【基于QBOK调制的Chirp,超宽带系统设计与FPGA实现】 宽带调制器出现连接问题

　　摘要:基于Chirp扩频技术的超宽带(UWB)通信系统目前有两种调制方式:二进制正交键控(Binary Orthogonal Keying,BOK)调制和直接调制(Direct Modulation, DM),基于BOK调制的超宽带系统实现简单,可靠性高,但信息传输速率不高。本文采用了一种改进的BOK调制方法――四进制双正交键控(Quaternary Bi-Orthogonal Keying,QBOK),解决了BOK调制时一个Chirp波形只携带1比特信息而导致信息传输速率较慢的问题。本文论证了QBOK算法的可行性,并且在现场可编程门阵列(FPGA)硬件平台上实现了基于QBOK调制的Chirp UWB系统,实验结果表明,相比BOK来说,基于QBOK调制的Chirp UWB系统可以使信息传输速率提高一倍。
　　关键词:Chirp;BOK;QBOK;匹配滤波器;FPGA
　　
　　Design and FPGA Implementation for a Chirp UWB System Based
　　on QBOK Modulation
　　
　　WANG Ming,LIU Hao
　　(National Key Lab of Communication,UESTC, Chengdu,610054,China)
　　
　　Abstract: The Chirp spectrum spreading based ultra-wideband (UWB) communication system has two basic modulation categories――Binary Orthogonal Keying (BOK) and Direct Modulation (DM). BOK method based UWB communication system is simply implemented and high reliability while the bit rate is not higher. In this paper, we adopt an improved modulation method based BOK――Quaternary Bi-Orthogonal Keying (QBOK), and resolve the problem that a Chirp waveform only carries one bit information leading to a slower bit rate in BOK system. This article demonstrates the feasibility of algorithm based QBOK, and we implement the Chirp UWB system on the Field Programmable Gate Array(FPGA)hardware platform. The experimental results show that the UWB system based on QBOK system can provide double bit rate than BOK.
　　Keywords: Chirp; BOK; QBOK; Matched filter; FPGA
　　
　　1 引言
　　
　　Chirp 信号是瞬时频率随着时间线性变化的正弦波信号,近年来被用于超宽带系统中,由于其具有传输速率高、发射功率低、抗截获破译能力很强、多径分辨能力强、对频偏不敏感等优点,已在无线通信、雷达、精确定位、成像、声纳等众多领域引起了广泛的研究[2][3][5]。基于Chirp扩频技术的UWB通信系统,目前有两种比较成熟的调制方式:BOK和DM[1]。BOK调制系统中,两种扫频模式的Chirp信号分别用来表示数据符号中的“1”和“0”,系统实现简单,但是数据速率较低[4]。DM调制系统中,可将Chirp扩频与多种数字调制方式相结合,提高数据传输速率,且实现方式灵活。本文针对BOK传输速率低的问题,描述了一种改进的BOK调制方法QBOK [6],使一个Chirp波形传输2比特的信息,从而使系统速率提高一倍,且在FPGA硬件平台上实现了基于QBOK调制的超宽带系统,并在室内直视而且理想同步的条件下成功进行了调试。
　　
　　2Chirp超宽带系统模型
　　
　　一个简单的Chirp超宽带系统包括发射机和接收机两个大部分,发射机的数据经过射频前端,用天线发射出去,经过信道后,由天线接收回来,经过射频前端送给接收机处理(图1) 。
　　 在本文的设计中,发射机是基于QBOK调制方式,数据经过QBOK调制后,通过天线发射已经调制好的Chirp信号,信号经过信道后被接收机接收,然后通过匹配滤波器进行信号匹配,送给解调器进行解调恢复出原始的数据信息。上扫频Chirp和下扫频Chirp信号,以及Chirp信号经过匹配滤波器后的信号波形如图2所示。
　　
　　3 基于QBOK的算法描述
　　
　　 Chirp信号的表达式如下:
　　 Chirp(t)=cosω■t±■,-■ 本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文 　　
　　4Chirp UWB系统的模块化设计
　　
　　根据Chirp超宽带系统模型,我们分为两大部分进行设计,包括发射机和接收机两个大模块,其中接收机是基于在理想同步的情况下进行设计的。我们设计基带Chirp信号的采样频率是20MHz,带宽是10MHz,符号时间是10μs,1符号含2比特数据,下面的设计基于这些参数进行。
　　
　　 4.1发射机部分
　　 发射机设计起来比较简单,主要包括缓冲器、符号映射器、上扫频Chirp信号产生器、下扫频Chirp信号产生器、加法器等五个部分(图4)。
　　发射机除了上扫频Chirp信号产生器,下扫频Chirp信号产生器,其他所有模块设计起来都比较简单。Chirp信号发生器在设计的过程中使用了Xilinx的IP核单口ROM,使用了4个单口ROM,分别用来存储上扫频Chirp信号(图5)和下扫频Chirp信号(图6)的实部和虚部。基于这样的设计,读取数据速度快,而且可靠稳定。
　　
　　 4.2接收机部分
　　 相比发射机来说,接收机设计稍微复杂一点,其结构主要包括{Ch1,Ch2}匹配滤波器、{Ch3,Ch4}匹配滤波器、两个采样器、幅度判决器、选择器、符号判决器、2比特数据解调器、并串转换等模块(图7)。
　　 在基带接收机设计过程中,除了匹配滤波器,其它所有模块的设计相对来说都比较容易实现。根据发射机的设计,这里的{Ch1,Ch2}匹配滤波器和{Ch3,Ch4}匹配滤波器的阶数需要200阶,而且是复数滤波器,IP核不支持复系数的滤波器设计,如果用Xilinx的IP核FFT来设计,复杂度会明显的增加。为了节省硬件资源,并且使匹配滤波器设计简单化,本文在设计匹配滤波器的时候采用了1比特量化技术,这样可以节省大量的乘法运算,节省硬件资源,同样达到了匹配滤波器的功能,并且在性能上也无太大的损失。
　　根据匹配滤波器系数的符号进行量化,设{Ch1,Ch2}匹配滤波器系数之一是0.9515-0.55641*i.,根据正负特性量化成1-i,因此,输入滤波器的数据a+b*i与0.9515-0.55641*i.的乘法就转化为(a+b*i)*(1-i)来代替,这样的思想可以避开乘法运算,即(a+b*i)*(1-i)=(a+b)+(b-a)*i。我们都知道,乘法器在硬件设计中消耗很多的资源,这样设计就避开了硬件设计中乘法器的使用,经过仿真也可以达到同样的效果。对其他三种情况进行同样的处理,通过比特量化,可以把匹配滤波器的系数转化为4类。同理可以得到下面的三种情况:
　　(a+b*i)*(1+i)=(a-b)+(b+a)*i
　　(a+b*i)*(-1+i)=(-a-b)+(a-b)*i
　　(a+b*i)*(-1-i)=(b-a)-(a+b)*i
　　 基于该上面的设计思想,我们设计了特殊的匹配滤波器结构(图8)。
　　 其中滤波器的系数{a200,a199,...a2,a1}属于信号集合{1+i,1-i,-1+i,-1-i},这样通过滤波器的数据,只会与这四类数据发生运算,而在硬件实现上也只需要设计图8中四个类似虚线框中的模块,然后在实现中对这四个模块例化就可以完成2个匹配滤波器的设计,使滤波器的设计简单化并且避开了大量的乘法运算,节省了不少硬件资源。
　　
　　5实验结果与分析
　　
　　本文提出的系统设计,用Verilog硬件描述语言实现,再利用Modelsim进行功能仿真,成功实现了一个Chirp波形传输2比特的数据信息,而使系统信息传输速率相比BOK来说提高了一倍。
　　为了验证设计的正确性,我们采用Xilinx公司的XC2VP70-1704FPGA芯片作为硬件开发平台,用Xilinx开发软件ISE自带的综合工具XST综合,布局布线最后生成可编程文件。实验中使用了载频为2.4GHz的射频前端,在室内10米左右的范围内,直视条件下对发射机和接收机成功进行了联调。
　　 在实验中,FPGA的系统时钟频率为40MHz,输入的测试序列为PN码序列,发射机和接收机占用资源情况(表2、表3),实验测试结果(图9、图10、图11)。
　　 从表2,表3中可以看出,该发射机资源占用很少,只消耗了整个芯片资源的百分之一,其等效门数仅为264562门。接收机占用资源比发射机多,但是由于在设计匹配滤波器的时候采用了1比特量化技术,所以只消耗了整个芯片资源的四分之一,其等效门数仅为333007门。
　　 图9显示了发射机发射之前的基带模拟波形和接收机接收到的基带模拟波形。持续时间为2个符号时间,图中可以看到Chirp信号的时域波形。
　　 由图10看出,基于QBOK调制方式的超宽带系统的匹配滤波器输出的峰值相位有正负之分,代表一个Chirp波形携带两比特信息中的第2比特数据信息,提高了数据传输率,基于BOK调制方式的超宽带系统,其匹配滤波器输出的峰值相位只有正的,仅依赖于匹配滤波器的输出是否有脉冲来表达信息。同时由图10、图11可以看出,采用1比特量化技术设计该匹配滤波器同样达到很好的峰值效果,给解调器解调数据信息提供了相当好的参考。
　　
　　6结论
　　本文提出了一种基于QBOK调制算法的超宽带系统的设计,该设计完全通过验证,并且接收机中的匹配滤波器采用了1比特量化技术来设计,从而大大减小了FPGA硬件资源的消耗,使接收机的设计简单化,但接收机的设计是在室内直视理想同步的情况下进行的,这也是个需要考虑的问题。
　　
　　参考文献
　　[1] J. Pinkney. Low complexity indoor wireless data links using chirp spread spectrum: [PhD thesis]. Canada: University of Calgary, 2004.
　　[2] Win M Z, Scholtz R A. Ultra-wide bandwidth time-hopping spread-spectrum impulse radio for wireless multiple-access communications [J].IEEE Trans. Commun, 2000, 48(4):679-691.
　　[3] Jia Sun, Hao Liu. Joint Channel and Timing Estimation for Chirp UWB.4th International Conference on Wireless Communications, Networking and Mobile Computing (WiCOM "08), 2008, 1-5.
　　[4] 贺鹏飞,吕英华,张洪欣,王野秋.基于Chirp-BOK调制的超宽带无线通信系统研究. 南京邮电大学学报(自然科学版),2006,26(2):21-25.
　　[5] 孙嘉, 刘皓. 一种采用干扰抑制技术Chirp超宽带同步算法. 通信技术, 2009.
　　[6] 刘皓, 孙嘉. 一种用于Chirp超宽带通信系统的调制方法.中国专利,2008年7月3日受理,申请号:200810045456.4.
　　
　　作者简介
　　王明,硕士,主要研究方向:移动通信,数字信号处理,超宽带通信技术等;
　　刘皓,硕士生导师,主要研究方向:软件无线电技术,数字信号处理,DSP应用技术,实时算法研究,宽带与超宽带通信技术等。
　　
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