UWB系統的建模及仿真

陸冬妹，鄧小芳

（1. 百色學院 物理與電信工程系，百色 533000；2. 桂林電子科技大學 信息與通信學院，桂林 541004）

0 引言

UWB(超寬帶)技術作為一種全新技術，因其自身的特點和優勢，從其誕生之日起就一直受到人們的關注[2]。近年來，隨著對其研究的深入和相關技術的發展，UWB技術的應用范圍越來越廣，已經從最初的局限于雷達方面逐漸發展到無線通信、目標定位、探測等諸多方面，成為當前研究的熱點。

本文根據UWB信號的定義，將M腳本文件與Simulink仿真相結合，建立了UWB信號仿真模型。

1 系統模型研究設計

UWB通信系統采用超短脈沖(脈沖持續時間小于1 ns)作為信息載體，通過有用信息控制超短脈沖相對于定時時刻的位置，即脈沖位置調制(PPM)，實現信號調制[3]。在多用戶通信情況下，采用跳時擴頻多址技術，用偽隨機跳時碼將超短脈沖的出現時刻隨機化。一個跳時碼周期內的UWB信號表達式為(1)：

其中，αi表示調制碼元序列，以等概率取值+1和-1；P(t)為窄脈沖波形；Ts為信息碼元持續時間，由Ns幀組成，每1幀里包含1個脈沖；Tf為幀的持續時間；δ為信息碼元調制參數，表示脈沖位置調制(PPM)時，單位碼元引起的脈沖時移；bi指第i個信息碼元，biδ表示由信息調制引起的時移； ciTc表示由跳時碼引起的時移，ci為跳時碼序列， ci是整數，取值范圍是[0，Nk-1]；ci為每一個跳時碼的持續時問，ciTc表示由跳時碼引起的時移，NkTc＜Tf。在每一幀中，脈沖在時間軸上的位置由信息碼元調制參數δ和跳時碼ci共同決定，設TTH=Nb×Ts, Nk為正整數[4]。

本文設計一個具有加性高斯噪聲的超寬帶發射和接收系統：發射機是直接擴頻序列脈沖幅度調制發射機；信道是帶有加性高斯噪聲的多徑通道；接收機采用RAKE接收機。根據UWB信號的定義，信息調制方式選擇脈沖幅度調制(PAM)．在一個跳時碼周期 內，建立3大部分，分別實現超寬帶信號的產生信號的傳輸、信號的接收。系統模型如圖1所示。

圖1 UWB系統模型

2 超寬帶信號發射機、接收機基本結構

2.1 發射機和相關接收機模型

在發射端，數據直接對射頻脈沖調制，再通過可編程延時器件對脈沖進一步時延控制，最后通過超寬帶天線發射出去。在接收端，信號通過相關器與本地模板波形相乘，積分后通過抽樣保持電路送到基帶信號處理電路中，由捕獲跟蹤部分、時鐘振蕩器和(跳時)碼產生器控制可編程延時器，根據相應的時延產生本地模板波形，與接收信號相乘。整個收發信機幾乎全部由數字電路構成，便于降低成本和小型化。

2.2 Rake接收機模型

由于UWB信號需要用時域的方法進行分析，多用于戶內密集多徑(多徑可達到30條)的條件下，而且每條路徑的信號能量都很小，難以對每條信道做出估計，所以使UWB信號的Rake接收成為可能。Rake接收機使原來能量很小的多徑信號經過能量合并后提高的信噪比提高系統性能[5]。

圖2 UWB信道模塊

3.3 UWB信號使能、檢測模塊

3 超寬帶系統各模塊基本結構及相關介紹

3.1 脈沖形成模塊

脈沖形成器的頻譜性能直接決定整個發射機輸出的頻譜性能。 脈沖形成器將前級放大器輸出的射頻信號經過功分器一分為二路成為各自獨立的、幅度可調的信號，并在其中一路引入移相器，利用矢量合成原理，通過合成器將兩路信號再合成起來，以達到同時控制射頻脈沖形狀和相位的功能。通過脈沖形成器對射頻脈沖信號進行整形可改善發射頻譜旁瓣，并對激勵脈沖前后沿期間速調管放大器非線性特性引起的相位失真進行補償，從而使發射頻譜滿足指標要求。

脈沖形成器中同相3分貝電橋將輸入信號一分為二，各包含一只PIN調制衰減器，獨立地調整所通過信號的幅度和形狀。 脈沖形成器輸出部分的同相3分貝電橋將經過調制、衰減、移相的射頻信號再合成起來，而兩路信號的矢量和決定合成信號的幅度和相位。

為了補償PIN調制衰減器的溫度特性，我們特意加了控溫電路。由埋置在PIN調制衰減器基板附近的溫度傳感器錄取信號，經控溫電路來控制加熱元件，使PIN調制衰減器的基板溫度維持在55℃±5℃。

3.2 UWB信道模塊

超寬帶通信具有傳輸速率高、抗多徑干擾能力強、對現有通信系統干擾小等眾多優點，研究超寬帶通信的室內信道特性及其隨機統計模型具有重要的現實意義，它直接決定了系統調制方式的選擇、最大通信速率和最大通信距離等關鍵指標，指導著超寬帶接收機的設計。UWB信道模塊圖如圖2所示。

圖3 UWB信號使能和檢測模塊

4 UWB系統仿真及其調試

4.1 UWB系統發射信號

發射的二進制源碼為11110001，經過脈沖幅度調制，發射出攜帶信息的高斯脈沖波型。發射波形的輸出受多個參數影響，主要是伯努利信號源產生的碼元種子，直接擴頻序列，數據調制方式和高斯波形的放大倍數與波形持續時間。輸出波形隨碼元變換后表現出不同的形式，同時調制方式的影響也至關重要。系統可以采用BPSK和OOK兩種調制方式，雖然OOK調制相對簡單，但其抗干擾能力差、解調復雜，所以系統仿真以BPSK方式調制信號為主。系統分別采用不同調制和不同二進制碼元，該系統發射機仿真圖如圖4所示。

圖4 BPSK方式的發射波形

4.2 UWB 經信道輸出和接收信號

發射的調制信號，經過信道損耗和噪聲的引入，會發生比較大的變化。影響此波形的主要因素是信噪比的設置，如果信噪比（SNR）設置過低不但信號的輸出波形幅度較低，而且碼元傳輸出錯率也會較高。再將帶有噪聲和損耗的信號經過RAKE接收機抽樣使能，輸出與發射碼元同步的信號。接收機的接收時鐘必須與信息碼元時鐘同步。系統可以采用EG、MR、MMSE和WSMR四種分集合并方式，本系統采用EG方式。信號仿真輸出信號圖如圖5所示。

圖5 帶有噪聲的信道輸出和RAKE接收機的接收信號

觀察圖5可見：UWB信道輸出帶有噪聲和損耗的信號，經過RAKE接收機抽樣使能，輸出與發射碼元同步的有效信號，仿真證明該系統模型構建成功。

4.3 UWB系統發射與接收信號的對比

同步發射與接收到的信號進行比較，從而對RAKE接收機性能進行評估。接收機性能評估,如圖6所示。圖6中顯示了發射和接收對比輸出的結果。顯示窗口有三個文本框，第一個表示數據接收的出錯率，第二個文本框表示發射與接收對比出錯的個數，第三個文本框表示接收的信息碼元數。系統的出錯監測參數主要從右邊的出錯評估器進行設置，它包括五個設置項，信息碼元延時，仿真檢錯延時數值，仿真應用模式，數據輸出形式和仿真停止參數。其中，前兩個設置至關重要，如果設置不當，即使系統能接收正確仿真結果仍是錯誤的。信息碼元延時，主要用來協調發射數據與接收數據的同步，它與接收機的通道時延，碼片時間，碼元信息傳輸速率和抽樣時間都有關系，本系統的碼元接收延遲時間設置為：2+ceil(max(Channel.SigPath)*xtcs.Ts/xtcs.Tb) (1)

因系統剛運行不能馬上處于穩定狀態，數據的傳輸就容易出錯，所以軟件設計中應考慮將開始傳輸的幾個碼元舍去，本系統通過設置檢錯延時數值來減少仿真出錯率，最大程度上保證仿真的正確性。考慮到本系統的信息碼元傳輸時間為：5e-9，所以延時數值應保證大于5納秒。仿真應用模式用來設置延時的應用范圍，本系統將其設置為有效域為整個仿真系統。數據模式主要用來限定輸出參數的有效性，本系統設置為端口有效，而不是整個工作空間。仿真停止參數選項默認為自動，系統對其進行設置，當它滿足錯誤碼元數為100或最大接收個數為4983時仿真停止。

圖6 UWB系統發射與接收信號的對比

5 結論

利用軟件仿真技術來輔助理論研究，以驗證研究結果，是現代科研工作者使用的主要研究方法之一。本文借助MATLAB軟件提供的強大計算及仿真功能，為UWB信號的研究建立了仿真模型。本文以MATLAB環境為開發平臺設計一個具有加性高斯噪聲的超寬帶發射和接收系統，經仿真測試帶有噪聲和損耗的信號經過RAKE接收機抽樣使能，能輸出與發射碼元同步的信號，系統模型構建仿真成功。

[1] 蘇金鵬,王永利.MATLAB7.0實用指南[M].北京:電子工業出版社,2004.

[2] 葛利嘉,等.超寬帶無線電基礎[M].北京:電子工業出版社,2005.

[3] 樊孝明.超寬帶無線通信極窄脈沖產生的設計與研究[J].桂林電子工業學院,2005.

[4] 李振強,王鋒, 張水蓮.超寬帶通信系統的Simulink仿真實現[J].計算機仿真,2005,22(5):153-155.

[5] 羅振東,高宏,劉元安,等.抑制多窄帶干擾的超寬帶脈沖設計方法[J].北京郵電大學學報,2005,28(1):55-58．