（通信与信息系统专业论文）超宽带uwb系统检测技术研究及asic实现.pdf

研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。， 研究生签名：期劢q 3 岔 摘要 摘要 超宽带技术凭借其通信容量大、传输速率高、功耗低、抗多径干扰能力强、实现结构简单、成 本低廉等优点，使其成为短距离无线通信领域最具潜力的传输技术。作为超宽带通信的重要实现方 案，脉冲无线电将信号直接调制在纳秒级脉冲序列上进行传输，避免了载波偏移所引起的性能下降， 同时系统复杂度也因为无需对载波进行处理而大大降低。 东南大学移动通信国家重点实验室在国家8 6 3 专项和国家自然科学基金项目的基础上，研究了 一种新型的脉冲超宽带系统高速采样l - b i t 量化超宽带系统，该系统属于脉冲超宽带系统，在发 送端和传统的脉冲超宽带系统类似，然而在接收端，该系统对收到的信号仅采取1 - b i t 采样判决，然 后对采样序列进行信道估计、同步和信号检测。该系统设计实现在1 0 米的传播距离内，传输速率达 到1 0 0 m b p s 以上。 本文作为高速采样l - b i t 量化超宽带系统研究的一部分，着重研究了其检测原理、检测算法及其 a s i c 实现。文章首先从总体上对高速采样1 b i t 量化超宽带系统的系统模型、帧结构设计、窄脉冲 的生成方法、信道估计和同步算法等进行了介绍，然后重点研究了针对该系统特点提出的检测算法 和实现流程，检测模块的r t l 层设计和验证，最后对检测模块a s i c 实现的逻辑综合、功能验证和 优化过程进行了详细讨论。 关键字：脉冲超宽带，1 b i t 量化，数据检测， a s i c ，逻辑综合，门控时钟，静态时序分析，形式 验证 a b s t r a c t a b s t r a c t u l 讹w i d e b 锄d ( u w b ) h 勰b e t l l em o s tp r o m i s i l l gt e c h l l o l o 舒i i ls h o n 一瑚g ew n l e s sc o m m 蛐i c a t i s b e c a l l s eo fi t sa d v 锄t a g 鹤，轴c h 笛l 鹕ec a p a c i 够，h i g h 蚍r a t e ，l o wp o w 盯c o 雠m m p t i o i l ，r o b u s 协e s st o m u l t i p a m 缸棚c e ，锄dl o wc o s t a s 伽ei i n p o n 觚tr c a l i z a t i o no f 啪，i i i l p u l r a d i ou w b ，d i r e c t l y m o d u j a t i n gs i g n a l s o nn 锄o s e c o n d sp u l s e q 呦c c ，e n s u r 髑n l es y s t e mt oa v o i dm ep e r f o n n a n c e d e g r a d a t i o nc a 吣e db yc a r r i e r6 明u 锄c yo 舔斌( c f 0 ) m 啪w h i l e ，s y s t 锄c o m p l e x i 妙g r e a t l yr e d u c e d b c c a 惦ei th a 蚰tt 0p r o c e s sc a 盯i e l f 聃d e db ym en a t i o n a ls c i 舶c ef o 吼( 1 a t i o n 姐d8 6 3 豫s e a r c hp 叫e c t ，n a t i o n a lm 0 b i l e c 伽m u n i c a l i o n sr e a r c hl 粕豫t 0 d ，o fs o u t h e a s tu n i v e r s 时d e v e l o p e dan o v e lu 、粕c o m m 吼i c a t i o n s y 蛐嘶卜h i 曲s p e e ds a m p l i n ga n d1 - b i tq u a n t i z a t i o nu w bs y s t e m ，w h i c hi sb e l o n gt oi l i l p u l s e r a d i ou w b i i ls d e r t h e 碍s t i mi ss i m i l 缸w i t h 订a d i t i o n a li m p u l s er a d i ou w bs ys _ t e m ，b u ti i lr e c e i v 盯 i t o i l l yu s lb i td a t at os a i i l p i e 锄dq 啪t i 黟t 1 1 er e c e i v e ds i g n a i s ，t h e i ld oc h a i l i l e ie s t i m a t i o i l s y r i c h r o n i z a t i o n 锄dd e t t i o n 1 1 1 es y s t e mi sd e s i g l l e dt oa c h i e v e l e 咖s m i s s i r a t en ol 嚣st i l 锄 1o o m b p si l lt 舢s m i s s i o nd i s t 锄c el 鹤s 廿l 柚10m e t e r s n i sp a p e r 缸u s 豁彻t h e 出e o 锄da s i ci i l l p j 锄明t a t i o no fd e t e c t i o nt e c l l l l o l 9 9 ) ，矗”l h i ss y s t 锄 f i r s t ，觚0 v e r a ni i l 仃o d u c t i o no f 廿l es y s t 锄i sg i v 饥，w h i c hi i l c l u d es y s t e mm o d e l ，胁es 仃u c n 鹏， g e n e 豫t i o no fn 锄o c o n d sp u l 辩，c h 锄n e le s t i m a t i o n ，s ) m c h r o n i z a t i o na l g o r i t h l l la n ds oo n 1 1 1 饥t l l ep 印c r 锄p h 弱i z e so nd e t e c t i o nm c n l o d s 锄dr e a l i z a t i o nn o w ，r t ld e s 咖锄dv 酣f i c a t i o no fd e t e c t i m o d u l e a n da s i c i m p l e m e n t a t i o n l o g i cs y n t h e s i s ，f i m c t i o n a l v e r i f i c a t i o na n d o p t i m i 动t i o n o fa s l c i i l l p i 锄e n t a t i a r ed i s c u s s e di i ld e 协i l k e yw o r d ：i m p u l s e u w b ，1 b i tq u a n t i z a t i o n ，d a t ad e t e c t i o n ，a s l c ，l o g i cs y n t h e s i s ，c l o c k g a t i n g ，s t a t i ct i m i n ga n a l y s i s ，f o n n a lv e f i c a t i o n 目录 目录 摘要i a b s t r a c t 目豸乏i i i 插图目录v 表格目录i 第l 章绪论l 1 1 论文背景l 1 2ly w b 技术概述。l 1 2 1 背景及国内外研究现状l 1 2 2i ，w b 技术的基本原理2 1 3a s i c 设计概述一4 1 3 1a s i c 的特点及其设计方法4 1 3 2a s i c 的设计流程5 1 4 论文工作安排。6 第2 章l - b i t 采样超宽带系统简介7 2 1 系统模型。7 2 2 帧结构设计7 2 3 脉冲生成9 2 4l _ b i t 采样实现1o 2 5 同步与信道估计1 1 2 5 1 信道估计算法一ll 2 5 2 同步算法1 3 2 6 数据检测15 第3 章1 b i t 采样超宽带系统检测算法1 7 3 1 脉冲超宽带系统检测技术概述1 7 3 21 - b i t 采样超宽带系统检测算法研究。1 8 3 2 1 基于样值的最佳匹配算法。1 8 3 2 2 基于自相关的m l s e 算法。1 9 3 2 3 基于自相关的最佳匹配算法2 0 3 3 性能仿真2 2 第4 章l - b i t 采样超宽带系统检测模块r t l 层设计2 5 4 1a s i c 的i 玎l 层设计概述2 5 4 1 1r t l 代码编写的一般原则2 5 4 1 2 编写可综合的r t l 代码2 6 4 2 系统模块划分及接口定义2 6 i 目录 4 3 竺雾鬣震黧竺二：二：二二：薹 4 3 1 模块外部接口定义! 2 9 4 3 2 功能描述和说明3 0 4 3 3 实现方法3 0 4 3 4 仿真验证。3 3 4 4 本章小结3 3 5 章l - b i t 采样超宽带系统检测模块综合和优化。3 5 5 1a s i c 设计中的逻辑综合技术概述3 5 5 2 检测模块的逻辑综合及验证3 7 5 2 1 初步综合和相关参数的选择3 7 5 2 2 详细综合过程3 7 5 2 3 静态时序分析4 0 5 2 4 形式验证4 5 5 3 检测模块的优化处理4 7 5 3 1 利用门控时钟技术进行优化4 7 5 3 2 其他优化技术4 8 5 3 3 优化结果分析4 8 5 4 本章小结及进一步工作4 9 6 章总结与展望5 l 6 1 工作总结5 l 6 2 下一步研究工作5 2 致谢5 3 参考文献5 5 插图目录 插图目录 图卜1 二次高斯脉冲时域波形及功率谱3 图卜2u w b 系统信道模型4 图1 3 自顶向下设计方式5 图2 11 bi t 采样u w b 系统模型7 图2 2 卜b i t 采样u b 系统帧结构7 图2 3 帧结构波形示意图8 图2 4 脉冲生成原理框图9 图2 5 脉冲生成时序图1 0 图2 6 卜b i t 高速采样实现框图l o 图2 7 卜b i t 系统信道估计原理框图l l 图2 8 帧同步滑动窗1 3 图2 9 帧同步累加求和过程1 5 图3 1 数据部分脉冲经过信道的波形变化1 8 图3 2 信道模板的分割19 图3 3 基于自相关的m l s e 检测算法流程2 0 图3 4 基于自相关的最佳匹配算法2 l 图3 5c m l 信道检测性能比较2 3 图3 6c m 2 信道检测性能比较2 3 图3 7c m 3 信道检测性能比较2 4 图4 1 物理层与m a c 接口连接2 7 图4 2 物理层模块划分i 2 8 图4 3 检测模块的功能接口一2 9 图4 4 检测模块状态转移图一3 0 图4 5d e t e c t i o n 内部状态转移图3 1 图4 6 信道模板的输入3 3 图4 7 待检数据输入和检测处理3 3 图4 8p a tt e r n 序列的检测3 3 图5 1a s i c 设计中的综合过程3 5 图5 2 建立时间和保持时间4 0 图5 3 路径一：芯片的输入端到触发器的数据输入端4 l 图5 4 路径二：芯片的输入端到触发器的数据输入端4 l 图5 5 路径三：触发器的时钟端到芯片的输出端。4 i 图5 6 路径四：芯片的输入端到芯片的输出端4 1 图5 7s e t u p 和h o l d 时序检查示例4 2 图5 8 形式验证流程4 6 v 插图目录 5 9 门控时钟( l atc h 方式) 4 7 表格目录 表格目录 表3 1 仿真参数设置表。2 2 表4 1 物理层与m a c 层接口信号简介2 7 表4 2 物理层各模块功能定义2 8 表4 3 检测模块外部接口信号定义2 9 表4 4p a t t e r n 检测状态转移表3 2 表5 1 初步综合约束设置3 7 表5 2 详细综合过程的约束设计3 7 表5 3 检测模块面积综合报告3 8 表5 4 检测模块功耗报告3 9 表5 5 建立时间分析报告4 3 表5 6 保持时间分析报告4 4 表5 7 形式验证报告。4 6 表5 8 优化前后对比。4 8 l 第1 章绪论 1 1 论文背景 第l 章绪论 近数十年来，无线通信理论和技术迅猛发展，工作在各个频段的上各种通信通信系统相继出现， 可利用的频率资源日趋饱和。人们需要一种既能提供高速率、高质量，又能对现有通信系统频谱资 源影响尽可能小的短距离无线通信系统，来满足各种数字终端相互高速通信以及数字终端短距离高 速无线接入互联网等业务需求。在这种背景下，超宽带无线通信技术得到人们的重视，并在近年来 成为无线通信领域研究的新热点。 目前，超宽带技术的实现方式主要有基带窄脉冲方式和载波调制方式两种。其中，在基带窄脉 冲实现方式中，信号直接加载到纳秒级的脉冲上进行传输，不进行传统的载波调制过程。由于脉冲 很窄，信号的频谱展的很宽，同时功率谱密度也变得很低，对现有通信系统的影响较小；另一方面 由于不需要载波，系统结构变得相对简单，降低了实现的成本。但脉冲超宽带系统功耗低、无载波 的特性同时又在很大程度上增加了系统同步和检测等技术的实现难度。 东南大学移动通信国家重点实验室研究了一种新型的脉冲超宽带系统高速采样l - b i t 量化超 宽带系统，该系统属于脉冲超宽带系统，在发送端和传统的脉冲超宽带系统类似，然而在接收端， 该系统对收到的信号进行高速采样并仅用l - b “数据进行量化，然后对得到的数据序列进行合适信道 估计、同步和信号检测等处理，恢复出所发送的数据。该系统能够实现在l o 米的传播距离内，传输 速率达到l o o m b p s 以上。本论文作为高速采样1 b i t 量化超宽带系统研究的一部分，着重研究了其检 测原理、检测算法及其a s i c 实现。 1 2u w b 技术概述 1 2 1 背景及国内外研究现状 u w b 技术研究最早可追溯到上世纪4 0 年代，其后的半个多世纪里，u w b 技术的研究和应用主 要集中在军用通信、穿地雷达、穿墙成像等领域。直到2 0 0 2 年，美国联邦通信委员会( f e d e r a l c 伽m 吼i c a t i o nc o m m i n e e ，f c c ) l j 批准了在特定限制条件下，u w b 通信技术可以在民用通信频段上 使用，这有力地推动了u w b 技术的研究、应用和发展，掀起了新的研究热潮。随后，i t u 工作组亦 于2 0 0 3 年开始对u w b 进行测试研究，并于两年后确定了各国u w b 频谱的分配情况。同时，英、日、 韩等国，也陆续公布了各自的监管规范，进一步促进了u w b 技术在全球范围内的研究和应用进程。 相比于国际上一些先进国家，我国的u w b 技术发展和研究相对比较落后。但国家及一些相关 企业对u w b 技术相当重视，并有力的支持了我国u w b 技术和应用的发展。早在2 0 0 1 年，国家“8 6 3 ” 计划就批准了我国第一个超宽带预研项目。两年后的2 0 0 3 年，又启动高速u w b 实验实验演示系统 p ：等f 一等f ， 图1 1 给出了p 例的幅度归一化波形及其频谱，其中口取值为o 5 奉1 0 一。由图中可以看出，p 何在 时域上信号宽度在纳秒级，频域中，功率谱均匀的分布在o 到5 g h 蕴右的范围内。 在实际中，严格的高斯类脉冲函数不方便实现，我们可用时钟信号延时相与或者专用时钟芯片 等方法来模拟这些脉冲。具体的实现方法，将在下一章中详细介绍。 脉冲超宽带系统的调制方式有：脉冲位置调制( p u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o n ，p p m ) 、脉冲幅度调制 ( p u l a m p l i t u d em o d u l a t i o n ，p a m ) 、脉冲极性调制等。脉冲位置调制方式是通过发射脉冲相对于基 准时间的位置改变来承载信息的，其缺点是符号间干扰( i n t e r s y m b o l i n t e r f e r e n c e ，i s i ) 比较严重， 在传输效率上要低于p a m 方式，另外p p m 的实现也相对较复杂些【“】。与p p m 方式不同，p a m 以脉冲 的不同幅度来承载信息，其优点是实现比较简单，而且方便采用多进制调制，缺点是传输的误码率 性能相对较差。脉冲极性调制实际上是p a m 的一种特例，即其所有脉冲幅度的绝对值相同，只通过 改变脉冲的正负极性来承载信息。 2 频率( g h z )彳 图卜1 二次高斯脉冲时域波形及功率谱 由于超宽带系统频谱特别宽，脉冲持续时间特别短，可以料想信号传输的可分辨多径数量将特 别多。事实上，传统的无线信道模型已经不能用来刻画超宽带系统的信道模型。不过，一些研究机 构和企业在进行大量数据实测和分析拟合的基础上，对超宽带通信系统的信道提出了很多模型【5 一 这些模型虽然是建立在不同的环境、测量和建模方法上的，但所有的模型都表明超宽带无线信道中 存在大量的多径现象。最后由i e e e 相关工作组对各种信道模型进行整理，提出了统一的u w b 信道模 型：i e e e8 0 2 1 2 3 a 工作组信道模型【1 0 1 。 i e e e 8 0 2 1 5 3 a 工作组信道模型具体定义了四种i m ，b 信道模型，分别为c m l 、c m 2 、c m 3 和 c m 4 ，各用于抽象不同的典型信道环境。其中c m l 模拟了0 4 米的视距( l i n e o f s i 曲t ，l o s ) 传输 信道；c m 2 模拟了0 q 米的非视距( n o n l m e o 矗s i g 址n l o s ) 传输信道；c m 3 模拟了4 l o 米的非 视距传输信道；c m 4 模拟了特殊的非视距信道。 图1 2 中显示了上述四种信道的实例，其中每个图中是1 0 0 次信道实现的叠加，横坐标是信道 冲击响应的时延，纵坐标表示响应的幅度。从图中可以看出，在四中信道条件下，信道都具有密集 多径的特点。另外，可以看出随着传播距离变大，信道有效时延扩展变大( 对比c m 2 和c m 3 ) ；相 比于非视距条件，视距条件下的信道响应能量分布更为集中( 对比c m l 和c m 2 ) 。本文所涉及的u w b 系统中，主要实现室内有视距信道的近距离数据传输，所以主要在c m l 信道条件下分析系统性能， 并兼顾其余信道下的性能情况。 3 东南大学硕士学位论文 a s i c 设计概述 1 3 1a s i c 的特点及其设计方法 c m 2 一一一一一一一：一一一一一一一一一一一一一一一一 娃。j； ”7 l； 05 01 1 5 0 时间( n s ) 图1 - 2u w b 系统信道模型 自从世界上第一块集成电路( i n t e g r a t e dc h u i t ，i c ) 诞生的半个世纪以来，i c 业的发展用日新 月异来形容也不为过。支撑其发展的基础：一方面是生产工艺的不断进步；另一方面是设计方法学 的不断进步和各种先进设计工具的出现。 通常按照用途，可将集成电路分为通用集成电路和专用集成电路( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t 唧t e d c 眈u i t ，a s i c ) 。通用集成电路一般指通用性较强的处理器、存储器等， 而a s i c 是为专门的用途而 开发的专用的芯片。a s i c 设计、制造和应用能够蓬勃的发展，其主要原因是通用的、标准集成电路 不能很好的适应具体应用环境的需求。通常来说，相较于通用集成电路，a s i c 具有体积更小、功耗 更低、可靠性更高、保密性强、单片成本低等优点。 目前，关于a s l c 的设计方法，主要有以下三种： 全定制方法( f u i l c u s t o md e s i 伊a p p r o a c h ) ：电路和版图细化到晶体管级的设计方式，其缺点 是设计效率较低，周期长，成本高。优点是可以使设计尽可能的优化，使功耗尽可能低，面积尽可 能小，性能尽可能好。这种设计方法一般用于模拟电路和要求很高的数字电路。 4 1 5 0 5 1 0 0 第l 章绪论 可编程器件方法：采用硬件描述语言( h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl 卸g u a g e ，h d l ) 来进行电路设计， 然后进行编译和下载到可编程器件。实现所需要的功能。在可编程器件中，单元逻辑和连线都已存 在，通过编程，实际上只进行资源的配置。其特点是设计周期短，一次性投资低，但性能受制于可 编程器件本身的特性，另外芯片的单片成本较高。故这种设计方法适合测试或小批量生产时使用。 半定制方法( s 锄i c u s t o md e s i 印a p p r 0 h ) ：也采用h d l 进行逻辑设计，但基于标准单元库或 门阵列，最后需要经过流片实现满足要求芯片。与全定制法相比，半定制设计方法因为不用进行繁 复的晶体管设计，所以大大降低了芯片设计的复杂度，提高了设计的效率。与可编程器件法设计相 比，半定制法具有更好的灵活性及更低的单片成本。总的来说，半定制法设计周期较短，效率高， 性能好，虽然流片费用还是较高，但量产时的单片成本一般要远低于可编程器件法。半定制法是目 前应用最广泛的a s i c 设计方法，本论文研究中采用此方法。 1 3 2a s i c 的设计流程 从设计思想上来说，a s i c 的设计采用的是一个分层设计的概念，具体来说有自底向上( d o w n t o p ) 和自顶向下( t o pd o 、m ) 两种方式1 。自下向上的方式主要适用于较小规模的系统设计，对 于大规模的集成电路，需要采用自项向下的方式。 图1 3 显示a s l c 自顶向下的设计方式。 系统设计 i i l ；上符喃牲全 r 1 几设计 ；一七- l 门级验证逻辑综合 i i i ： i !专 。 版图设计版图综合 l 图1 3 自顶向下设计方式 系统设计是抽象层最高的设计层次，需要对系统进行总体的分析，如系统所需的功能、模块的 划分、模块之间以及系统与外部之间的借口等等。系统设计应该说是整个设计中最富创造力的部分， 系统设计的好坏，直接影响后面的设计能否完成，以及完成的效率问题。 寄存器传输级( r e g i s t e rt r 锄s 矗玎l e v e l ，r t l ) 设计通常用v e r i l o gh d l 或d l 语言来描述各 模块内部功能和逻辑的实现。现在的综合软件还只能对r t l 级的源代码进行综合，所以i 汛级的源 代码是模块设计的起点。系统设计与r t l 设计统称为行为综合。行为综合就是将系统及各个组成模 块的功能和接口进行定义并用皿l 实现，当然其中还包括了仿真与验证设计。 5 及其仿真和验证。 第5 章重点探讨了对高速采样l - b i t 量化超宽带系统检测模块进行了逻辑综合与优化过程。首先 介绍了a s l c 设计中逻辑综合的重要概念，包括综合的三个过程、综合中的注意事项等。然后重点 讨论了检测模块的d c 综合、功能验证和优化过程。 第6 章对论文工作做出总结，给出下一步工作展望 6 第2 章高速采样1 - b i t 景化超宽带系统简介 第2 章高速采样1 - b i t 量化超宽带系统简介 本章将简要介绍高速采样l - b i t 量化超宽带系统。该系统属于脉冲超宽带系统，与传统脉冲超宽 带系统的不同之处在于，在接收端，它只对采样到的信号进行1 b i t 量化。由于进行低比特采样量化， 其处理的数据量较小，可以降低系统实现的复杂度，同时可以获得更低的功耗。但也由于只对信号 进行1 b i t 量化，致使采样量化后的数据与接收到得实际数据产生很大的误差，如何通过采样得到这 些o 、l 序列恢复出原始信号是本系统各部分设计和实现时必须考虑的难点。围绕l - b i t 量化这一主 线，本章接下来主要介绍系统的帧结构设计、脉冲生成、接收端的信道估计与同步算法、检测算法 等内容。 2 1 系统模型 高速采样l - b i t 量化超宽带系统的模型如图2 l 所示，在发送端，信源经过数字处理后调制在窄 脉冲信号上，经带通滤波后由天线发射出去。在接收端，模拟信号经过带通滤波和信号放大后，进 行高速采样l - b i t 量化，然后经过同步与信道估计、信号检测，最终恢复出发送信息。 弋 i 辑字朴理l- 脉冲产生带通 i 信溏l l ”i 与调制 滤波 发送端 千姥佶谐 信号 同步与信 高速采样信号 带通 一_ 一一 一- _ 一 检测道估计 放大 2 2 帧结构设计 图2 1 高速采样卜b i t 量化u w b 系统模型 基于1 b i t 量化的特殊性，帧结构的设计必须考虑到后续信道估计、同步、信号检测的实现要求， 必须和整个系统的设计相结合，来实现并优化各个模块和系统的功能。经过仿真、比较和实验，我 们设计并采用了如图2 - 2 的帧结构，图2 3 为其波形示意图。 i 训练序列 保护间隔 p a t t e m数据 图2 2 高速采样1 - b i t 量化u w b 系统帧结构 7 精确产生向后的偏移把数据部分覆盖了。式( 2 2 ) 为保护间隔的时间表达式。 一l ( f ) = 一g o 一汀) ( 2 2 ) p a t t e m 位于数据部分之前，是一串固定的脉冲序列，用来在信号检测过程中来确定数据部分的 准确位置。式( 2 3 ) 为其时间表达式，其中乃为脉冲间隔。 8 第2 章高速采样l 出“量化超宽带系统简介 一1 ( f ) = z g ( f 一吗) ，z 一l ，l j = o ( 2 3 ) 数据部分与固定p a n 锄有着相同的脉冲间隔乃相同，但其符号个数是不确定的，可长可短，可 以根据实际需要设定。其时间表达式如( 2 4 ) 所示。 2 3 脉冲生成 白一l ( ，) = z g ( f 一吗) ，珥 一l ，1 ) j = o ( 2 4 ) 脉冲超宽带系统中，如何生成稳定、可调、符合纳秒级要求的窄脉冲，是系统实现的前提条件。 已经存在的方法有：( 1 ) 光电方法，利用光导开关的陡峭上升下降沿获得脉冲信号；( 2 ) 电子方法， 利用p n 结反向加电，在雪崩状态的导通瞬间获得陡峭上升沿，整形后获得得窄脉冲。但上述两种 方法实现起来存在功耗、稳定性、便利性方面的缺点，在本系统中，我们设计了数字时钟延时相与 的方法产生所需的窄脉冲，实现起来方便，且稳定。如图2 - 4 和2 5 分别是其实现框图和时序图。 图2 4 脉冲生成原理框图 9 东南大学硕士学位论文 t 置化实现 图2 5 脉冲生成时序图 接收端需对接收到的模拟信号进行采样，并将每个样值进行量化，用多比特 对每个样值只用一比特信息表示，所以就不需要一般意义上量化器，只需要 次判决即可。这样的实现可以很大程度上降低硬件的复杂度和功耗。但由于 能在接下来的处理中恢复出需要的信息，提高采样速率是必需的。经过设计 了“比较器加串并转换器”的方法来实现l - b i t 高速采样器的实现，如图2 6 cl k 图2 6 卜b i t 高速采样实现框图 “比较器加串并转换器”方法的实现中，采用比较器的过程实际上就是实现l 比特数据量化过 程，系统将接收到的模拟信号与比较器门限做比较，若大于门限，则输出高电平。若小于门限，则 输出低电平。采用串并转换器的过程实际上就是实现采样的过程，由于串并转换器的速率受限，采 用多个并行处理的方法。 l o 第2 章高速采样l - b i t 量化超宽带系统简介 2 5 同步与信道估计 同步和信道估计模块在1 b “量化后，利用训练序列和保护间隔部分的采样数据，来实现系统同 步和信道估计功能。 其中，所有各模块算法基于下面两个基本符合实际信道情况的假设： ( 1 ) 信道在一帧时间内保持不变，即是时不变的。 ( 2 ) 训练序列和保护间隔脉冲周期7 砩足够长，到达接收端的脉冲响应信号相互之间没有码间 干扰。 2 5 1 信道估计算法 信道估计的目的是要获取信道的冲激响应。基于窄脉冲的冲激函数的特性，信道的冲激响应即 是窄脉冲通过信道后的时域波形。高速采样1 b i t 量化超宽带系统信道估计方案的原理框图如图2 7 所示。 干 上 一 _ 一 信道 - _ _ _ 一一一 去g n 南 j 黼； i 1 r 川1 1 f i | | | 川i 。高速采样 i 。 j l - b i t 判决 。_ _ _ m _ _ ”_ _ _ 州 上 札 叠加求平 均 i r1 一一 一_ _。j- _ -_ _ d j - 一。_ _- _- _- 一 - 一_ 一 _ - 一 一 一 一 ： 一 lkl山kk r_ ， rrr r r_ 一 _一1 一 l 一 一 一 - - 一 _ _ 一_ _ - 一 - 。_ 东南人学硕士学位论文 符号周期分为易般，然后累加求平均。其计算过程如下： 列时域表达式如式( 2 1 ) ： 一l 雕o ) = g o 一，丁) ，= 0 经过信道并受到高斯白噪声的干扰，到接收到的信号r 俐为 足( ，) = 1 5 l 胪o ) 掌厅p ) + 疗( ，) l m l = g ( f f k ) 幸+ 刀( f ) + 刀( f ) 其中，o ) = g ( f ) 木 ( f ) 为单个正脉冲经过信道卷积后的响应。 考虑到l - b i t 量化过程可以用符号函数s g n 问表示，即经过l - b i t 量化后 ，( 聊) = s g n r ( 小丁) 】 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 跏闰g 啦c 肌删瑙n 陪c 小叫州肌。 ， r ( 聊) = s g n 【r ( 肌丁) 】= s g n i r ( m 丁一，) + 聆( 肌丁) i ( 2 7 ) i ，_ 0 l 式2 6 、2 7 的劢采样周期，令= 乙，。r ，即为一符号周期7 k 内的采样点数。因为符号周 期k 设得足够长，训练序列中前后两个正脉冲经过信道后码间干扰很小，可以忽略不记，则信道 估计序列可由下式表示： 悱专咎所圳 历【0 ，一l 】 图2 7 中显示了信号从发送到完成信道估计为止的波形示意图。 ( 2 8 ) 利用l - b i t 信息叠加求和平均进行信道估计的过程，实际上是通过多径信号不同的抗噪能力来 区分不同径响应的大小。当一个脉冲经过多径信道到达接收端，其响应，例中有些径的能量较强， 有些径的能量较弱。再由于受到高斯白噪声的干扰，能量强的径抗噪能力强，不容易被噪声改变 其激响应极性，因而进行采样判决后，保持原来极性的可能性就越大。反之，能量弱的径，保持 原来极性的可能性就会相对低一些。亦即对于脉冲响应的某个特定位置上抽样得到的值以不同的 概率为+ l 或者1 。这样经过训练序列中多个脉冲的重复后，经过累加平均，就可以很好的体现出 1 2 、j 一 o r 一脚 = 第2 章高速采样1 b i t 量化超宽带系统简介 这种潜在的概率特性，进而体现出其抗干扰性能，即反映各径能量的相对强弱。比如，如果脉冲 响应中，其中径响应极性为正且能量较强，设其取+ l 概率为9 0 ，取1 概率为1 0 ，那么经过 多次的累加求平均其值趋向期望值0 8 ；其中另一径响应极性亦为正旦其能量较弱，假设其取取+ l 概率为7 0 ，取1 概率为3 0 ，则经过累加平均其结果接近于o 4 。 2 5 2 同步算法 本系统中的同步有帧同步和符号同步两类。具体来说，帧同步是指找到帧的起始位置，其实现 又要分粗同步和样值同步两部分；符号同步需要找到帧中数据部分的起始位置，在实现中符号同步 的功能在信号检测部分以序列检测的方法实现，故不再于此小节展开讨论。 前面已经介绍了如何用训练序列获得信道估计的的方法，实际上信道估计是和帧同步算法结合 在一起实现的。我们设定一个窗口，其长度为k 个抽样点数，那么对这个窗口内的数据可以依 据上述的信道估计算法，得到一个相应的信道模板，记为 o 矽。然后将窗口右移一个符号长度，即 个采样点，同理又可得到一个相应的信道模板，即为办，彬。依此移动一j 次可获得肝信道模板， 分别记为j i l o 砂、矗，砂、而尽，砂。对于第阶信道模板啊功，j 0 ，l ，”，k 一1 ) ，将其幅度的最大 值记为肌a 斯。再令m a 而= m a ) ( 【m 嬲d ，所甜，一，m 积k ，】。那么，就将第，次移动时窗口的起始位置作为 帧头的大致起始位置，将j 1 2 ，r ) 砂作为最终的信道估计。图2 8 显示帧同步窗的滑动过程。 初始位置 第一次移动 第k _ 1 次移动 个符号长度 价符号长度 图2 8 帧同步滑动窗 下面来分析下上述帧同步算法的实现所基于的原理。 首先，窗口中的数据可能包含下面三种情况： ( 1 ) 包含噪声和训练序列一部分；( 2 ) 正好包含训练 1 3 ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) 1镭1骝 胛( 聊) = 【r ( 聊一w ) + ( m 一洲) 】 ( 3 1 1 ) 厶p 口一矿 ”o 上式中1 y ，l 形给信号和变量取有意义的名字，以增