chirp扩频综述

Chirp扩频技术综述
摘要：众所周知，扩频技术具有显著的抗干扰和抗衰落特性，并且具有低功耗，及低的被检测概率，因此，扩频技术被广泛的应用于民用和军用通信中。

常用的扩频技术主要有三种：直接序列扩频，跳频和chirp扩频（Chirp Spread Spectrum，CSS）技术。

相比于前两者，Chirp 扩频技术的抗多普勒频移能力更强，且可有效的抗深度衰落。

由于水声信道的多普勒频移是不可忽略的，因此，有必要对chirp扩频技术进行深入的研究，使其能成为水声通信中一种新的调制体制。

另外，近年来FRFT（Fractional Fourier Transform，分数阶傅里叶变换）是信号处理领域一个研究热点，不同于普通的傅里叶变换，FRFT的基函数正是一系列chirp 函数，这使得FRFT可用于检测chirp信号和chirp参数估计，因此，将其引入Chirp扩频系统。

本文将介绍chirp扩频技术的基本原理，及其主要发展和应用，并对基于chirp扩频的多址方案进行讨论。

最后还将介绍基于FRFT的Chirp扩频系统。

一．Chirp扩频技术简介
CSS技术是用线性调频的Chirp脉冲调制发送信息来达到扩频效果的。

Chirp脉冲是正弦信号，在一定时间段内，其频率随时间线性增加或减小。

与DSSS、FHSS相似，CSS利用了它的整个带宽去扩展信号的频谱，不同的是CSS不需要加入任何伪随机序列，它利用了Chirp脉冲自身的频率线性特征，其频率是连续变化的。

CSS与DSSS的解扩原理也有相似之处。

DSSS是通过PN序列扩频的，其解扩需要利用PN序列良好的自相关特性，即：其自相关远大于互相关。

在接收端，如果本地PN序列与接收到的PN序列具有相同的相位时，相关运算出现最大值。

所以可以通过自相关运算，对信号进行解扩，实现数据符号的检测。

CSS的解扩利用了脉冲压缩原理。

接收信号经过匹配滤波后，出现了尖峰脉冲，接收机可以通过对尖峰脉冲的能量捕获来进行数据符号的检测。

匹配滤波在一定程度上可以看作是求自相关。

所以可以认为CSS和DSSS都是通过对扩频序列(信号)求自相关来解扩的。

与传统的扩频技术相比，Chirp扩频有其独特的优点：Chirp扩频的处理增益由信号的时间带宽积TB决定，而Chirp信号的时间带宽积远大于1，所以利用Chirp脉冲传送数据，有较强的抗干扰能力。

Chirp扩频利用了非常宽的频带，即使在非常低的发射功率下，仍然可以抗多径衰落。

同时Chirp扩频还能抗移动通信中常见的多普勒频移。

【1】
二. 调制方式
目前用于Chirp 扩频通信的调制方法可分为两大类，二进制正交键控(Binary Orthogonal Keying ，BOK)调制和直接调制(Direct Modulation ，DM)。

在BOK 中，Chirp 信号被用于表示调制后的符号；而在DM 中，Chirp 信号仅用于扩展已调信号的频谱。

在BOK 系统中，使用两个正交的线性调频信号。

它们的线性调频率（chirp rate ）正好相反。

一个是正的，称为up-chirp ，一个是负的，称为down-chirp ，分别用来表示不同的信号，例如，用up-chirp 表示“1”，用down-chirp 来表示“0”。

Chirp 扩频是一种低速的调制方式，为了提高数据速率，在BOK 系统的基础上，文献【2】提出了一种多进制键控调制，称为Multiple Chirp-rate Shift Keying （MCrSK ），即用不同的调频率 和M i k i ,...2,1, 初始频点i f 0 来对信息进行相应的映射。

这类似于MFSK ，但是该系统比MFSK 鲁棒性更强，且频谱利用率更高。

这种系统在设计的时候需考虑不同调频率的选取方案。

文献【3】提出的M-ary chirp spread spectrum modulation (MCSS)系统，本质上和MCrSK 系统是相同的。

DPSK-MCSS 则是在差分编码的基础上进行多进制chirp 调制，可降低系统对同步的要求。

在DM 系统中，信号先是经过数字调制，如DPSK,DQPSK 等，后直接乘以一个Chirp 信号，用于对已调信号进行扩展。

在这里，chirp 信号的功能与DSSS 中PN 序列的功能相同。

这种调制方式简单，易于实现，整个系统只到了一种线性调频信号，接收端处理也较简单。

DM 系统的灵活之处在于它可以和各种不同的映射方式结合，可实现简单的多进制调制。

三．Chirp 扩频多址方案
作为一种扩频信号，Chirp 信号具有固有的抗干扰特性。

特别是当存在多普勒频移和在多径衰落信道下传播时，chirp 信号更能体现其优势。

基于这些优点，越来越多的学者正在研究其在多用户环境下的性能。

1996年，Said E. El-Khamy et al.提出了一种有效的多址接入技术multi-user chirp modulation ( M-CM)【4】，该技术的重点在于多用户chirp 调制信号的设计，即设计一种有效的线性调频率选取规则，使得每个用户占有相同的带宽并且能量相等。

但是，随着用户数的增加，各用户的chirp 信号之间的互相干扰影响也在不断的增加，从而使系统误码率增加，这就是所谓的多址干扰 multiple-access interference (MAI)。

为了提高该多用户系统在多径衰落信道下的性能，作者提出将FHSS 技术和M-CM 技术结合。

FHSS 技术是利用一个伪随机序列来控制跳频频图案，使信号的载波频率近似随机
变化，在一定的信道带宽内跳变。

FHSS技术在抗多径衰落方面性能优异，且扩频处理增益大，尤其适合在多径衰落环境下使用。

文献【5】提出的FH/M-CM系统即是将整个多用户chirp信号组在不同的频段内随机的跳跃，理论计算和仿真实验证明，M-CM技术与FHSS 技术结合后，性能显著提高。

在FH/M-CM系统中，所有用户共用一个伪随机序列，即所有用户仍在同一个小频段内一起传输，这并没有从根本上减小MAI。

为了进一步减小MAI，文献【6】提出了FH-CDMA/M-CM系统。

FH-CDMA的基本原理是优选一组正交跳频码（伪随机序列），为每个用户分配一个唯一的跳频码，并用该跳频码控制信号载频在一组分布较宽的频率中进行跳变。

换句话说，在FH-CDMA/M-CM系统中，由于每个用户拥有一个唯一的伪随机序列，
1( N为所划分载频数，M 同一时刻，所有用户所承载的信息载频相同的概率由1降为
M
N
为用户数)，这个概率是极小的。

因此，可有效的减小用户之间的干扰，提高系统性能。

四．基于FRFT的Chirp扩频技术
分数阶傅里叶变换（FRFT）是一种广义的傅里叶变换。

与传统傅里叶变换相比，它适于处理处理非平稳信号，尤其是chirp类信号，因为分数阶傅里叶变换可以理解为chirp基分解。

传统的chirp扩频系统在接收端使用匹配滤波器进行相干解调，使输出信号幅度增加，能量集中，从而将有用信号检出。

相比于匹配滤波器，分数阶傅里叶变换对chirp信号有着更强的能量聚集性，可用于对chirp信号的检测和参数估计。

因此，将FRFT与Chirp扩频技术相结合已经成为现阶段的研究热点。

文献【7】提出一种基于FRFT的Chirp信号扩频二进制调制算法，利用Chirp信号在相应分数阶傅里叶域上的能量聚集特性，通过改变Chirp 信号的调频率k的取值使其在分数傅里叶域上的能量聚集位置不同，从而由峰值位置的判决来解调相应的信息。

文献【8】提出的FRFT-PPM系统是在FRFT变换域，根据峰值位置对信号进行PPM编码，在接收端由峰值位置的判决来解调相应的信息。

从另一种意义上说，FRFT-PPM是文献【7】所提方案的多进制改进版本。

与前者不同的是，FRFT-PPM系统中不改变所使用的线性调频率，而是利用信号的初始频率和相位信息，将信息比特进行编码后生成对应的的chirp信号，这些chirp信号在U域上是一串等间隔的脉冲。

在接收端根据峰值位置直接解调得到相应的信息。

这在一定程度上降低了计算的复杂度，提高了数据处理速度。

文献【9】证明在多用户环境下，利用FRFT进行多用户检测可有效减小MAI。

五．结语
参考文献：
【1】Chirp超宽带通信的调制和时间同步技术研究
【2】Multiple Chirp-rate Modulation Based on Fractional Fourier Transform
【3】Underwater Acoustic Communications using M-ary Chirp-DPSK Modulation
【4】S. E. El-Khamy, S. E. Shaaban, and E. A. Tabet, “Efficient multipleaccess communications using multi-user chirp modulation signals,”Proc.IEEE 4th Int. Sym. on Spread Spectrum Techniques and Applications, vol. 3, September 1996, pp.1209-1213.
【5】FREQUENCY-HOPPED MULTI-USER CHIRP MODULATION (F'H/M-cM) FOR MULTIPATH FADING CHANNELS
【6】Wideband Chirp Modulation for FH-CDMA Wireless Systems: Coherent and Non-Coherent Receiver Structures
【7】一种分数傅里叶变换域的切普信号扩频通信方式
【8】Research On FRFT-PPM Underwater Acoustic Communication System
【9】Improved Chirp Modulation Spread Spectrum Receiver based on Fractional Fourier Transform for Multiple Access。