IR-UWB通信同步跟踪系统仿真实验设计

王艳芬， 陈 颖， 武洋洋， 胡志希

(中国矿业大学信电学院，江苏徐州 221116)

0 引言

为培养适应社会需求的专业人才，将最新技术和方法用于实验教学，一直是实验教学研究关注的问题，而仿真实验则是掌握系统性能的一种有效手段［1-3］。超宽带(Ultra-Wideband，UWB)无线通信是一种能和其它通信系统共享频谱资源的新型通信技术，具有低功耗、高数据率、抗多径能力强、系统复杂性低等特点［4］。目前UWB通信系统按实现方式大体上可以分为两类:脉冲无线电(IR)和多带正交频分复用(OFDM)［5］。

脉冲无线电(Impulse Radio，IR)UWB技术不需要像传统通信技术对正弦载波进行调制，而是在时域上发射纳秒或亚纳秒数量级脉冲，利用脉冲序列携带信息，通过天线直接发射［6］。由于传输的是周期非常短的窄带脉冲序列以及功耗的限制，使得超宽带信号淹没在噪声之中，给系统的同步接收部分带来了很大的困难［7］。系统的同步是进行信息传输的前提，尤其对于超宽带通信系统，略微的偏差都可能导致通信系统性能的急剧下降。所以同步的研究对于整个超宽带系统尤为重要。

根据超前-滞后锁相环在通信中的良好同步跟踪特性［8］，本文在Simulink平台下设计了基于超前-滞后锁相环的超宽带通信同步跟踪系统。该系统综合了通信电子电路、通信原理、现代通信系统等课程的知识点，具有技术新、综合性强等特点，用于我校信息工程专业通信系统综合实验的拓展内容，取得良好效果。学生的参与点主要是系统主模块的构建、参数配置及模板信号产生的S-Function编程等。

1 UWB通信系统

IR-UWB系统的传输信号不是基于传统正弦波，而是直接利用非常窄的脉冲波形直接通过天线进行基带传输，系统框图如图1所示。

图1 IR-UWB系统框图

1.1 信号模型

UWB通信系统是通过发送一系列纳秒或亚纳秒级脉冲实现的。高斯脉冲容易产生且满足FCC设定的辐射标准，故用于产生UWB信号［9］。UWB通信系统中最常用的载波脉冲为二阶单周期高斯脉冲，其数学表达式为:

其中:Ap为一常数，主要由发射机的发射功率决定;τm为波形控制因子，它决定着基本脉冲的波形。

调制方式是指基本脉冲以何种方式承载信息。最常用的是脉冲位置调制(PPM)和脉冲幅度调制(PAM)。实际的通信系统中，除了需要对冲激脉冲进行调制，通常情况下还需要利用伪随机序列对数据符号进行编码，以期形成所产生信号的频谱。跳时超宽带(Time-hopping UWB，TH-UWB)就是由编码数据来控制传输脉冲位置在时间轴上的偏移。编码后的数据符号对基本脉冲进行调制叫做直接序列(Direct-Sequence，DS)扩频，在冲激无线电中被称为直接序列超宽带(DS-UWB)［10］。这两种方式中，其中的二进制TH-PPM-UWB信号的产生模型如图2所示［5］。

图2TH-PPM-UWB发射器模型

式中，ptr(t)为传输的高斯脉冲波形;Ts为帧周期;Tc为码片时间;Ns为每个数据符号内帧重复的次数;cj为跳时码第j个脉冲位置的跳时图样;ajε是由PPM调制引起的位移。图3为典型的TH-PPM-UWB信号图。

单用户的输出信号s(t)可表示如下［5，11-12］:

图3 TH-PPM-UWB发射机产生波形

1.2 信道模型

UWB信道模型有很多，本文选用的是最基本的高斯白噪声信道模型，信道模型仅与信道的延迟以及设置的信噪比有关。

1.3 同步与解调

接收机分为同步和解调两部分。两者之间相互关联，关键是实现同步功能，使信号解调误差尽可能地小。本课题采用超前/滞后延迟环路作为同步模块，通过锁相环实现同步跟踪，达到UWB信号接收的整体同步效果。解调采用常用的相关检测方式，其基本思想是在接收端构造解调模板，用解调模板和接收信号作相关，通过对相关值的判决检测出发送的信息比特［13］。

对于TH-PPM-UWB通信系统，在接收端实现本地伪随机码和接收信号同步的方法分为两步。第一步是捕获，先将信号锁定在粗略的区域内，而后进行第二步跟踪［14］，在该区域内进行细致搜索，最终实现同步。超前-滞后锁相环具备着良好的同步功能，运用鉴相器、环路滤波器、压控振荡器等实现信号的捕获和跟踪。其同步模型如图4所示［15］。

图4 超前-滞后锁相环同步模型

两路输出的信号，即滞后信号和超前信号经过采样、保持和平方包络检波后经相减器得到误差函数为:

图6 TH-PPM-UWB同步跟踪系统Simulink仿真模型

本地模板参考信号为:

通过锁相环实现同步跟踪，捕获到PN序列，接收机就可以产生模板信号用以解调数据。

2 系统建模与仿真分析

构建的TH-PPM-UWB通信同步跟踪系统模型框图如图5所示，由信号源模块、信道模块、同步跟踪环路模块、解调模块4个部分组成。其Simulink仿真模型如图6所示。整个仿真过程中要对各个模块进行实时观测，并且由同步跟踪环路的误差函数输出波形来判断此TH-PPM-UWB通信同步跟踪系统能否实现同步跟踪功能。

图5 系统理论框图

2.1 模块设计

图7 TH-PPM-UWB信号发射模块

(1)信号源模块。图7为信号发射模块。该模块主要功能是产生经过TH-PPM调制的高斯脉冲二阶导函数，其中码片周期为1×10－9s，脉冲宽度为 0.2877×10－9s，PPM 调制时移为0.156 ×10－9s。

(2)信道模块。设置噪声功率为－40 dBm，信道延时为零。仿真模块图8所示。

图8 信道仿真模块

(3)解调模块。解调模块要将接收到的信号与发射信号进行比较，用其结果可初步检验此系统是否同步。解调模块如图9所示。如果算法合理且调试成功，便可从解调输出滤波器上观察到与发送波形一致的解调波形。

图9 解调模块仿真图

(4)同步跟踪模块。仿真模块图如图10所示。该模块根据超前-滞后锁相环原理，用于实现对THPPM-UWB信号的同步跟踪。该模块的功能是产生一路超前脉冲信号和一路滞后脉冲信号。

图10 同步跟踪仿真模块

模块产生模板信号的部分参考程序为:

2.2 仿真结果与分析

信号源模块发射信号仿真结果如图11所示。其中，(a)路为输入待发送的二进制数据信息，(b)路为经过PPM调制的UWB信号，(c)路为经过跳时调制的UWB信号，(d)路为送入信道传输的TH-PPM-UWB信号。

图11 信号源模块四路信号比较图

TH-PPM-UWB信号源经过白噪声信道后，接收机接收到的信号波形如图12所示。

图12 接收机端接收到的信号波形图

图13为本地模块产生的模板信号图，从图中可知，本地模板脉冲输出信号为一路超前脉冲信号和一路滞后脉冲信号的叠加。

图13 本地模板脉冲输出序列放大图

在同步锁相环模块中，两路信号经过积分、采样、保持以及平方后，再经过相减器后输出的误差函数的鉴相特性输出波形如图14所示。

图14 误差函数的鉴相特性输出波形

整个系统实现同步后，接收端的解调信号与发射端的发射信号波形对比图如图15所示。(a)路为发射端发射波形，(b)路为接收端解调波形。通过对两组波形的对比，可以看出在接收端得到了与发射端发送波形一致的解调信号波形。

图15 接收端解调后波形对比图

3 结语

在Simulink平台下，结合既有模块与S-function编程设计完成了对TH-PPM-UWB脉冲信号的同步跟踪，同步误差小至10－14数量级，实现了在加性高斯白噪声信道下点对点的通信，成功反映了UWB通信TH-PPM调制方式的特征。该系统用于信息工程或通信工程专业通信系统综合实验，可以扩展同学们对通信知识点的掌握以及接受新技术的能力。

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