Chirp扩频简介

扩频技术自3G通信以来而广为所知。基本有三种方式：直接序列扩频、跳频和Chirp扩频。直接序列扩频（DSSS：Direct Sequence Spread Spectrum）采样互相正交的伪噪声序列（PN序列），在发送端，将待发送数据与PN序列相乘，生成扩频后的送信序列，在扩大频率范围的同时，降低信号的峰值；在接收端，通过与相同的PN序列相关，将会恢复出原先的信号峰值，实现数据的有效检出。跳频扩频（FHSS：Frequency Hopping Spread Spectrum）是将总的通信带宽分成若干窄的频带，然后按预先设好的固定顺序使用这些频带进行通信。FHSS在各种低速通信，特别是利用公用频段的通信中有广泛的应用。但是，无论是DSSS、还是FHSS都需要保证发送和接收双方的设备严格的时间同步，同时在扩频序列、或跳频序列的使用上预先取得一致。在高速复杂的系统中，为此增加的开销不是问题，但对于低速、低功耗的系统中，保持时间同步的开销就会显得突出。

 

Chirp扩频

 

Chirp扩频则是利用其频率在整个带宽上线性变化的正弦脉冲信号来传输信息，因此不需要任何伪随机序列。Chirp扩频由于抗多普勒频移能力较强，一般应用于雷达和水声通信中。由于不需要时间同步，因此也被一些低速低功耗的系统所采用。802.15.4a就定义了一种基于CSS的物理层，而且LoraWAN也是采用基于CSS的专用物理层，但其技术细节没有披露。下面的介绍以802.15.4a中定义的CSS为蓝本。

 

Chirp信号的调制基本上是两种方式：二进制正交键控（BOK：Binary Orthogonal Keying）、直接调制（DM：Direct Modulation）。BOK是利用不同的Chirp脉冲来表示不同的数据，如用从低到高的线性频率变化（up-chirp）表示1，从高到低的线性频率变化（down-chirp）表示0。由于Chirp扩频的处理增益由信号的时间带宽积（TB）所决定，为了得到良好的增益，TB应远大于1，从而导致通信速度不可能太高。DM是在其他方式调制（如DPSK、DQPSK等）后的信号上乘以一个Chirp信号，以达到扩频的目的。在这种情况下，Chirp信号类似于DSSS的PN序列，这种调制方式结构简单，易于实现，而且整个系统可以只用一种Chirp信号，接收处理也方便。802.15.4a定义的Chirp扩频就是采用了DM的方式。

 

DM编码流程

 

DM的基本编码流程如下：

 

 

与一般的处理流程一样，首先将输入的二进制流分成I和Q两个流，基本是按照逐位交错分配：第一个比特输入到I流，则第二个比特输入到Q流。如若输入二进制流为：010110，则I流为：001，Q流为110。

 

在串并变换（S/P）处理，是将输入的I、Q两个子流中的二进制数据以3个比特为单位（以数据速率1Mb/s为例）分别转化为符号流（也即3bit的数据对应一个symbol）。

 

但这样生成的符号流并不直接用于传输，而是进行一次数据符号（data symbol）到双正交码字（bi-orthogonal codeword）的变换。采用双正交码字可以减少互相干扰和多径效应的影响，在802.15.4a中为数据速率1Mb/s的传输定义了以下的符号转化表。

 

8-ary bi-orthogonal mapping (r = 3/4, 1Mb/s)

 

在上面的例子中，做符号变换后，I流为：1 -1 1 -1；Q流为：-1 -1 1 1。

 

然后，进行P/S变换，将生成的I、Q流结合在一起，生成作为QPSK编码输入的码片序列（chip sequence）。上例中的I、Q流结合生成IQ信号，为：1 - j，-1 – j，1+ j，-1 + j。

 

QPSK编码将IQ信号转化成QPSK符号，如下表所示。如表示为复数形式，则为：

 

QPSK Symbol Mapping

 

在上例中，相位编码以后的输出为：-π/2，π，0，π/2。由于其幅度为1，如用复数表示，则为：exp(-jπ/2)，exp(jπ)，1，exp(jπ/2)。

 

在实际的802.15.4a系统中，还对上述QPSK信号进行一次查分编码，此处省略。

 

Chirp调制

 

信号调制的最后一步是进行Chirp扩频，也即进行QPSK到QCSK的调制。在802.15.4a中，一个Chirp符号（Chirp Symbol）由4个Chirp脉冲（subchirp）构成，每个subchirp调制一个上述的QPSK码。从而一个Chirp符号可以编码4个QPSK码字。

 

在802.15.4a中定义了4种Chirp符号，占用两个相邻的子频带，频率随时间的变化如下图所示：

 

 

因此，Chirp信号可以表示为如下形式：

 

 

在直接调制中，是在前面生成的相位信号乘以预先规定的Chirp信号构成。

 

在802.15.4a的定义中，还采用了升余弦窗（RaisedCosine Window）对Chirp脉冲进行整形。从而将调制后的信号表示为一个统一的形式：