一种线性调频通信系统的多普勒频偏补偿方法及装置

本发明涉及无线通信，特别是一种线性调频通信系统的多普勒频偏补偿方法及装置。

背景技术：

1、线性调频信号是一种常见的信号类型，广泛运用于雷达，通信和声纳领域。常见的lora通信技术使用线性调频信号，该信号具有低功耗，长距离，并且广泛运用于卫星地面通信，物联网，智能电网，农业效率，家庭和建筑自动化，工业控制，灾难预防和目标定位。

2、在诸如卫星通信和车载和空中的场景，在发射机和接收机之间有一个相对速度，这将导致多普勒频移，增加比特错误率，降低通信质量。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种线性调频通信系统的多普勒频偏补偿方法及装置，从而提高动态多普勒场景下线性调频信号的通信系统的可靠性。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：一种线性调频通信系统的多普勒频偏补偿方法，包括以下步骤：

3、步骤1、使用低速率优化方法将发送信息映射到新索引上，降低单个符号传输的比特；

4、步骤2、接收前导信号，对前导信号进行采样，以符号持续时间根据帧结构对采样后的信号进行定时估计，在数据部分对收到的一个符号时间的信号乘以本地信号，进行解调制，进行fft，对fft后的结果取模，进行谱峰搜索，找到其中最大的索引；

5、步骤3、根据低速率优化，得到接收信号相对于实际信号的索引偏移，根据索引偏移计算出多普勒频率偏移，对接收的下一个符号进行多普勒频偏补偿。

6、进一步地，所述步骤1具体如下：

7、步骤1.1，首先经过chirp调制获得的信号表示为：

8、

9、其中，b是信号的带宽，fk(i)是起始的频率点，tf＝(b-f)/(bts)为信号的翻折频率，符号的持续时间是ts；时宽带宽积bts＝n，而n＝2sf，sf为信号发送的比特数，xs(t,f)称为升线性调频信号，而xs*(t,f)称为降线性调频信号；当fk(i)＝0时，xs(t,f)和xs*(t,f)不携带初始频率，也被称为本地信号；

10、步骤1.2，使用低速率优化的方法发送数据：将一个符号传输的比特数从sf个减少为sf-c个，用遍历带宽的2sf个频率点去表示2sf-c个符号；

11、编码后，传输的频率点表示为：

12、k(i)＝{1,2,…,m-1},m＝2sf-c

13、其中，sf是扩频因子，i表示发送信号第i个符号；

14、fk(i)是线性调频信号的起始频率点，fk(i)和k(i)的映射关系如下：

15、

16、其中，是一个被设置的变量；将缩减后的频率点k(i)映射到k′(i)，仍以n个频率点进行发送。

17、进一步地，所述步骤2具体如下：

18、步骤2.1，定时信号在信道中传输过程中经历定时误差、多普勒频偏、固定频率偏移和噪声，在奈奎斯特采样率下在接收机中接收的信号表示为：

19、

20、其中，kt是定时错误，h(n)表示信道增益，fdop表示多普勒频率偏移，表示初始的随机相位，w(n)代表接收机噪声，si(n,d)代表带有上升或下降沿的线性调频信号如下：

21、

22、为了使两个部分都能够同步通信，一个前导信号在每次通信前发送，这个前导信号并不携带数据信息但被两个部分用来协商并且确认此次通信的起始时间，这个方法被称为起始捕获跟踪；

23、假设信号基于前导信号的初始定时同步已经完成，由于小数倍的定时误差和多普勒频率偏移，之后的信号需要频率偏移估计和补偿；

24、步骤2.2，在初始定时同步过程后，第i个检测到的符号被标识为yi(n)，如下所示：

25、zi(n)＝y[n+n·(i-1)+δkt(i)]n＝0,1,…,n-1

26、其中，y(n)是在所表示的值，而δkt是定时误差，δkt＜1；

27、多普勒频率偏移fdop(n)的调整周期为一个符号的时间，每一个chirp都需要有频率补偿，第i次检测的频率补偿因子是fe(i)，取决于检测状态；fe(i)在第一次检测的初始值是0，即对第一次的接收的信号不进行补偿，对信号补偿后的结果是：

28、

29、在解调制的过程中，对zi′(n)进行相关检测，将zi′(n)与本地序列相乘，并且对相乘结果进行fft，fft后的结果标记为di(n)，具体过程如下：

30、

31、其中与约定的前导序列有关,的表达式如下：

32、

33、记di(n)的模为pi(n)：

34、

35、步骤2.3，对pi(n)进行谱峰搜索，找到谱峰最大的索引n，该索引即为发射信号索引经过多普勒偏移后对应的值，记是多普勒造成的平均频率偏移，实际发射端发射的频率为

36、进一步地，所述步骤3具体如下：

37、步骤3.1，由索引偏移值voff与频率偏移值foff的关系如下：

38、

39、其中，i表示第i个chirp信号，是索引值为第i个chirp的频率偏移估计值，voff(i)是索引值为第i个chirp的频率偏移；

40、步骤3.2，通过低速率优化纠正索引偏移值，由接收索引序列k′(i)得到发射索引序列中的k(i)的恢复公式如下：

41、k(i)＝2c|(k'(i)+2c-1)

42、其中，|表示2c除以(k'(i)+2c-1)后的整数部分，低速率优化使得从0开始每相邻2c个值为真实发射索引；

43、

44、得到频率偏移值估计值如下：

45、

46、将估算出的频率偏移反馈补偿进入下一次步骤2.2解调过程，直到完成一帧所有符号的解调。

47、本发明还提供一种线性调频通信系统的多普勒频偏补偿装置，该装置用于实现所述的线性调频通信系统的多普勒频偏补偿方法，所述装置包括映射模块、索引计算模块和补偿模块，其中：

48、映射模块，使用低速率优化方法将发送信息映射到新索引上，降低单个符号传输的比特；

49、索引计算模块，接收前导信号，对前导信号进行采样，以符号持续时间根据帧结构对采样后的信号进行定时估计，在数据部分对收到的一个符号时间的信号乘以本地信号，进行解调制，进行fft，对fft后的结果取模，进行谱峰搜索，找到其中最大的索引；

50、补偿模块，根据低速率优化，得到接收信号相对于实际信号的索引偏移，根据索引偏移计算出多普勒频率偏移，对接收的下一个符号进行多普勒频偏补偿。

51、本发明还提供一种移动终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的线性调频通信系统的多普勒频偏补偿方法。

52、本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现所述的线性调频通信系统的多普勒频偏补偿方法中的步骤。

53、本发明与现有技术相比，其显著优点为：

54、(1)通过低速率优化进行频偏估计，计算开销很小，在显著降低误码率提高频率误差容错情况下，不影响收发速率；

55、(2)提高了通信系统的可靠性，使得线性调频信号可以应用于动态多普勒场景。