（通信与信息系统专业论文）高速超宽带无线通信系统的硬件设计与实现.pdf

摘要 捅要 随着通信和信息技术的不断发展，短距离无线通信进入了一个前所未有的发展时期，无线局域 网( w l a n ) 和无线个域网( w p a n ) 的需求和应用越来越广泛。超宽带( u l t r a w i d eb a n d ，i n b ) 技术具有共享频谱资源、传输速度快、抗多径能力强等显著的技术优势，已成为最富有竞争力和发 展前景的短距离无线通信技术之一。 本文主要致力于研究与设计高速脉冲u w b 通信系统接收端系统硬件平台，包括基于f p g a 核 心处理器的主平台和基于时间交错采样的高速采样子平台。 本文首先阐述了u w b 无线通信的意义及其实用价值，归纳总结了u w b 技术的起源、演进和现状。 介绍了超宽带无线通信的核心概念，并给出了u w b 信号的定义，及其两种主要的信号形式。并在此 基础上介绍了u w b 技术的特点和优点及应用等。 在u w b 技术的概述基础上，本文详细介绍了脉冲u w b 通信系统基础，包括脉冲u w b 系统基 本结构、u w b 脉冲生成技术、脉冲调制方式及接收机技术等。本文简要的介绍了u w b 脉冲的特性， 特别是高斯及其各阶导数脉冲，介绍了利用半导体器件和数字电路设计u w b 脉冲的方法。讨论了 开关键控、二相调制、脉冲位置调制等脉冲调制方式和各种u w b 接收机的优缺点。 本文着重阐述了高速脉冲u w b 通信系统接收端硬件平台的设计，包括基于f p g a 核心处理器 的主平台和基于时间交错采样的高速采样子平台。基于f p g a 核心处理器的主平台，重点阐述了 f p g a 核心处理器、时钟子系统、电源子系统、计算机和f p g a 的通信子系统等。本文重点介绍了 基于时间交错采样的高速采样原理，并在此基础上采用比较器和串并转换器实现采样频率高达 3 2 g h z 的1 b i t 采样系统子平台。 随着集成电路工艺技术的飞速发展，电路设计中的信号速度越来越快，同时印刷电路板 ( p c b ) 的密度也越来越大，信号完整性已经成为高速数字p c b 设计必须关心的问题之一。 本文简要的介绍了常见的信号完整性问题及其解决方法。在此基础上，本文详细介绍了硬件 平台的实现过程，包括p c b 分层设计和层分割方案、布局布线，并随之给出了计算机仿真与 测试结果。最后，给出了接收端系统平台硬件实物图。 关键字：脉冲超宽带硬件平台时间交错采样f p g ap c b 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n tw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y ，s h o r t - r a n g ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i sd e v e l o p i n gi nas u r p r i s i n gs p e e d ，w l a na n dw p a na r em o r ea n dm o r ep o p u l a r t h eu l t r aw i d e b a n d ( u w b ) w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nh a sl o t so fa d v a n t a g e ss u c ha sh i g hd a t at r a n s m i s s i o nr a t e ，l o wp o w e r c o n s u m p t i o n h i g hr e s o l u t i o na n di n h e r e n t l ye x c e p t i o n a lm u l t i p a t hi m m u n i t ya n ds oo n n o w , i th a sb e e n t h es u b j e c to fe x t e n s i v er e s e a r c hi nt h es h o r t - r a n g ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na r e a t h i st h e s i si sf o c u s e d0 1 3h a r d w a r ed e s i g na n di m p l e m e n to ft h er e c e i v e ro fh i g hs p e e di m p u l s er a d i o u w bw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h em a i nt a s ki st od e s i g na n dd e v e l o pt h eh a r d w a r ep l a t f o r m , i n c l u d i n gt h em a i np l a t f o r mb a s e do nf p g aa n dt h es u b p l a t f o r mf o rh i 【g hs p e e ds a m p l i n g b a s i ck n o w l e d g eo fu w bt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e df i r s t l y , i n c l u d i n gd e v e l o p m e n th i s t o r y , b a s i c c o n c e p t ，t h ea d v a n t a g e s ，a p p l i c a t i o n sa n ds oo n o nt h i sb a s i s ，t h eb a s i ck n o w l e d g eo fi m p u l s er a d i ou w b ( m - o w b ) i si n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gu w bp u l s es h a p e s ，p u l s eg e n e r a t i o n ，m o d u l a t i o n ，r e c e i v e rd e c i s i o n s c h e m e sa n ds oo n t h ea u t h o rp u t st h ee m p h a s e so nt h ea n a l y s i sa n dr e a l i z a t i o no f h a r d w a r ep l a t f o r mf o rt h er e c e i v e ro f 0 i 腑w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m n ep l a t f o r mi sc o m p o s e do ft h em a i nb o a r db a s e do nf p g a a n dh i 曲s p e e ds a m p l i n gs u b - b o a r d f p g a , c l o c kd i s t r i b u t i o ns y s t e m , p o w e rs u p p l ys y s t e m , i n t e r f a c e b e t w e e nf p g aa n dc o m p u t e ra r ed i s c u s s e di nt h i st h e s i s t i m ei n t e r l e a v e ds a m p l i n gt e c h n i q u ei su s e df o r i m p l e m e n t a t i o no fh i g hs p e e d s a m p l i n gs y s t e m w i t ht h ei n c r e a s eo fi n t e g r a t ec i r c u i ts w i t c hr a t ea n dp c b ( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) d e n s i t y , s i g n a l i n t e g r i t yh a sb e c o m eo n eo fm a i np r o b l e m si nh i g h - s p e e dd i g i t a ld e s i g n s o m eo ft h em a i ni s s u e so f c o n c e mf o rs i g n a li n t e g r i t ya r ed i s c u s s e d ，s u c ha sr e f l e c t i o n ，c r o s s t a l k , a n dg r o u n db o u n c e o nt h i s g u i d a n c e ，t h i st h e s i si n t r o d u c e st h er e a l i z a t i o np r o c e s so fh a r d w a r ep l a t f o r m , i n c l u d i n gl a y e rd e f i n i t i o n ， p c bl a y o u ta n dr o u t i n g t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o na sw e l la st e s ta n dv e r i f i c a t i o nr e s u l t sa r ea l s og i v e n t h e p i c t u r eo f t h eh a r d w a r ep l a t f o r mi sp r e s e n t e di nt h ee n d k e y w o r d s ：i r u w b ，h a r d w a r ep l a t f o r m ，t i m ei n t e r l e a v e ds a m p l i n g ，f p g a ，p c b 图索弓 图索引 图1 - 1f c c 规定的室内u w b 发射功率限制3 图2 - 1 ( a ) 一个典型的窄带通信系统结构的例子：( b ) 一个超宽带通信系统得例子7 图2 - 2 高斯脉冲的波形。8 图2 3 ( a ) 高斯单脉冲示意图；( b ) s c h o l t z 脉冲示意图9 图2 4 隧道二极管伏安特性图1 0 图2 5 正弦波激励下的阶跃管与检波管的电流波形1 l 图2 6 利用s r d 开关特性的高斯脉冲生成器1 l 图2 7 采用异或门产生数字脉冲1 2 图2 8 采用与门产生数字脉冲1 2 图2 - 9 采用数字电路产生窄脉冲的实现框图1 2 图2 1 0u w b 脉冲调制示意图：( a ) o o k ；( b ) 二相调制；( c ) 2 - p p m 。1 5 图2 1 1 边沿门限检测的接收机结构1 6 图2 1 2 基于能晕检测的非相干接受机原理框图。1 6 图2 - 1 3 相关接收基本构成框图- 1 7 图2 1 4 自相关接收原理框图1 7 图3 1 系统总体框图1 9 图3 2 利用高速集成芯片生成u w b 脉冲原理框图2 0 图3 3 脉冲的形成过程示意图2 0 图3 4 基于s p s t 的脉冲o o k 调制2l 图3 5p p m 开关调制原理框图2 2 图3 - 6b p s k 开关调制原理框图2 2 图3 7 ( a ) 实时采样；( b ) 等效时间采样2 3 图3 8 四通道的时间交错采样系统的简单框图2 5 图3 - 9 ( a ) 单个a d c 采样：( b ) 4 通道时间交错采样2 5 图4 1 接收端硬件平台结构框架3 l 图4 2f p g a 串行配置接口。3 3 图4 3 点到点模式下c c l k 拓扑结构3 3 图4 - 4j t a g 配置模式3 4 图4 - 5 主平台配置电路3 5 图4 - 6l v c m o s 终端匹配示意图3 6 图4 7l v d s 信号的匹配示意图一3 6 图4 - 8 使用d c i 功能的l v d s 终端匹配图3 6 图4 - 9 时钟子系统框图3 7 图4 1 0l o o m h z 系统时钟源电路图3 8 图4 - 1 l 锁相环原理框图3 8 图4 一1 2 基于锁相环的频率合成器框图3 9 图4 1 3i c s 8 4 4 2 的结构框图3 9 图4 一1 4 时钟合成器电路图4 0 图4 1 5u s b 接口示意框图4 0 图4 - 1 6c y 7 c 6 8 0 1 3 的结构框图4 l 图4 1 7u s b l 。1 接口控制器数据传输示意图4 l 图4 - 1 8f x 2 数据传输示意图4 l 图4 - 1 9 高速模式下的f x 2 端点f i f o 结构4 2 7 5 东南大学硕士学位论文 图4 - 2 0f x 2 中四重f i f o 的数据传输原理。4 2 图4 - 2 1c y 7 c 6 8 0 1 3 和f p g a 的接口框图。4 3 图4 - 2 2d m 9 0 0 0 a 内部结构框图4 4 图4 2 3d m 9 0 0 0 a 与f p g a 的接口示意图4 5 图4 2 4r s 2 3 2 实物图及管脚图。4 5 图4 2 5t t l 和r s 2 3 2 电平转换电路图4 6 图4 2 6 输出电压电路连接示意图4 8 图4 2 7a m s l11 7 电路连接图4 9 图4 - 2 8 基于比较器和串并转换器的时间交错采样系统5 0 图4 - 2 9 高速采样系统硬件具体连接框图：5 0 图4 - 3 03 3 vl v p e c l 和l y d s 电平大小和摆幅比较5 2 图4 31l 、，p e c l 与l 、巾s 之间的直流耦合5 2 图4 - 3 2l v p e c l 与l v d s 之间的交流耦合5 3 图4 3 3 5 v 电源模块5 4 图5 - 1 ( a ) 微带线阻抗计算。5 7 图5 - 1 ( b ) 带状线阻抗计算5 7 图5 2 布局完成后的主平台示意图5 8 图5 3 高速采样子平台布局示意图。5 9 图5 4 蛇形走线示意图6 0 图5 5 系统p c b 蛇形走线6 0 图5 - 6l 、_ ，p e c l 到l v d si b i s 仿真图6 l 图5 7 电平转换仿真结果图。6 l 图5 8 ( a ) 1 0 0 m h z 系统时钟仿真图6 3 图5 8 ( b ) 时钟合成器输出仿真图( 4 0 0 m h z ) 6 3 图5 - 9 ( a ) 接口到f p g a 差分时钟线6 3 图5 - 9 ( b ) 接口到f p g a 差分数据线6 3 图5 1 0 ( a ) 比较器到缓冲器( o 5 n s ) 6 3 图5 1 0 ( b ) 比较器到缓冲器( 0 2 5 n s ) 6 3 图5 1 1 ( a ) 缓冲器到串并转换器( o 5 n s ) 6 3 图5 1 l ( b ) 缓冲器到串并转换器( o 8 n s ) 6 3 图5 1 2 接收端硬件实物图6 4 图5 1 3 基于f p g a 核心处理器的主平台硬件实物图6 5 图5 1 4 高速采样子平台硬件实物图6 5 7 6 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特j | i i ) j i l 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：瓤日期：犁厂 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：导师签名：越盔毽日期： 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 1 9 0 1 年2 月，与| e 线电之父”马可尼第一次实现了横跨大西洋的无线电传送，打开了无线电应用 的大门。从此各种无线通信技术迅速的发展了起来，并在军事通信、广播电视、卫星通信等领域上 得到了广泛应用。自上世纪七十年代的第一代蜂窝移动通信系统到现在的3 g 移动通信系统，通信 业务范围不断扩大，从最开始的模拟语音服务发展到现在数字语音、数据和多媒体服务，大大地改 善了人们的生活方式和生活质量。当今世界，无线通信已经成为了人们日常生活中不可或缺的一部 分。 当今，人们所处的个人空间内存在各种办公设备及消费类电子产品，如电脑及其外围设备、家 用音视频设备、移动电话和p d a 等。虽然这些信息设备的功能越来越强大，但是人们并不仅仅满足 于它们各自独立工作，而是迫切需要各种设备之间能方便地进行信息的快速交换、处理、存储等。 于是，在小范围内能够将个人设备无线互连而组成的网络一无线个域网( w p a n ) 应运而生。 随着人们对电子设备的便携性和舒适性的要求越来越高，w p a n 技术得到迅猛的发展。目前已 实现的w p a n 技术主要有：超宽带( u l t r aw i d e b a n d ，u w b ) 、蓝牙( b l u e t o o t h ) 、i r d a 以及h o m e r f 等。其中超宽带技术，相对于其他技术，具有传输速率高、抗多径能力强、功耗低、安全性能好、 与其他通信系统共享频谱等特点，逐渐成为w p a n 研究领域中最富有竞争力的技术之一【l 】。如今， 超宽带技术已经成为通信领域的一个研究热点。 本章将介绍u w b 技术的发展历史、定义、标准及其应用现状，并介绍本论文的主要工作及内 容安排。 1 2u w b 技术概述 1 2 1u w b 技术的演迸和现状 u w b 无线电的起源可以追溯到1 9 世纪末马可尼利用火花隙发射器向2 英里外传输莫尔斯电码， 火花隙实际上就是带宽很宽的窄脉冲，符合超宽带无线电的含义。不过，现代意义的超宽带技术， 最初称为冲激无线电( i m p u l s er a d i o ，i r ) ，出现在2 0 世纪6 0 年代对时域电磁学【2 ，3 ，4 ，5 】的研究。在 此期间，美国s p e r r y 研究中心的r o s s 博士以u w b 信号作为分析工具来研究微波网络的特性、材料 的内在特性，并用于天线接收单元的分析研究1 4 , 5 6 l 。r o s s 提出了u w b 技术的一些基本思想，并于 1 9 7 3 年和r o b b i n s 申请了第一个有关u w b 在通信和雷达应用的专利。1 9 7 4 年，m o r a y 申请了一个 采用超宽带技术的地面探测雷达系统的美国发明专利，这个系统可以探测深达几米的地下地貌，这 个系统后来在商业上取得了成功。1 9 7 8 年r o s s 博士在i e e e 会刊文章中以“时域电磁学”为标题对 超宽带作了比较全面的综述【_ 7 1 ，论述了超宽带信号波形的产生技术，时域处理方法与时域特征分析 技术，相关的天线技术以及基带雷达技术等。但是此时冲激无线电的应用只是局限于军事、雷达定 位及测距、灾害救援搜索等领域，很少用于商用开发。 l 东南大学硕士学位论文 从8 0 年代开始，时域电磁学的研究成果开始被应用于无线通信，特别是在密集多径环境下的短 距离通信【7 】os c h o l t z 在文章【8 9 】中详细地综述了这种被称为“冲激无线电”的应用，以及该技术的优 点和缺点，并论述了在同一个区域中冲激无线电通信系统可以容纳大量的用户，而且这种冲激无线 电超宽带信号具有比窄带信号更强的抗多径能力，超宽带在无线通信中的应用开始受到广泛的关注。 美国国防部在1 9 8 9 年首次使用了“超宽带”这个术语。2 0 世纪9 0 年代，一些中小企业，如美国 m s s i 和x t r e m es p e c t r u m ，重新引入基于u w b 概念的无线通信的思想，并进一步发展遵从i r 范例 的u w b 技术，提升了无载波和极窄脉冲传输技术。 u w b 无线通信史上最具里程碑意义的事情发生在2 0 0 2 年4 月，美国联邦通信委员会( f c c ) 发布了u w b 无线通信的初步规划1 0 1 ，正式批准3 1 1 0 6 g h z 频带向作为室内通信用途的u w b 技术 开放，并规定了在这一范围内平均发射功率不超过- 4 1 3 d b m m h z ，有条件地解除了u w b 技术在民 用领域的使用限制。这一规范的发布，受到了世界各国的广泛关注，也加快了u w b 技术的商用化。 自u w b 无线通信技术被f c c 批准有限制的用于民用以后。u w b 技术受到了许多国际知名大 公司的重视，已成为无线通信中的一个研究热点。为了各自的商业利益，很多公司提出了基于u w b 的物理层方案，各个方案的竞争非常激烈。2 0 0 3 年i e e e s 0 2 1 5 3 a u w b 研究组提出了室内u w b 传 播的信道模型【l l 】。同年，i e e e 8 0 2 1 5 3 a 工作组征集物理层方案，i n t c l 、t i 和x t r e m es p e c m u n 分别 提出了多频带、正交频分复用( o f d m ) 、直接序列码分多址( d s c d m a ) 等三种方案，后来多频带方 案和正交频分复用方案融合，从而形成了以t i 、i n t e l 等公司为首的m b o f d m 和以x t r e m es p e c t u r m 、 f r e e s c a l e 等公司为主的d s c d m a 两大联盟。其中前者是多频带方式，而后者采用单频带方式或窄 脉冲形式，从技术上说是无法彼此妥协的。两种标准的u w b 芯片都已经问世。由于两种方案的分 歧比较大，2 0 0 6 年在夏威夷举行的i e e e 会议上，制定u w b 无线技术标准的i e e e 8 0 2 1 5t g 3 a 工作 小组宣布解散，并放弃标准制定工作。这也意味着最终的u w b 标准要由市场来决定。 但是2 0 0 5 年初，w i m e d i a 联盟与欧洲计算机制造联盟( e c m a ) 联合讨论基于m b o f d mu w b 体制的标准，同年批准公布了基于m b o f d mu w b 体制的e c m a 3 6 8 3 6 8 1 2 】。2 0 0 6 年6 月，w i m e d i a 联盟又将其标准提交到i s o ，并于2 0 0 7 年3 月通过了i s o 认证，正式成为第一个u w b 的国际标准。 国际上许多著名的大学和研究机构如斯坦福大学，南加州大学，英特尔无线研究室等对u w b 技术开展了深入研究，并且已经获得了很多重要的进展。美国南加州大学的s c h o l t z 教授等学者在南 加州大学成立的u l t r a l a b 实验室是世界上超宽带通信系统技术的一个重要研究机构。他们与美国 t i m ed o m a i n 公司率先联合研究跳时扩频u w b 技术在通信中的应用【1 3 l4 】，并开展对超宽带通信系 统中的信道特性的实测与理论研究，给出了初步的信道特性描述【1 5 】，分析了关于跳时扩频u w b 系 统在多径信道下的性能，极大地推动了超宽带技术的理论研究。 我国在超宽带无线通信技术方面的研究刚刚起步，得到了广泛的重视。国家8 6 3 计划和国家自 然科学基金等已设立了超宽带技术的研究项目，有许多研究所和高校正在从事这方面的研究，并取 得了一定得成果。东南大学信息科学与工程学院移动通信国家重点实验室对u w b 技术进行了研究， 获得了国家8 6 3 计划、国家自然科学基金的资助，于2 0 0 5 年成功研制国内第一套高速超宽带无线通 信实验演示系统。2 0 0 6 年，中国科学技术大学无线网络通信实验室成功地进行了基于脉冲超宽带技 术( i m p u l s er a d i ou l t r a - w i d e b a n d ，i r - u w a ) 的无线传输演示。但总体上各方面的投入都还有限，虽取 得重要进展，与业界巨头群雄竞逐、巨资投入从而突飞猛进的美欧先进国家相应水平相比，在实用 2 第- 章绪论 系统研发和相关技术的国家标准制定等方面差距很大，且差距有逐渐拉大的趋势，有必要通过努力 迎头赶上乃至赶超欧美先进水平。 1 2 2u w b 的定义 为了促进并规范u w b 技术发展，2 0 0 2 年f c c 发布了u w b 无线设备的初步规定【1o 】，并对u w b 宽2 阳a - a ( 1 1 ) l 2 其中厶和五分别功率谱密度为一1 0 d b 辐射点的上限频率和下限频率，所以厶一无为u w b 信 号的带宽，( 厶+ 五) 2 为信号的中心频率。 各向同性发射功率( e 毹c t i v ei s o t r o p i cr a d i a t e dp o w e r , e m p ) 不超过_ 4 1 3 d b m m h z 。f c c 规定的室内 3 i i o 五 i 9 9 g p s 一室p 限制 p a r t1 5 黼i 频带 n 1 6 l i 旷 1 0 l 频嗣g g n z 图1 - 1f c c 规定的室内u w b 发射功率限制 1 2 3u l b 通信的信号形式 由上一节u w b 信号的定义可知，u w b 技术不仅可以采用窄脉冲形式，还可以采用调制载波形 式。现在u w b 信号有两种普遍信号形式，传统的基带窄脉冲方式( i u w b ) 和多载波方式( m c - u w b ) 。 后者是2 0 0 2 年f c c 规定了i 八佃通信的频谱使用范围和功率限制后产生的，也是目前l m b 高速 无线通信较多采用的一种。而采用基带窄脉冲的u w b 技术则多用于探测、透视、成像，以及低速、 3 舶 弗 渤 彤 舶 彤 挪 彤 室曼疑靳躲梁知旨叫茁参 东南大学硕士学位论文 低功耗、低成本通信等领域。 1 2 3 1 基带窄脉冲的u w b 系统 基带窄脉冲形式f l6 】是i m b 通信最早采用的信号形式。它利用宽度在纳秒、亚纳秒级的基带窄脉 冲序列进行通信。通常通过脉冲位置调釉j ( p p m ) 、脉冲极性调制或脉冲幅度调制( p a m ) 等调制方式携 带信息。窄脉冲可以采用多种不同的波形，如高斯波形、升余弦波形式等。基带窄脉冲u w b 通信中， 因为脉冲的宽度很窄，同时一般情况下占空比比较小，所以有很强的多径信道分辨能力和抗多径性 能。因为不需要调制载波，所以收发信机结构简单，成本较低。简单的结构、较小的占空比又使得系 统的功耗很低。脉冲u w b 通信系统基础将在第二章详细介绍。 1 2 3 2 调制载波形式的u w b 系统 虽然基带窄脉冲形式具有结构简单、成本低等特点，但是基带窄脉冲中包含较多的低频分量，所 以在f c c 关于u w b 通信功率谱的规定下，频谱利用率不高，而采用调制载波的方式，可以灵活、高效 地利用频谱资源，提高系统性能。通过调制载波，可将u w b 信号搬移到合适的频段进行传输，从而可 更加灵活、有效地利用频谱资源【1 7 】。同时，调制载波系统的信号处理方法与一般通信系统采用的方 法类似，技术成熟度高，在目前的工艺条件下，比基带窄脉冲形式更容易实现。现今主要有以t i 、i n t e l 等公司为首的m b o f d m 和以x t r e m es p e c t u r m 、f r e e s c a l e 等公司为主的单载波d s - c d m a 两种方案。 1 3 啪的特点及应用 u w b 技术具有以下特点1 7 ，13 】： 1 ) 共享频谱资源 在f c c 规定的从3 1 g h z 到1 0 6 g h z 的频谱范同内，u w b 技术有限制的与其它通信系统共享频谱 资源。这样的频谱共享方式，在频谱资源非常紧张的今天具有非常重要的意义，这也是u w b 兴起的 主要原因之一。 2 )传输速率高，系统相对简单、成本低，功耗低 u w b 通信利用其超宽带的优势，传输速率可达1 g b p s 以_ 1 2 。根据f c c 的规定，u w b 的发射功率 受到了严格的限制，以频带宽度1 5 0 0 m h z 的u w b 系统为例，其发射功率应不超过9 5 4 d b m ，所以 u w b 系统在信号发射上的功耗很低。若u w b 通信采用窄脉冲形式，则无需进行调制和解调，所以结 构将会大大的简化，且成本和功耗也会更低。 3 )抗多径能力强，穿透能力强 基于基带窄脉冲形式的u w b 信号的脉冲宽度往往在纳秒、亚纳秒级，且占空比极低，多经信号 在时间上是可分离的，因此具有很强的抗多径能力。而且窄脉冲中含有较多的低频分量，所以在室 内传播时可以顺利地穿过墙壁等一般的障碍物，具有很强的穿透能力。 4 ) 定位准确 信号的定位精度与其带宽是直接相关的。u w b 信号的带宽一般在5 0 0 m h z 以上，远远高出一般 的无线通信信号，因此，其所能实现的定位精度很高。特别是窄脉冲形式的u w b 信号，其带宽通常 4 在数g h z ，具有更好的定位能力。 u w b 技术还具有系统容量大、隐蔽性好、测距功能强等特点。 根据u w b 的技术特点，i 珂国非常的适合短距离、高速率无线通信和测距、定位等功能，可以应 用于以下领域： 1 )无线多媒体局域网和个域网 2 ) 无线传感网络 3 )雷达定位与成像系统 4 ) 智能交通系统 5 )军事、救援、勘探和安全等领域 随着u w b 技术的发展和成熟，u w b 技术将会应用于更多的领域。 1 4 本文的主要工作及内容安排 东南大学移动通信国家重点实验室一直致力于u w b 无线通信技术的研究，多次获得了国家8 6 3 计划和国家自然科学基金的支持和资助，并于2 0 0 5 年成功研制了国内第一套高速超宽度无线通信实 验、演示系统。根据实验室的理论与项目经验积累，本文主要致力于研究与设计高速脉冲u w b 通信 系统接收端系统硬件平台，包括基于f p g a 核心处理器的主平台和基于时间交错采样的高速采样子平 台。 本文首先阐述了u w b 无线通信的意义及其实用价值，归纳总结了u w b 技术的起源、演进和现状。 介绍了超宽带无线通信的核心概念，并给出了l r w b 信号的定义，及其两种主要的信号形式。并在此 基础上介绍了u w b 技术的特点和优点以其应用等。 本文重点介绍了基于基带窄脉冲形式的高速超宽带无线通信系统接收系统的硬件平台设计，包 括系统总体框架设计、f p g a 子系统设计、高速采样子系统、电源分配子系统、接口子系统及时钟分 配子系统设计等。本文重点阐述了基于时间交错采样的高速采样原理，并在此基础上实现采用比较 器和串并转换器的高速采样子平台。 随着集成电路工艺技术的飞速发展，电路设计中的信号速度越来越快，同时p c b 的密度 也越来越大，信号完整性已经成为高速数字p c b 设计必须关心的问题之一。本文简要的介绍 常见得信号完整性问题及其解决方法。在此基础上，本文详细介绍了硬件平台的实现过程， 包括p c b 分层设计和层分割方案、布局布线，并随之给出了计算机仿真与测试结果。 本文各章内容安排如下： 第一章概括性的阐述了u w b 无线通信的概念，包括u w b 的定义、信号形式、特点及其应用。 第二章阐述了脉冲超宽带系统的基础知识。介绍了几种常见的超窄脉冲产生技术，重点阐述了 u w b 的脉冲调制技术以及脉冲u w b 接收机。 第三章高速脉冲超宽带系统接收端系统方案介绍，包括脉冲生成方案介绍、时间交错采样原理 介绍、f p g a 核心处理器选择、f p g a 与计算机通信接口方案的介绍与比较等。 第四章高速脉冲u w b 通信系统接收端硬件平台的详细设计，主要包括基于f p g a 核心处理器的 主平台和基于时间交错采样的高速采样子平台。并详细分别介绍了两个硬件平台的主要 组成部分及其具体设计。 5 东南大学硕士学位论文 第五章简要的介绍了高速数字设计中的信号完整性问题及其解决方法，在此基础上详细的阐述 系统硬件平台p c b 的实现，包括p c b 分层、布局和布线等，并给出了计算机仿真及其测 试结果。并给出了接收端系统平台的硬件实物图。 第六章本论文的工作进行了总结，并展望下一步的研究工作。 本文的工作重点不在理论研究和推演，而是侧重于高速脉冲超宽带系统接收方案的设计和硬件 实现。所以本文仅仅使用有关的理论和数学公式来说明系统算法的基本工作原理，并不试图对相关 理论公式进行严紧的数学推导和证明。 6 第二章脉冲超宽带通信系统基础 2 1 引言 第二章脉冲超宽带通信系统基础 由第一章介绍可知，u w b 信号具有两种形式：传统的无载波基带窄脉冲形式和调制载波形式。其中 基带窄脉冲u w b 通信中，因为脉冲的宽度很窄，同时一般情况下占空比比较小，所以有很强的多径 信道分辨能力和抗多径性能。而且其系统不需要调制载波，所以收发信机结构简单，成本较低。简 单的结构、较小的占空比又使得系统的功耗很低。本章将详细阐述基于无载波基带窄脉冲形式的超宽 带通信基础，包括超窄带脉冲产生技术、调制技术及其接收机等。 2 2 脉冲超宽带系统结构 脉冲超宽带传输无需载波，这意味着系统不像窄带和宽带通信系统，其数据无需调调制到特定载波， 而是直接发射超窄脉冲串，不再具有传统的中频和射频的概念。所以脉冲超宽带系统结构得到了大大的 简化。图2 1 比较了典型的无线通信和脉冲超宽带系统的简易框图。 输入 vv 输出 垂 恒蛩伍到恒因咂亟亘睚酽 避i 图2 - 1 ( a ) 一个典型的无线通信系统结构的例子：( b ) 一个脉冲超宽带通信系统的例子 从图中可见，脉冲超宽带通信系统结构比一般无线通信系统结构简单得多。由于对超宽带系统 辐射的功率控制，超宽带系统发射低功率的脉冲串，这将大大减少了对功率放大器的要求。同时超 宽带传输无需载波，所以不需要本地振荡器和混频器，这些都大大地简化了系统结构【1 9 1 。 后面几节将会分别介绍系统发射端的u w b 脉冲生成技术、脉冲调制技术、u w b 接收机和u w b 信道模型等。 2 3u w b 脉冲生成技术 在脉冲超宽带通信系统中，其中一个重要的环节就是l r w b 脉冲的生成。脉冲波形的特征及其设 计是非常重要的，因为脉冲的宽度直接影响了滤波器的设计；脉冲的波形则很大程度上决定了信号 的功率谱和对其他通信系统的干扰；脉冲的自相关特性则对相关接收机性能有重要影响，直接的影 响到系统的误码率特性能和抗干扰能力。 7 东南大学硕士学位论文 2 3 1u w b 脉冲波形 在u w b 脉冲产生之前，首先会定义脉冲的波形及其特性。常见的基带脉冲有：高斯脉冲及其各 阶导数脉冲、矩形脉冲、h e r m i t e 正交脉冲等。高斯脉冲及其各阶导数脉冲由于易于实现的优势广泛 的应用于u w b 无线通信中2 0 1 。本节将重点介绍高斯脉冲及其高斯脉冲及其各阶导数脉冲。 高斯脉冲信号的时域表达式，如下所示： ，= 击p 百t 2 = 粤p 等 ， 其中，参数盯2 是方差。参数口2 = 4 z r o 2 ，为脉冲波形的成形因子，影响着脉冲的宽度和幅度。 通过调整口可以来调整p ( f ) 的波形。 通过傅立叶变换，得到高斯脉冲的频域响应： p ( 厂) = e p ( ，户- j 2 # i , d t ( 2 2 ) 其幅度谱为： i p ( 刮= e - 2 ( 咖2 ( 2 3 ) 图2 2 所示是成形冈子口分别为0 3 n s 、0 5 n s 、0 8 n s 时。高斯脉冲的波形。 图2 - 2 高斯脉冲的波形 在实际系统中，为了保证脉冲能量的有效辐射，希望其直流分量为零，即对于脉冲p ( f ) ，有： 尸( o ) = e p ( f 净= o 而高斯脉冲，p ( 0 ) - - i ，并不满足这一条件。但是，高斯脉冲的各阶导数则满足这个条件。 高斯脉冲一阶倒数( 即高斯单脉冲) 的表达式为： 加，= 啬e 舌 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 第二章脉冲超宽带通信系统基础 其波形如图2 3 ( a ) 所示。 高斯二阶导数( 1 1 ps e h o l t z 脉冲【1 61 ) 的表达式为： 删= 筹p 舌 其波形如图2 3 嘞所示。 ( 1 6 ) 图2 - 3 ( a ) 高斯单脉冲示意图；( b ) s c h o l t z 脉冲示意图 高斯脉冲、高斯单脉冲和s c h o l t z 脉冲的频谱很难满足图1 1 的f c c 频谱辐射掩蔽规定【2 0 】，其频谱 范围超过了f c c 规定的u w b 通信的频谱范围，所以在实际应用中需要加滤波器或在高斯脉冲及高斯 各阶脉冲的基础上设计符合f c c 频谱辐射掩蔽规定的脉冲。例如，基于正弦波的高斯包络脉冲【2 l 】就 是其中之一，此方法是取数个高频的周期正弦( 或余弦) 信号，加上适当的高斯包络调制。这样频 率就可以根据实际需要，通过改变正弦波频率和周期数来灵活地改变脉冲信号的频谱，使之搬移到 所需的频率范围内。基于高斯各阶导数脉冲叠加【2 2 】的设计方法，是通过将数个脉冲按一定算法叠加， 使其包络符合超宽带的特性并设计出符合f c c 频谱规定的方法。此方法得到的脉冲波形，形式简单， 便于物理实现。基于滤波方法设计的