一种频移Chirp信号帧检测方法

本发明涉及信号检测，更具体地，涉及一种频移chirp信号帧检测方法和装置。

背景技术：

1、随着无线通感一体化技术的飞速发展，云连接、车联网、无人驾驶及机器间通信等物联网（internet of things）类新型场景逐渐进入人们视野，物联网设备及各类机器、无线终端对复杂环境下的通信性能提出挑战。在典型的应用场景下，无人机、传感器等机器类终端偶尔需要通过小型数据包来传送各类猝发指令、紧急控制信息（如启动、停止、移动、移位、旋转）以及传感器数据（如温度、功耗、密度）。这些零星偶发的短数据包具有容量小、周期短、发送时间不定等特点。接收端每间隔一定周期进行信号检测，检测的信号能量超出阈值后，才会进行高效地同步、解调等过程，否则认为没有信号到达。与此同时，在短数据包的传输过程中，高传输速率、抗干扰性能的信息资源利用问题显得格外重要，而制约系统信息传输的主要短板则在于在给定虚警概率前提下，检测性能远低于解调性能，检测性能低下意味着接收端将携带信息的信号当作噪声，导致信号到达后无法准确地进入后续的解调过程，因此，检测过程直接决定着环境感知、目标识别及指挥控制等关键任务的成败。同时，由于各类终端与机器间通信常采用短数据包的形式传输控制命令与传感器数据，而传统的短数据包不仅携带接收机待获取的信息比特，还携带要保证无线协议正确运行的附加比特，包含短数据包的检测、同步、信道估计等信息，这些数据被称作前导序列。传统的短包结构中，为保证信息传输过程的可靠性，执行协议的前导序列占比开销过大，同时利用前导训练可实现一定程度的抗干扰性能，实现低误码的信息交换。然而这将直接导致短包的传输速率下降，为提高信息传输吞吐量只能增加短数据包的长度，又无疑限制了短包传输的时效性。

2、在物联网的lora调制技术中，chirp信号在物理层调制的信息数据前充当检测同步头，且chirp信号在分数傅里叶变换（fractional fourier transform，frft）域具有脉冲特性，可代替短包中前导序列的检测与同步作用。借助这一思想，通过chirp扩频调制能有效实现信息加载及检测过程，可实现完全消除前导序列，提高通信效率。frft将chirp信号随着变换阶数不断转换实现能量聚集与分散，滤除噪声成分，保留信号特征。在合适的分数阶下，chirp信号能量汇集，出现窄带脉冲峰，从而实现能量检测与估计。不仅如此，chirp信号为线性调频信号，具有良好的时频耦合特性，对多普勒频偏具有天然的免疫性，可较好地抵抗在动态场景下因频率偏移对信息解调造成的译码干扰。

3、传统的chirp扩频（chirp spread spectrum，css）技术通过控制chirp信号的调频率调制信息比特。现有技术中通过采用chirp信号作为信号基，通过二进制正交键控（binary orthogonal keying，bok）调制技术来载荷信息。chirp-bok为最常用的调制技术之一，原理简单，在解调时只需要通过能量检测就可以恢复原始数据，chirp信号的调频率在噪声中很难被扭曲，因此chirp-bok调制在抑制噪声方面有很好的鲁棒性。然而，chirp-bok信号每个码元仅携带受调频率制约的1bit信息，并未解决短包传输中的效率低下问题。另一种现有技术中利用chirp信号设计了一种超宽带多址系统。该系统利用多条带宽建立独立支路，多路之间用户相互正交，实现信息传输速率的提升。但该方法消耗了大量的带宽资源，换取系统的吞吐量。

技术实现思路

1、针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种频移chirp信号帧检测方法和装置，针对未知起始频移调制前提下，均自适应地检测出频移chirp信号的能量峰值，有效提升了经频移调制后chirp信号帧的检测性能。

2、为实现上述目的，按照本发明的第一个方面，提供了一种频移chirp信号帧检测方法，该方法包括：

3、接收信号帧，所述信号帧包括若干码元，每个码元包括若干频移段；

4、对每个码元采用自适应frft，得到所述码元在frft域的峰值；

5、选取所述码元在frft域的峰值，求和作为能量累计检测的评价函数；

6、当所述评价函数大于判断阈值时，所述接收端判断接收到了所述信号帧；

7、所述自适应frft，是指使所述frft的积分算子的变量遍历所有的频移段移位数，生成若干个frft积分算子；以上述frft积分算子分别与码元进行frft运算，得到码元在frft域的若干信号；获取上述信号中具有唯一最大的信号，以该峰值作为该码元在自适应frft域的峰值。

8、进一步地，上述频移chirp信号帧检测方法还包括：

9、所述码元，表示为：

10、；

11、其中表示线性调频信号初始频率，表示调频率参数， b为chirp信号带宽， t为持续时间， q为所述码元的频移段数， k表示该码元中频移段移位数，；

12、所述自适应frft，采用的积分算子如下：

13、；

14、；

15、其中， p为frft阶数，为所述积分算子的变量，；

16、所述自适应frft，是指使所述frft的积分算子中的遍历，得到若干frft的积分算子；以上述frft积分算子分别与码元进行frft运算，得到码元在frft域的若干信号；获取上述信号中具有唯一最大的信号，以该峰值作为该码元在自适应frft域的峰值。

17、进一步地，上述频移chirp信号帧检测方法还包括：

18、检测窗口长度为所述码元的频移段数、或所述码元的频移段数的一半。

19、进一步地，上述频移chirp信号帧检测方法还包括：

20、所述检测窗口长度为所述码元的频移段数时，所述判断阈值表示为；其中，表示接收第1~n个码元时，接收到的噪声信号经自适应frft后，取最大值的和，表示时移量，表示所述信号帧到达时间的偏移量，n表示所述信号帧中所述码元的个数。

21、进一步地，上述频移chirp信号帧检测方法还包括：

22、还包括在发射端将短数据包进行调制，所述短数据包长度为1信号帧，所述调制是指将每个原始码元的频移段进行循环移位。

23、按照本发明的第二个方面，还提供了一种频移chirp信号帧检测装置，其包括：

24、接收端，用于接收信号帧，所述信号帧由若干码元组成；

25、所述接收端包括计算模块，用于对每个码元采用自适应frft，得到所述码元在frft域的峰值；还用于选取所述码元在frft域的峰值，求和作为能量累计检测的评价函数；

26、所述接收端还包括判断模块，当所述评价函数大于判断阈值时，所述接收端判断接收到了所述信号帧；

27、所述自适应frft，是指使所述frft的积分算子中，码元的频移段移位数遍历所有的频移段移位数，生成若干个frft积分算子；以上述frft积分算子分别与码元进行frft运算，得到码元在frft域的若干信号；获取上述信号中具有唯一最大的信号，以该峰值作为该码元在自适应frft域的峰值。

28、进一步地，上述频移chirp信号帧检测装置还包括：

29、所述码元，表示为：

30、；

31、其中表示线性调频信号初始频率，表示调频率参数， b为chirp信号带宽， t为持续时间， q为所述码元的频移段数， k表示该码元中频移段移位数，；

32、所述自适应frft，采用的积分算子如下：

33、；

34、；

35、其中， p为frft阶数，为所述积分算子的变量，；

36、所述自适应frft，是指使所述frft的积分算子中的遍历，得到若干frft的积分算子；以上述frft积分算子分别与码元进行frft运算，得到码元在frft域的若干信号；获取上述信号中具有唯一最大的信号，以该峰值作为该码元在自适应frft域的峰值。

37、进一步地，上述频移chirp信号帧检测装置还包括：

38、检测窗口长度为所述码元的频移段数、或所述码元的频移段数的一半。

39、进一步地，上述频移chirp信号帧检测装置还包括：

40、所述检测窗口长度为所述码元的频移段数时，所述判断阈值表示为；其中，表示接收第1~n个码元时，接收到的噪声信号经自适应frft后，取最大值的和，表示时移量，表示所述信号帧到达时间的偏移量，n表示所述信号帧中所述码元的个数。

41、进一步地，上述频移chirp信号帧检测装置还包括：

42、发射端用于将短数据包进行调制，所述短数据包长度为1信号帧，所述调制是指将每个原始码元的频移段进行循环移位。

43、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

44、本发明提供的频移chirp信号帧检测方法，其自适应frft针对未知起始频移调制前提下，均自适应地检测出频移chirp信号的能量峰值，有效提升了经频移调制后chirp信号帧的检测性能。