??? 摘? 要： 超寬帶（UWB）技術(shù)具有功耗低,、抗干擾和抗多徑能力好,、穿透能力強等優(yōu)點,，特別適用于隱藏活動目標(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)制方式從信號產(chǎn)生到方案設(shè)計實現(xiàn)進(jìn)行了分析,，將所設(shè)計的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)行了波形實測，結(jié)果完全滿足設(shè)計要求,。?
??? 關(guān)鍵詞： 超寬帶,； TH_PPM; Modelsim； VHDL
?
??? 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的抗多徑干擾能力[1]等優(yōu)點,。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)行實測。結(jié)果表明設(shè)計滿足要求,，可以在超寬帶通信系統(tǒng)中進(jìn)行實際應(yīng)用,。?
1 UWB通信系統(tǒng)的TH_PPM信號的產(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信號產(chǎn)生模型如下：?
????
?
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碼所控制的脈沖時延偏移單位,； Tf是無調(diào)制時的均勻單周期脈沖的重復(fù)周期；δ為信息碼
控制的附加時延(有時稱為時間調(diào)制指數(shù)),，當(dāng)信息碼為“1”時,，有附加時延δ，當(dāng)信息碼為“0”時,，無附加時延δ,；本文采用重復(fù)編碼，每NS個單周期脈沖波形傳送1個二進(jìn)制符號;信息碼的脈寬TS=NsTf,，信息速率RS=1/Ts,，從式(1)可知，TH_UWB信號中包括兩種時延,，
的絕對值表示了用戶所發(fā)射的沖激脈沖串中第j個脈沖的起點時刻,。?
2 TH_PPM信號的設(shè)計原理及實現(xiàn)方案?
本文基于參考文獻(xiàn)[4]提出了另一種簡化的TH_PPM信號產(chǎn)生模型，如圖1所示,。?
?
?
??? 在圖1中,，信息碼與PN碼作用于跳時脈沖形成器輸出二者共同控制的跳時脈沖。一般地,，信息數(shù)據(jù)的速率遠(yuǎn)低于PN碼速率,，也就是一個信息周期包含著PN碼多個周期，可作為一個碼片來處理,。據(jù)此,，可以將(1)式中的調(diào)制偏移量合并，用bjTb表示時延偏移,，則TH_PPM信號的表達(dá)式可簡化為：?
????
?
其中,，bj為受信息碼和PN碼共同控制的時延偏移系數(shù)。?
??? 本方案所采用的基帶系統(tǒng)模型如圖2所示,。整個模型由基準(zhǔn)時鐘產(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信號形成器構(gòu)成,。?
?
?
??? 圖2中,，基準(zhǔn)時鐘產(chǎn)生器輸出50 MHz的基準(zhǔn)時鐘；分頻器1是1個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,；信息碼產(chǎn)生器產(chǎn)生實驗用的二進(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(00，01,，10,，11)在基準(zhǔn)時鐘的控制下進(jìn)行現(xiàn)時比較，例如在基準(zhǔn)時鐘的上升沿,，若跳時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,比較器輸出為“1”，否則輸出為“0”,。由于在設(shè)計時,，使脈沖形成器輸出的某個狀態(tài)至少保持分頻器的一個狀態(tài)周期時間，因此可保證在一個Tf內(nèi)狀態(tài)00,、10有唯一的某個狀態(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)的比較輸出的信號出現(xiàn)在上升沿的位置不同,；PPM信號形成器的作用是在基準(zhǔn)時鐘的控制下,，將比較器輸出脈沖進(jìn)行延遲、倒相和信號合成,，便可輸出PPM信號,。脈沖產(chǎn)生器的作用是把PPM基帶信號變換成符合要求的極窄高斯脈沖序列，形成TH_PPM的UWB信號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，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個輸入輸出端口，其中CLK是系統(tǒng)提供的時鐘信號,，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脈沖信號即從該引腳發(fā)送到其他模塊,。?
??? 本方案采用的跳時碼周期為31，為了便于實現(xiàn)(主要是便于時鐘分頻的需要),，對其補一位0,，得到周期為32的跳時碼，故將每32個脈沖構(gòu)成一幀,，由1個周期的跳時碼對其進(jìn)行調(diào)制,，每個跳時碼對應(yīng)一個脈沖,。?
??? TH_PPM信號產(chǎn)生器的VHDL設(shè)計頂層電路圖模型如圖3所示。?
?
?
??? 該TH_PPM信號產(chǎn)生器由DCM模塊,、數(shù)據(jù)緩存器,、跳時碼ROM、跳時控制模塊,、PPM產(chǎn)生模塊等幾大部分組成,。DCM模塊即數(shù)字時鐘管理模塊，可以在50 MHz系統(tǒng)時鐘的基礎(chǔ)上通過分頻和倍頻產(chǎn)生穩(wěn)定的64 MHz時鐘,，用于形成基帶脈沖,。時鐘產(chǎn)生模塊的作用主要是對DCM產(chǎn)生的高速時鐘進(jìn)行分頻，得到用以讀取跳時碼以及控制脈沖跳時的低速時鐘,。跳時碼存儲在ROM模塊中,，該模塊使用Xilinx公司的IP核生成，實現(xiàn)簡單,，在跳時過程中讀寫數(shù)據(jù)方便,。跳時控制模塊是這部分的核心，它接收ROM送來的跳時碼,，在高速時鐘的控制下產(chǎn)生基帶脈沖信號,，低速脈沖讀取的跳時碼控制脈沖信號在一個周期內(nèi)的位置，并根據(jù)跳時碼的重復(fù)周期將若干個脈沖劃分為一幀,，便于跳時實現(xiàn),。?
4 實驗仿真結(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clk(系統(tǒng)時鐘),、data_in(信碼輸入信號),、pulse_out（跳時脈沖信號）以及輸出的th_ppm_out(th_ppm調(diào)制的脈沖信號）。從圖4可以看到,，輸出的ppm脈沖的間距并不相同,，在有跳時脈沖輸出的地方，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)?時對應(yīng)的兩脈沖間距為25 ns，當(dāng)pulse_out從1變?yōu)?時對應(yīng)的兩脈沖間距為5 ns,，其余pulse_out沒有變化的時刻兩脈沖間距都為15 ns,，這三者存在5：3:1的關(guān)系，與筆者對PPM設(shè)計的預(yù)期一致,。整個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)計預(yù)期。?
?
?
?
4.2 跳時模塊仿真結(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dout,，在dout為1的1個跳時碼周期內(nèi)，有跳時脈沖輸出,，dout為0的其他跳時碼周期內(nèi),，無跳時脈沖輸出。把跳時碼的32位分成64個時隙,，從仿真放大圖7可以看到,，跳時碼為7時，在第7+7個時隙位置有跳時脈沖輸出,。故跳時模塊完成了在跳時碼控制下對輸入數(shù)據(jù)的跳時控制,，實現(xiàn)了預(yù)期功能。?
?
?
?
5 實驗測試?
??? 本實驗系統(tǒng)利用學(xué)院創(chuàng)新項目超寬帶單兵電臺中的基帶板作為測試平臺,，將上述的TH_PPM信號產(chǎn)生模塊的VHDL設(shè)計程序下載并配置到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PPM脈沖波形,，從中可以看到，脈沖寬度約為5 ns,。同時,，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)計相符,，達(dá)到了設(shè)計要求,。?
?
?
??? 本方案首先從波形分析、信號產(chǎn)生,、方案設(shè)計等幾個方面對TH_PPM調(diào)制進(jìn)行了分析；然后運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)行實際運用,。?
參考文獻(xiàn)?
[1] MOE Z W. Spetral density of random UWB signals[J]. IEEE Communications Letters,2002,6(12):526-528.?
[2] MOE Z W,，ROBERT A S． Ultra-wide?band time-hopping ? spread-spectrum?impulse radio for wireless multiple access?communications[J].IEEE Transactions Communications.2000，48(4)：679-691.?
[3] MOE Z W,， ROBERT? A． Comparison of?analog and digital impulse radio for wireless mult iple access communications[A]． IEEE?International Conference on Communications,，M0NTREAL,，CANADA，June 1997：91-95． ?
[4] 段吉海,，鄭繼禹,，仇洪冰，林基明.UWB通信系統(tǒng)的TH_PPM信號產(chǎn)生與接收處理.桂林電子工業(yè)學(xué)報,，2005(6).