UWB系统的建模及仿真

陆冬妹，邓小芳

（1. 百色学院 物理与电信工程系，百色 533000；2. 桂林电子科技大学 信息与通信学院，桂林 541004）

0 引言

UWB(超宽带)技术作为一种全新技术，因其自身的特点和优势，从其诞生之日起就一直受到人们的关注[2]。近年来，随着对其研究的深入和相关技术的发展，UWB技术的应用范围越来越广，已经从最初的局限于雷达方面逐渐发展到无线通信、目标定位、探测等诸多方面，成为当前研究的热点。

本文根据UWB信号的定义，将M脚本文件与Simulink仿真相结合，建立了UWB信号仿真模型。

1 系统模型研究设计

UWB通信系统采用超短脉冲(脉冲持续时间小于1 ns)作为信息载体，通过有用信息控制超短脉冲相对于定时时刻的位置，即脉冲位置调制(PPM)，实现信号调制[3]。在多用户通信情况下，采用跳时扩频多址技术，用伪随机跳时码将超短脉冲的出现时刻随机化。一个跳时码周期内的UWB信号表达式为(1)：

其中，αi表示调制码元序列，以等概率取值+1和-1；P(t)为窄脉冲波形；Ts为信息码元持续时间，由Ns帧组成，每1帧里包含1个脉冲；Tf为帧的持续时间；δ为信息码元调制参数，表示脉冲位置调制(PPM)时，单位码元引起的脉冲时移；bi指第i个信息码元，biδ表示由信息调制引起的时移； ciTc表示由跳时码引起的时移，ci为跳时码序列， ci是整数，取值范围是[0，Nk-1]；ci为每一个跳时码的持续时问，ciTc表示由跳时码引起的时移，NkTc＜Tf。在每一帧中，脉冲在时间轴上的位置由信息码元调制参数δ和跳时码ci共同决定，设TTH=Nb×Ts, Nk为正整数[4]。

本文设计一个具有加性高斯噪声的超宽带发射和接收系统：发射机是直接扩频序列脉冲幅度调制发射机；信道是带有加性高斯噪声的多径通道；接收机采用RAKE接收机。根据UWB信号的定义，信息调制方式选择脉冲幅度调制(PAM)．在一个跳时码周期 内，建立3大部分，分别实现超宽带信号的产生信号的传输、信号的接收。系统模型如图1所示。

图1 UWB系统模型

2 超宽带信号发射机、接收机基本结构

2.1 发射机和相关接收机模型

在发射端，数据直接对射频脉冲调制，再通过可编程延时器件对脉冲进一步时延控制，最后通过超宽带天线发射出去。在接收端，信号通过相关器与本地模板波形相乘，积分后通过抽样保持电路送到基带信号处理电路中，由捕获跟踪部分、时钟振荡器和(跳时)码产生器控制可编程延时器，根据相应的时延产生本地模板波形，与接收信号相乘。整个收发信机几乎全部由数字电路构成，便于降低成本和小型化。

2.2 Rake接收机模型

由于UWB信号需要用时域的方法进行分析，多用于户内密集多径(多径可达到30条)的条件下，而且每条路径的信号能量都很小，难以对每条信道做出估计，所以使UWB信号的Rake接收成为可能。Rake接收机使原来能量很小的多径信号经过能量合并后提高的信噪比提高系统性能[5]。

图2 UWB信道模块

3.3 UWB信号使能、检测模块

3 超宽带系统各模块基本结构及相关介绍

3.1 脉冲形成模块

脉冲形成器的频谱性能直接决定整个发射机输出的频谱性能。 脉冲形成器将前级放大器输出的射频信号经过功分器一分为二路成为各自独立的、幅度可调的信号，并在其中一路引入移相器，利用矢量合成原理，通过合成器将两路信号再合成起来，以达到同时控制射频脉冲形状和相位的功能。通过脉冲形成器对射频脉冲信号进行整形可改善发射频谱旁瓣，并对激励脉冲前后沿期间速调管放大器非线性特性引起的相位失真进行补偿，从而使发射频谱满足指标要求。

脉冲形成器中同相3分贝电桥将输入信号一分为二，各包含一只PIN调制衰减器，独立地调整所通过信号的幅度和形状。 脉冲形成器输出部分的同相3分贝电桥将经过调制、衰减、移相的射频信号再合成起来，而两路信号的矢量和决定合成信号的幅度和相位。

为了补偿PIN调制衰减器的温度特性，我们特意加了控温电路。由埋置在PIN调制衰减器基板附近的温度传感器录取信号，经控温电路来控制加热元件，使PIN调制衰减器的基板温度维持在55℃±5℃。

3.2 UWB信道模块

超宽带通信具有传输速率高、抗多径干扰能力强、对现有通信系统干扰小等众多优点，研究超宽带通信的室内信道特性及其随机统计模型具有重要的现实意义，它直接决定了系统调制方式的选择、最大通信速率和最大通信距离等关键指标，指导着超宽带接收机的设计。UWB信道模块图如图2所示。

图3 UWB信号使能和检测模块

4 UWB系统仿真及其调试

4.1 UWB系统发射信号

发射的二进制源码为11110001，经过脉冲幅度调制，发射出携带信息的高斯脉冲波型。发射波形的输出受多个参数影响，主要是伯努利信号源产生的码元种子，直接扩频序列，数据调制方式和高斯波形的放大倍数与波形持续时间。输出波形随码元变换后表现出不同的形式，同时调制方式的影响也至关重要。系统可以采用BPSK和OOK两种调制方式，虽然OOK调制相对简单，但其抗干扰能力差、解调复杂，所以系统仿真以BPSK方式调制信号为主。系统分别采用不同调制和不同二进制码元，该系统发射机仿真图如图4所示。

图4 BPSK方式的发射波形

4.2 UWB 经信道输出和接收信号

发射的调制信号，经过信道损耗和噪声的引入，会发生比较大的变化。影响此波形的主要因素是信噪比的设置，如果信噪比（SNR）设置过低不但信号的输出波形幅度较低，而且码元传输出错率也会较高。再将带有噪声和损耗的信号经过RAKE接收机抽样使能，输出与发射码元同步的信号。接收机的接收时钟必须与信息码元时钟同步。系统可以采用EG、MR、MMSE和WSMR四种分集合并方式，本系统采用EG方式。信号仿真输出信号图如图5所示。

图5 带有噪声的信道输出和RAKE接收机的接收信号

观察图5可见：UWB信道输出带有噪声和损耗的信号，经过RAKE接收机抽样使能，输出与发射码元同步的有效信号，仿真证明该系统模型构建成功。

4.3 UWB系统发射与接收信号的对比

同步发射与接收到的信号进行比较，从而对RAKE接收机性能进行评估。接收机性能评估,如图6所示。图6中显示了发射和接收对比输出的结果。显示窗口有三个文本框，第一个表示数据接收的出错率，第二个文本框表示发射与接收对比出错的个数，第三个文本框表示接收的信息码元数。系统的出错监测参数主要从右边的出错评估器进行设置，它包括五个设置项，信息码元延时，仿真检错延时数值，仿真应用模式，数据输出形式和仿真停止参数。其中，前两个设置至关重要，如果设置不当，即使系统能接收正确仿真结果仍是错误的。信息码元延时，主要用来协调发射数据与接收数据的同步，它与接收机的通道时延，码片时间，码元信息传输速率和抽样时间都有关系，本系统的码元接收延迟时间设置为：2+ceil(max(Channel.SigPath)*xtcs.Ts/xtcs.Tb) (1)

因系统刚运行不能马上处于稳定状态，数据的传输就容易出错，所以软件设计中应考虑将开始传输的几个码元舍去，本系统通过设置检错延时数值来减少仿真出错率，最大程度上保证仿真的正确性。考虑到本系统的信息码元传输时间为：5e-9，所以延时数值应保证大于5纳秒。仿真应用模式用来设置延时的应用范围，本系统将其设置为有效域为整个仿真系统。数据模式主要用来限定输出参数的有效性，本系统设置为端口有效，而不是整个工作空间。仿真停止参数选项默认为自动，系统对其进行设置，当它满足错误码元数为100或最大接收个数为4983时仿真停止。

图6 UWB系统发射与接收信号的对比

5 结论

利用软件仿真技术来辅助理论研究，以验证研究结果，是现代科研工作者使用的主要研究方法之一。本文借助MATLAB软件提供的强大计算及仿真功能，为UWB信号的研究建立了仿真模型。本文以MATLAB环境为开发平台设计一个具有加性高斯噪声的超宽带发射和接收系统，经仿真测试带有噪声和损耗的信号经过RAKE接收机抽样使能，能输出与发射码元同步的信号，系统模型构建仿真成功。

[1] 苏金鹏,王永利.MATLAB7.0实用指南[M].北京:电子工业出版社,2004.

[2] 葛利嘉,等.超宽带无线电基础[M].北京:电子工业出版社,2005.

[3] 樊孝明.超宽带无线通信极窄脉冲产生的设计与研究[J].桂林电子工业学院,2005.

[4] 李振强,王锋, 张水莲.超宽带通信系统的Simulink仿真实现[J].计算机仿真,2005,22(5):153-155.

[5] 罗振东,高宏,刘元安,等.抑制多窄带干扰的超宽带脉冲设计方法[J].北京邮电大学学报,2005,28(1):55-58．