UWB系統(tǒng)的建模及仿真

陸冬妹，鄧小芳

（1. 百色學(xué)院 物理與電信工程系，百色 533000；2. 桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，桂林 541004）

0 引言

UWB(超寬帶)技術(shù)作為一種全新技術(shù)，因其自身的特點(diǎn)和優(yōu)勢，從其誕生之日起就一直受到人們的關(guān)注[2]。近年來，隨著對其研究的深入和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，UWB技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣，已經(jīng)從最初的局限于雷達(dá)方面逐漸發(fā)展到無線通信、目標(biāo)定位、探測等諸多方面，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

本文根據(jù)UWB信號的定義，將M腳本文件與Simulink仿真相結(jié)合，建立了UWB信號仿真模型。

1 系統(tǒng)模型研究設(shè)計(jì)

UWB通信系統(tǒng)采用超短脈沖(脈沖持續(xù)時間小于1 ns)作為信息載體，通過有用信息控制超短脈沖相對于定時時刻的位置，即脈沖位置調(diào)制(PPM)，實(shí)現(xiàn)信號調(diào)制[3]。在多用戶通信情況下，采用跳時擴(kuò)頻多址技術(shù)，用偽隨機(jī)跳時碼將超短脈沖的出現(xiàn)時刻隨機(jī)化。一個跳時碼周期內(nèi)的UWB信號表達(dá)式為(1)：

其中，αi表示調(diào)制碼元序列，以等概率取值+1和-1；P(t)為窄脈沖波形；Ts為信息碼元持續(xù)時間，由Ns幀組成，每1幀里包含1個脈沖；Tf為幀的持續(xù)時間；δ為信息碼元調(diào)制參數(shù)，表示脈沖位置調(diào)制(PPM)時，單位碼元引起的脈沖時移；bi指第i個信息碼元，biδ表示由信息調(diào)制引起的時移； ciTc表示由跳時碼引起的時移，ci為跳時碼序列， ci是整數(shù)，取值范圍是[0，Nk-1]；ci為每一個跳時碼的持續(xù)時問，ciTc表示由跳時碼引起的時移，NkTc＜Tf。在每一幀中，脈沖在時間軸上的位置由信息碼元調(diào)制參數(shù)δ和跳時碼ci共同決定，設(shè)TTH=Nb×Ts, Nk為正整數(shù)[4]。

本文設(shè)計(jì)一個具有加性高斯噪聲的超寬帶發(fā)射和接收系統(tǒng)：發(fā)射機(jī)是直接擴(kuò)頻序列脈沖幅度調(diào)制發(fā)射機(jī)；信道是帶有加性高斯噪聲的多徑通道；接收機(jī)采用RAKE接收機(jī)。根據(jù)UWB信號的定義，信息調(diào)制方式選擇脈沖幅度調(diào)制(PAM)．在一個跳時碼周期 內(nèi)，建立3大部分，分別實(shí)現(xiàn)超寬帶信號的產(chǎn)生信號的傳輸、信號的接收。系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 UWB系統(tǒng)模型

2 超寬帶信號發(fā)射機(jī)、接收機(jī)基本結(jié)構(gòu)

2.1 發(fā)射機(jī)和相關(guān)接收機(jī)模型

在發(fā)射端，數(shù)據(jù)直接對射頻脈沖調(diào)制，再通過可編程延時器件對脈沖進(jìn)一步時延控制，最后通過超寬帶天線發(fā)射出去。在接收端，信號通過相關(guān)器與本地模板波形相乘，積分后通過抽樣保持電路送到基帶信號處理電路中，由捕獲跟蹤部分、時鐘振蕩器和(跳時)碼產(chǎn)生器控制可編程延時器，根據(jù)相應(yīng)的時延產(chǎn)生本地模板波形，與接收信號相乘。整個收發(fā)信機(jī)幾乎全部由數(shù)字電路構(gòu)成，便于降低成本和小型化。

2.2 Rake接收機(jī)模型

由于UWB信號需要用時域的方法進(jìn)行分析，多用于戶內(nèi)密集多徑(多徑可達(dá)到30條)的條件下，而且每條路徑的信號能量都很小，難以對每條信道做出估計(jì)，所以使UWB信號的Rake接收成為可能。Rake接收機(jī)使原來能量很小的多徑信號經(jīng)過能量合并后提高的信噪比提高系統(tǒng)性能[5]。

圖2 UWB信道模塊

3.3 UWB信號使能、檢測模塊

3 超寬帶系統(tǒng)各模塊基本結(jié)構(gòu)及相關(guān)介紹

3.1 脈沖形成模塊

脈沖形成器的頻譜性能直接決定整個發(fā)射機(jī)輸出的頻譜性能。 脈沖形成器將前級放大器輸出的射頻信號經(jīng)過功分器一分為二路成為各自獨(dú)立的、幅度可調(diào)的信號，并在其中一路引入移相器，利用矢量合成原理，通過合成器將兩路信號再合成起來，以達(dá)到同時控制射頻脈沖形狀和相位的功能。通過脈沖形成器對射頻脈沖信號進(jìn)行整形可改善發(fā)射頻譜旁瓣，并對激勵脈沖前后沿期間速調(diào)管放大器非線性特性引起的相位失真進(jìn)行補(bǔ)償，從而使發(fā)射頻譜滿足指標(biāo)要求。

脈沖形成器中同相3分貝電橋?qū)⑤斎胄盘栆环譃槎?，各包含一只PIN調(diào)制衰減器，獨(dú)立地調(diào)整所通過信號的幅度和形狀。 脈沖形成器輸出部分的同相3分貝電橋?qū)⒔?jīng)過調(diào)制、衰減、移相的射頻信號再合成起來，而兩路信號的矢量和決定合成信號的幅度和相位。

為了補(bǔ)償PIN調(diào)制衰減器的溫度特性，我們特意加了控溫電路。由埋置在PIN調(diào)制衰減器基板附近的溫度傳感器錄取信號，經(jīng)控溫電路來控制加熱元件，使PIN調(diào)制衰減器的基板溫度維持在55℃±5℃。

3.2 UWB信道模塊

超寬帶通信具有傳輸速率高、抗多徑干擾能力強(qiáng)、對現(xiàn)有通信系統(tǒng)干擾小等眾多優(yōu)點(diǎn)，研究超寬帶通信的室內(nèi)信道特性及其隨機(jī)統(tǒng)計(jì)模型具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，它直接決定了系統(tǒng)調(diào)制方式的選擇、最大通信速率和最大通信距離等關(guān)鍵指標(biāo)，指導(dǎo)著超寬帶接收機(jī)的設(shè)計(jì)。UWB信道模塊圖如圖2所示。

圖3 UWB信號使能和檢測模塊

4 UWB系統(tǒng)仿真及其調(diào)試

4.1 UWB系統(tǒng)發(fā)射信號

發(fā)射的二進(jìn)制源碼為11110001，經(jīng)過脈沖幅度調(diào)制，發(fā)射出攜帶信息的高斯脈沖波型。發(fā)射波形的輸出受多個參數(shù)影響，主要是伯努利信號源產(chǎn)生的碼元種子，直接擴(kuò)頻序列，數(shù)據(jù)調(diào)制方式和高斯波形的放大倍數(shù)與波形持續(xù)時間。輸出波形隨碼元變換后表現(xiàn)出不同的形式，同時調(diào)制方式的影響也至關(guān)重要。系統(tǒng)可以采用BPSK和OOK兩種調(diào)制方式，雖然OOK調(diào)制相對簡單，但其抗干擾能力差、解調(diào)復(fù)雜，所以系統(tǒng)仿真以BPSK方式調(diào)制信號為主。系統(tǒng)分別采用不同調(diào)制和不同二進(jìn)制碼元，該系統(tǒng)發(fā)射機(jī)仿真圖如圖4所示。

圖4 BPSK方式的發(fā)射波形

4.2 UWB 經(jīng)信道輸出和接收信號

發(fā)射的調(diào)制信號，經(jīng)過信道損耗和噪聲的引入，會發(fā)生比較大的變化。影響此波形的主要因素是信噪比的設(shè)置，如果信噪比（SNR）設(shè)置過低不但信號的輸出波形幅度較低，而且碼元傳輸出錯率也會較高。再將帶有噪聲和損耗的信號經(jīng)過RAKE接收機(jī)抽樣使能，輸出與發(fā)射碼元同步的信號。接收機(jī)的接收時鐘必須與信息碼元時鐘同步。系統(tǒng)可以采用EG、MR、MMSE和WSMR四種分集合并方式，本系統(tǒng)采用EG方式。信號仿真輸出信號圖如圖5所示。

圖5 帶有噪聲的信道輸出和RAKE接收機(jī)的接收信號

觀察圖5可見：UWB信道輸出帶有噪聲和損耗的信號，經(jīng)過RAKE接收機(jī)抽樣使能，輸出與發(fā)射碼元同步的有效信號，仿真證明該系統(tǒng)模型構(gòu)建成功。

4.3 UWB系統(tǒng)發(fā)射與接收信號的對比

同步發(fā)射與接收到的信號進(jìn)行比較，從而對RAKE接收機(jī)性能進(jìn)行評估。接收機(jī)性能評估,如圖6所示。圖6中顯示了發(fā)射和接收對比輸出的結(jié)果。顯示窗口有三個文本框，第一個表示數(shù)據(jù)接收的出錯率，第二個文本框表示發(fā)射與接收對比出錯的個數(shù)，第三個文本框表示接收的信息碼元數(shù)。系統(tǒng)的出錯監(jiān)測參數(shù)主要從右邊的出錯評估器進(jìn)行設(shè)置，它包括五個設(shè)置項(xiàng)，信息碼元延時，仿真檢錯延時數(shù)值，仿真應(yīng)用模式，數(shù)據(jù)輸出形式和仿真停止參數(shù)。其中，前兩個設(shè)置至關(guān)重要，如果設(shè)置不當(dāng)，即使系統(tǒng)能接收正確仿真結(jié)果仍是錯誤的。信息碼元延時，主要用來協(xié)調(diào)發(fā)射數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)的同步，它與接收機(jī)的通道時延，碼片時間，碼元信息傳輸速率和抽樣時間都有關(guān)系，本系統(tǒng)的碼元接收延遲時間設(shè)置為：2+ceil(max(Channel.SigPath)*xtcs.Ts/xtcs.Tb) (1)

因系統(tǒng)剛運(yùn)行不能馬上處于穩(wěn)定狀態(tài)，數(shù)據(jù)的傳輸就容易出錯，所以軟件設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮將開始傳輸?shù)膸讉€碼元舍去，本系統(tǒng)通過設(shè)置檢錯延時數(shù)值來減少仿真出錯率，最大程度上保證仿真的正確性?？紤]到本系統(tǒng)的信息碼元傳輸時間為：5e-9，所以延時數(shù)值應(yīng)保證大于5納秒。仿真應(yīng)用模式用來設(shè)置延時的應(yīng)用范圍，本系統(tǒng)將其設(shè)置為有效域?yàn)檎麄€仿真系統(tǒng)。數(shù)據(jù)模式主要用來限定輸出參數(shù)的有效性，本系統(tǒng)設(shè)置為端口有效，而不是整個工作空間。仿真停止參數(shù)選項(xiàng)默認(rèn)為自動，系統(tǒng)對其進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)它滿足錯誤碼元數(shù)為100或最大接收個數(shù)為4983時仿真停止。

圖6 UWB系統(tǒng)發(fā)射與接收信號的對比

5 結(jié)論

利用軟件仿真技術(shù)來輔助理論研究，以驗(yàn)證研究結(jié)果，是現(xiàn)代科研工作者使用的主要研究方法之一。本文借助MATLAB軟件提供的強(qiáng)大計(jì)算及仿真功能，為UWB信號的研究建立了仿真模型。本文以MATLAB環(huán)境為開發(fā)平臺設(shè)計(jì)一個具有加性高斯噪聲的超寬帶發(fā)射和接收系統(tǒng)，經(jīng)仿真測試帶有噪聲和損耗的信號經(jīng)過RAKE接收機(jī)抽樣使能，能輸出與發(fā)射碼元同步的信號，系統(tǒng)模型構(gòu)建仿真成功。

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