基于SystemVue的单载波超宽带系统仿真*

吴 昊，肖振宇，孔红伟，胡飞将，金德鹏

(1.清华大学电子工程系，北京100084;2.安捷伦科技有限公司，北京100102)

0 引言

超宽带(ultra-wideband，UWB)是短距离无线通信领域中极具竞争力的新兴物理层技术，在无线传感器网络(wireless sensor networks，WSNs)领域中具有广阔的应用前景。人们对UWB在医用定位跟踪通信系统和工业生产设备跟踪等WSNs领域的应用关注度正在日益加强［1］，而使用UWB作为视频监控和多媒体传感器网络的底层传输技术也备受关注［2］。

国际上的主流UWB技术体制包括脉冲超宽带(impulse radio UWB，IR-UWB)［3］、直接序列扩频超宽带(direct sequence UWB，DS-UWB)［4］和多带正交频分复用(multiband orthogonal frequency division multiplexing，MB-OFDM)［5］。而单载波超宽带(single carrier UWB，SC-UWB)是清华大学自主提出的一种UWB技术体制，具有高速率、低功耗等优点，非常适合应用于WSNs。SC-UWB目前正在标准化进程中，有望成为UWB领域的中国国家标准和行业标准之一。

本文采用SystemVue环境对SC-UWB系统的发射机基带和接收机基带进行建模，对IEEE 802.15.3a信道模型下的SC-UWB系统性能进行了仿真研究，该研究对于SCUWB系统设计具有重要指导作用。另外，通过将测试仪器无缝集成到仿真平台中，能够将仿真与测试有效地结合，将仿真平台用于硬件系统测试与验证，加速硬件研发过程。

1 SC-UWB体制

在UWB的发展历史上，出现过3种重要的UWB技术体制:IR-UWB，DS-UWB和MB-OFDM。IR-UWB是传统的窄脉冲技术体制，也被称为脉冲无线电。DS-UWB从传统的IR-UWB发展而来，发送的是连续高速码片，但其本质也属于脉冲体制。而MB-OFDM则彻底改变了人们对UWB的传统观点，采用多载波方式进行调制。脉冲体制和多载波体制都曾得到过学术界和工业界的广泛关注，其中MBOFDM体制最终被ISO和IEC接纳为国际标准，而DS-UWB体制则最终被IEEE发展成为低速UWB标准。SC-UWB作为一种新的超宽带体制，与DS-UWB和MB-OFDM这两种UWB体制相比具有自身的优势。

SC-UWB在系统方案制定之初，就明确提出了“移动终端之间的短距离高速无线互联”的应用定位并确立了“低成本低功耗”的设计目标，这非常符合WSNs的物理层设计要求。应当看到，DS-UWB和MB-OFDM技术体制为了覆盖10m范围和保证较高的通信速率，无法实现低成本低功耗芯片。DS-UWB无法实现低成本低功耗芯片的主要原因在于［4］:1)DS-UWB的带宽较宽，需要使用高性能的ADC和DAC，最高采样速率可以达到5.46Gsps，系统复杂度高;2)DS-UWB使用MBOK(M-ary Bi-Orthogonal Keying)对抗多径，这在一定程度上缓解了多径的影响，但是却造成接收机均衡器的实现非常困难。MB-OFDM无法实现低成本低功耗的主要原因则在于［5］:1)OFDM具有高峰均功率比(peak to average power ratio，PAPR)，这要求系统使用高量化精度的ADC和DAC;2)MB-OFDM采用跳频传输方式，造成接收机同步复杂程度显著增加。SC-UWB采用低阶调制+直接序列扩频+载波调制的方式，芯片制造工艺成熟;低阶调制如BPSK，QPSK等降低了对ADC量化精度的要求;500 MHz带宽载波调制则降低了对ADC与DAC采样速率的需求;另外SC-UWB在射频部分使用固定的中心频率避免跳频，进一步降低了系统的复杂度。与DS-UWB，MB-OFDM相比，SC-UWB专注更近距离的高速信息交互，具有更低的系统复杂度，从而使得SC-UWB在功耗和成本上具有显著的优势，这也使SC-UWB非常适合成为WSNs的物理层传输技术。

2 SC-UWB仿真

本文在SystemVue仿真环境中对SC-UWB基带系统进行C++建模，创建了SC-UWB基带仿真库，库中主要包括随机信源、卷积编码、交织、扩频、成帧、同步、Rake接收、DFE、解交织、卷积译码、误码率统计等模块。基于此仿真库，我们对SC-UWB系统在IEEE 802.15.3a UWB信道模型下的误码率性能进行了仿真。SystemVue是Agilent公司最新推出的具有强大仿真功能的系统级仿真软件，允许使用C++进行系统建模，C++模型经编译得到的DLL文件动态加载到仿真环境中即可用于仿真。

2.1 SC-UWB发射机模型

图1中所示的是在SystemVue上搭建的SC-UWB发射机基带，包括信源、卷积编码、交织、扩频、成帧、BPSK映射、上采样和波形成形几个模块。卷积编码器采用码率为4/5的卷积码，该码是在(2，1，7)卷积码基础上打孔得到的。交织器采用32×16的分组交织器，行写列读。扩频模块使用扩频序列［0 1］，将 bit0和bit1分别映射为［0 1］与［1 0］。成帧模块将数据净荷封装成完整数据帧，仿真中的数据帧结构如图2所示，包括同步域、帧起始定界符域、载荷长度域、训练序列域和数据域5个部分。同步域、帧起始定界符域和载荷长度域均采用长度为127的PN序列。同步域使用8个PN序列，用于实现扩频捕获和信道估计;帧起始定界符使用1个PN序列，标识载荷长度域的开始;载荷长度域使用4个PN序列，表示范围为1～16之间的数据域载荷块数量，每个载荷块编码前长度为1024 bit。训练序列为长度800bit的伪随机序列，使用多项式g(D)=I+D14+D15生成。成帧模块对训练序列使用扩频序列［0 1］进行2倍扩频。上采样模块的上采样率为4，系统采样率设定为1GHz，这样码片速率为250 MHz。波形成形模块采用滚降系数为1的根升余弦滤波器，因此，生成的基带信号带宽为500 MHz，满足UWB信号的定义。

图1 SystemVue上的SC-UWB发射机基带Fig 1 SC-UWB baseband transmitter on SystemVue

图2 SC-UWB帧结构Fig 2 SC-UWB frame structure

2.2 SC-UWB接收机模型

图3 SystemVue上的SC-UWB接收机基带Fig 3 SC-UWB baseband receiver on SystemVue

量化模块实现了AGC和ADC。AGC对接收到的复基带信号进行功率调整，使信号平均功率保持在某一门限值附近以压缩信号动态范围，并使信号幅度尽量能够达到ADC满幅，从而降低量化噪声。然后ADC分别对I，Q两路信号进行量化，量化精度为6 bit。量化后的基带信号通过滚降系数为1的根升余弦滤波器进行匹配滤波。

同步模块用于扩频捕获和信道估计。捕获算法利用PN序列尖锐的自相关特性对数据帧的到达进行检测，当检测到有数据帧到达时，则进入信道估计环节。信道估计的目的是估计多径信道各条路径的相对时延和Rake合并系数;由于在Rake接收模块中采用PRAKE，所以，信道估计时仅对最先到达的若干条路径进行估计即可。同步模块的输出包括Rake使能信号、多径条数、路径相对时延和Rake合并系数等，当同步模块成功检测到一帧的到达、完成信道估计并检测出帧起始定界符后，Rake使能信号变为有效并持续到这一帧结束。

Rake模块利用同步模块输出的各条径的相对时延和合并系数进行Rake合并。由于训练序列和数据均有2倍扩频，Rake模块先对每一条臂上的信号进行解扩，然后进行最大比合并(MRC)。Rake模块的输出包括DAGC使能信号和合并后信号。

DAGC模块用于对Rake合并后信号的功率进行归一化处理以使DFE正常工作。DFE均衡算法采用基于最小均方(least mean square，LMS)的符号LMS算法，这种算法具有较低的硬件实现复杂度。DFE的输出通过解交织器后，由卷积码译码模块进行Viterbi译码，译码深度为128。

以上就是SystemVue上搭建的SC-UWB接收机基带信号处理的全部流程。

2.3 SC-UWB性能

对SC-UWB系统在IEEE 802.15.3a标准超宽带信道模型［6］下的性能进行仿真。仿真中采用了典型的LOS信道模型CM1和NLOS信道模型CM3，SC-UWB系统仿真参数如表1所示。

表1 SC-UWB系统仿真参数Tab 1 SC-UWB simulation parameters

SC-UWB系统在CM1和CM3信道下的误码率性能如图4和图5所示。从这两幅图中可以看出:DFE能够有效消除码间串扰影响从而显著降低误码率，而卷积编码进一步使得误码率减小。在LOS信道CM1下，当Eb/N0等于11 dB时，SC-UWB系统的误码率约等于10-5;在NLOS信道CM3下，当Eb/N0大于13dB时，系统误码率小于10-5。可见SC-UWB系统在标准UWB信道下能够取得很好的性能。

图4 SC-UWB系统在IEEE 802.15.3a CM1信道模型下性能Fig 4 SC-UWB performance in CM1 channel model

图5 SC-UWB系统在IEEE 802.15.3a CM3信道模型下性能Fig 5 SC-UWB performance in CM3 channel model

3 仪器互联

SC-UWB仿真平台在系统设计过程中对验证系统性能具有十分重要作用。在硬件系统开发过程中，通过将仿真平台与测试仪器无缝集成，可以对仿真平台进行有效扩展形成SC-UWB半实物发射机和接收机，可用于真实SCUWB信号生成与分析，从而为硬件系统测试和验证提供一种十分便捷的手段。

虚拟仪器软件架构(virtual instrument software architecture，VISA)［7］是一种通用软件体系，它提供了一组用于仪器控制和数据传输的抽象接口。VISA作为一种重要工业标准得到主流仪器厂商的大力支持，例如:安捷伦科技推出的Agilent I/O Libraries中包含有VISA的实现。基于SystemVue平台的C++可扩展性，在SystemVue中编写相关仪器控制模块调用VISA接口就可以实现对仪器的控制和数据交换，实现仿真平台与测试仪器的无缝连接。图6是前述的SystemVue SC-UWB仿真平台与任意波形发生器和示波器进行通过LAN互联示意图。

图6中箭头标注的方向是数据流向，控制信息流向均为控制模块到仪器。在图6中，通过仪器控制模块，System-Vue中发射机基带仿真生成的SC-UWB基带波形可以在仿真中同步无缝下载到N8241N任意波形发生器，从而生成标准的SC-UWB模拟基带信号，该信号可以用作接收机模拟数字基带部分设计者的测试信号。高性能数字存储示波器与SystemVue接收机基带的互联，使得在仿真中能够利用示波器进行采样从而获得实际SC-UWB信号的采样点，进而对实际信号进行解调并分析误码率性能。当然，一旦获得实际信号的采样点，通过在SystemVue中添加相应的信号分析模块，可以对信号其他诸多性能指标进行分析。

图6 SystemVue与仪器互联示意图Fig 6 Diagram of systemVue and instrument interconnectivity

4 结论

本文在SystemVue仿真环境下建立了SC-UWB基带系统仿真平台，并对系统在不同信道模型下的误码率性能进行了仿真，仿真结果显示:SC-UWB系统可以获得良好性能，从而验证了SC-UWB技术体制的可行性。仿真平台通过与仪器互联构建了集成化仿真测试环境，该环境可用于对SC-UWB系统进行快速建模仿真和SC-UWB信号的生成与分析，对SC-UWB系统设计研发具有重要意义。

［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.