适用于超宽带通信测距复合系统的同步机制✴

乔贝贝，熊蔚明

（1.中国科学院空间科学与应用研究中心，北京100190；2.中国科学院研究生院，北京100190）

适用于超宽带通信测距复合系统的同步机制✴

乔贝贝1，2，熊蔚明1

（1.中国科学院空间科学与应用研究中心，北京100190；2.中国科学院研究生院，北京100190）

通过Simulink仿真和FPGA板级验证，为基于隧道二极管电路的脉冲超宽带（Impulse Radio Ultra-wideband，IR-UWB）接收机提出了一种同步机制。在物理层中使用了改进数据转换跟踪环的位同步方法，使之可以对单比特数据进行位同步，码速率为2 Mbit／s时误码率趋近于零；MAC层使用了经过变换的IEEE 802.15.4a中的31位帧引导序列，引导序列出现8位误码时仍然能进行够准确的帧同步。这种机制适用于空间探测无线传感器网络。

空间探测；无线传感器网络；脉冲超宽带；位同步；帧同步

1 引言

随着我国探月工程的发展和行星探测的开始，行星表面探测的手段越来越被人们关注。使用无线传感器网络作为一种新型空间探测手段，长期稳定地检测行星表面温度、气压、湿度和气体密度等参数的变化，被国内外航天机构所重视［1］。

定位和通信是空间无线传感器网络中的支撑技术，脉冲超宽带技术凭借其极低的功耗、极好的时域特性和极强的抗多径衰落能力成为低速通信和测距领域倍受关注的技术［2］，发展迅速。2009年，无线传感器网络物理层和MAC层标准修正案IEEE 802.15.4a将脉冲超宽带作为了低速率、可定位的无线传感器网络物理层的可选技术之一［3］。

脉冲超宽带信号的时域波形极窄，因此如何从物理层正确接收信号，在MAC层及时精准识别测距信息是超宽带通信和测距系统的一项关键技术。数据同步是这项技术的核心，本文将介绍一种脉冲超宽带通信、测距复合系统的接收技术，并对其物理层的位同步模块和MAC层的帧同步模块的设计和实现进行较深入介绍。

在本系统中，同相积分器取值为

2 系统结构

本文设计的脉冲超宽带通信、测距复合系统包括射频前端和数字后端两部分，前者负责接收射频信号，后者负责处理基带信号。

美国联邦通信咨询委员会（Federal Communications Commission，FCC）对UWB信号的定义为：绝对带宽大于500 MHz或-10 dB相对带宽大于20%的信号［4］。依据采样定理，对于带宽为500 MHz的信号至少需要1 GHz的采样率才能够完全恢复出数据信息，硬件很难实现。

本系统射频前端采用了一种基于隧道二极管的幅度检测方法，能够避免这种困难。更重要的是，该方法在信号捕获的过程中无需像其它方法一样进行严格的模板定时同步［5］，很适用于每秒几十比特到每秒几兆比特的低速系统。图1为该系统的原理框图。占空比较小的脉冲信号经过隧道二极管幅度检测之后展宽成方波信号，此信号可经过比较锁存器后任意改变其占空比，如本系统采用50%的占空比。

本系统数字后端使用FPGA进行处理和控制。信号从比较锁存器输出，进入FPGA之后遇到的问题首先是物理层信号采集中的位同步的问题，其次是MAC层中信号识别的问题，解决了这些问题才能够很好地完成通信、测距的相关工作。下一节将介绍本系统是如何解决这两个关键问题的。

3 物理层和MAC的设计

3.1 物理层位同步方法的设计

为了防止FPGA对信号采样时时钟偏移的影响，物理层需有位同步模块。考虑到通信的有效性，常使用自同步方法中的数字锁相法完成数字系统的位同步工作。而此方法中的DTTL法和插值滤波法在静态相位差、同步建立时间和保持时间、同步带宽等性能指标上都很接近［6］。

与传统的窄带通信系统不同的是，基于脉冲幅度检测超宽带系统送给FPGA的不是经过载波解调、模／数转换之后的多位数字信号，而只是一个规则的高低电平信号。DTTL方法既能够满足这种信号位同步的要求，同时复杂度又不是很高，但是使用时要经过一定的变通。

传统的DTTL算法的原理框图如图2所示，而本系统的输入信号为1位的高低电平逻辑信号，为了能够使该算法适用，可以把比较锁存器输出的逻辑电平看作是一位的数据信号，高电平看作1，低电平看作-1，方便后续的各种运算。

式中，y1k为同相积分结果，K1为积分系数，k为码元起始时刻，Ts为码元周期的一半（因为输入信号占空比为50%，这样位同步时钟采样后的两位信号才代表1位信息位），m（t）为输入的电平信号，即在同相积分区间之内对信号进行采样，得到的高电平的个数为a，低电平的个数为b，则同相积分器结果为y1k=a-b，中相积分器的取值为

同理，在中相积分区间之内对信号进行采样，得到的高电平的个数为c，低电平的个数为d，则同相积分器结果为y2k=c-d，这里取积分系数K1、K2都为1。sgn函数和转换判决器取值分别为ak和Ik：

均与传统的DTTL算法相同，在此不再赘述。

系统中环路滤波器（图3）采用简单的二阶比例积分滤波器，因为只要相位已经足够把位同步时钟产生出来，DCO（图4）采用简单的相位产生器，其差分方程为

式中，1为常数，vd为两路积分电路算出的时钟偏差控制电压，clk为位同步之后时钟信号。

3.2 MAC层帧同步方法的设计

对于基于TOA（Time of Arrival）通信、测距复合系统测距系统，不仅需要把所传输的数据从帧中解析出来，还要在帧格式中及时、准确地识别出进行测距的位，这是测距精度的关键所在。问题的关键就是在实现位同步的基础上，实现高质量的帧同步。本系统采用了IEEE 802.15.4a提出的一种帧同步码，并进行了一定的修正，实现精准的帧同步［2，3］。

IEEE 802.15.4a提供的这种码序列被称为完美均衡三极性序列，共有24种，其中8种为31位码序列，16种为127位码序列［3］。这种序列的自相关运算结果很大，而序列之间互相关以及与其它随机序列互相关的运算结果很小。这种码不但可作为帧同步的引导头，结点个数不多时，可以用来区分节点。

选表1中的第1个和第3个码序列进行仿真。图5为序列1的自相关结果，图6为序列1与序列3的互相关结果。可以看出，自相关运算时，只有在相位偏差为0的时候出现值超过16的尖峰，而互相关结果则不会出现这样的结果。

则可以得到类似于前面仿真的结果，图7给出了序列1进行变换之后的序列1′进行自相关仿真的结果。由仿真结果可以得出，非相关接收的系统也可使用这种码作为引导码并有很好的效果。

这种引导码的另外一个突出优势是能够保证在出现误码的时候仍然能够取得帧的同步，图8是将序列1出现8位误码时自相关的仿真结果。可以看出自相关结果仍然在相位偏移为0时有相当的分值，甚至超过了完全正确接收时的峰值。

4 实现和仿真结果

本节对以上提出的算法进行了Simulink仿真、VHDL编程、FPGA的实现、考虑线路等延时、布局布线之后进行仿真，并在FPGA开发板XILINX ML402中进行验证，并使用ChipScope软件抓取波形。

首先对于物理层位同步系统，与常规的位同步系统不同，该系统所处理的信号为近似的规则的二进制信号，受高斯白噪声等影响很小，因此在这里仅考虑时钟偏移对系统性能的影响。码速率为2 Mbit／s的系统，设时钟偏移为采样时钟的10-4，在Simulink中进行仿真，对40 000个PN码进行测试，测试结果误码率近似为0。

图9和图10为位同步程序经过VHDL实现之后仿真结果和在开发板中运行之后ChipScope抓取的波形。运行该结果表明，除模块开始的10个码元有错误之外，后续的通信均无误码。

图11 和图12是帧同步程序进行布局布线后仿真的结果和在开发板中运行之后ChipScope抓取的波形。将模板信号与接收到并且已经经过位同步的信号进行卷积运算，结果中最后一个信号为引导头检测指示信号，可以看出得到了很好的帧同步。该信号可用来作为测距系统的测距信号位。

另外，开发板所使用的FPGA芯片为xc4vsx35-10ff668，资源占用率不足1%。

5 总结

本文介绍了一种脉冲超宽带通信测距复合系统的物理层和数据链路层的工作机制，重点介绍了位同步和帧同步算法，并进行了相关的Simulink仿真和布局布线后仿真、实现并给出了结果。该方法实现复杂度低，性能较高，能够应用于通信、测距复合系统。该方法可扩展到多节点网络，作为无线传感器网络的物理层和MAC层，为其进入空间应用打下良好基础，这是将来进一步研究的内容。

［1］Robert Newman，Mohammad Hammoudeh.Pennies from Heaven：a retrospective on the use of wireless sensor networksfor planetary exploration［C］／／Proceedings of 2008 NASA／ESA Conference on Adaptive Hardware and Systems. Noordwijk：IEEE，2008：263-270.

［2］Zafer Sahinoglu.Ultra-wideband Positioning Systems［M］. New York：Cambridge University Press，2008：162-165.

［3］IEEE 802.15.4a，Part15.4：Wireless Medium Access Control（MAC）and Physical Layer（PHY）Specifications for Low -Rate Wireless Personal Area Networks（WPANs）Amendment1：Add Alternate PHYs［S］.

［4］Kazimierz Siwiak，DebraMcKeown.超宽带无线电技术［M］.张中兆，沙学军，等，译.北京：电子工业出版社，2005.

Kazimierz Siwiak，Debra McKeown.Ultra-wideband Radio Technology［M］.Translated by ZHANG Zhong-zhao，SHA Xue-jun，et al.Beijing：Publishing House of Electronic Industry，2005.（in Chinese）

［5］王俊.脉冲超宽带信号产生、控制与检测［D］.合肥：中国科技大学，2007.

WANG Jun.IR-UWB Signal Generation，control and Detection［D］.Hefei：University of Science and Technology of China，2007.（in Chinese）

［6］王勇，屈晨阳.一种适用于全数字接收机的位同步系统的设计［J］，微计算机信息，2010（23）：164-165.

WANG Yong，QUChen-yang.The Design of a Symbol Timing Synchronization System for All Digital Receiver［J］.Microcomputer Information，2010（23）：164-165.（in Chinese）

QIAO Bei-bei was born in Jinzhong，Shanxi Province，in 1987.He received the B.S.degree in Communication Engineering from Sichuan University in 2009.He is now a graduate student.His research direction is ultra-wideband communication.

Email：qiao-beibei＠126.com

熊蔚明（1963—），男，北京人，理学博士，研究员，2007年入选中国科学院“百人计划”，主要研究方向为空间通信系统、电子系统的总体策划、详细设计和工程应用；

XIONGWei-ming was born in Beijing，in 1963.He is now a researcherwith the Ph.D.degree and also a“100 Talents Project”member of the Chinese Academy of Sciences.His research concerns the overall system design，the detail design and the engineering application of space communication systems.Email：xwm＠cssar.ac.cn

A Synchronization Scheme for IR-UWB Comm unication-ranging System s

QIAO Bei-bei1，2，XIONGWei-ming1
（1.Center for Space Science and Applied Research，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）

A synchronization scheme for the tunnel diode circuit based Impulse Radio Ultra-wideband（IRUWB）receiver is discussed through simulation and board-level verification with Simulink and FPGA.Themodified data transition tracking loop bit synchronization method is adopted，providing a bit synchronization method for the 1Mbit／s single-bit data with the bit error rate approaching zero.Themodified 31-bit sequences in the IEEE802.15.4a are used in theMAC layer，which can achieve perfect frame synchronization even there are 8 bit errors.The discussed scheme can be applied to theWireless Sensor Network（WSN）for space exploration.

space exploration；wireless sensor network；IR-UWB；bit synchronization；frame synchronization

TN914

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.11.011

乔贝贝（1987—），男，山西晋中人，2009年获四川大学通信工程学士学位，现为中国科学院空间科学与应用研究中心硕士研究生，主要研究方向为超宽带通信；

1001-893X（2011）11-0053-05

2011-06-15；

2011-08-12