??? 摘? 要： 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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于隱藏活動(dòng)目標(biāo)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(hào)產(chǎn)生到方案設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了分析，將所設(shè)計(jì)的VHDL程序用Modelsim硬件仿真軟件進(jìn)行了功能仿真，并將程序下載到芯片上用示波器進(jìn)行了波形實(shí)測，結(jié)果完全滿足設(shè)計(jì)要求。?
??? 關(guān)鍵詞： 超寬帶； TH_PPM; Modelsim； VHDL
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??? 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(hào)功率譜密度低、截獲概率小、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供數(shù)厘米定位精度以及有很強(qiáng)的抗多徑干擾能力[1]等優(yōu)點(diǎn)。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(shí)現(xiàn)UWB高速無線應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。因此，本文對UWB通信系統(tǒng)中常用的TH_PPM調(diào)制方式進(jìn)行分析并用Modelsim硬件仿真軟件進(jìn)行了仿真,最后用示波器對波形進(jìn)行實(shí)測。結(jié)果表明設(shè)計(jì)滿足要求，可以在超寬帶通信系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。?
1 UWB通信系統(tǒng)的TH_PPM信號(hào)的產(chǎn)生?
??? 超寬帶在無線電通信研究中受到廣泛的關(guān)注，作為最常用的超寬帶調(diào)制方式之一，參考文獻(xiàn)[2,3]提出的TH_PPM信號(hào)產(chǎn)生模型如下：?
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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碼所控制的脈沖時(shí)延偏移單位； Tf是無調(diào)制時(shí)的均勻單周期脈沖的重復(fù)周期；δ為信息碼
控制的附加時(shí)延(有時(shí)稱為時(shí)間調(diào)制指數(shù))，當(dāng)信息碼為“1”時(shí)，有附加時(shí)延δ，當(dāng)信息碼為“0”時(shí)，無附加時(shí)延δ；本文采用重復(fù)編碼，每NS個(gè)單周期脈沖波形傳送1個(gè)二進(jìn)制符號(hào);信息碼的脈寬TS=NsTf，信息速率RS=1/Ts，從式(1)可知，TH_UWB信號(hào)中包括兩種時(shí)延，
的絕對值表示了用戶所發(fā)射的沖激脈沖串中第j個(gè)脈沖的起點(diǎn)時(shí)刻。?
2 TH_PPM信號(hào)的設(shè)計(jì)原理及實(shí)現(xiàn)方案?
本文基于參考文獻(xiàn)[4]提出了另一種簡化的TH_PPM信號(hào)產(chǎn)生模型，如圖1所示。?
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??? 在圖1中，信息碼與PN碼作用于跳時(shí)脈沖形成器輸出二者共同控制的跳時(shí)脈沖。一般地，信息數(shù)據(jù)的速率遠(yuǎn)低于PN碼速率，也就是一個(gè)信息周期包含著PN碼多個(gè)周期，可作為一個(gè)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(shí)延偏移，則TH_PPM信號(hào)的表達(dá)式可簡化為：?
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其中，bj為受信息碼和PN碼共同控制的時(shí)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(gè)模型由基準(zhǔn)時(shí)鐘產(chǎn)生器、分頻器、PN碼產(chǎn)生器、信碼產(chǎn)生器、二進(jìn)制加法器、比較器以及PPM信號(hào)形成器構(gòu)成。?
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??? 圖2中，基準(zhǔn)時(shí)鐘產(chǎn)生器輸出50 MHz的基準(zhǔn)時(shí)鐘；分頻器1是1個(gè)2 bit的二進(jìn)制分頻器，用于產(chǎn)生基準(zhǔn)脈沖位置比較信號(hào)；信息碼產(chǎn)生器產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)用的二進(jìn)制信息序列；PN碼產(chǎn)生器產(chǎn)生偽隨機(jī)序列，作為地址碼；比較器的功能是將跳時(shí)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(zhǔn)脈沖位置信號(hào)(00，01，10，11)在基準(zhǔn)時(shí)鐘的控制下進(jìn)行現(xiàn)時(shí)比較，例如在基準(zhǔn)時(shí)鐘的上升沿，若跳時(shí)脈沖形成器的輸出狀態(tài)為10，則只有當(dāng)分頻器的輸出也為10時(shí),比較器輸出為“1”，否則輸出為“0”。由于在設(shè)計(jì)時(shí)，使脈沖形成器輸出的某個(gè)狀態(tài)至少保持分頻器的一個(gè)狀態(tài)周期時(shí)間，因此可保證在一個(gè)Tf內(nèi)狀態(tài)00、10有唯一的某個(gè)狀態(tài)與分頻器1的輸出狀態(tài)對應(yīng)，而且狀態(tài)不同，對應(yīng)的比較輸出的信號(hào)出現(xiàn)在上升沿的位置不同；PPM信號(hào)形成器的作用是在基準(zhǔn)時(shí)鐘的控制下，將比較器輸出脈沖進(jìn)行延遲、倒相和信號(hào)合成，便可輸出PPM信號(hào)。脈沖產(chǎn)生器的作用是把PPM基帶信號(hào)變換成符合要求的極窄高斯脈沖序列，形成TH_PPM的UWB信號(hào)Str(t)。?
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(tái)，用VHDL硬件語言編寫程序，用Modelsim硬件仿真軟件進(jìn)行仿真。TH_PPM模塊對外共有3個(gè)輸入輸出端口，其中CLK是系統(tǒng)提供的時(shí)鐘信號(hào)，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(hào)即從該引腳發(fā)送到其他模塊。?
??? 本方案采用的跳時(shí)碼周期為31，為了便于實(shí)現(xiàn)(主要是便于時(shí)鐘分頻的需要)，對其補(bǔ)一位0，得到周期為32的跳時(shí)碼，故將每32個(gè)脈沖構(gòu)成一幀，由1個(gè)周期的跳時(shí)碼對其進(jìn)行調(diào)制，每個(gè)跳時(shí)碼對應(yīng)一個(gè)脈沖。?
??? TH_PPM信號(hào)產(chǎn)生器的VHDL設(shè)計(jì)頂層電路圖模型如圖3所示。?
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??? 該TH_PPM信號(hào)產(chǎn)生器由DCM模塊、數(shù)據(jù)緩存器、跳時(shí)碼ROM、跳時(shí)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(shí)鐘管理模塊，可以在50 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘的基礎(chǔ)上通過分頻和倍頻產(chǎn)生穩(wěn)定的64 MHz時(shí)鐘，用于形成基帶脈沖。時(shí)鐘產(chǎn)生模塊的作用主要是對DCM產(chǎn)生的高速時(shí)鐘進(jìn)行分頻，得到用以讀取跳時(shí)碼以及控制脈沖跳時(shí)的低速時(shí)鐘。跳時(shí)碼存儲(chǔ)在ROM模塊中，該模塊使用Xilinx公司的IP核生成，實(shí)現(xiàn)簡單，在跳時(shí)過程中讀寫數(shù)據(jù)方便。跳時(shí)控制模塊是這部分的核心，它接收ROM送來的跳時(shí)碼，在高速時(shí)鐘的控制下產(chǎn)生基帶脈沖信號(hào)，低速脈沖讀取的跳時(shí)碼控制脈沖信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)的位置，并根據(jù)跳時(shí)碼的重復(fù)周期將若干個(gè)脈沖劃分為一幀，便于跳時(shí)實(shí)現(xiàn)。?
4 實(shí)驗(yàn)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(hào)clk(系統(tǒng)時(shí)鐘)、data_in(信碼輸入信號(hào))、pulse_out（跳時(shí)脈沖信號(hào)）以及輸出的th_ppm_out(th_ppm調(diào)制的脈沖信號(hào)）。從圖4可以看到，輸出的ppm脈沖的間距并不相同，在有跳時(shí)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(shí)鐘周期為20 ns，th_ppm脈沖寬度為5 ns，輸出的th_ppm_out脈沖間距寬度不一。當(dāng)pulse_out從0變?yōu)?時(shí)對應(yīng)的兩脈沖間距為25 ns，當(dāng)pulse_out從1變?yōu)?時(shí)對應(yīng)的兩脈沖間距為5 ns，其余pulse_out沒有變化的時(shí)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(shè)計(jì)的預(yù)期一致。整個(gè)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(rèn)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(shè)計(jì)預(yù)期。?
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4.2 跳時(shí)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(hào)dout，在dout為1的1個(gè)跳時(shí)碼周期內(nèi)，有跳時(shí)脈沖輸出，dout為0的其他跳時(shí)碼周期內(nèi)，無跳時(shí)脈沖輸出。把跳時(shí)碼的32位分成64個(gè)時(shí)隙，從仿真放大圖7可以看到，跳時(shí)碼為7時(shí)，在第7+7個(gè)時(shí)隙位置有跳時(shí)脈沖輸出。故跳時(shí)模塊完成了在跳時(shí)碼控制下對輸入數(shù)據(jù)的跳時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能。?
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5 實(shí)驗(yàn)測試?
??? 本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)利用學(xué)院創(chuàng)新項(xiàng)目超寬帶單兵電臺(tái)中的基帶板作為測試平臺(tái)，將上述的TH_PPM信號(hào)產(chǎn)生模塊的VHDL設(shè)計(jì)程序下載并配置到FPGA芯片中，采用Agilent公司54855A型示波器進(jìn)行觀測，采樣速率為20 GS/s。圖8為所測試的跳時(shí)PPM脈沖波形，從中可以看到，脈沖寬度約為5 ns。同時(shí)，基準(zhǔn)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(shè)計(jì)相符，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。?
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??? 本方案首先從波形分析、信號(hào)產(chǎn)生、方案設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面對TH_PPM調(diào)制進(jìn)行了分析；然后運(yùn)用硬件仿真軟件對其進(jìn)行了硬件仿真；最后在示波器上進(jìn)行了波形實(shí)測。從中看出本方案滿足了預(yù)期要求，可以在超寬帶通信系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)際運(yùn)用。?
參考文獻(xiàn)?
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[4] 段吉海，鄭繼禹，仇洪冰，林基明.UWB通信系統(tǒng)的TH_PPM信號(hào)產(chǎn)生與接收處理.桂林電子工業(yè)學(xué)報(bào)，2005(6).