王艷芬， 陳 穎， 武洋洋， 胡志希

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

0 引言

為培養(yǎng)適應(yīng)社會需求的專業(yè)人才，將最新技術(shù)和方法用于實驗教學(xué)，一直是實驗教學(xué)研究關(guān)注的問題，而仿真實驗則是掌握系統(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、系統(tǒng)復(fù)雜性低等特點［4］。目前UWB通信系統(tǒng)按實現(xiàn)方式大體上可以分為兩類:脈沖無線電(IR)和多帶正交頻分復(fù)用(OFDM)［5］。

脈沖無線電(Impulse Radio，IR)UWB技術(shù)不需要像傳統(tǒng)通信技術(shù)對正弦載波進(jìn)行調(diào)制，而是在時域上發(fā)射納秒或亞納秒數(shù)量級脈沖，利用脈沖序列攜帶信息，通過天線直接發(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，使得超寬帶信號淹沒在噪聲之中，給系統(tǒng)的同步接收部分帶來了很大的困難［7］。系統(tǒng)的同步是進(jìn)行信息傳輸?shù)那疤幔绕鋵τ诔瑢拵ㄐ畔到y(tǒng)，略微的偏差都可能導(dǎo)致通信系統(tǒng)性能的急劇下降。所以同步的研究對于整個超寬帶系統(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平臺下設(shè)計了基于超前-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)等課程的知識點，具有技術(shù)新、綜合性強等特點，用于我校信息工程專業(yè)通信系統(tǒng)綜合實驗的拓展內(nèi)容，取得良好效果。學(xué)生的參與點主要是系統(tǒng)主模塊的構(gòu)建、參數(shù)配置及模板信號產(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 信號模型

UWB通信系統(tǒng)是通過發(fā)送一系列納秒或亞納秒級脈沖實現(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［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)。實際的通信系統(tǒng)中，除了需要對沖激脈沖進(jìn)行調(diào)制，通常情況下還需要利用偽隨機序列對數(shù)據(jù)符號進(jìn)行編碼，以期形成所產(chǎn)生信號的頻譜。跳時超寬帶(Time-hopping UWB，TH-UWB)就是由編碼數(shù)據(jù)來控制傳輸脈沖位置在時間軸上的偏移。編碼后的數(shù)據(jù)符號對基本脈沖進(jìn)行調(diào)制叫做直接序列(Direct-Sequence，DS)擴頻，在沖激無線電中被稱為直接序列超寬帶(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為碼片時間;Ns為每個數(shù)據(jù)符號內(nèi)幀重復(fù)的次數(shù);cj為跳時碼第j個脈沖位置的跳時圖樣;ajε是由PPM調(diào)制引起的位移。圖3為典型的TH-PPM-UWB信號圖。

單用戶的輸出信號s(t)可表示如下［5，11-12］:

圖3 TH-PPM-UWB發(fā)射機產(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)鍵是實現(xiàn)同步功能，使信號解調(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，通過鎖相環(huán)實現(xiàn)同步跟蹤，達(dá)到UWB信號接收的整體同步效果。解調(diào)采用常用的相關(guān)檢測方式，其基本思想是在接收端構(gòu)造解調(diào)模板，用解調(diào)模板和接收信號作相關(guān)，通過對相關(guān)值的判決檢測出發(fā)送的信息比特［13］。

對于TH-PPM-UWB通信系統(tǒng)，在接收端實現(xiàn)本地偽隨機碼和接收信號同步的方法分為兩步。第一步是捕獲，先將信號鎖定在粗略的區(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，最終實現(xiàn)同步。超前-滯后鎖相環(huán)具備著良好的同步功能，運用鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器等實現(xiàn)信號的捕獲和跟蹤。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，即滯后信號和超前信號經(jīng)過采樣、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

本地模板參考信號為:

通過鎖相環(huán)實現(xiàn)同步跟蹤，捕獲到PN序列，接收機就可以產(chǎn)生模板信號用以解調(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，由信號源模塊、信道模塊、同步跟蹤環(huán)路模塊、解調(diào)模塊4個部分組成。其Simulink仿真模型如圖6所示。整個仿真過程中要對各個模塊進(jìn)行實時觀測，并且由同步跟蹤環(huán)路的誤差函數(shù)輸出波形來判斷此TH-PPM-UWB通信同步跟蹤系統(tǒng)能否實現(xiàn)同步跟蹤功能。

圖5 系統(tǒng)理論框圖

2.1 模塊設(shè)計

圖7 TH-PPM-UWB信號發(fā)射模塊

(1)信號源模塊。圖7為信號發(fā)射模塊。該模塊主要功能是產(chǎn)生經(jīng)過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與發(fā)射信號進(jìn)行比較，用其結(jié)果可初步檢驗此系統(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，用于實現(xiàn)對THPPM-UWB信號的同步跟蹤。該模塊的功能是產(chǎn)生一路超前脈沖信號和一路滯后脈沖信號。

圖10 同步跟蹤仿真模塊

模塊產(chǎn)生模板信號的部分參考程序為:

2.2 仿真結(jié)果與分析

信號源模塊發(fā)射信號仿真結(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PPM調(diào)制的UWB信號，(c)路為經(jīng)過跳時調(diào)制的UWB信號，(d)路為送入信道傳輸?shù)腡H-PPM-UWB信號。

圖11 信號源模塊四路信號比較圖

TH-PPM-UWB信號源經(jīng)過白噪聲信道后，接收機接收到的信號波形如圖12所示。

圖12 接收機端接收到的信號波形圖

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

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，兩路信號經(jīng)過積分、采樣、保持以及平方后，再經(jīng)過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

整個系統(tǒng)實現(xiàn)同步后，接收端的解調(diào)信號與發(fā)射端的發(fā)射信號波形對比圖如圖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。通過對兩組波形的對比，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)信號波形。

圖15 接收端解調(diào)后波形對比圖

3 結(jié)語

在Simulink平臺下，結(jié)合既有模塊與S-function編程設(shè)計完成了對TH-PPM-UWB脈沖信號的同步跟蹤，同步誤差小至10－14數(shù)量級，實現(xiàn)了在加性高斯白噪聲信道下點對點的通信，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業(yè)通信系統(tǒng)綜合實驗，可以擴展同學(xué)們對通信知識點的掌握以及接受新技術(shù)的能力。

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