一种基于CHIRP通信的动态门限同步方法及装置

技术领域

本发明属于物联网通信技术领域，具体涉及一种基于CHIRP通信的动态门限同步方法及装置。

背景技术

在无线通信中，想要正确解调接收到的数据包最重要也是最关键的一步就是同步，一种性能优异的同步算法不仅可以保证解调的正确性还可以提升性能，而同步算法中比较关键的便是门限的确定，门限的好坏直接关系同步的虚警率和漏警率，进而决定整个无线通信系统灵敏度指标是否符合要求。因此同步算法的研究也是一直以来备受关注的方向。

在现有的同步技术中，门限主要分两类：1.固定门限，通过算法建模/仿真以及实际测试来确定最终应用的固定门限值。固定门限有实现简单、资源消耗低、易于获取的优点，但其对于大信号和小信号等不同的场景下虚警率和漏警率存在较大差异，相同条件下无法达到最优的性能。

2.动态门限，通过算法实时动态地计算门限，可在大信号和小信号等不同场景下的达到最优的解调性能。其存在的缺点是实现较为复杂，寻找一个无线通信系统要兼容其所有应用场景的动态门限计算方法比较耗费时间。且在信噪比很低时，动态门限算法仍然存在一定的虚警率和漏警率。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于CHIRP通信的动态门限同步方法及装置，其目的为：通过动态门限的计算方式，降低虚警率和漏警率，同时灵活调整因子可实现接近于期望值的灵敏度性能。

为实现上述目的本发明所采用的技术方案是：提供一种基于CHIRP通信的动态门限同步方法，包括：

S1：数模转化器对获取的初始数据进行处理，得到基带IQ信号，并将所述基带IQ信号输出到基带滤波器组；

S2：所述基带滤波器组根据输入的基带IQ信号的信号带宽，实施对应信号带宽的滤波和下采样，完成基带IQ信号采样率的转换，得到转换信号；

S3：将转换信号根据不同的扩频因子SF配置的点数分组，将不同的分组与基频信号进行除法运算；

S4：将除法运算得到的结果按照扩频因子SF配置进行可变点数的快速傅里叶变换；将快速傅里叶变换得到的结果用CORDIC函数求模，得到求模数据；

S5:找出所述求模数据的峰峰值位置及其数值，通过峰峰值数值位置及其数值计算动态门限；

S6：利用动态门限与峰峰值数值数值进行初步匹配同步，然后通过峰峰值位置进一步确认是否完成同步。

较优的，本发明S2中，基带滤波器组分为四级，分别为：一级2倍下采样滤波、两级4倍下采样滤波和一级通道滤波，基带IQ信号输入到基带滤波器组后，基带滤波器组根据不同信号带宽经过的基带滤波器组的路径，实施对应的滤波和下采样，完成基带IQ信号采样率的转换。

较优的，本发明S3具体为：

S3.1:在CSS中使用chirp符号的波形为：

其中，

S3.2：定义chirp符号的瞬时频率为：

其中，

因此，将chirp符号的瞬时频率特性模型化为为f0=at+b，当b=0时，为基频信号；

S3.3：其中chirp符号产生的matlab简化模型为：

data_css(m+1) = [exp(j*2*pi*(m^2/2/M-1/2*m))]

其中，data_css 是产生的chirp符号数据，M为2^SF，m的取值为0～M-1；

S3.4：基频信号产生的matlab简化模型为：

data_css(m+1) = [exp(j*2*pi*(m^2/2/M))]

其中，M为2^SF，m的取值为0～M-1；

S3.5：转换信号根据不同扩频因子SF以2^SF个采样点为单位分组，每组数据与本地产生的基频信号进行除法运算。

较优的，本发明S5中计算最终门限具体为：

S5.1：对整个分组的求模数据进行求和，结果为sum：

其中，SF为扩频因子，Dn为n点求模数据中各个采样点的数值；

S5.2：搜索获取峰峰值的数值，记为max_value；

S5.3：搜索获取峰峰值位置前面两个点的数值的平均值，记为max_p1；

S5.4：搜索获取峰峰值位置后面两个点的数值的平均值，记为max_p2；

S5.5：将步骤S5.1～S5.4的计算结果进行运算并求取平均，公式为：

Mean_thld=(sum - max_value - max_p1 - max_p2)/2^SF

S5.6：将求取平均得到的结果乘以系数F1得到动态门限，公式为：

Final_thld= Mean_thld * F1。

较优的，本发明S6中，进行初步匹配同步的具体步骤为：

S6.1：计算判决值1，记为judge1：

judge1= (（max_value + max_p1 + max_p2）/2^SF) * F2

S6.2：计算判决值2，记为judge2：

judge2= (max_value/2^SF) * F2

S6.3：计算判决值3，记为judge3：

judge3= (max_p1/2^SF )* F2

S6.4：计算判决值4，记为judge4：

judge4= (max_p2/2^SF) * F2

其中，F2为系数；

初步同步条件具体为：

S6.5：判断条件一是否匹配成功，若judge1>Final_thld则条件一满足，记为condition1=1，否则condition1=0；

S6.6：判断条件二是否匹配成功，若judge2>Final_thld则条件二满足，记为condition2=1，否则condition2=0；

S6.7：判断条件三是否匹配成功，若judge3>Final_thld则条件三满足，记为condition3=1，否则condition3=0；

S6.8：判断条件四是否匹配成功，若judge4>Final_thld则条件四满足，记为condition4=1，否则condition4=0；

S6.9：判断条件五是否匹配成功，若(max_value/2^SF)>K则条件五满足，记为condition5=1，否则condition5=0；

其中，K为系数；

S6.10：判断是否有同步产生，若condition1&&（condition2 || condition3）&&condition4&&condition5 结果为1，则完成初步匹配同步。

较优的，本发明S6中利用峰峰值位置进一步确定是否完成同步的具体步骤为：

S6.11：保存第一次得到求模数据后搜索的峰峰值位置，记为position(1)；

S6.12：保存第二次得到求模数据后搜索的峰峰值位置，记为position(2),若本次求模数据中2^SF点未满足初步同步条件则回到S6.11重新搜索；

S6.13：保存第n次得到求模数据后搜索的峰峰值位置，记为position(n),n为自然数，若本次求模数据中2^SF点未满足初步同步条件则回到S6.11重新搜索；

S6.14：步骤S6.11～S6.13以流水的形式持续搜索并保存峰峰值位置；若连续m次搜索的峰峰值位置均在某个位置的前后各一个点范围之内则判定为符合同步条件，其中m为系数；

S6.15：若步骤S6.10和步骤S6.14的条件同时成立即可判定同步完成，然后进行后续解调处理，若步骤S6.10和步骤S6.14的条件不能同时成立，则回到步骤S5，持续搜索峰峰值位置及其数值。

本发明还提出了一种基于CHIRP通信的动态门限同步装置，包括：

数模转换器：获取初始数据并进行预处理，输出基带IQ信号；

基带滤波器组：输入输出基带IQ信号，根据输入的基带IQ信号的信号带宽，实施对应信号带宽的滤波和下采样，完成基带IQ信号采样率的转换，得到转换信号；

除法运算单元：将转换信号根据不同的扩频因子SF配置的点数分组，将不同的分组与基频信号进行除法运算；

DFT求模单元：将除法运算得到的结果按照扩频因子SF配置进行可变点数的快速傅里叶变换；将快速傅里叶变换得到的结果用CORDIC函数求模，得到求模数据；

动态门限单元:找出所述求模数据的峰峰值位置及其数值，通过峰峰值数值位置及其数值计算动态门限；

同步单元：利用动态门限与峰峰值数值数值进行初步匹配同步，然后通过峰峰值位置进一步确认是否完成同步。

相比现有技术，本发明的技术方案具有如下优点/有益效果：

1.本发明通过在时域完成接收基带IQ信号与基频信号的除法运算，然后转到频域根据快速傅立叶变换的结果来完成解调门限计算、preamble搜索、帧同步、ID解调等的一些列后续处理，处理具有运算过程简洁、逻辑易于实现及资源占用率低等特点。

2.本发明通过灵活调整参数F1、参数F2和参数K，可实现接近于期望值的灵敏度性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施例1的流程示意图。

图2是本发明实施例1的帧结构示意图。

图3是本发明实施例1的动态门限计算示意图。

具体实施方式

为使本发明目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

实施例1：

如图1-图3所示，本实施例1提供一种基于CHIRP通信的动态门限同步方法，同步过程中所使用到的符号为preamble，图2所示为本发明系统的帧结构。帧结构中preamble数量由上层协议配置，但至少为4个。记SF为10，以下为具体的实施步骤：

S1：数模转化器对获取的初始数据进行处理，得到基带IQ信号，并将所述基带IQ信号输出到基带滤波器组；

S2：所述基带滤波器组根据输入的基带IQ信号的信号带宽，实施对应信号带宽的滤波和下采样，完成基带IQ信号采样率的转换，得到转换信号；基带滤波器组分为四级，分别为：一级2倍下采样滤波、两级4倍下采样滤波和一级通道滤波，基带IQ信号输入到基带滤波器组后，基带滤波器组根据不同信号带宽经过的基带滤波器组的路径，实施对应的滤波和下采样，完成基带IQ信号采样率的转换。

S3：将转换信号以1024为单位分组，将不同的分组与基频信号进行除法运算；S3具体为：

S3.1:在CSS中使用chirp符号的波形为：

其中，

S3.2：定义chirp符号的瞬时频率为：

因此，将chirp符号的瞬时频率特性模型化为为f0=at+b，因此解调也就是找到每个chirp符号对应的b，方法就是将接收信号与本地产生的chirp基频信号相除，当b=0时，为基频信号；相除后得到结果即为频率为b的单音信号与信道畸变叠加的结果。然后通过DFT计算找到单音信号的频点，从而得到b的数值。

S3.3：其中chirp符号产生的matlab简化模型为：

data_css(m+1) = [exp(j*2*pi*(m^2/2/M-1/2*m))]

其中，data_css 是产生的 chirp 符号数据，M为2^SF，m的取值范围为0～M-1；

S3.4：基频信号产生的matlab简化模型为：

data_css(m+1) = [exp(j*2*pi*(m^2/2/M))]

其中，M为2^SF，m的取值为0～M-1；

S3.5：转换信号根据不同扩频因子SF以2^SF个采样点为单位分组，每组数据与本地产生的基频信号共轭相乘，

data_demod = rec_data*conj(basic_data)。

S4：将除法运算得到的结果按照扩频因子SF配置进行可变点数的快速傅里叶变换；将快速傅里叶变换得到的结果用CORDIC函数求模，即将除法运算得到的结果进行DFT运算和abs求模运算，得到求模数据；

S5:找出所述求模数据的峰峰值位置及其数值，通过峰峰值数值位置及其数值计算动态门限；计算最终门限具体为：

S5.1：对整个分组的求模数据进行求和，结果为sum：

其中，SF为扩频因子，Dn为n点求模数据中各个采样点的数值；

S5.2：搜索获取峰峰值的数值，记为max_value；

S5.3：搜索获取峰峰值位置前面两个点的数值的平均值，记为max_p1；

S5.4：搜索获取峰峰值位置后面两个点的数值的平均值，记为max_p2；

S5.5：将步骤S5.1～S5.4的计算结果进行运算并求取平均，公式为：

Mean_thld=(sum - max_value - max_p1 - max_p2)/2^SF

S5.6：将求取平均得到的结果乘以系数F1得到动态门限，公式为：

Final_thld= Mean_thld * F1。

S6：利用动态门限与峰峰值数值数值进行初步匹配同步，然后通过峰峰值位置进一步确认是否完成同步。进行初步匹配同步的具体步骤为：

S6.1：计算判决值1，记为judge1：

judge1= (（max_value + max_p1 + max_p2）/2^SF) * F2

S6.2：计算判决值2，记为judge2：

judge2= (max_value/2^SF) * F2

S6.3：计算判决值3，记为judge3：

judge3= (max_p1/2^SF )* F2

S6.4：计算判决值4，记为judge4：

judge4= (max_p2/2^SF) * F2

其中，F2为系数；

初步同步条件具体为：

S6.5：判断条件一是否匹配成功，若judge1>Final_thld则条件一满足，记为condition1=1，否则condition1=0；

S6.6：判断条件二是否匹配成功，若judge2>Final_thld则条件二满足，记为condition2=1，否则condition2=0；

S6.7：判断条件三是否匹配成功，若judge3>Final_thld则条件三满足，记为condition3=1，否则condition3=0；

S6.8：判断条件四是否匹配成功，若judge4>Final_thld则条件四满足，记为condition4=1，否则condition4=0；

S6.9：判断条件五是否匹配成功，若(max_value/2^SF)>K则条件五满足，记为condition5=1，否则condition5=0；

其中，K为系数；

S6.10：判断是否有同步产生，若condition1&&（condition2 || condition3）&&condition4&&condition5 结果为1，则完成初步匹配同步。

利用峰峰值位置进一步确定是否完成同步的具体步骤为：

S6.11：保存第一次得到求模数据后搜索的峰峰值位置，记为position(1)；

S6.12：保存第二次得到求模数据后搜索的峰峰值位置，记为position(2),若本次求模数据中2^SF点未满足初步同步条件则回到S6.11重新搜索；

S6.13：保存第n次得到求模数据后搜索的峰峰值位置，记为position(n),n为自然数，若本次求模数据中2^SF点未满足初步同步条件则回到S6.11重新搜索；

S6.14：步骤S6.11～S6.13以流水的形式持续搜索并保存峰峰值位置；若连续m次搜索的峰峰值位置均在某个位置的前后各一个点范围之内则判定为符合同步条件，其中m为系数；

S6.15：若步骤S6.10和步骤S6.14的条件同时成立即可判定同步完成，然后进行后续解调处理，若步骤S6.10和步骤S6.14的条件不能同时成立，则回到步骤S5，持续搜索峰峰值位置及其数值。

本实施例1中，以流水的形式持续搜索求模数据的最大值及位置，位置记为P，同时持续计算动态门限，动态门限计算的流程框图如图3所示,计算过程见S5.1-S5.6,同步过程见S6.1-S6.15。若连续3次最大值大于动态门限，且连续3次最大值的位置满足|P1-P2|<=1,并且|P2-P3|<=1，则同步完成，进行后续解调处理。

本实施例1还提出了一种基于CHIRP通信的动态门限同步装置，包括：

数模转换器：获取初始数据并进行预处理，输出基带IQ信号；

基带滤波器组：输入输出基带IQ信号，根据输入的基带IQ信号的信号带宽，实施对应信号带宽的滤波和下采样，完成基带IQ信号采样率的转换，得到转换信号；

除法运算单元：将转换信号根据不同的扩频因子SF配置的点数分组，将不同的分组与基频信号进行除法运算；

DFT求模单元：将除法运算得到的结果按照扩频因子SF配置进行可变点数的快速傅里叶变换；将快速傅里叶变换得到的结果用CORDIC函数求模，得到求模数据；

动态门限单元:找出所述求模数据的峰峰值位置及其数值，通过峰峰值数值位置及其数值计算动态门限；

同步单元：利用动态门限与峰峰值数值数值进行初步匹配同步，然后通过峰峰值位置进一步确认是否完成同步。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。