??? 摘? 要： 超寬帶（UWB）技術具有功耗低、抗干擾和抗多徑能力好、穿透能力強等優點，特別適用于隱藏活動目標檢測和近距離數據傳輸。對超寬帶通信中最常用的TH_PPM調制方式從信號產生到方案設計實現進行了分析，將所設計的VHDL程序用Modelsim硬件仿真軟件進行了功能仿真，并將程序下載到芯片上用示波器進行了波形實測，結果完全滿足設計要求。?
??? 關鍵詞： 超寬帶； TH_PPM; Modelsim； VHDL
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??? 超寬帶（UWB）技術作為一種新興的無線通信技術，與常規無線電相比，具有對信道衰落不敏感、發射信號功率譜密度低、截獲概率小、系統復雜度低、能提供數厘米定位精度以及有很強的抗多徑干擾能力[1]等優點。相對于傳統窄帶系統，UWB在密集多徑環境和高媒體數據速率條件下具有明顯的優勢，而高效的編碼調制技術又是實現UWB高速無線應用的關鍵技術之一。因此，本文對UWB通信系統中常用的TH_PPM調制方式進行分析并用Modelsim硬件仿真軟件進行了仿真,最后用示波器對波形進行實測。結果表明設計滿足要求，可以在超寬帶通信系統中進行實際應用。?
1 UWB通信系統的TH_PPM信號的產生?
??? 超寬帶在無線電通信研究中受到廣泛的關注，作為最常用的超寬帶調制方式之一，參考文獻[2,3]提出的TH_PPM信號產生模型如下：?
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式中， w(t)表示發送的單周期脈沖；{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是無調制時的均勻單周期脈沖的重復周期；δ為信息碼
控制的附加時延(有時稱為時間調制指數)，當信息碼為“1”時，有附加時延δ，當信息碼為“0”時，無附加時延δ；本文采用重復編碼，每NS個單周期脈沖波形傳送1個二進制符號;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信號的設計原理及實現方案?
本文基于參考文獻[4]提出了另一種簡化的TH_PPM信號產生模型，如圖1所示。?
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??? 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，信息數據的速率遠低于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。據此，可以將(1)式中的調制偏移量合并，用bjTb表示時延偏移，則TH_PPM信號的表達式可簡化為：?
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其中，bj為受信息碼和PN碼共同控制的時延偏移系數。?
??? 本方案所采用的基帶系統模型如圖2所示。整個模型由基準時鐘產生器、分頻器、PN碼產生器、信碼產生器、二進制加法器、比較器以及PPM信號形成器構成。?
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??? 圖2中，基準時鐘產生器輸出50 MHz的基準時鐘；分頻器1是1個2 bit的二進制分頻器，用于產生基準脈沖位置比較信號；信息碼產生器產生實驗用的二進制信息序列；PN碼產生器產生偽隨機序列，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(00，10)與分頻器1輸出的基準脈沖位置信號(00，01，10，11)在基準時鐘的控制下進行現時比較，例如在基準時鐘的上升沿，若跳時脈沖形成器的輸出狀態為10，則只有當分頻器的輸出也為10時,比較器輸出為“1”，否則輸出為“0”。由于在設計時，使脈沖形成器輸出的某個狀態至少保持分頻器的一個狀態周期時間，因此可保證在一個Tf內狀態00、10有唯一的某個狀態與分頻器1的輸出狀態對應，而且狀態不同，對應的比較輸出的信號出現在上升沿的位置不同；PPM信號形成器的作用是在基準時鐘的控制下，將比較器輸出脈沖進行延遲、倒相和信號合成，便可輸出PPM信號。脈沖產生器的作用是把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，經過TH_PPM調制后的TH_PPM脈沖信號即從該引腳發送到其他模塊。?
??? 本方案采用的跳時碼周期為31，為了便于實現(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個脈沖構成一幀，由1個周期的跳時碼對其進行調制，每個跳時碼對應一個脈沖。?
??? TH_PPM信號產生器的VHDL設計頂層電路圖模型如圖3所示。?
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??? 該TH_PPM信號產生器由DCM模塊、數據緩存器、跳時碼ROM、跳時控制模塊、PPM產生模塊等幾大部分組成。DCM模塊即數字時鐘管理模塊，可以在50 MHz系統時鐘的基礎上通過分頻和倍頻產生穩定的64 MHz時鐘，用于形成基帶脈沖。時鐘產生模塊的作用主要是對DCM產生的高速時鐘進行分頻，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，實現簡單，在跳時過程中讀寫數據方便。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的位置，并根據跳時碼的重復周期將若干個脈沖劃分為一幀，便于跳時實現。?
4 實驗仿真結果及分析?
4.1? 頂層模塊仿真結果分析?
??? 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pulse_out從0變為1時對應的兩脈沖間距為25 ns，當pulse_out從1變為0時對應的兩脈沖間距為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的關系，與筆者對PPM設計的預期一致。整個波形直觀地反映出系統對輸入信碼的調制控制關系，從而認為該模塊輸出的脈沖是經過TH_PPM調制處理了的，滿足了設計預期。?
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4.2 跳時模塊仿真結果分析?
??? 如圖6所示，并行的8位數據data_in從數據緩存器輸出串行信號dout，在dout為1的1個跳時碼周期內，有跳時脈沖輸出，dout為0的其他跳時碼周期內，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據的跳時控制，實現了預期功能。?
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5 實驗測試?
??? 本實驗系統利用學院創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信號產生模塊的VHDL設計程序下載并配置到FPGA芯片中，采用Agilent公司54855A型示波器進行觀測，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的關系，與本設計相符，達到了設計要求。?
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??? 本方案首先從波形分析、信號產生、方案設計等幾個方面對TH_PPM調制進行了分析；然后運用硬件仿真軟件對其進行了硬件仿真；最后在示波器上進行了波形實測。從中看出本方案滿足了預期要求，可以在超寬帶通信系統中進行實際運用。?
參考文獻?
[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通信系統的TH_PPM信號產生與接收處理.桂林電子工業學報，2005(6).