IR-UWB通信同步跟蹤系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

王艷芬， 陳 穎， 武洋洋， 胡志希

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院，江蘇徐州 221116)

0 引言

為培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)需求的專(zhuān)業(yè)人才，將最新技術(shù)和方法用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，一直是實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究關(guān)注的問(wèn)題，而仿真實(shí)驗(yàn)則是掌握系統(tǒng)性能的一種有效手段［1-3］。超寬帶(Ultra-Wideband，UWB)無(wú)線通信是一種能和其它通信系統(tǒng)共享頻譜資源的新型通信技術(shù)，具有低功耗、高數(shù)據(jù)率、抗多徑能力強(qiáng)、系統(tǒng)復(fù)雜性低等特點(diǎn)［4］。目前UWB通信系統(tǒng)按實(shí)現(xiàn)方式大體上可以分為兩類(lèi):脈沖無(wú)線電(IR)和多帶正交頻分復(fù)用(OFDM)［5］。

脈沖無(wú)線電(Impulse Radio，IR)UWB技術(shù)不需要像傳統(tǒng)通信技術(shù)對(duì)正弦載波進(jìn)行調(diào)制，而是在時(shí)域上發(fā)射納秒或亞納秒數(shù)量級(jí)脈沖，利用脈沖序列攜帶信息，通過(guò)天線直接發(fā)射［6］。由于傳輸?shù)氖侵芷诜浅６痰恼瓗}沖序列以及功耗的限制，使得超寬帶信號(hào)淹沒(méi)在噪聲之中，給系統(tǒng)的同步接收部分帶來(lái)了很大的困難［7］。系統(tǒng)的同步是進(jìn)行信息傳輸?shù)那疤幔绕鋵?duì)于超寬帶通信系統(tǒng)，略微的偏差都可能導(dǎo)致通信系統(tǒng)性能的急劇下降。所以同步的研究對(duì)于整個(gè)超寬帶系統(tǒng)尤為重要。

根據(jù)超前-滯后鎖相環(huán)在通信中的良好同步跟蹤特性［8］，本文在Simulink平臺(tái)下設(shè)計(jì)了基于超前-滯后鎖相環(huán)的超寬帶通信同步跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)綜合了通信電子電路、通信原理、現(xiàn)代通信系統(tǒng)等課程的知識(shí)點(diǎn)，具有技術(shù)新、綜合性強(qiáng)等特點(diǎn)，用于我校信息工程專(zhuān)業(yè)通信系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)的拓展內(nèi)容，取得良好效果。學(xué)生的參與點(diǎn)主要是系統(tǒng)主模塊的構(gòu)建、參數(shù)配置及模板信號(hào)產(chǎn)生的S-Function編程等。

1 UWB通信系統(tǒng)

IR-UWB系統(tǒng)的傳輸信號(hào)不是基于傳統(tǒng)正弦波，而是直接利用非常窄的脈沖波形直接通過(guò)天線進(jìn)行基帶傳輸，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 IR-UWB系統(tǒng)框圖

1.1 信號(hào)模型

UWB通信系統(tǒng)是通過(guò)發(fā)送一系列納秒或亞納秒級(jí)脈沖實(shí)現(xiàn)的。高斯脈沖容易產(chǎn)生且滿足FCC設(shè)定的輻射標(biāo)準(zhǔn)，故用于產(chǎn)生UWB信號(hào)［9］。UWB通信系統(tǒng)中最常用的載波脈沖為二階單周期高斯脈沖，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

其中:Ap為一常數(shù)，主要由發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率決定;τm為波形控制因子，它決定著基本脈沖的波形。

調(diào)制方式是指基本脈沖以何種方式承載信息。最常用的是脈沖位置調(diào)制(PPM)和脈沖幅度調(diào)制(PAM)。實(shí)際的通信系統(tǒng)中，除了需要對(duì)沖激脈沖進(jìn)行調(diào)制，通常情況下還需要利用偽隨機(jī)序列對(duì)數(shù)據(jù)符號(hào)進(jìn)行編碼，以期形成所產(chǎn)生信號(hào)的頻譜。跳時(shí)超寬帶(Time-hopping UWB，TH-UWB)就是由編碼數(shù)據(jù)來(lái)控制傳輸脈沖位置在時(shí)間軸上的偏移。編碼后的數(shù)據(jù)符號(hào)對(duì)基本脈沖進(jìn)行調(diào)制叫做直接序列(Direct-Sequence，DS)擴(kuò)頻，在沖激無(wú)線電中被稱(chēng)為直接序列超寬帶(DS-UWB)［10］。這兩種方式中，其中的二進(jìn)制TH-PPM-UWB信號(hào)的產(chǎn)生模型如圖2所示［5］。

圖2TH-PPM-UWB發(fā)射器模型

式中，ptr(t)為傳輸?shù)母咚姑}沖波形;Ts為幀周期;Tc為碼片時(shí)間;Ns為每個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)內(nèi)幀重復(fù)的次數(shù);cj為跳時(shí)碼第j個(gè)脈沖位置的跳時(shí)圖樣;ajε是由PPM調(diào)制引起的位移。圖3為典型的TH-PPM-UWB信號(hào)圖。

單用戶的輸出信號(hào)s(t)可表示如下［5，11-12］:

圖3 TH-PPM-UWB發(fā)射機(jī)產(chǎn)生波形

1.2 信道模型

UWB信道模型有很多，本文選用的是最基本的高斯白噪聲信道模型，信道模型僅與信道的延遲以及設(shè)置的信噪比有關(guān)。

1.3 同步與解調(diào)

接收機(jī)分為同步和解調(diào)兩部分。兩者之間相互關(guān)聯(lián)，關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)同步功能，使信號(hào)解調(diào)誤差盡可能地小。本課題采用超前/滯后延遲環(huán)路作為同步模塊，通過(guò)鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)同步跟蹤，達(dá)到UWB信號(hào)接收的整體同步效果。解調(diào)采用常用的相關(guān)檢測(cè)方式，其基本思想是在接收端構(gòu)造解調(diào)模板，用解調(diào)模板和接收信號(hào)作相關(guān)，通過(guò)對(duì)相關(guān)值的判決檢測(cè)出發(fā)送的信息比特［13］。

對(duì)于TH-PPM-UWB通信系統(tǒng)，在接收端實(shí)現(xiàn)本地偽隨機(jī)碼和接收信號(hào)同步的方法分為兩步。第一步是捕獲，先將信號(hào)鎖定在粗略的區(qū)域內(nèi)，而后進(jìn)行第二步跟蹤［14］，在該區(qū)域內(nèi)進(jìn)行細(xì)致搜索，最終實(shí)現(xiàn)同步。超前-滯后鎖相環(huán)具備著良好的同步功能，運(yùn)用鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器等實(shí)現(xiàn)信號(hào)的捕獲和跟蹤。其同步模型如圖4所示［15］。

圖4 超前-滯后鎖相環(huán)同步模型

兩路輸出的信號(hào)，即滯后信號(hào)和超前信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣、保持和平方包絡(luò)檢波后經(jīng)相減器得到誤差函數(shù)為:

圖6 TH-PPM-UWB同步跟蹤系統(tǒng)Simulink仿真模型

本地模板參考信號(hào)為:

通過(guò)鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)同步跟蹤，捕獲到PN序列，接收機(jī)就可以產(chǎn)生模板信號(hào)用以解調(diào)數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)建模與仿真分析

構(gòu)建的TH-PPM-UWB通信同步跟蹤系統(tǒng)模型框圖如圖5所示，由信號(hào)源模塊、信道模塊、同步跟蹤環(huán)路模塊、解調(diào)模塊4個(gè)部分組成。其Simulink仿真模型如圖6所示。整個(gè)仿真過(guò)程中要對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，并且由同步跟蹤環(huán)路的誤差函數(shù)輸出波形來(lái)判斷此TH-PPM-UWB通信同步跟蹤系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)同步跟蹤功能。

圖5 系統(tǒng)理論框圖

2.1 模塊設(shè)計(jì)

圖7 TH-PPM-UWB信號(hào)發(fā)射模塊

(1)信號(hào)源模塊。圖7為信號(hào)發(fā)射模塊。該模塊主要功能是產(chǎn)生經(jīng)過(guò)TH-PPM調(diào)制的高斯脈沖二階導(dǎo)函數(shù)，其中碼片周期為1×10－9s，脈沖寬度為 0.2877×10－9s，PPM 調(diào)制時(shí)移為0.156 ×10－9s。

(2)信道模塊。設(shè)置噪聲功率為－40 dBm，信道延時(shí)為零。仿真模塊圖8所示。

圖8 信道仿真模塊

(3)解調(diào)模塊。解調(diào)模塊要將接收到的信號(hào)與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行比較，用其結(jié)果可初步檢驗(yàn)此系統(tǒng)是否同步。解調(diào)模塊如圖9所示。如果算法合理且調(diào)試成功，便可從解調(diào)輸出濾波器上觀察到與發(fā)送波形一致的解調(diào)波形。

圖9 解調(diào)模塊仿真圖

(4)同步跟蹤模塊。仿真模塊圖如圖10所示。該模塊根據(jù)超前-滯后鎖相環(huán)原理，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)THPPM-UWB信號(hào)的同步跟蹤。該模塊的功能是產(chǎn)生一路超前脈沖信號(hào)和一路滯后脈沖信號(hào)。

圖10 同步跟蹤仿真模塊

模塊產(chǎn)生模板信號(hào)的部分參考程序?yàn)?

2.2 仿真結(jié)果與分析

信號(hào)源模塊發(fā)射信號(hào)仿真結(jié)果如圖11所示。其中，(a)路為輸入待發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)據(jù)信息，(b)路為經(jīng)過(guò)PPM調(diào)制的UWB信號(hào)，(c)路為經(jīng)過(guò)跳時(shí)調(diào)制的UWB信號(hào)，(d)路為送入信道傳輸?shù)腡H-PPM-UWB信號(hào)。

圖11 信號(hào)源模塊四路信號(hào)比較圖

TH-PPM-UWB信號(hào)源經(jīng)過(guò)白噪聲信道后，接收機(jī)接收到的信號(hào)波形如圖12所示。

圖12 接收機(jī)端接收到的信號(hào)波形圖

圖13為本地模塊產(chǎn)生的模板信號(hào)圖，從圖中可知，本地模板脈沖輸出信號(hào)為一路超前脈沖信號(hào)和一路滯后脈沖信號(hào)的疊加。

圖13 本地模板脈沖輸出序列放大圖

在同步鎖相環(huán)模塊中，兩路信號(hào)經(jīng)過(guò)積分、采樣、保持以及平方后，再經(jīng)過(guò)相減器后輸出的誤差函數(shù)的鑒相特性輸出波形如圖14所示。

圖14 誤差函數(shù)的鑒相特性輸出波形

整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同步后，接收端的解調(diào)信號(hào)與發(fā)射端的發(fā)射信號(hào)波形對(duì)比圖如圖15所示。(a)路為發(fā)射端發(fā)射波形，(b)路為接收端解調(diào)波形。通過(guò)對(duì)兩組波形的對(duì)比，可以看出在接收端得到了與發(fā)射端發(fā)送波形一致的解調(diào)信號(hào)波形。

圖15 接收端解調(diào)后波形對(duì)比圖

3 結(jié)語(yǔ)

在Simulink平臺(tái)下，結(jié)合既有模塊與S-function編程設(shè)計(jì)完成了對(duì)TH-PPM-UWB脈沖信號(hào)的同步跟蹤，同步誤差小至10－14數(shù)量級(jí)，實(shí)現(xiàn)了在加性高斯白噪聲信道下點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，成功反映了UWB通信TH-PPM調(diào)制方式的特征。該系統(tǒng)用于信息工程或通信工程專(zhuān)業(yè)通信系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)，可以擴(kuò)展同學(xué)們對(duì)通信知識(shí)點(diǎn)的掌握以及接受新技術(shù)的能力。

［1］明 艷，李 強(qiáng)，胡慶.基于Simulink的正交頻分復(fù)用系統(tǒng)仿真［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索.2011，30(10):63-67.

MING Yan，LI Qiang，HU Qing.OFDM System simulation based on simulink［J］.Research and Exploration in Laboratory，2011，30(10):63-67.

［2］程 鈴，徐冬冬.Matlab仿真在通信原理教學(xué)中的應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索.2010，29(2):117-119.

CHENG Ling，XU Dong-dong.Application of Matlab Simulation in Communication Principle Teaching［J］.Research and Exploration in Laboratory，2010，29(2):117-119.

［3］高 遠(yuǎn)，姚 澄，朱昌平.高頻電子線路仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索.2009，28(2):85-88.

GAO Yuan，YAO Cheng，ZHU Chang Ping.Design and Realization of Simulation Experiment of High Frequency Electronic Circuit［J］.Research and Exploration in Laboratory，2009，28(2):85-88.

［4］王艷芬，于洪珍，張傳祥.礦井超寬帶復(fù)合衰落信道建模及仿真［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，25(4):805-812.

WANG Yan-fen，YU Hong-zhen，ZHANG Chuan-xiang.Modeling and Simulation of Mine Ultra-wideband Composite Fading Channel［J］.Chinese Journal of Radio Science，2010，25(4):805-812.

［5］(意)Mria-Gabriella Di Benedetto Gurino Giancola.超寬帶無(wú)線電基礎(chǔ)［M］.葛利嘉，朱 林，袁曉芳.北京:電子工業(yè)出版社，2005.19-20.

［6］歐陽(yáng)永艷，樊祥寧，徐平平.超寬帶無(wú)線電中納秒級(jí)脈沖產(chǎn)生研究［J］.電子技術(shù)應(yīng)用.2003，(7):44-45.

OU-YANG Yong-yan，F(xiàn)AN Xiang-ning，XU Ping-ping.Nanosecond Pulse Generation on Ultra-wideband Radio［J］.Electronic Science and Technology，2003，(7):44-45.

［7］李一兵，張 蘭，王 博.UWB信號(hào)快速同步算法研究［J］.微計(jì)算機(jī)信息.2008，24(8-3):169-170.

LI Yi-bing，ZHANG Lan，WANG Bo.Research on Synchronization Algorithm of UWB Signal［J］.Microcomputer Information，2008，24(8-3):169-170.

［8］安 康，李 靜，張惠熙.基于Simulink平臺(tái)超寬帶通信同步跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.大眾科技，2010(1):52-54.

An Kang，Li Jing，Zhang Hui-xi.Simulation Synchronous Tracking on Ultra-wideband Communication System［J］.Popular Science ＆Technology，2010(1):52-54.

［9］翁麗娜，楊 杰.基于FCC輻射掩蔽的超寬帶脈沖波形設(shè)計(jì)［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào).2007，29(10):35-38.

WENG Li-na， YANG Jie. Pulse Waveform Design for UWB Communication Based on FCC Emission Mask［J］.Journal of Wut(Information＆ Management Engineering)，2007，29(10):35-38.

［10］R.A.Scholtz.Multiple access with time hopping impulse modulation［J］.IEEE MILCOM，1993，2:447-450.R.A.Scholtz.跳時(shí)脈沖調(diào)制中的多址接入［J］.IEEE MILCOM，1993，2:447-450.

［11］楊 卓，郭黎利，李萬(wàn)臣.UWB信道盲估計(jì)的頻域遞歸最小二乘實(shí)現(xiàn)［J］.北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，34(1):121-124.

YANG Zhuo，GUO Li-li，LI Wan-chen.Frequency domain recursive least squares realization of UWB blind channel estimation［J］.Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications，2001，34(1):121-124.

［12］Win M Z，Scholtz R A.Ultra-wide bandwidth time-hopping spreadspectrum impulse radio for wireless multiple-access communications［J］.IEEE Trans on communications，2000，48(4):679-691.

［13］覃銀環(huán).IR-UWB系統(tǒng)的同步捕獲算法［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2010，3.

［14］李振強(qiáng)，王 鋒，張水蓮.超寬帶通信系統(tǒng)的Simulink仿真實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2004，22(5):153-155.

LIZhen-qiang， WANG Feng， ZHANG Shui-lian. Simulink Implementation of Ultra Wide-Band Communication Systems［J］.COMPUTER SIMULATION.2004，22(5):153-155.

［15］鄭繼禹，萬(wàn)心平，張厥盛.鎖相環(huán)路原理與應(yīng)用［M］.北京:人民郵電出版社，1976.