摘  要： 超宽带（UWB）技术具有功耗低、抗干扰和抗多径能力好、穿透能力强等优点，特别适用于隐藏活动目标检测和近距离数据传输。对超宽带通信中最常用的TH_PPM调制方式从信号产生到方案设计实现进行了分析，将所设计的VHDL程序用Modelsim硬件仿真软件进行了功能仿真，并将程序下载到芯片上用示波器进行了波形实测，结果完全满足设计要求。 

    关键词： 超宽带； TH_PPM; Modelsim； VHDL

    超宽带（UWB）技术作为一种新兴的无线通信技术，与常规无线电相比，具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、截获概率小、系统复杂度低、能提供数厘米定位精度以及有很强的抗多径干扰能力^[1]等优点。相对于传统窄带系统，UWB在密集多径环境和高媒体数据速率条件下具有明显的优势，而高效的编码调制技术又是实现UWB高速无线应用的关键技术之一。因此，本文对UWB通信系统中常用的TH_PPM调制方式进行分析并用Modelsim硬件仿真软件进行了仿真,最后用示波器对波形进行实测。结果表明设计满足要求，可以在超宽带通信系统中进行实际应用。 

1 UWB通信系统的TH_PPM信号的产生 

    超宽带在无线电通信研究中受到广泛的关注，作为最常用的超宽带调制方式之一，参考文献[2,3]提出的TH_PPM信号产生模型如下： 

式中， w(t)表示发送的单周期脉冲；{cj}是PN码序列；表示信息码序列；T_c为PN码所控制的脉冲时延偏移单位； T_f是无调制时的均匀单周期脉冲的重复周期；δ为信息码控制的附加时延(有时称为时间调制指数)，当信息码为“1”时，有附加时延δ，当信息码为“0”时，无附加时延δ；本文采用重复编码，每N_S个单周期脉冲波形传送1个二进制符号;信息码的脉宽T_S=N_sT_f，信息速率R_S=1/T_s，从式(1)可知，TH_UWB信号中包括两种时延，的绝对值表示了用户所发射的冲激脉冲串中第j个脉冲的起点时刻。 

2 TH_PPM信号的设计原理及实现方案 

本文基于参考文献[4]提出了另一种简化的TH_PPM信号产生模型，如图1所示。 

    在图1中，信息码与PN码作用于跳时脉冲形成器输出二者共同控制的跳时脉冲。一般地，信息数据的速率远低于PN码速率，也就是一个信息周期包含着PN码多个周期，可作为一个码片来处理。据此，可以将(1)式中的调制偏移量合并，用b_jT_b表示时延偏移，则TH_PPM信号的表达式可简化为： 

其中，b_j为受信息码和PN码共同控制的时延偏移系数。 

    本方案所采用的基带系统模型如图2所示。整个模型由基准时钟产生器、分频器、PN码产生器、信码产生器、二进制加法器、比较器以及PPM信号形成器构成。 

    图2中，基准时钟产生器输出50 MHz的基准时钟；分频器1是1个2 bit的二进制分频器，用于产生基准脉冲位置比较信号；信息码产生器产生实验用的二进制信息序列；PN码产生器产生伪随机序列，作为地址码；比较器的功能是将跳时脉冲形成器的两种可能输出状态(00，10)与分频器1输出的基准脉冲位置信号(00，01，10，11)在基准时钟的控制下进行现时比较，例如在基准时钟的上升沿，若跳时脉冲形成器的输出状态为10，则只有当分频器的输出也为10时,比较器输出为“1”，否则输出为“0”。由于在设计时，使脉冲形成器输出的某个状态至少保持分频器的一个状态周期时间，因此可保证在一个T_f内状态00、10有唯一的某个状态与分频器1的输出状态对应，而且状态不同，对应的比较输出的信号出现在上升沿的位置不同；PPM信号形成器的作用是在基准时钟的控制下，将比较器输出脉冲进行延迟、倒相和信号合成，便可输出PPM信号。脉冲产生器的作用是把PPM基带信号变换成符合要求的极窄高斯脉冲序列，形成TH_PPM的UWB信号S_tr(t)。 

3 TH_PPM仿真方案 

    本系统采用Xilinx公司的ISE9.1软件作为编程平台，用VHDL硬件语言编写程序，用Modelsim硬件仿真软件进行仿真。TH_PPM模块对外共有3个输入输出端口，其中CLK是系统提供的时钟信号，频率为50 MHz，Data_in为信码输入端口， TH_PPM_OUT是该模块的输出端，经过TH_PPM调制后的TH_PPM脉冲信号即从该引脚发送到其他模块。 

    本方案采用的跳时码周期为31，为了便于实现(主要是便于时钟分频的需要)，对其补一位0，得到周期为32的跳时码，故将每32个脉冲构成一帧，由1个周期的跳时码对其进行调制，每个跳时码对应一个脉冲。 

    TH_PPM信号产生器的VHDL设计顶层电路图模型如图3所示。 

    该TH_PPM信号产生器由DCM模块、数据缓存器、跳时码ROM、跳时控制模块、PPM产生模块等几大部分组成。DCM模块即数字时钟管理模块，可以在50 MHz系统时钟的基础上通过分频和倍频产生稳定的64 MHz时钟，用于形成基带脉冲。时钟产生模块的作用主要是对DCM产生的高速时钟进行分频，得到用以读取跳时码以及控制脉冲跳时的低速时钟。跳时码存储在ROM模块中，该模块使用Xilinx公司的IP核生成，实现简单，在跳时过程中读写数据方便。跳时控制模块是这部分的核心，它接收ROM送来的跳时码，在高速时钟的控制下产生基带脉冲信号，低速脉冲读取的跳时码控制脉冲信号在一个周期内的位置，并根据跳时码的重复周期将若干个脉冲划分为一帧，便于跳时实现。 

4 实验仿真结果及分析 

4.1  顶层模块仿真结果分析 

    图4是TH_PPM模块的Modelsim功能仿真图。它包含输入信号clk(系统时钟)、data_in(信码输入信号)、pulse_out（跳时脉冲信号）以及输出的th_ppm_out(th_ppm调制的脉冲信号）。从图4可以看到，输出的ppm脉冲的间距并不相同，在有跳时脉冲输出的地方，th_ppm_out的间距呈明显宽窄变化。通过放大的仿真图(见图5)更是可以清晰地看到，输入时钟周期为20 ns，th_ppm脉冲宽度为5 ns，输出的th_ppm_out脉冲间距宽度不一。当pulse_out从0变为1时对应的两脉冲间距为25 ns，当pulse_out从1变为0时对应的两脉冲间距为5 ns，其余pulse_out没有变化的时刻两脉冲间距都为15 ns，这三者存在5：3:1的关系，与笔者对PPM设计的预期一致。整个波形直观地反映出系统对输入信码的调制控制关系，从而认为该模块输出的脉冲是经过TH_PPM调制处理了的，满足了设计预期。 

4.2 跳时模块仿真结果分析 

    如图6所示，并行的8位数据data_in从数据缓存器输出串行信号dout，在dout为1的1个跳时码周期内，有跳时脉冲输出，dout为0的其他跳时码周期内，无跳时脉冲输出。把跳时码的32位分成64个时隙，从仿真放大图7可以看到，跳时码为7时，在第7+7个时隙位置有跳时脉冲输出。故跳时模块完成了在跳时码控制下对输入数据的跳时控制，实现了预期功能。 

5 实验测试 

    本实验系统利用学院创新项目超宽带单兵电台中的基带板作为测试平台，将上述的TH_PPM信号产生模块的VHDL设计程序下载并配置到FPGA芯片中，采用Agilent公司54855A型示波器进行观测，采样速率为20 GS/s。图8为所测试的跳时PPM脉冲波形，从中可以看到，脉冲宽度约为5 ns。同时，基准脉冲间距为15 ns，窄脉冲间距5 ns，宽脉冲间距25 ns，这三者满足3:1:5的关系，与本设计相符，达到了设计要求。 

    本方案首先从波形分析、信号产生、方案设计等几个方面对TH_PPM调制进行了分析；然后运用硬件仿真软件对其进行了硬件仿真；最后在示波器上进行了波形实测。从中看出本方案满足了预期要求，可以在超宽带通信系统中进行实际运用。 

参考文献 

[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，郑继禹，仇洪冰，林基明.UWB通信系统的TH_PPM信号产生与接收处理.桂林电子工业学报，2005(6).