適用于超寬帶通信測距復(fù)合系統(tǒng)的同步機制?

喬貝貝，熊蔚明

（1.中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心，北京100190；2.中國科學(xué)院研究生院，北京100190）

適用于超寬帶通信測距復(fù)合系統(tǒng)的同步機制?

喬貝貝1，2，熊蔚明1

（1.中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心，北京100190；2.中國科學(xué)院研究生院，北京100190）

通過Simulink仿真和FPGA板級驗證，為基于隧道二極管電路的脈沖超寬帶（Impulse Radio Ultra-wideband，IR-UWB）接收機提出了一種同步機制。在物理層中使用了改進數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換跟蹤環(huán)的位同步方法，使之可以對單比特數(shù)據(jù)進行位同步，碼速率為2 Mbit／s時誤碼率趨近于零；MAC層使用了經(jīng)過變換的IEEE 802.15.4a中的31位幀引導(dǎo)序列，引導(dǎo)序列出現(xiàn)8位誤碼時仍然能進行夠準(zhǔn)確的幀同步。這種機制適用于空間探測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

空間探測；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；脈沖超寬帶；位同步；幀同步

1 引言

隨著我國探月工程的發(fā)展和行星探測的開始，行星表面探測的手段越來越被人們關(guān)注。使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種新型空間探測手段，長期穩(wěn)定地檢測行星表面溫度、氣壓、濕度和氣體密度等參數(shù)的變化，被國內(nèi)外航天機構(gòu)所重視［1］。

定位和通信是空間無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的支撐技術(shù)，脈沖超寬帶技術(shù)憑借其極低的功耗、極好的時域特性和極強的抗多徑衰落能力成為低速通信和測距領(lǐng)域倍受關(guān)注的技術(shù)［2］，發(fā)展迅速。2009年，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層和MAC層標(biāo)準(zhǔn)修正案IEEE 802.15.4a將脈沖超寬帶作為了低速率、可定位的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的可選技術(shù)之一［3］。

脈沖超寬帶信號的時域波形極窄，因此如何從物理層正確接收信號，在MAC層及時精準(zhǔn)識別測距信息是超寬帶通信和測距系統(tǒng)的一項關(guān)鍵技術(shù)。數(shù)據(jù)同步是這項技術(shù)的核心，本文將介紹一種脈沖超寬帶通信、測距復(fù)合系統(tǒng)的接收技術(shù)，并對其物理層的位同步模塊和MAC層的幀同步模塊的設(shè)計和實現(xiàn)進行較深入介紹。

在本系統(tǒng)中，同相積分器取值為

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的脈沖超寬帶通信、測距復(fù)合系統(tǒng)包括射頻前端和數(shù)字后端兩部分，前者負(fù)責(zé)接收射頻信號，后者負(fù)責(zé)處理基帶信號。

美國聯(lián)邦通信咨詢委員會（Federal Communications Commission，F(xiàn)CC）對UWB信號的定義為：絕對帶寬大于500 MHz或-10 dB相對帶寬大于20%的信號［4］。依據(jù)采樣定理，對于帶寬為500 MHz的信號至少需要1 GHz的采樣率才能夠完全恢復(fù)出數(shù)據(jù)信息，硬件很難實現(xiàn)。

本系統(tǒng)射頻前端采用了一種基于隧道二極管的幅度檢測方法，能夠避免這種困難。更重要的是，該方法在信號捕獲的過程中無需像其它方法一樣進行嚴(yán)格的模板定時同步［5］，很適用于每秒幾十比特到每秒幾兆比特的低速系統(tǒng)。圖1為該系統(tǒng)的原理框圖。占空比較小的脈沖信號經(jīng)過隧道二極管幅度檢測之后展寬成方波信號，此信號可經(jīng)過比較鎖存器后任意改變其占空比，如本系統(tǒng)采用50%的占空比。

本系統(tǒng)數(shù)字后端使用FPGA進行處理和控制。信號從比較鎖存器輸出，進入FPGA之后遇到的問題首先是物理層信號采集中的位同步的問題，其次是MAC層中信號識別的問題，解決了這些問題才能夠很好地完成通信、測距的相關(guān)工作。下一節(jié)將介紹本系統(tǒng)是如何解決這兩個關(guān)鍵問題的。

3 物理層和MAC的設(shè)計

3.1 物理層位同步方法的設(shè)計

為了防止FPGA對信號采樣時時鐘偏移的影響，物理層需有位同步模塊?？紤]到通信的有效性，常使用自同步方法中的數(shù)字鎖相法完成數(shù)字系統(tǒng)的位同步工作。而此方法中的DTTL法和插值濾波法在靜態(tài)相位差、同步建立時間和保持時間、同步帶寬等性能指標(biāo)上都很接近［6］。

與傳統(tǒng)的窄帶通信系統(tǒng)不同的是，基于脈沖幅度檢測超寬帶系統(tǒng)送給FPGA的不是經(jīng)過載波解調(diào)、模／數(shù)轉(zhuǎn)換之后的多位數(shù)字信號，而只是一個規(guī)則的高低電平信號。DTTL方法既能夠滿足這種信號位同步的要求，同時復(fù)雜度又不是很高，但是使用時要經(jīng)過一定的變通。

傳統(tǒng)的DTTL算法的原理框圖如圖2所示，而本系統(tǒng)的輸入信號為1位的高低電平邏輯信號，為了能夠使該算法適用，可以把比較鎖存器輸出的邏輯電平看作是一位的數(shù)據(jù)信號，高電平看作1，低電平看作-1，方便后續(xù)的各種運算。

式中，y1k為同相積分結(jié)果，K1為積分系數(shù)，k為碼元起始時刻，Ts為碼元周期的一半（因為輸入信號占空比為50%，這樣位同步時鐘采樣后的兩位信號才代表1位信息位），m（t）為輸入的電平信號，即在同相積分區(qū)間之內(nèi)對信號進行采樣，得到的高電平的個數(shù)為a，低電平的個數(shù)為b，則同相積分器結(jié)果為y1k=a-b，中相積分器的取值為

同理，在中相積分區(qū)間之內(nèi)對信號進行采樣，得到的高電平的個數(shù)為c，低電平的個數(shù)為d，則同相積分器結(jié)果為y2k=c-d，這里取積分系數(shù)K1、K2都為1。sgn函數(shù)和轉(zhuǎn)換判決器取值分別為ak和Ik：

均與傳統(tǒng)的DTTL算法相同，在此不再贅述。

系統(tǒng)中環(huán)路濾波器（圖3）采用簡單的二階比例積分濾波器，因為只要相位已經(jīng)足夠把位同步時鐘產(chǎn)生出來，DCO（圖4）采用簡單的相位產(chǎn)生器，其差分方程為

式中，1為常數(shù)，vd為兩路積分電路算出的時鐘偏差控制電壓，clk為位同步之后時鐘信號。

3.2 MAC層幀同步方法的設(shè)計

對于基于TOA（Time of Arrival）通信、測距復(fù)合系統(tǒng)測距系統(tǒng)，不僅需要把所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)從幀中解析出來，還要在幀格式中及時、準(zhǔn)確地識別出進行測距的位，這是測距精度的關(guān)鍵所在。問題的關(guān)鍵就是在實現(xiàn)位同步的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)高質(zhì)量的幀同步。本系統(tǒng)采用了IEEE 802.15.4a提出的一種幀同步碼，并進行了一定的修正，實現(xiàn)精準(zhǔn)的幀同步［2，3］。

IEEE 802.15.4a提供的這種碼序列被稱為完美均衡三極性序列，共有24種，其中8種為31位碼序列，16種為127位碼序列［3］。這種序列的自相關(guān)運算結(jié)果很大，而序列之間互相關(guān)以及與其它隨機序列互相關(guān)的運算結(jié)果很小。這種碼不但可作為幀同步的引導(dǎo)頭，結(jié)點個數(shù)不多時，可以用來區(qū)分節(jié)點。

選表1中的第1個和第3個碼序列進行仿真。圖5為序列1的自相關(guān)結(jié)果，圖6為序列1與序列3的互相關(guān)結(jié)果?？梢钥闯?，自相關(guān)運算時，只有在相位偏差為0的時候出現(xiàn)值超過16的尖峰，而互相關(guān)結(jié)果則不會出現(xiàn)這樣的結(jié)果。

則可以得到類似于前面仿真的結(jié)果，圖7給出了序列1進行變換之后的序列1′進行自相關(guān)仿真的結(jié)果。由仿真結(jié)果可以得出，非相關(guān)接收的系統(tǒng)也可使用這種碼作為引導(dǎo)碼并有很好的效果。

這種引導(dǎo)碼的另外一個突出優(yōu)勢是能夠保證在出現(xiàn)誤碼的時候仍然能夠取得幀的同步，圖8是將序列1出現(xiàn)8位誤碼時自相關(guān)的仿真結(jié)果?？梢钥闯鲎韵嚓P(guān)結(jié)果仍然在相位偏移為0時有相當(dāng)?shù)姆种担踔脸^了完全正確接收時的峰值。

4 實現(xiàn)和仿真結(jié)果

本節(jié)對以上提出的算法進行了Simulink仿真、VHDL編程、FPGA的實現(xiàn)、考慮線路等延時、布局布線之后進行仿真，并在FPGA開發(fā)板XILINX ML402中進行驗證，并使用ChipScope軟件抓取波形。

首先對于物理層位同步系統(tǒng)，與常規(guī)的位同步系統(tǒng)不同，該系統(tǒng)所處理的信號為近似的規(guī)則的二進制信號，受高斯白噪聲等影響很小，因此在這里僅考慮時鐘偏移對系統(tǒng)性能的影響。碼速率為2 Mbit／s的系統(tǒng)，設(shè)時鐘偏移為采樣時鐘的10-4，在Simulink中進行仿真，對40 000個PN碼進行測試，測試結(jié)果誤碼率近似為0。

圖9和圖10為位同步程序經(jīng)過VHDL實現(xiàn)之后仿真結(jié)果和在開發(fā)板中運行之后ChipScope抓取的波形。運行該結(jié)果表明，除模塊開始的10個碼元有錯誤之外，后續(xù)的通信均無誤碼。

圖11 和圖12是幀同步程序進行布局布線后仿真的結(jié)果和在開發(fā)板中運行之后ChipScope抓取的波形。將模板信號與接收到并且已經(jīng)經(jīng)過位同步的信號進行卷積運算，結(jié)果中最后一個信號為引導(dǎo)頭檢測指示信號，可以看出得到了很好的幀同步。該信號可用來作為測距系統(tǒng)的測距信號位。

另外，開發(fā)板所使用的FPGA芯片為xc4vsx35-10ff668，資源占用率不足1%。

5 總結(jié)

本文介紹了一種脈沖超寬帶通信測距復(fù)合系統(tǒng)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的工作機制，重點介紹了位同步和幀同步算法，并進行了相關(guān)的Simulink仿真和布局布線后仿真、實現(xiàn)并給出了結(jié)果。該方法實現(xiàn)復(fù)雜度低，性能較高，能夠應(yīng)用于通信、測距復(fù)合系統(tǒng)。該方法可擴展到多節(jié)點網(wǎng)絡(luò)，作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理層和MAC層，為其進入空間應(yīng)用打下良好基礎(chǔ)，這是將來進一步研究的內(nèi)容。

［1］Robert Newman，Mohammad Hammoudeh.Pennies from Heaven：a retrospective on the use of wireless sensor networksfor planetary exploration［C］／／Proceedings of 2008 NASA／ESA Conference on Adaptive Hardware and Systems. Noordwijk：IEEE，2008：263-270.

［2］Zafer Sahinoglu.Ultra-wideband Positioning Systems［M］. New York：Cambridge University Press，2008：162-165.

［3］IEEE 802.15.4a，Part15.4：Wireless Medium Access Control（MAC）and Physical Layer（PHY）Specifications for Low -Rate Wireless Personal Area Networks（WPANs）Amendment1：Add Alternate PHYs［S］.

［4］Kazimierz Siwiak，DebraMcKeown.超寬帶無線電技術(shù)［M］.張中兆，沙學(xué)軍，等，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

Kazimierz Siwiak，Debra McKeown.Ultra-wideband Radio Technology［M］.Translated by ZHANG Zhong-zhao，SHA Xue-jun，et al.Beijing：Publishing House of Electronic Industry，2005.（in Chinese）

［5］王俊.脈沖超寬帶信號產(chǎn)生、控制與檢測［D］.合肥：中國科技大學(xué)，2007.

WANG Jun.IR-UWB Signal Generation，control and Detection［D］.Hefei：University of Science and Technology of China，2007.（in Chinese）

［6］王勇，屈晨陽.一種適用于全數(shù)字接收機的位同步系統(tǒng)的設(shè)計［J］，微計算機信息，2010（23）：164-165.

WANG Yong，QUChen-yang.The Design of a Symbol Timing Synchronization System for All Digital Receiver［J］.Microcomputer Information，2010（23）：164-165.（in Chinese）

QIAO Bei-bei was born in Jinzhong，Shanxi Province，in 1987.He received the B.S.degree in Communication Engineering from Sichuan University in 2009.He is now a graduate student.His research direction is ultra-wideband communication.

Email：qiao-beibei＠126.com

熊蔚明（1963—），男，北京人，理學(xué)博士，研究員，2007年入選中國科學(xué)院“百人計劃”，主要研究方向為空間通信系統(tǒng)、電子系統(tǒng)的總體策劃、詳細(xì)設(shè)計和工程應(yīng)用；

XIONGWei-ming was born in Beijing，in 1963.He is now a researcherwith the Ph.D.degree and also a“100 Talents Project”member of the Chinese Academy of Sciences.His research concerns the overall system design，the detail design and the engineering application of space communication systems.Email：xwm＠cssar.ac.cn

A Synchronization Scheme for IR-UWB Comm unication-ranging System s

QIAO Bei-bei1，2，XIONGWei-ming1
（1.Center for Space Science and Applied Research，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）

A synchronization scheme for the tunnel diode circuit based Impulse Radio Ultra-wideband（IRUWB）receiver is discussed through simulation and board-level verification with Simulink and FPGA.Themodified data transition tracking loop bit synchronization method is adopted，providing a bit synchronization method for the 1Mbit／s single-bit data with the bit error rate approaching zero.Themodified 31-bit sequences in the IEEE802.15.4a are used in theMAC layer，which can achieve perfect frame synchronization even there are 8 bit errors.The discussed scheme can be applied to theWireless Sensor Network（WSN）for space exploration.

space exploration；wireless sensor network；IR-UWB；bit synchronization；frame synchronization

TN914

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.11.011

喬貝貝（1987—），男，山西晉中人，2009年獲四川大學(xué)通信工程學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心碩士研究生，主要研究方向為超寬帶通信；

1001-893X（2011）11-0053-05

2011-06-15；

2011-08-12