Chirp-rate調(diào)制的新型解調(diào)方法

王開元

(桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004)

常見的Chirp超寬帶系統(tǒng)的調(diào)制方式有三種[1-2]：二進(jìn)制正交鍵控調(diào)制BOK(Binary Orthogonal Keying)、直接調(diào)制DM(Direct Modulation)、調(diào)頻斜率調(diào)制CRM(Chirp Rate Modulation)。CRM利用Chirp信號(hào)不同的調(diào)頻率攜帶不同的信息，在一個(gè)Chirp信號(hào)周期內(nèi)，可以傳輸多個(gè)比特的信息，相對(duì)于BOK和DM，提高了信息速率。

分?jǐn)?shù)階傅里葉變換FRFT(Fractional Fourier Transform)是常見的CRM信號(hào)解調(diào)方式[3]，F(xiàn)RFT解調(diào)的理論研究較為成熟，但是其方法需要高速的數(shù)字采樣以及分?jǐn)?shù)階傅里葉變換處理，不適用于高速率CRM信號(hào)的實(shí)時(shí)解調(diào)。本文提出了基于分段去斜率的方法用來(lái)解調(diào)CRM信號(hào)，方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，同時(shí)性能略優(yōu)于FRFT方法。

1 Chirp信號(hào)去斜率(混頻)原理

去斜率技術(shù)[4]是采用發(fā)射的Chirp信號(hào)與接收到的Chirp信號(hào)做混頻(去斜率)處理，其原理如圖1所示。將接收到的Chirp信號(hào)與發(fā)射的Chirp信號(hào)的時(shí)延信息轉(zhuǎn)換為不同的頻率信息。

圖1 去斜率原理圖

Xr(t)為接收到的Chirp信號(hào)：

Xref(t)為本地產(chǎn)生的Chirp信號(hào)：

其中，fc是載頻，τ0是接收信號(hào)的時(shí)延，T為脈沖寬度，k為調(diào)頻斜率，帶寬B=kT，τ為本地Chirp信號(hào)時(shí)延。接收信號(hào) XT(t)與本地信號(hào) Xref(t)進(jìn)行混頻(去斜率)，得到中頻信號(hào)XF(t)：

在調(diào)頻率k一定的情況下，中頻信號(hào)XF(t)為單頻信號(hào)，其頻率 fb與 Chirp信號(hào)的時(shí)延差τ-τ0成正比。

在時(shí)延差 τ-τ0一定的情況下，中頻信號(hào) XF(t)的頻率fb與Chirp信號(hào)的調(diào)頻斜率成正比。從而把不同的調(diào)頻率轉(zhuǎn)換成不同的單頻信號(hào)。

2 基于Chirp-rate調(diào)制的UWB系統(tǒng)模型

本文根據(jù)Chirp信號(hào)去斜率的特性，提出基于Chirp信號(hào)調(diào)頻率(Chirp-rate)調(diào)制的超寬帶系統(tǒng)模型，其調(diào)制柜圖如圖2所示。

圖2 調(diào)制框圖

2.1 調(diào)制原理

本系統(tǒng)發(fā)送的m個(gè)信號(hào)am經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后，由信息碼元 s表示，s屬于集合{s|s1，s2…sn}。 k為 Chirp信號(hào)，調(diào)頻率k屬于集合{k|k1，k2…kn}，對(duì)Chirp信號(hào)進(jìn)行高階調(diào)制，不同的信息碼元集合{s|s1，s2…sn}與調(diào)頻率集合{k|k1，k2…kn}一一對(duì)應(yīng)，不同調(diào)頻率攜帶不同的發(fā)送信息碼元。

2.2 解調(diào)原理

根據(jù)Chirp信號(hào)去斜率的特性，提出分段去斜率的方法，即在把接收信號(hào)與接收信號(hào)的時(shí)延進(jìn)行混頻(去斜率)。這種方法不需要在接收端產(chǎn)生載波(Chirp信號(hào))，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的復(fù)雜度，CRM信號(hào)時(shí)頻圖如圖3所示。

圖3 CRM信號(hào)時(shí)頻圖

假設(shè)在[0，T]時(shí)間內(nèi)接收到的第 1個(gè) Chirp信號(hào)XT1(t)為：

假設(shè)在[T，2T]時(shí)間內(nèi)接收到第2個(gè)Chirp信號(hào)XT2(t)為：

在 T/2＜t＜T 時(shí)間內(nèi)：

在 T＜t＜T+T/2 時(shí)間內(nèi)：

本系統(tǒng)使用包絡(luò)檢波來(lái)解調(diào)MFSK信號(hào)[5]，最終解調(diào)框圖如圖4所示。

圖4 解調(diào)框圖

3 性能分析及仿真

本文分析了基于去斜率(混頻)的 Chirp-rate調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)在加性白高斯噪聲(AWGN)信道下的性能，并在二進(jìn)制Chirp-rate調(diào)制情況下與基于分?jǐn)?shù)階傅里葉變換的Chirp-rate調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了比較。

經(jīng)過 AWGN信道后，在 T/2＜t＜T時(shí)間內(nèi)：

過中心頻率為ω0=2πfb的理想帶通濾波器后：

根據(jù)參考文獻(xiàn)[5]推導(dǎo)，MFSK信號(hào)采用非相干解調(diào)時(shí)，誤碼率為：

在二進(jìn)制調(diào)制情況下，誤碼率為：

仿真環(huán)境設(shè)為：載頻 fc=100 MHz，調(diào)頻率 k1=3×1012，k2=4×1012，脈沖周期 T=10 μs，發(fā)送 1012個(gè)二進(jìn)制碼元。誤碼率仿真圖如圖5所示。

圖5 誤碼率圖

本方法誤碼率在低信噪比的情況下略差于FRFT方法，在高性噪比的情況下明顯好于FRFT方法，約有3 dB性能優(yōu)勢(shì)。

對(duì)比FRFT方法，本文方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要進(jìn)行高速的數(shù)字采樣，即可對(duì)Chirp-rate信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，性能也優(yōu)于FRFT方法。本文在第二級(jí)對(duì)MFSK信號(hào)解調(diào)時(shí)，采用了非相干方式，如果在用相干解調(diào)或者數(shù)字方式解調(diào)可以得到更好的性能[6]。

[1]Zhuang Weihua， Shen Xuemin， Bi Qi.Ultral wideband wireles communications[J].Wireless Communications and Mobile Computing， 2003(3)：663-685.

[2]賀鵬飛，呂英華.基于Chirp-BOK調(diào)制的超寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)研究 [J].南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版)，2006，26(2)：21-25.

[3]鄧兵，陶然，平殿發(fā).基于分?jǐn)?shù)階 Fourier變換的 Chirprate調(diào)制解調(diào)方法研究[J].電子學(xué)報(bào)，2008，36(6)：1078-1083.

[4]明文華，劉志學(xué).超寬帶LFM信號(hào)去斜率脈壓分析[J].航天電子對(duì)抗，2007，23(5)：58-64.

[5]曹志剛，錢亞生.現(xiàn)代通信原理[M].北京：清華大學(xué)出版社，1994.

[6]王楠，古瑞江，于宏毅.一種新型的 FSK解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].通信技術(shù)，2008，41(9)：29-31.