线性调频（LFM）是一种不需要伪随机编码序列的扩展频谱调制技术。由于线性调频信号占用的频带宽度远大于信息带宽，所以也可以获得很大的系统处理增益。线性调频信号又称鸟声（Chirp）信号，因为其频谱带宽落于可听范围，则听若鸟声，所以又称Chirp扩展频谱（CSS）技术。LFM技术在雷达、声纳技术中有广泛应用，如在雷达定位技术中，它可在增大射频脉冲宽度、提高平均发射功率、加大通信距离同时又保持足够的信号频谱宽度，不降低雷达的距离分辨率。

线性调频与鸟声信号

线性调频（LFM）是一种不需要伪随机编码序列的扩展频谱调制技术。因为线性调频信号占用的频带宽度远大于信息带宽，所以也可以获得很大的系统处理增益。线性调频信号也称为鸟声（Chirp）信号，因为其频谱带宽落于可听范围，听着像鸟声，所以又称Chirp扩展频谱（CSS）技术。LFM技术在雷达、声纳技术中有广泛应用，例如，在雷达定位技术中，它可用来增大射频脉冲宽度、加大通信距离、提高平均发射功率，同时又保持足够的信号频谱宽度，不降低雷达的距离分辨率。

发展历史

1962年，M.R.Winkler将CSS技术用于通信中，它以同一码元周期内不同的Chirp速率表达符号信息。研究表明，这种以Chirp速率调制的恒包络数字调制技术抗干扰能力强，能显著减少多径干扰的影响，有效地降低移动通信带来的快衰落影响，非常适合无线接入的应用。进入21世纪以来，将CSS技术用于扩频通信的研究发展日益活跃，尤其随着超宽带（UWB）技术的发展，将CSS技术与UWB的宽带低功率谱相结合形成的Chirp-UWB通信，它利用Chirp技术产生超宽带宽，具备二者优势，增强了抗干扰与抗噪声的能力。CSS技术已成为传感网络通信标准IEEE802.15中物理层候选标准。

线性调频（LFM）信号是指瞬时频率随时间成线性变化的信号。LFM信号的时域表达式可以写为（设振幅归一化，初始相位为零）：，。从而有对应图1中左图的时域波形，如图1右图所示。

按照处理增益的定义，信号的高频带宽近似等于F，信息带宽为1/T，故频谱扩展带来的处理增益等于F/1/T=FT，此即时间带宽积，通常选用FT>>1。在信号匹配滤波检测的分析中可以看到，FT就是匹配滤波器输出的最大峰值。

为便于推导与计算，LFM信号的频谱特性常采用复信号表示形式。一个时间波形是时间的实函数，而复函数的实部就表示了这个时间波形，应用此结论可推导出LFM信号时间波形的频谱。LFM信号的振幅谱与相位谱如下：

；

。

当处理增益FT=50时，与分布如图2所示。

由图2可以看出，相位谱由两部分组成，相位谱公式第二项决定的群时延与成直线关系，它是主要部分；而第一项值在带宽F内很小，基本上呈均匀分布，称之为残余相角。所以的群时延特性基本为线性。

振幅谱在B=F的带宽内基本是平坦起伏的均匀分布，也即95%的信号能量分布在带宽B内。

对接收的LFM信号的检测方法有多种，原理上应用匹配滤波器概念进行检测。LFM信号的匹配滤波输出波形函数为：，这是主瓣宽度为1/F，峰值振幅为的压缩脉冲形式，如图3所示。显然，时间带宽积FT愈大，也即处理增益越高，检测效果越好。

LFM信号的匹配滤波特性表明信号有强的自相关特性。分析表明，LFM信号还有好的互相关特性，检测时对于非匹配滤波器的LFM信号能量将均匀地散落在2T时间间隔之中，这个特性作为通信信号的数据符号识别特别重要。

鸟声通信信号一般形式

通信的二元数据也可用LFM信号，常称为Chirp信号来传输。最常用做法是用围绕着中心频率的正向和负向频率斜升变化来代表二元信码”1”与”0”。随频率变化的时频关系如右图4中左图所示。

接收端采用两个相应的匹配滤波器来检测。这个通信过程可以简单地如图4中右图表示。匹配滤波器输出是一个峰值功率正比于时间带宽积FT的压缩脉冲，通过取样判决可以恢复出信码“1”。代表信码“0”的负斜率Chirp信号通过对应的负斜率匹配滤波器可得出与正斜率匹配滤波器相同结论的压缩脉冲，通过取样判决确定信码“0”。

鸟声信号调制

通信用的Chirp信号调制通常分为两类：二元正交键控（BOK）与直接调制（DM）。上节中谈到的分别用正负斜率或不同斜率值Chirp信号代表二元数据符号“1”与“0”，就等于BOK调制。这种方式正是简单地利用了不同斜率Chirp信号脉冲之间的正交性来实现的。

在直接调制中，将Chirp脉冲的展宽和压缩过程直接看成一种扩频调制与解调，而与数据调制基本无关。这一概念如同直接序列扩频调制一样，只是把扩频序列换成Chirp脉冲信号。直接调制方式还有利于利用Chirp信号所具有的多维正交性实施Chirp信号的多维调制与多址应用。

Chirp信号的产生方法大致归结为四种：

（1）直接频率调制：用纹波控制正、反向线性锯齿波电压直接控制压控振荡器（VCO）来产生正、反斜率的Chirp信号；

（2）CDDS方式：在直接式数字频率合成CDDS的结构中加入一级频率累加器就构成了CDDS，可用来产生正向或反向Chirp信号，这是一种数字生成Chirp信号的方法；

（3）正交调制方法：这种产生方式的优点在于I、Q分量产生的灵活性。可以很方便地通过改变I、Q分量实现Chirp信号的直接调制。当然，这种需要混频调制的方式有可能带来杂散、谐波与相位噪声等影响；

（4）声表面（SAM）色散延迟线方式：这是一种无源Chirp信号产生方法。SAW色散延迟线方式的优点在于应用方便，可靠性高，但是SAW器件存在有20~30dB接入损耗，为得到足够的输出Chirp信号幅度，要求驱动冲击信号幅度很高。

鸟声信号接受检测

Chirp信号的接收检测时经天线接收的信号通过低噪声放大（LNA）后送入匹配滤波器实现Chirp信号波形压缩，通过包络检波提取压缩脉冲，再经采样判决等处理恢复出数据。显然，Chirp信号的匹配滤波压缩是关键技术。

实现Chirp信号匹配压缩主要有以下三种方式：

（1）时域数字脉冲压缩：采用IQ正交双通道处理，优点在于可以避免接收信号的随机相位影响；

（2）频域数字脉冲压缩：使用流水线工作方式，用批处理方式完成数据采集、FFT、复相乘、IFFT等，这种方式处理速度高，工作稳定，重复性好，具有较大的工作灵活性；

（3）声表面波色散压缩线实现方式：可以实现Chirp色散压缩线的SAW器件主要有两种方式：叉指器件（IDT）和反射阵压缩器（RAC），叉指器件换能器结构也有两种，一是不作加权的线性Chirp换能器，一是采用切指加权的加权线性Chirp换能器。RAC利用沟槽阵列对声表面波的反射来实现色散，能达到很高的BT，但制造工艺复杂。

线性调频信号的主要应用：常见的包括声纳、雷达、多普勒效应。为了能够测量长距离又保留时间的分辨率，雷达需要短时间的脉冲波但是又要持续的发射信号。线性调频可以同时保留连续信号和脉冲的特性，因此被应用在雷达和声纳探测上。