UWB通信系統(tǒng)中TH_PPM調(diào)制的硬件仿真實現(xiàn)

1、    UWB通信系統(tǒng)中TH_PPM調(diào)制的硬件仿真實現(xiàn)        屈 源, 葛利嘉, 雙 濤, 薛 時間:2009年07月16日     字 體: 大 中 小        關(guān)鍵詞:<"cblue" " target='_blank'>超寬帶<"cblue" "

2、 target='_blank'>時脈<"cblue" " target='_blank'>產(chǎn)生器<"cblue" " target='_blank'>時延<"cblue" " target='_blank'>通信系統(tǒng)            ? 摘? 要： <"cbl

3、ue" " title="超寬帶">超寬帶（UWB）技術(shù)具有功耗低、抗干擾和抗多徑能力好、穿透能力強等優(yōu)點，特別適用于隱藏活動目標檢測和近距離數(shù)據(jù)傳輸。對超寬帶通信中最常用的TH_PPM調(diào)制方式從信號產(chǎn)生到方案設計實現(xiàn)進行了分析，將所設計的VHDL程序用Modelsim硬件仿真軟件進行了功能仿真，并將程序下載到芯片上用示波器進行了波形實測，結(jié)果完全滿足設計要求。? 關(guān)鍵詞： 超寬帶； TH_PPM; Modelsim； VHDL? 超寬帶（UWB）技術(shù)作為一種新興的無線通信技術(shù)，與常規(guī)無線電相比，具有對信道衰落不敏感、發(fā)射信號功率譜密度低、截獲概率

4、小、系統(tǒng)復雜度低、能提供數(shù)厘米定位精度以及有很強的抗多徑干擾能力1等優(yōu)點。相對于傳統(tǒng)窄帶系統(tǒng)，UWB在密集多徑環(huán)境和高媒體數(shù)據(jù)速率條件下具有明顯的優(yōu)勢，而高效的編碼調(diào)制技術(shù)又是實現(xiàn)UWB高速無線應用的關(guān)鍵技術(shù)之一。因此，本文對UWB<"cblue" " title="通信系統(tǒng)">通信系統(tǒng)中常用的TH_PPM調(diào)制方式進行分析并用Modelsim硬件仿真軟件進行了仿真,最后用示波器對波形進行實測。結(jié)果表明設計滿足要求，可以在超寬帶通信系統(tǒng)中進行實際應用。?1 UWB通信系統(tǒng)的TH_PPM信號的產(chǎn)生? 超寬帶在無線電通信研究中受到廣泛的關(guān)

5、注，作為最常用的超寬帶調(diào)制方式之一，參考文獻2,3提出的TH_PPM信號產(chǎn)生模型如下：?式中， w(t)表示發(fā)送的單周期脈沖；cj是PN碼序列；表示信息碼序列；Tc為PN碼所控制的脈沖<"cblue" " title="時延">時延偏移單位； Tf是無調(diào)制時的均勻單周期脈沖的重復周期；為信息碼控制的附加時延(有時稱為時間調(diào)制指數(shù))，當信息碼為“1”時，有附加時延，當信息碼為“0”時，無附加時延；本文采用重復編碼，每NS個單周期脈沖波形傳送1個二進制符號;信息碼的脈寬TS=NsTf，信息速率RS=1/Ts，從式(1)可知，TH_UWB

6、信號中包括兩種時延，的絕對值表示了用戶所發(fā)射的沖激脈沖串中第j個脈沖的起點時刻。?2 TH_PPM信號的設計原理及實現(xiàn)方案?本文基于參考文獻4提出了另一種簡化的TH_PPM信號產(chǎn)生模型，如圖1所示。? 在圖1中，信息碼與PN碼作用于跳<"cblue" " title="時脈">時脈沖形成器輸出二者共同控制的跳時脈沖。一般地，信息數(shù)據(jù)的速率遠低于PN碼速率，也就是一個信息周期包含著PN碼多個周期，可作為一個碼片來處理。據(jù)此，可以將(1)式中的調(diào)制偏移量合并，用bjTb表示時延偏移，則TH_PPM信號的表達式可簡化為：?其中，bj為受信

7、息碼和PN碼共同控制的時延偏移系數(shù)。? 本方案所采用的基帶系統(tǒng)模型如圖2所示。整個模型由基準時鐘<"cblue" " title="產(chǎn)生器">產(chǎn)生器、分頻器、PN碼產(chǎn)生器、信碼產(chǎn)生器、二進制加法器、比較器以及PPM信號形成器構(gòu)成。? 圖2中，基準時鐘產(chǎn)生器輸出50 MHz的基準時鐘；分頻器1是1個2 bit的二進制分頻器，用于產(chǎn)生基準脈沖位置比較信號；信息碼產(chǎn)生器產(chǎn)生實驗用的二進制信息序列；PN碼產(chǎn)生器產(chǎn)生偽隨機序列，作為地址碼；比較器的功能是將跳時脈沖形成器的兩種可能輸出狀態(tài)(00，10)與分頻器1輸出的基準脈沖位置信號(00，0

8、1，10，11)在基準時鐘的控制下進行現(xiàn)時比較，例如在基準時鐘的上升沿，若跳時脈沖形成器的輸出狀態(tài)為10，則只有當分頻器的輸出也為10時,比較器輸出為“1”，否則輸出為“0”。由于在設計時，使脈沖形成器輸出的某個狀態(tài)至少保持分頻器的一個狀態(tài)周期時間，因此可保證在一個Tf內(nèi)狀態(tài)00、10有唯一的某個狀態(tài)與分頻器1的輸出狀態(tài)對應，而且狀態(tài)不同，對應的比較輸出的信號出現(xiàn)在上升沿的位置不同；PPM信號形成器的作用是在基準時鐘的控制下，將比較器輸出脈沖進行延遲、倒相和信號合成，便可輸出PPM信號。脈沖產(chǎn)生器的作用是把PPM基帶信號變換成符合要求的極窄高斯脈沖序列，形成TH_PPM的UWB信號Str(t)

9、。?3 TH_PPM仿真方案? 本系統(tǒng)采用Xilinx公司的ISE9.1軟件作為編程平臺，用VHDL硬件語言編寫程序，用Modelsim硬件仿真軟件進行仿真。TH_PPM模塊對外共有3個輸入輸出端口，其中CLK是系統(tǒng)提供的時鐘信號，頻率為50 MHz，Data_in為信碼輸入端口， TH_PPM_OUT是該模塊的輸出端，經(jīng)過TH_PPM調(diào)制后的TH_PPM脈沖信號即從該引腳發(fā)送到其他模塊。? 本方案采用的跳時碼周期為31，為了便于實現(xiàn)(主要是便于時鐘分頻的需要)，對其補一位0，得到周期為32的跳時碼，故將每32個脈沖構(gòu)成一幀，由1個周期的跳時碼對其進行調(diào)制，每個跳時碼對應一個脈沖。? TH_P

10、PM信號產(chǎn)生器的VHDL設計頂層電路圖模型如圖3所示。? 該TH_PPM信號產(chǎn)生器由DCM模塊、數(shù)據(jù)緩存器、跳時碼ROM、跳時控制模塊、PPM產(chǎn)生模塊等幾大部分組成。DCM模塊即數(shù)字時鐘管理模塊，可以在50 MHz系統(tǒng)時鐘的基礎上通過分頻和倍頻產(chǎn)生穩(wěn)定的64 MHz時鐘，用于形成基帶脈沖。時鐘產(chǎn)生模塊的作用主要是對DCM產(chǎn)生的高速時鐘進行分頻，得到用以讀取跳時碼以及控制脈沖跳時的低速時鐘。跳時碼存儲在ROM模塊中，該模塊使用Xilinx公司的IP核生成，實現(xiàn)簡單，在跳時過程中讀寫數(shù)據(jù)方便。跳時控制模塊是這部分的核心，它接收ROM送來的跳時碼，在高速時鐘的控制下產(chǎn)生基帶脈沖信號，低速脈沖讀取的跳

11、時碼控制脈沖信號在一個周期內(nèi)的位置，并根據(jù)跳時碼的重復周期將若干個脈沖劃分為一幀，便于跳時實現(xiàn)。?4 實驗仿真結(jié)果及分析?4.1? 頂層模塊仿真結(jié)果分析? 圖4是TH_PPM模塊的Modelsim功能仿真圖。它包含輸入信號clk(系統(tǒng)時鐘)、data_in(信碼輸入信號)、pulse_out（跳時脈沖信號）以及輸出的th_ppm_out(th_ppm調(diào)制的脈沖信號）。從圖4可以看到，輸出的ppm脈沖的間距并不相同，在有跳時脈沖輸出的地方，th_ppm_out的間距呈明顯寬窄變化。通過放大的仿真圖(見圖5)更是可以清晰地看到，輸入時鐘周期為20 ns，th_ppm脈沖寬度為5 ns，輸出的th_

12、ppm_out脈沖間距寬度不一。當pulse_out從0變?yōu)?時對應的兩脈沖間距為25 ns，當pulse_out從1變?yōu)?時對應的兩脈沖間距為5 ns，其余pulse_out沒有變化的時刻兩脈沖間距都為15 ns，這三者存在5：3:1的關(guān)系，與筆者對PPM設計的預期一致。整個波形直觀地反映出系統(tǒng)對輸入信碼的調(diào)制控制關(guān)系，從而認為該模塊輸出的脈沖是經(jīng)過TH_PPM調(diào)制處理了的，滿足了設計預期。?4.2 跳時模塊仿真結(jié)果分析? 如圖6所示，并行的8位數(shù)據(jù)data_in從數(shù)據(jù)緩存器輸出串行信號dout，在dout為1的1個跳時碼周期內(nèi)，有跳時脈沖輸出，dout為0的其他跳時碼周期內(nèi)，無跳時脈沖輸出

13、。把跳時碼的32位分成64個時隙，從仿真放大圖7可以看到，跳時碼為7時，在第7+7個時隙位置有跳時脈沖輸出。故跳時模塊完成了在跳時碼控制下對輸入數(shù)據(jù)的跳時控制，實現(xiàn)了預期功能。?5 實驗測試? 本實驗系統(tǒng)利用學院創(chuàng)新項目超寬帶單兵電臺中的基帶板作為測試平臺，將上述的TH_PPM信號產(chǎn)生模塊的VHDL設計程序下載并配置到FPGA芯片中，采用Agilent公司54855A型示波器進行觀測，采樣速率為20 GS/s。圖8為所測試的跳時PPM脈沖波形，從中可以看到，脈沖寬度約為5 ns。同時，基準脈沖間距為15 ns，窄脈沖間距5 ns，寬脈沖間距25 ns，這三者滿足3:1:5的關(guān)系，與本設計相符，

14、達到了設計要求。? 本方案首先從波形分析、信號產(chǎn)生、方案設計等幾個方面對TH_PPM調(diào)制進行了分析；然后運用硬件仿真軟件對其進行了硬件仿真；最后在示波器上進行了波形實測。從中看出本方案滿足了預期要求，可以在超寬帶通信系統(tǒng)中進行實際運用。?參考文獻?1 MOE Z W. Spetral density of random UWB signalsJ. IEEE Communications Letters,2002,6(12):526-528.?2 MOE Z W，ROBERT A S Ultra-wide?band time-hopping ? spread-spectrum?impulse radio for wireless multiple access?communicationsJ.IEEE Transactions Communications.2000，48(4)：679-691.?3 MOE Z W， ROBERT? A Comparison of?analog and dig