频率并输出到逆映射和并串变换模块，包括：

42、通过帧头检测信号启动判决模块，此时接收信号和本地信号已经对齐，接收基带信号与同步后的dechirp信号相乘得到的单频信号v(n)的频率值，反映了该符号携带的调制数据信息，此时fft buffer装满便做一次m点的fft运算，fft模块从本次运算结果中找出最大的幅度点及其对应的频率值binm输出到判决模块，得到单频信号v(n)的频率值fi＝binm并输出到逆映射和并串变换模块。

43、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

44、本发明提供一种基于fft的扩频因子可配置的chirp扩频调制的解调方法，针对chirp扩频调制信号，采用fft技术进行接收解调，通过接收信号和本地dechirp信号相乘后做fft运算的结果调整本地信号相位，实现信号检测、符号同步和接收功能，本发明提出的解调方法，实现复杂度低，并通过仿真，验证了方法的可行性。