基于SystemVue的可編程WSN數(shù)字基帶仿真設(shè)計(jì)

苗鳳娟， 張 嘉， 孫艷梅， 陶佰睿,b， 李倩倩， 高玉峰， 張冬冬

(齊齊哈爾大學(xué) a. 通信與電子工程學(xué)院; b. 計(jì)算中心， 黑龍江 齊齊哈爾 161006)

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基于SystemVue的可編程WSN數(shù)字基帶仿真設(shè)計(jì)

苗鳳娟a， 張 嘉a， 孫艷梅a， 陶佰睿a,b， 李倩倩a， 高玉峰a， 張冬冬a

(齊齊哈爾大學(xué) a. 通信與電子工程學(xué)院; b. 計(jì)算中心， 黑龍江 齊齊哈爾 161006)

本文基于SystemVue平臺(tái)，通過對(duì)直序擴(kuò)頻、GMSK(高斯最小頻移鍵控)調(diào)制和高斯波整形模塊進(jìn)行仿真改進(jìn)完成可編程WSN數(shù)字基帶系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明該設(shè)計(jì)在頻譜特性改善、消除碼間串?dāng)_和降低誤碼率等方面性能良好，對(duì)發(fā)展WSN的可編程片上系統(tǒng)IP核應(yīng)用設(shè)計(jì)有重要借鑒意義。

直接序列擴(kuò)頻； GMSK； SystemVue

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network, WSN)技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)，在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域都得到越來越多的應(yīng)用[1-3]。特別是SOPC(可編程片上系統(tǒng))技術(shù)的普及，人們?cè)絹碓较Ｍ谙到y(tǒng)中集成具有WSN功能的IP模組，特別是希望新系統(tǒng)在無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)傳輸速率和數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩缘确矫娴男阅芫哂懈玫撵`活性。

傳統(tǒng)WSN數(shù)字基帶使用OQPSK(偏移四相相移鍵控)調(diào)制、半正弦波整形方式對(duì)信號(hào)處理，以期獲得適應(yīng)信道傳輸特性的信號(hào)，并降低系統(tǒng)復(fù)雜度[4-5]。然而傳統(tǒng)WSN數(shù)字基帶在許多方面的表現(xiàn)仍不盡如人意，使其應(yīng)用范圍受到限制。

本文提出使用高斯最小頻移鍵控(Gaussian Minimum Shift Keying, GMSK)調(diào)制和高斯波整形的新型數(shù)字基帶系統(tǒng)。該系統(tǒng)相比傳統(tǒng)WSN數(shù)字基帶具有良好可編程性，使系統(tǒng)的可編程集成成為可能。可針對(duì)環(huán)境對(duì)基帶進(jìn)行適配，進(jìn)一步擴(kuò)展WSN的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 系統(tǒng)功能

本設(shè)計(jì)使用直序擴(kuò)頻，GMSK調(diào)制，高斯波整形構(gòu)建系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

2.1 串并轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)

通常為了減少無線信道中的碼間串?dāng)_，需將高速數(shù)據(jù)流進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換。

對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行兩次采樣，形成同向和正交兩路并行信號(hào)。SystemVue仿真如圖2所示。

圖2 串并轉(zhuǎn)換仿真

使用同頻異相抽樣信號(hào)對(duì)原信號(hào)采樣。兩采樣信號(hào)相位相差半個(gè)周期。原始信號(hào)，串并轉(zhuǎn)換后I路和Q路信號(hào)波形如圖3～5所示。

圖3 原始信號(hào)波形

圖4 I路信號(hào)波形

圖5 Q路信號(hào)波形

2.2 擴(kuò)頻解擴(kuò)模塊的設(shè)計(jì)

擴(kuò)頻系統(tǒng)因其頻譜利用率高，保密性好，有較強(qiáng)的抗干擾，抗衰落和抗多徑效應(yīng)的能力而得到了廣泛的應(yīng)用[6-7]。本設(shè)計(jì)使用直序擴(kuò)頻的方式對(duì)系統(tǒng)信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻。仿真圖如圖6所示。

圖6 擴(kuò)頻解擴(kuò)模塊仿真

通過使用偽隨機(jī)序列與原始信號(hào)進(jìn)行混疊完成擴(kuò)頻模塊的設(shè)計(jì)。擴(kuò)頻之后信號(hào)的放大波形如圖7和8所示。

圖7 I路信號(hào)擴(kuò)頻后波形

圖8 Q路信號(hào)擴(kuò)頻后波形

由于大量PN碼的加入，信號(hào)頻譜被展寬，抗干擾能力和保密性得以加強(qiáng)[8-10]。

設(shè)計(jì)使用路由轉(zhuǎn)發(fā)方式對(duì)偽隨機(jī)序列轉(zhuǎn)發(fā)，使接收端獲得正確的PN碼。解擴(kuò)的I路、Q路波形如圖9及10所示。

圖9 I路解擴(kuò)后波形

圖10 Q路解擴(kuò)后波形

2.3 調(diào)制解調(diào)模塊的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)WSN數(shù)字基帶中常使用OQPSK調(diào)制，但OQPSK依然有90°的相移[11-13]。

GMSK使信號(hào)頻帶更窄，抗干擾能力更強(qiáng)，在交越零點(diǎn)相位連續(xù)，且平滑過濾，其引入的預(yù)調(diào)制低通濾波器，可以較好地改善功率密度譜旁瓣較大的現(xiàn)象[14-15]。仿真設(shè)計(jì)如圖11所示。GMSK在MSK調(diào)制之前加入高斯低通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)調(diào)制濾波。預(yù)調(diào)制濾波減小了兩個(gè)不同頻率載波切換時(shí)的跳變能量，并使信號(hào)在交越零點(diǎn)相位連續(xù)并且平滑過濾。

I路和Q路調(diào)制后信號(hào)波形放大后如圖12和13所示。

圖11 GMSK調(diào)制解調(diào)仿真

圖12 I路調(diào)制后波形

圖13 Q路調(diào)制后波形

在解調(diào)時(shí)，使用同頻的余弦和正弦函數(shù)與原信號(hào)相乘，可恢復(fù)調(diào)制前信號(hào)。解調(diào)后I路和Q路波形如圖14和15所示。

圖14 I路解調(diào)后波形

圖15 Q路解調(diào)后波形

2.4 波形整形模塊的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)WSN數(shù)字基帶中使用半正弦波整形方式消除碼間串?dāng)_，使調(diào)制信號(hào)更好地適應(yīng)傳輸信道特性，并降低系統(tǒng)的復(fù)雜度[16]。

由于在某些信道中，高斯波對(duì)信道的適應(yīng)性更為優(yōu)秀，信號(hào)噪聲比、能量分辨率更高。本設(shè)計(jì)提出一種高斯波整形的方式消除碼間串?dāng)_。該方式在實(shí)現(xiàn)上并未過多增加系統(tǒng)的復(fù)雜度。仿真設(shè)計(jì)如圖16所示。

如圖所示：對(duì)高斯函數(shù)進(jìn)行周期延拓，并與方波信號(hào)相乘，使信號(hào)以符合高斯函數(shù)的形式在信道中傳輸。整形后波形放大如圖17所示。

圖16 高斯波整形仿真

圖17 高斯波整形后波形

在接收端使用高斯波整形的逆反方式，對(duì)接收到的信號(hào)抽樣判決后，使用同頻同相的正弦波，即可恢復(fù)原始正弦信號(hào)。還原整形后波形放大如圖18所示。

圖18 逆整形放大后波形

2.5 波形恢復(fù)的設(shè)計(jì)

在接收到解擴(kuò)之后的波形后，仍需對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行抽樣判決才能恢復(fù)出原始信號(hào)。仿真圖如圖19所示。

圖19 波形恢復(fù)模塊仿真

如對(duì)解擴(kuò)后信號(hào)抽樣判決后，將各自保留原始信息的信號(hào)相疊加，即可恢復(fù)出原始信號(hào)。恢復(fù)后波形如圖20所示。

圖20 恢復(fù)后波形

3 結(jié) 語

由上述內(nèi)容可看出：波形得到正確恢復(fù)，完成了基帶傳輸任務(wù)。濾波前后眼圖如圖21和22所示。

可看到濾波前，由于高斯噪聲的存在，信號(hào)受干擾嚴(yán)重，通過低通濾波，信號(hào)頻帶特性得以改善，眼圖清晰張開。

圖21 濾波前眼圖

圖22 濾波后眼圖

本設(shè)計(jì)解決了傳統(tǒng)WSN系統(tǒng)中鄰道干擾依舊較高等問題，優(yōu)化了WSN數(shù)字基帶，提高了數(shù)字基帶的靈活性，為SOPC的設(shè)計(jì)提供了可行性。GMSK信噪比和能量分辨率更高；高斯波整形可使信號(hào)噪聲比、能量分辨率提高，使WSN的應(yīng)用范圍進(jìn)一步提升，有著重要的應(yīng)用研究?jī)r(jià)值。

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Design of Programmable Digital Baseband System for WSN Based on SystemVue

MIAOFeng-juana,ZHANGJiaa,SUNYan-meia，TAOBai-ruia,b,LIQian-qiana,GAOYu-fenga,ZHANGDong-donga

(a. College of Communication and Electronics Engineering; b. Computing Center,Qiqihar University, Qiqihar 161006, China)

A programmable digital baseband system for WSN (Wireless Sensor Networks) was designed based on SystemVue to simulate the module of direct sequence spread spectrum, GMSK and Gaussian wave. The result of simulation shows that the system has a good performance in improving the spectrum feature, eliminating inter-symbol interference and reducing error probabilities. It has important reference in developing application of intellectual property (IP) core on system on a programmable chip (SOPC).

direct sequence spread spectrum; GMSK; SystemVue

2015-07-28

黑龍江省自然科學(xué)基金(F201438)；黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(12541899) ；齊齊哈爾大學(xué)教育教學(xué)研究項(xiàng)目(2014082)

苗鳳娟(1982-)，女，黑龍江克山人，博士，副教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向：微納傳感器技術(shù)、集成電路設(shè)計(jì)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用等。E-mail：miaofengjuan@163.com

TN 47

A

1006-7167(2016)03-0082-04