IR-UWB通信同步跟蹤系統仿真實驗設計

王艷芬， 陳 穎， 武洋洋， 胡志希

(中國礦業大學信電學院，江蘇徐州 221116)

0 引言

為培養適應社會需求的專業人才，將最新技術和方法用于實驗教學，一直是實驗教學研究關注的問題，而仿真實驗則是掌握系統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共享頻譜資源的新型通信技術，具有低功耗、高數據率、抗多徑能力強、系統復雜性低等特點［4］。目前UWB通信系統按實現方式大體上可以分為兩類:脈沖無線電(IR)和多帶正交頻分復用(OFDM)［5］。

脈沖無線電(Impulse Radio，IR)UWB技術不需要像傳統通信技術對正弦載波進行調制，而是在時域上發射納秒或亞納秒數量級脈沖，利用脈沖序列攜帶信息，通過天線直接發射［6］。由于傳輸的是周期非常短的窄帶脈沖序列以及功耗的限制，使得超寬帶信號淹沒在噪聲之中，給系統的同步接收部分帶來了很大的困難［7］。系統的同步是進行信息傳輸的前提，尤其對于超寬帶通信系統，略微的偏差都可能導致通信系統性能的急劇下降。所以同步的研究對于整個超寬帶系統尤為重要。

根據超前-滯后鎖相環在通信中的良好同步跟蹤特性［8］，本文在Simulink平臺下設計了基于超前-滯后鎖相環的超寬帶通信同步跟蹤系統。該系統綜合了通信電子電路、通信原理、現代通信系統等課程的知識點，具有技術新、綜合性強等特點，用于我校信息工程專業通信系統綜合實驗的拓展內容，取得良好效果。學生的參與點主要是系統主模塊的構建、參數配置及模板信號產生的S-Function編程等。

1 UWB通信系統

IR-UWB系統的傳輸信號不是基于傳統正弦波，而是直接利用非常窄的脈沖波形直接通過天線進行基帶傳輸，系統框圖如圖1所示。

圖1 IR-UWB系統框圖

1.1 信號模型

UWB通信系統是通過發送一系列納秒或亞納秒級脈沖實現的。高斯脈沖容易產生且滿足FCC設定的輻射標準，故用于產生UWB信號［9］。UWB通信系統中最常用的載波脈沖為二階單周期高斯脈沖，其數學表達式為:

其中:Ap為一常數，主要由發射機的發射功率決定;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制(PPM)和脈沖幅度調制(PAM)。實際的通信系統中，除了需要對沖激脈沖進行調制，通常情況下還需要利用偽隨機序列對數據符號進行編碼，以期形成所產生信號的頻譜。跳時超寬帶(Time-hopping UWB，TH-UWB)就是由編碼數據來控制傳輸脈沖位置在時間軸上的偏移。編碼后的數據符號對基本脈沖進行調制叫做直接序列(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，其中的二進制TH-PPM-UWB信號的產生模型如圖2所示［5］。

圖2TH-PPM-UWB發射器模型

式中，ptr(t)為傳輸的高斯脈沖波形;Ts為幀周期;Tc為碼片時間;Ns為每個數據符號內幀重復的次數;cj為跳時碼第j個脈沖位置的跳時圖樣;ajε是由PPM調制引起的位移。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發射機產生波形

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置的信噪比有關。

1.3 同步與解調

接收機分為同步和解調兩部分。兩者之間相互關聯，關鍵是實現同步功能，使信號解調誤差盡可能地小。本課題采用超前/滯后延遲環路作為同步模塊，通過鎖相環實現同步跟蹤，達到UWB信號接收的整體同步效果。解調采用常用的相關檢測方式，其基本思想是在接收端構造解調模板，用解調模板和接收信號作相關，通過對相關值的判決檢測出發送的信息比特［13］。

對于TH-PPM-UWB通信系統，在接收端實現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域內，而后進行第二步跟蹤［14］，在該區域內進行細致搜索，最終實現同步。超前-滯后鎖相環具備著良好的同步功能，運用鑒相器、環路濾波器、壓控振蕩器等實現信號的捕獲和跟蹤。其同步模型如圖4所示［15］。

圖4 超前-滯后鎖相環同步模型

兩路輸出的信號，即滯后信號和超前信號經過采樣、保持和平方包絡檢波后經相減器得到誤差函數為:

圖6 TH-PPM-UWB同步跟蹤系統Simulink仿真模型

本地模板參考信號為:

通過鎖相環實現同步跟蹤，捕獲到PN序列，接收機就可以產生模板信號用以解調數據。

2 系統建模與仿真分析

構建的TH-PPM-UWB通信同步跟蹤系統模型框圖如圖5所示，由信號源模塊、信道模塊、同步跟蹤環路模塊、解調模塊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行實時觀測，并且由同步跟蹤環路的誤差函數輸出波形來判斷此TH-PPM-UWB通信同步跟蹤系統能否實現同步跟蹤功能。

圖5 系統理論框圖

2.1 模塊設計

圖7 TH-PPM-UWB信號發射模塊

(1)信號源模塊。圖7為信號發射模塊。該模塊主要功能是產生經過TH-PPM調制的高斯脈沖二階導函數，其中碼片周期為1×10－9s，脈沖寬度為 0.2877×10－9s，PPM 調制時移為0.156 ×10－9s。

(2)信道模塊。設置噪聲功率為－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)解調模塊。解調模塊要將接收到的信號與發射信號進行比較，用其結果可初步檢驗此系統是否同步。解調模塊如圖9所示。如果算法合理且調試成功，便可從解調輸出濾波器上觀察到與發送波形一致的解調波形。

圖9 解調模塊仿真圖

(4)同步跟蹤模塊。仿真模塊圖如圖10所示。該模塊根據超前-滯后鎖相環原理，用于實現對THPPM-UWB信號的同步跟蹤。該模塊的功能是產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

模塊產生模板信號的部分參考程序為:

2.2 仿真結果與分析

信號源模塊發射信號仿真結果如圖11所示。其中，(a)路為輸入待發送的二進制數據信息，(b)路為經過PPM調制的UWB信號，(c)路為經過跳時調制的UWB信號，(d)路為送入信道傳輸的TH-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

在同步鎖相環模塊中，兩路信號經過積分、采樣、保持以及平方后，再經過相減器后輸出的誤差函數的鑒相特性輸出波形如圖14所示。

圖14 誤差函數的鑒相特性輸出波形

整個系統實現同步后，接收端的解調信號與發射端的發射信號波形對比圖如圖15所示。(a)路為發射端發射波形，(b)路為接收端解調波形。通過對兩組波形的對比，可以看出在接收端得到了與發射端發送波形一致的解調信號波形。

圖15 接收端解調后波形對比圖

3 結語

在Simulink平臺下，結合既有模塊與S-function編程設計完成了對TH-PPM-UWB脈沖信號的同步跟蹤，同步誤差小至10－14數量級，實現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調制方式的特征。該系統用于信息工程或通信工程專業通信系統綜合實驗，可以擴展同學們對通信知識點的掌握以及接受新技術的能力。

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