基于Altera DE2 FPGA開發(fā)平臺實(shí)現(xiàn)TH-UWB窄脈沖信號發(fā)生器系統(tǒng)設(shè)計

基于AlteraDE2FPGA開發(fā)平臺實(shí)現(xiàn)TH-UWB窄脈沖信號發(fā)生器系統(tǒng)設(shè)計李曉歡，陳倩，李全，陳石平引言隨著UWB（ultrawideband）信號產(chǎn)生與接收技術(shù)的發(fā)展，對UWB信號傳播特性的認(rèn)識逐漸完善，UWB在通信、雷達(dá)、定位、導(dǎo)航和電子對抗等諸多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，已成為無線通信領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)。UWB是一種新穎無載波傳輸技術(shù)，利用納秒及亞納秒量級的非正弦式窄脈沖作為傳輸載體進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，因此其所占的頻譜范圍很寬。2002年FCC頒布了UWB的頻譜規(guī)劃，并規(guī)定在-10dB處信號絕對帶寬大于0.5GHz或分?jǐn)?shù)帶寬大于20％。目前超寬帶納秒級脈沖的產(chǎn)生方法主要用模擬的隧道二極管或晶體管雪崩擊穿翻轉(zhuǎn)瞬間產(chǎn)生脈寬為納秒級的脈沖，從其產(chǎn)生的原理可看出，這樣的產(chǎn)生方法不利于電路設(shè)計的更改和實(shí)時調(diào)試，而且在晶體管雪崩擊穿過程中會有一個比較高的瞬時電壓，這會使得整個發(fā)射機(jī)的功耗比較高，穩(wěn)定性也隨之減弱。1全數(shù)字化UWB信號特性TH-UWB信號由于具有良好的隨機(jī)性和偽隨機(jī)性、抗干擾性能好、發(fā)射功率低等優(yōu)勢，使得超寬帶技術(shù)在雷達(dá)、通信、定位領(lǐng)域得以迅速發(fā)展。UWB信號具有以下特點(diǎn)：①低截獲／檢測概率：脈沖越窄，帶寬越寬，功率譜密度越低。低功率譜密度使信號難于被敵方截獲或檢測到，非常適合于軍事保密通信，同時對其他信號的干擾小，對商用通信也非常有利。②強(qiáng)抗多徑能力：脈沖窄，且占空比低，經(jīng)傳播延時的反射波與直射波的時間差一般會超過UWB脈沖寬度，所以多徑信號在時間上是分離的，其重合或部分重合的概率很低，從而UWB通信系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗多徑能力。③具有良好的穿透障礙物能力：UWB信號可以穿透墻壁或其他障礙物，可用于對人或其他目標(biāo)進(jìn)行動目標(biāo)檢測和測距，也可穿透地面檢測道路、橋梁的內(nèi)部情況。④數(shù)字UWB發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡單，成本比較低，易于電路實(shí)現(xiàn)，工作穩(wěn)定，效率高。2脈沖位置調(diào)制（PPM）方式的TH-UWB信號設(shè)計對于UWB發(fā)生器系統(tǒng)，信息調(diào)制方式非常重要，UWB發(fā)生器系統(tǒng)可用不同的偽隨機(jī)碼（PN碼）來區(qū)分每個用戶。實(shí)現(xiàn)多址的方法主要有低占空比的跳時（TH）和高占空比的直接序列相位編碼（DSC）兩種方法，可分為TH-UWB和DSC-UWB兩種系統(tǒng)。本文采用PPM方式的TH-UWB信號設(shè)計。PPM調(diào)制又稱為跳時脈沖位置調(diào)制，是使用信息序列控制脈沖相對于參考位置提前或時延。為了達(dá)到信號要求，還要用偽隨機(jī)碼或偽隨機(jī)噪聲對數(shù)據(jù)符號進(jìn)行編碼。香農(nóng)在證明編碼定理時，提出用具有白噪聲統(tǒng)計特性的信號來編碼，其瞬時值服從正態(tài)分布，功率譜在很寬的頻帶內(nèi)都是均勻的，具有極其優(yōu)良的相關(guān)特性。由于硬件無法實(shí)現(xiàn)對白噪聲信號的放大、調(diào)制、檢測、同步及控制等，本文利用具有類似于帶限白噪聲統(tǒng)計特性的偽隨機(jī)信號來逼近它。信號調(diào)制數(shù)學(xué)描述（方程式）如下由于該調(diào)制系統(tǒng)比較抽象，本文采用圖形化描述。圖2表示當(dāng)前PN碼對應(yīng)的值分別為1、2（p=3）時，對應(yīng)位置在時間軸上的表示見圖2。圖2中，A表示時間坐標(biāo)軸，Tf是無調(diào)制時碼元的重復(fù)周期——重復(fù)幀；由于周期p=3，故Tf=3×Tc；B表示PN碼分別為C1和C2的兩幀信號，可以看出第一幀為C1，第二幀為C2，實(shí)現(xiàn)第一輪位置調(diào)制；C表示加入數(shù)據(jù)碼的位置跳變（延時△），可以看出第一幀攜帶的二進(jìn)制信息為“1”，第二幀攜帶的二進(jìn)制信息為“0”。以上調(diào)制由圖1中兩次時延調(diào)制完成，最后把攜帶位置信息調(diào)制信號經(jīng)窄脈沖產(chǎn)生器產(chǎn)生窄脈沖信號。3信號發(fā)生器設(shè)計原理與傳統(tǒng)的無線發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)相比，UWB發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)相對比較簡單，偽隨機(jī)碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的序列狀態(tài)并行輸出，得到一個周期的隨機(jī)碼。開始時計數(shù)器計數(shù)，并每隔一個周期寬度時間計數(shù)器加1，再將兩者送入比較器進(jìn)行比較，當(dāng)二者數(shù)值一致時，輸出為脈位調(diào)制信號。最后經(jīng)納秒級脈沖電路產(chǎn)生攜帶位置調(diào)制信息的窄脈沖即為TH-UWB窄脈沖信號。能夠準(zhǔn)確產(chǎn)生脈寬較穩(wěn)定的納秒級窄脈沖的電路是工程設(shè)計過程中的關(guān)鍵。信號通過邏輯電路、邏輯門連接線、I／O連接線都會產(chǎn)生相應(yīng)的邏輯門延時和走線延時，那么從理論上講，連續(xù)偶數(shù)個非門相連，即可得到一個信號延時，但在實(shí)際的工程設(shè)計中，這樣的邏輯連接方式在軟件綜合過程中可能被邏輯門連接線代替，達(dá)不到產(chǎn)生窄脈沖的延時效果，而通過I／O與片外邏輯門相連，會使邏輯延時難于準(zhǔn)確控制，增加了整個系統(tǒng)的復(fù)雜度和不穩(wěn)定因素。本文利用FPGA邏輯單元間的延時特性，考慮片內(nèi)走線延時，利用等效邏輯運(yùn)算原理編寫了可控延時程序，在設(shè)計過程中可以根據(jù)信號輸出的延時情況進(jìn)行信號延時，調(diào)整輸出脈沖的寬度。其產(chǎn)生的系統(tǒng)框圖如圖3所示。4建模及仿真模型思想：經(jīng)過位置調(diào)制之后的信號脈寬為一個全局時鐘周期，故利用位置調(diào)制之后的信號經(jīng)觸發(fā)器進(jìn)行觸發(fā)，可以得到一個和原信號波形相同且有一個器件邏輯門延時的新信號，與此同時位置調(diào)制信號被整形，消除了原信號由于邏輯運(yùn)算產(chǎn)生的毛刺（競爭冒險）。再利用所得的信號求非邏輯運(yùn)算，最后與原輸入信號求邏輯與運(yùn)算，得到一個攜帶位置信息的窄脈沖。時序電路仿真如圖4所示。圖中PPM2為攜帶位置信息的窄脈沖信號，m為串行偽隨機(jī)序列。由圖4可以看出偽隨機(jī)序列確定輸出脈沖在時間軸上的位置范圍，且時序仿真測得TH-UWB信號PPM2脈寬為1.237ns。5硬件電路實(shí)測及數(shù)據(jù)分析TH-UWB窄脈沖信號發(fā)生器系統(tǒng)硬件平臺AlteraDE2FPGA開發(fā)平臺，采用50MHz的時鐘，目標(biāo)芯片：CycloneⅡEP2C35F672C6。硬件電路利用AgilentInfiniium數(shù)字示波器進(jìn)行信號波形觀測（帶寬600NHz，采樣深度4GHz）。圖5、6為數(shù)字示波器實(shí)際觀測波形圖。圖5所示波形為攜帶位置調(diào)制信息的輸出納秒級窄脈沖信號，據(jù)圖中所測參數(shù)可知其脈沖的寬度為1.3088ns，上升時間為781ps，脈沖的峰峰值為2.041V。測試中的數(shù)據(jù)與前面仿真計算的結(jié)果非常相似。圖6所示波形為攜帶位置調(diào)制信息的輸出納秒級窄脈沖信號及其頻譜，測試其-10dB帶寬約為0.55GHz。從以上實(shí)測結(jié)果可以看出本設(shè)計電路產(chǎn)生的信號能夠滿足各項要求，具有很強(qiáng)的實(shí)用性；同時，在實(shí)際測試中，該電路可以穩(wěn)定地產(chǎn)生重復(fù)頻率達(dá)50MHz的TH-UWB脈沖，輸出的脈沖已經(jīng)攜帶位置調(diào)制信息，無需進(jìn)行二次調(diào)制，實(shí)測脈沖寬度其脈寬在1.28ns±60ps，與時序仿真脈寬相符（約800MHz）（本文分析用波形圖脈沖寬度為1.3088ns），信號-10dB帶寬在0.55GHz左右，滿足信號設(shè)計的要求。6結(jié)語本文利用FPGA實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化的TH-UWB窄脈沖信號發(fā)生器，并在AlteraDE2FPGA開發(fā)平臺下實(shí)現(xiàn)并達(dá)到TH-UWB窄脈沖發(fā)生器的信號要求。該系統(tǒng)較其他模擬電路實(shí)現(xiàn)的超寬帶納秒級脈沖的產(chǎn)生方法更有利于電路的實(shí)現(xiàn)。模擬電路實(shí)現(xiàn)納秒級脈沖發(fā)生器，雖然其脈沖寬度最窄可以達(dá)到亞納秒級、幅度最