基于SystemVue的單載波超寬帶系統仿真*

吳 昊，肖振宇，孔紅偉，胡飛將，金德鵬

(1.清華大學電子工程系，北京100084;2.安捷倫科技有限公司，北京100102)

0 引言

超寬帶(ultra-wideband，UWB)是短距離無線通信領域中極具競爭力的新興物理層技術，在無線傳感器網絡(wireless sensor networks，WSNs)領域中具有廣闊的應用前景。人們對UWB在醫用定位跟蹤通信系統和工業生產設備跟蹤等WSNs領域的應用關注度正在日益加強［1］，而使用UWB作為視頻監控和多媒體傳感器網絡的底層傳輸技術也備受關注［2］。

國際上的主流UWB技術體制包括脈沖超寬帶(impulse radio UWB，IR-UWB)［3］、直接序列擴頻超寬帶(direct sequence UWB，DS-UWB)［4］和多帶正交頻分復用(multiband orthogonal frequency division multiplexing，MB-OFDM)［5］。而單載波超寬帶(single carrier UWB，SC-UWB)是清華大學自主提出的一種UWB技術體制，具有高速率、低功耗等優點，非常適合應用于WSNs。SC-UWB目前正在標準化進程中，有望成為UWB領域的中國國家標準和行業標準之一。

本文采用SystemVue環境對SC-UWB系統的發射機基帶和接收機基帶進行建模，對IEEE 802.15.3a信道模型下的SC-UWB系統性能進行了仿真研究，該研究對于SCUWB系統設計具有重要指導作用。另外，通過將測試儀器無縫集成到仿真平臺中，能夠將仿真與測試有效地結合，將仿真平臺用于硬件系統測試與驗證，加速硬件研發過程。

1 SC-UWB體制

在UWB的發展歷史上，出現過3種重要的UWB技術體制:IR-UWB，DS-UWB和MB-OFDM。IR-UWB是傳統的窄脈沖技術體制，也被稱為脈沖無線電。DS-UWB從傳統的IR-UWB發展而來，發送的是連續高速碼片，但其本質也屬于脈沖體制。而MB-OFDM則徹底改變了人們對UWB的傳統觀點，采用多載波方式進行調制。脈沖體制和多載波體制都曾得到過學術界和工業界的廣泛關注，其中MBOFDM體制最終被ISO和IEC接納為國際標準，而DS-UWB體制則最終被IEEE發展成為低速UWB標準。SC-UWB作為一種新的超寬帶體制，與DS-UWB和MB-OFDM這兩種UWB體制相比具有自身的優勢。

SC-UWB在系統方案制定之初，就明確提出了“移動終端之間的短距離高速無線互聯”的應用定位并確立了“低成本低功耗”的設計目標，這非常符合WSNs的物理層設計要求。應當看到，DS-UWB和MB-OFDM技術體制為了覆蓋10m范圍和保證較高的通信速率，無法實現低成本低功耗芯片。DS-UWB無法實現低成本低功耗芯片的主要原因在于［4］:1)DS-UWB的帶寬較寬，需要使用高性能的ADC和DAC，最高采樣速率可以達到5.46Gsps，系統復雜度高;2)DS-UWB使用MBOK(M-ary Bi-Orthogonal Keying)對抗多徑，這在一定程度上緩解了多徑的影響，但是卻造成接收機均衡器的實現非常困難。MB-OFDM無法實現低成本低功耗的主要原因則在于［5］:1)OFDM具有高峰均功率比(peak to average power ratio，PAPR)，這要求系統使用高量化精度的ADC和DAC;2)MB-OFDM采用跳頻傳輸方式，造成接收機同步復雜程度顯著增加。SC-UWB采用低階調制+直接序列擴頻+載波調制的方式，芯片制造工藝成熟;低階調制如BPSK，QPSK等降低了對ADC量化精度的要求;500 MHz帶寬載波調制則降低了對ADC與DAC采樣速率的需求;另外SC-UWB在射頻部分使用固定的中心頻率避免跳頻，進一步降低了系統的復雜度。與DS-UWB，MB-OFDM相比，SC-UWB專注更近距離的高速信息交互，具有更低的系統復雜度，從而使得SC-UWB在功耗和成本上具有顯著的優勢，這也使SC-UWB非常適合成為WSNs的物理層傳輸技術。

2 SC-UWB仿真

本文在SystemVue仿真環境中對SC-UWB基帶系統進行C++建模，創建了SC-UWB基帶仿真庫，庫中主要包括隨機信源、卷積編碼、交織、擴頻、成幀、同步、Rake接收、DFE、解交織、卷積譯碼、誤碼率統計等模塊。基于此仿真庫，我們對SC-UWB系統在IEEE 802.15.3a UWB信道模型下的誤碼率性能進行了仿真。SystemVue是Agilent公司最新推出的具有強大仿真功能的系統級仿真軟件，允許使用C++進行系統建模，C++模型經編譯得到的DLL文件動態加載到仿真環境中即可用于仿真。

2.1 SC-UWB發射機模型

圖1中所示的是在SystemVue上搭建的SC-UWB發射機基帶，包括信源、卷積編碼、交織、擴頻、成幀、BPSK映射、上采樣和波形成形幾個模塊。卷積編碼器采用碼率為4/5的卷積碼，該碼是在(2，1，7)卷積碼基礎上打孔得到的。交織器采用32×16的分組交織器，行寫列讀。擴頻模塊使用擴頻序列［0 1］，將 bit0和bit1分別映射為［0 1］與［1 0］。成幀模塊將數據凈荷封裝成完整數據幀，仿真中的數據幀結構如圖2所示，包括同步域、幀起始定界符域、載荷長度域、訓練序列域和數據域5個部分。同步域、幀起始定界符域和載荷長度域均采用長度為127的PN序列。同步域使用8個PN序列，用于實現擴頻捕獲和信道估計;幀起始定界符使用1個PN序列，標識載荷長度域的開始;載荷長度域使用4個PN序列，表示范圍為1～16之間的數據域載荷塊數量，每個載荷塊編碼前長度為1024 bit。訓練序列為長度800bit的偽隨機序列，使用多項式g(D)=I+D14+D15生成。成幀模塊對訓練序列使用擴頻序列［0 1］進行2倍擴頻。上采樣模塊的上采樣率為4，系統采樣率設定為1GHz，這樣碼片速率為250 MHz。波形成形模塊采用滾降系數為1的根升余弦濾波器，因此，生成的基帶信號帶寬為500 MHz，滿足UWB信號的定義。

圖1 SystemVue上的SC-UWB發射機基帶Fig 1 SC-UWB baseband transmitter on SystemVue

圖2 SC-UWB幀結構Fig 2 SC-UWB frame structure

2.2 SC-UWB接收機模型

圖3 SystemVue上的SC-UWB接收機基帶Fig 3 SC-UWB baseband receiver on SystemVue

量化模塊實現了AGC和ADC。AGC對接收到的復基帶信號進行功率調整，使信號平均功率保持在某一門限值附近以壓縮信號動態范圍，并使信號幅度盡量能夠達到ADC滿幅，從而降低量化噪聲。然后ADC分別對I，Q兩路信號進行量化，量化精度為6 bit。量化后的基帶信號通過滾降系數為1的根升余弦濾波器進行匹配濾波。

同步模塊用于擴頻捕獲和信道估計。捕獲算法利用PN序列尖銳的自相關特性對數據幀的到達進行檢測，當檢測到有數據幀到達時，則進入信道估計環節。信道估計的目的是估計多徑信道各條路徑的相對時延和Rake合并系數;由于在Rake接收模塊中采用PRAKE，所以，信道估計時僅對最先到達的若干條路徑進行估計即可。同步模塊的輸出包括Rake使能信號、多徑條數、路徑相對時延和Rake合并系數等，當同步模塊成功檢測到一幀的到達、完成信道估計并檢測出幀起始定界符后，Rake使能信號變為有效并持續到這一幀結束。

Rake模塊利用同步模塊輸出的各條徑的相對時延和合并系數進行Rake合并。由于訓練序列和數據均有2倍擴頻，Rake模塊先對每一條臂上的信號進行解擴，然后進行最大比合并(MRC)。Rake模塊的輸出包括DAGC使能信號和合并后信號。

DAGC模塊用于對Rake合并后信號的功率進行歸一化處理以使DFE正常工作。DFE均衡算法采用基于最小均方(least mean square，LMS)的符號LMS算法，這種算法具有較低的硬件實現復雜度。DFE的輸出通過解交織器后，由卷積碼譯碼模塊進行Viterbi譯碼，譯碼深度為128。

以上就是SystemVue上搭建的SC-UWB接收機基帶信號處理的全部流程。

2.3 SC-UWB性能

對SC-UWB系統在IEEE 802.15.3a標準超寬帶信道模型［6］下的性能進行仿真。仿真中采用了典型的LOS信道模型CM1和NLOS信道模型CM3，SC-UWB系統仿真參數如表1所示。

表1 SC-UWB系統仿真參數Tab 1 SC-UWB simulation parameters

SC-UWB系統在CM1和CM3信道下的誤碼率性能如圖4和圖5所示。從這兩幅圖中可以看出:DFE能夠有效消除碼間串擾影響從而顯著降低誤碼率，而卷積編碼進一步使得誤碼率減小。在LOS信道CM1下，當Eb/N0等于11 dB時，SC-UWB系統的誤碼率約等于10-5;在NLOS信道CM3下，當Eb/N0大于13dB時，系統誤碼率小于10-5。可見SC-UWB系統在標準UWB信道下能夠取得很好的性能。

圖4 SC-UWB系統在IEEE 802.15.3a CM1信道模型下性能Fig 4 SC-UWB performance in CM1 channel model

圖5 SC-UWB系統在IEEE 802.15.3a CM3信道模型下性能Fig 5 SC-UWB performance in CM3 channel model

3 儀器互聯

SC-UWB仿真平臺在系統設計過程中對驗證系統性能具有十分重要作用。在硬件系統開發過程中，通過將仿真平臺與測試儀器無縫集成，可以對仿真平臺進行有效擴展形成SC-UWB半實物發射機和接收機，可用于真實SCUWB信號生成與分析，從而為硬件系統測試和驗證提供一種十分便捷的手段。

虛擬儀器軟件架構(virtual instrument software architecture，VISA)［7］是一種通用軟件體系，它提供了一組用于儀器控制和數據傳輸的抽象接口。VISA作為一種重要工業標準得到主流儀器廠商的大力支持，例如:安捷倫科技推出的Agilent I/O Libraries中包含有VISA的實現。基于SystemVue平臺的C++可擴展性，在SystemVue中編寫相關儀器控制模塊調用VISA接口就可以實現對儀器的控制和數據交換，實現仿真平臺與測試儀器的無縫連接。圖6是前述的SystemVue SC-UWB仿真平臺與任意波形發生器和示波器進行通過LAN互聯示意圖。

圖6中箭頭標注的方向是數據流向，控制信息流向均為控制模塊到儀器。在圖6中，通過儀器控制模塊，System-Vue中發射機基帶仿真生成的SC-UWB基帶波形可以在仿真中同步無縫下載到N8241N任意波形發生器，從而生成標準的SC-UWB模擬基帶信號，該信號可以用作接收機模擬數字基帶部分設計者的測試信號。高性能數字存儲示波器與SystemVue接收機基帶的互聯，使得在仿真中能夠利用示波器進行采樣從而獲得實際SC-UWB信號的采樣點，進而對實際信號進行解調并分析誤碼率性能。當然，一旦獲得實際信號的采樣點，通過在SystemVue中添加相應的信號分析模塊，可以對信號其他諸多性能指標進行分析。

圖6 SystemVue與儀器互聯示意圖Fig 6 Diagram of systemVue and instrument interconnectivity

4 結論

本文在SystemVue仿真環境下建立了SC-UWB基帶系統仿真平臺，并對系統在不同信道模型下的誤碼率性能進行了仿真，仿真結果顯示:SC-UWB系統可以獲得良好性能，從而驗證了SC-UWB技術體制的可行性。仿真平臺通過與儀器互聯構建了集成化仿真測試環境，該環境可用于對SC-UWB系統進行快速建模仿真和SC-UWB信號的生成與分析，對SC-UWB系統設計研發具有重要意義。

［1］Zhang J，Orlik P SZ，Molisch A，et al.UWB systems for wireless sensor networks［C］∥ Proc of IEEE，2009:313-331.

［2］Huang X，Dutkiewicz E，Gandia R，et al.Ultra-wideband technology for video surveillance sensor networks［C］∥ Proc of IEEE Int’l Conf on Ind Inf，Singapore，2006:1012-1017.

［3］Win M Z，Scholtz R A.Impulse radio:How it works［J］.IEEE Communications Letters，1998，2(2):36-38.

［4］Fisher R，Kohno R，McLaughlin M，et al.DS-UWB physical layer submission to 802.15 task group 3a［DB/OL］.［2005—07—22］.http:∥www.ieee802.org/15/pub/2004/15-04-0137-03-003amerger2-proposal-ds-uwb-update.doc.

［5］ECMA-368，High rate ultra wideband PHY and MAC standard(3rd ed)［S］.

［6］Foerster J.Channel modeling sub-committee final report［R］.IEEE P802.15—02/368r5-SG3a，2002.

［7］Cheij D.Software architecture for building interchangeable test system［J］.IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine，2002，17(1):27-30.