基于SystemVue的單載波超寬帶系統(tǒng)仿真*

吳 昊，肖振宇，孔紅偉，胡飛將，金德鵬

(1.清華大學(xué)電子工程系，北京100084;2.安捷倫科技有限公司，北京100102)

0 引言

超寬帶(ultra-wideband，UWB)是短距離無線通信領(lǐng)域中極具競爭力的新興物理層技術(shù)，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，WSNs)領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。人們對UWB在醫(yī)用定位跟蹤通信系統(tǒng)和工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備跟蹤等WSNs領(lǐng)域的應(yīng)用關(guān)注度正在日益加強(qiáng)［1］，而使用UWB作為視頻監(jiān)控和多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的底層傳輸技術(shù)也備受關(guān)注［2］。

國際上的主流UWB技術(shù)體制包括脈沖超寬帶(impulse radio UWB，IR-UWB)［3］、直接序列擴(kuò)頻超寬帶(direct sequence UWB，DS-UWB)［4］和多帶正交頻分復(fù)用(multiband orthogonal frequency division multiplexing，MB-OFDM)［5］。而單載波超寬帶(single carrier UWB，SC-UWB)是清華大學(xué)自主提出的一種UWB技術(shù)體制，具有高速率、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于WSNs。SC-UWB目前正在標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程中，有望成為UWB領(lǐng)域的中國國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之一。

本文采用SystemVue環(huán)境對SC-UWB系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)基帶和接收機(jī)基帶進(jìn)行建模，對IEEE 802.15.3a信道模型下的SC-UWB系統(tǒng)性能進(jìn)行了仿真研究，該研究對于SCUWB系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)作用。另外，通過將測試儀器無縫集成到仿真平臺中，能夠?qū)⒎抡媾c測試有效地結(jié)合，將仿真平臺用于硬件系統(tǒng)測試與驗(yàn)證，加速硬件研發(fā)過程。

1 SC-UWB體制

在UWB的發(fā)展歷史上，出現(xiàn)過3種重要的UWB技術(shù)體制:IR-UWB，DS-UWB和MB-OFDM。IR-UWB是傳統(tǒng)的窄脈沖技術(shù)體制，也被稱為脈沖無線電。DS-UWB從傳統(tǒng)的IR-UWB發(fā)展而來，發(fā)送的是連續(xù)高速碼片，但其本質(zhì)也屬于脈沖體制。而MB-OFDM則徹底改變了人們對UWB的傳統(tǒng)觀點(diǎn)，采用多載波方式進(jìn)行調(diào)制。脈沖體制和多載波體制都曾得到過學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，其中MBOFDM體制最終被ISO和IEC接納為國際標(biāo)準(zhǔn)，而DS-UWB體制則最終被IEEE發(fā)展成為低速UWB標(biāo)準(zhǔn)。SC-UWB作為一種新的超寬帶體制，與DS-UWB和MB-OFDM這兩種UWB體制相比具有自身的優(yōu)勢。

SC-UWB在系統(tǒng)方案制定之初，就明確提出了“移動終端之間的短距離高速無線互聯(lián)”的應(yīng)用定位并確立了“低成本低功耗”的設(shè)計(jì)目標(biāo)，這非常符合WSNs的物理層設(shè)計(jì)要求。應(yīng)當(dāng)看到，DS-UWB和MB-OFDM技術(shù)體制為了覆蓋10m范圍和保證較高的通信速率，無法實(shí)現(xiàn)低成本低功耗芯片。DS-UWB無法實(shí)現(xiàn)低成本低功耗芯片的主要原因在于［4］:1)DS-UWB的帶寬較寬，需要使用高性能的ADC和DAC，最高采樣速率可以達(dá)到5.46Gsps，系統(tǒng)復(fù)雜度高;2)DS-UWB使用MBOK(M-ary Bi-Orthogonal Keying)對抗多徑，這在一定程度上緩解了多徑的影響，但是卻造成接收機(jī)均衡器的實(shí)現(xiàn)非常困難。MB-OFDM無法實(shí)現(xiàn)低成本低功耗的主要原因則在于［5］:1)OFDM具有高峰均功率比(peak to average power ratio，PAPR)，這要求系統(tǒng)使用高量化精度的ADC和DAC;2)MB-OFDM采用跳頻傳輸方式，造成接收機(jī)同步復(fù)雜程度顯著增加。SC-UWB采用低階調(diào)制+直接序列擴(kuò)頻+載波調(diào)制的方式，芯片制造工藝成熟;低階調(diào)制如BPSK，QPSK等降低了對ADC量化精度的要求;500 MHz帶寬載波調(diào)制則降低了對ADC與DAC采樣速率的需求;另外SC-UWB在射頻部分使用固定的中心頻率避免跳頻，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。與DS-UWB，MB-OFDM相比，SC-UWB專注更近距離的高速信息交互，具有更低的系統(tǒng)復(fù)雜度，從而使得SC-UWB在功耗和成本上具有顯著的優(yōu)勢，這也使SC-UWB非常適合成為WSNs的物理層傳輸技術(shù)。

2 SC-UWB仿真

本文在SystemVue仿真環(huán)境中對SC-UWB基帶系統(tǒng)進(jìn)行C++建模，創(chuàng)建了SC-UWB基帶仿真庫，庫中主要包括隨機(jī)信源、卷積編碼、交織、擴(kuò)頻、成幀、同步、Rake接收、DFE、解交織、卷積譯碼、誤碼率統(tǒng)計(jì)等模塊。基于此仿真庫，我們對SC-UWB系統(tǒng)在IEEE 802.15.3a UWB信道模型下的誤碼率性能進(jìn)行了仿真。SystemVue是Agilent公司最新推出的具有強(qiáng)大仿真功能的系統(tǒng)級仿真軟件，允許使用C++進(jìn)行系統(tǒng)建模，C++模型經(jīng)編譯得到的DLL文件動態(tài)加載到仿真環(huán)境中即可用于仿真。

2.1 SC-UWB發(fā)射機(jī)模型

圖1中所示的是在SystemVue上搭建的SC-UWB發(fā)射機(jī)基帶，包括信源、卷積編碼、交織、擴(kuò)頻、成幀、BPSK映射、上采樣和波形成形幾個(gè)模塊。卷積編碼器采用碼率為4/5的卷積碼，該碼是在(2，1，7)卷積碼基礎(chǔ)上打孔得到的。交織器采用32×16的分組交織器，行寫列讀。擴(kuò)頻模塊使用擴(kuò)頻序列［0 1］，將 bit0和bit1分別映射為［0 1］與［1 0］。成幀模塊將數(shù)據(jù)凈荷封裝成完整數(shù)據(jù)幀，仿真中的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括同步域、幀起始定界符域、載荷長度域、訓(xùn)練序列域和數(shù)據(jù)域5個(gè)部分。同步域、幀起始定界符域和載荷長度域均采用長度為127的PN序列。同步域使用8個(gè)PN序列，用于實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻捕獲和信道估計(jì);幀起始定界符使用1個(gè)PN序列，標(biāo)識載荷長度域的開始;載荷長度域使用4個(gè)PN序列，表示范圍為1～16之間的數(shù)據(jù)域載荷塊數(shù)量，每個(gè)載荷塊編碼前長度為1024 bit。訓(xùn)練序列為長度800bit的偽隨機(jī)序列，使用多項(xiàng)式g(D)=I+D14+D15生成。成幀模塊對訓(xùn)練序列使用擴(kuò)頻序列［0 1］進(jìn)行2倍擴(kuò)頻。上采樣模塊的上采樣率為4，系統(tǒng)采樣率設(shè)定為1GHz，這樣碼片速率為250 MHz。波形成形模塊采用滾降系數(shù)為1的根升余弦濾波器，因此，生成的基帶信號帶寬為500 MHz，滿足UWB信號的定義。

圖1 SystemVue上的SC-UWB發(fā)射機(jī)基帶Fig 1 SC-UWB baseband transmitter on SystemVue

圖2 SC-UWB幀結(jié)構(gòu)Fig 2 SC-UWB frame structure

2.2 SC-UWB接收機(jī)模型

圖3 SystemVue上的SC-UWB接收機(jī)基帶Fig 3 SC-UWB baseband receiver on SystemVue

量化模塊實(shí)現(xiàn)了AGC和ADC。AGC對接收到的復(fù)基帶信號進(jìn)行功率調(diào)整，使信號平均功率保持在某一門限值附近以壓縮信號動態(tài)范圍，并使信號幅度盡量能夠達(dá)到ADC滿幅，從而降低量化噪聲。然后ADC分別對I，Q兩路信號進(jìn)行量化，量化精度為6 bit。量化后的基帶信號通過滾降系數(shù)為1的根升余弦濾波器進(jìn)行匹配濾波。

同步模塊用于擴(kuò)頻捕獲和信道估計(jì)。捕獲算法利用PN序列尖銳的自相關(guān)特性對數(shù)據(jù)幀的到達(dá)進(jìn)行檢測，當(dāng)檢測到有數(shù)據(jù)幀到達(dá)時(shí)，則進(jìn)入信道估計(jì)環(huán)節(jié)。信道估計(jì)的目的是估計(jì)多徑信道各條路徑的相對時(shí)延和Rake合并系數(shù);由于在Rake接收模塊中采用PRAKE，所以，信道估計(jì)時(shí)僅對最先到達(dá)的若干條路徑進(jìn)行估計(jì)即可。同步模塊的輸出包括Rake使能信號、多徑條數(shù)、路徑相對時(shí)延和Rake合并系數(shù)等，當(dāng)同步模塊成功檢測到一幀的到達(dá)、完成信道估計(jì)并檢測出幀起始定界符后，Rake使能信號變?yōu)橛行Р⒊掷m(xù)到這一幀結(jié)束。

Rake模塊利用同步模塊輸出的各條徑的相對時(shí)延和合并系數(shù)進(jìn)行Rake合并。由于訓(xùn)練序列和數(shù)據(jù)均有2倍擴(kuò)頻，Rake模塊先對每一條臂上的信號進(jìn)行解擴(kuò)，然后進(jìn)行最大比合并(MRC)。Rake模塊的輸出包括DAGC使能信號和合并后信號。

DAGC模塊用于對Rake合并后信號的功率進(jìn)行歸一化處理以使DFE正常工作。DFE均衡算法采用基于最小均方(least mean square，LMS)的符號LMS算法，這種算法具有較低的硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。DFE的輸出通過解交織器后，由卷積碼譯碼模塊進(jìn)行Viterbi譯碼，譯碼深度為128。

以上就是SystemVue上搭建的SC-UWB接收機(jī)基帶信號處理的全部流程。

2.3 SC-UWB性能

對SC-UWB系統(tǒng)在IEEE 802.15.3a標(biāo)準(zhǔn)超寬帶信道模型［6］下的性能進(jìn)行仿真。仿真中采用了典型的LOS信道模型CM1和NLOS信道模型CM3，SC-UWB系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1所示。

表1 SC-UWB系統(tǒng)仿真參數(shù)Tab 1 SC-UWB simulation parameters

SC-UWB系統(tǒng)在CM1和CM3信道下的誤碼率性能如圖4和圖5所示。從這兩幅圖中可以看出:DFE能夠有效消除碼間串?dāng)_影響從而顯著降低誤碼率，而卷積編碼進(jìn)一步使得誤碼率減小。在LOS信道CM1下，當(dāng)Eb/N0等于11 dB時(shí)，SC-UWB系統(tǒng)的誤碼率約等于10-5;在NLOS信道CM3下，當(dāng)Eb/N0大于13dB時(shí)，系統(tǒng)誤碼率小于10-5?？梢奡C-UWB系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)UWB信道下能夠取得很好的性能。

圖4 SC-UWB系統(tǒng)在IEEE 802.15.3a CM1信道模型下性能Fig 4 SC-UWB performance in CM1 channel model

圖5 SC-UWB系統(tǒng)在IEEE 802.15.3a CM3信道模型下性能Fig 5 SC-UWB performance in CM3 channel model

3 儀器互聯(lián)

SC-UWB仿真平臺在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中對驗(yàn)證系統(tǒng)性能具有十分重要作用。在硬件系統(tǒng)開發(fā)過程中，通過將仿真平臺與測試儀器無縫集成，可以對仿真平臺進(jìn)行有效擴(kuò)展形成SC-UWB半實(shí)物發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，可用于真實(shí)SCUWB信號生成與分析，從而為硬件系統(tǒng)測試和驗(yàn)證提供一種十分便捷的手段。

虛擬儀器軟件架構(gòu)(virtual instrument software architecture，VISA)［7］是一種通用軟件體系，它提供了一組用于儀器控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)某橄蠼涌?。VISA作為一種重要工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)得到主流儀器廠商的大力支持，例如:安捷倫科技推出的Agilent I/O Libraries中包含有VISA的實(shí)現(xiàn)?；赟ystemVue平臺的C++可擴(kuò)展性，在SystemVue中編寫相關(guān)儀器控制模塊調(diào)用VISA接口就可以實(shí)現(xiàn)對儀器的控制和數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)仿真平臺與測試儀器的無縫連接。圖6是前述的SystemVue SC-UWB仿真平臺與任意波形發(fā)生器和示波器進(jìn)行通過LAN互聯(lián)示意圖。

圖6中箭頭標(biāo)注的方向是數(shù)據(jù)流向，控制信息流向均為控制模塊到儀器。在圖6中，通過儀器控制模塊，System-Vue中發(fā)射機(jī)基帶仿真生成的SC-UWB基帶波形可以在仿真中同步無縫下載到N8241N任意波形發(fā)生器，從而生成標(biāo)準(zhǔn)的SC-UWB模擬基帶信號，該信號可以用作接收機(jī)模擬數(shù)字基帶部分設(shè)計(jì)者的測試信號。高性能數(shù)字存儲示波器與SystemVue接收機(jī)基帶的互聯(lián)，使得在仿真中能夠利用示波器進(jìn)行采樣從而獲得實(shí)際SC-UWB信號的采樣點(diǎn)，進(jìn)而對實(shí)際信號進(jìn)行解調(diào)并分析誤碼率性能。當(dāng)然，一旦獲得實(shí)際信號的采樣點(diǎn)，通過在SystemVue中添加相應(yīng)的信號分析模塊，可以對信號其他諸多性能指標(biāo)進(jìn)行分析。

圖6 SystemVue與儀器互聯(lián)示意圖Fig 6 Diagram of systemVue and instrument interconnectivity

4 結(jié)論

本文在SystemVue仿真環(huán)境下建立了SC-UWB基帶系統(tǒng)仿真平臺，并對系統(tǒng)在不同信道模型下的誤碼率性能進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果顯示:SC-UWB系統(tǒng)可以獲得良好性能，從而驗(yàn)證了SC-UWB技術(shù)體制的可行性。仿真平臺通過與儀器互聯(lián)構(gòu)建了集成化仿真測試環(huán)境，該環(huán)境可用于對SC-UWB系統(tǒng)進(jìn)行快速建模仿真和SC-UWB信號的生成與分析，對SC-UWB系統(tǒng)設(shè)計(jì)研發(fā)具有重要意義。

［1］Zhang J，Orlik P SZ，Molisch A，et al.UWB systems for wireless sensor networks［C］∥ Proc of IEEE，2009:313-331.

［2］Huang X，Dutkiewicz E，Gandia R，et al.Ultra-wideband technology for video surveillance sensor networks［C］∥ Proc of IEEE Int’l Conf on Ind Inf，Singapore，2006:1012-1017.

［3］Win M Z，Scholtz R A.Impulse radio:How it works［J］.IEEE Communications Letters，1998，2(2):36-38.

［4］Fisher R，Kohno R，McLaughlin M，et al.DS-UWB physical layer submission to 802.15 task group 3a［DB/OL］.［2005—07—22］.http:∥www.ieee802.org/15/pub/2004/15-04-0137-03-003amerger2-proposal-ds-uwb-update.doc.

［5］ECMA-368，High rate ultra wideband PHY and MAC standard(3rd ed)［S］.

［6］Foerster J.Channel modeling sub-committee final report［R］.IEEE P802.15—02/368r5-SG3a，2002.

［7］Cheij D.Software architecture for building interchangeable test system［J］.IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine，2002，17(1):27-30.