基于FPGA的TH-UWB窄脉冲信号发生器设计与实现

基于FPGA的TH-UWB窄脉冲信号发生器设计与实现

0 引言

随着UWB(ultra wide band)信号产生与接收技术的发展，对UWB信号传播特性的认识逐渐完善，UWB在通信、雷达、定位、导航和电子对抗等诸多领域具有广泛的应用前景，已成为无线通信领域的一个研究热点。UWB是一种新颖无载波传输技术，利用纳秒及亚纳秒量级的非正弦式窄脉冲作为传输载体进行数据通信，因此其所占的频谱范围很宽。2002年FCC颁布了UWB的频谱规划，并规定在-10 dB处信号绝对带宽大于0.5 GHz或分数带宽大于20％。目前超宽带纳秒级脉冲的产生方法主要用模拟的隧道二极管或晶体管雪崩击穿翻转瞬间产生脉宽为纳秒级的脉冲，从其产生的原理可看出，这样的产生方法不利于电路设计的更改和实时调试，而且在晶体管雪崩击穿过程中会有一个比较高的瞬时电压，这会使得整个发射机的功耗比较高，稳定性也随之减弱。

1 全数字化UWB信号特性

TH-UWB信号由于具有良好的随机性和伪随机性、抗干扰性能好、发射功率低等优势，使得超宽带技术在雷达、通信、定位领域得以迅速发展。UWB信号具有以下特点：

①低截获／检测概率：脉冲越窄，带宽越宽，功率谱密度越低。低功率谱密度使信号难于被敌方截获或检测到，非常适合于军事保密通信，同时对其他信号的干扰小，对商用通信也非常有利。

②强抗多径能力：脉冲窄，且占空比低，经传播延时的反射波与直射波的时间差一般会超过UWB脉冲宽度，所以多径信号在时间上是分离的，其重合或部分重合的概率很低，从而UWB通信系统具有很强的抗多径能力。

③具有良好的穿透障碍物能力：UWB信号可以穿透墙壁或其他障碍物，可用于对人或其他目标进行动目标检测和测距，也可穿透地面检测道路、桥梁的内部情况。

④数字UWB发生器结构简单，成本比较低，易于电路实现，工作稳定，效率高。

2 脉冲位置调制(PPM)方式的TH-UWB信号设计

对于UWB发生器系统，信息调制方式非常重要，UWB发生器系统可用不同的伪随机码(PN码)来区分每个用户。实现多址的方法主要有低占空比的跳时(TH)和高占空比的直接序列相位编码(DSC)两种方法，可分为TH-UWB和DSC-UWB两种系统。本文采用PPM方式的TH-UWB信号设计。

PPM调制又称为跳时脉冲位置调制，是使用信息序列控制脉冲相对于参考位置提前或时延。为了达到信号要求，还要用伪随机码或伪随机噪声对数据符号进行编码。香农在证明编码定理时，提出用具有白噪声统计特性的信号来编码，其瞬时值服从正态分布，功率谱在很宽的频带内都是均匀的，具有极其优良的相关特性。由于硬件无法实现对白噪声信号的放大、调制、检测、同步及控制等，本文利用具有类似于带限白噪声统计特性的伪随机信号来逼近它。信号调制数学描述(方程式)如下




式中：S(k)(t)表示位置调制后输出的纳秒级脉冲信号；k表示PPM伪随机码系统中唯一确定的PN码序列代号；ckj是代号为k的PN码序列的实际序列；dk表示数据码序列；Tc为PN码所控制的脉冲时延偏移单位；Tf是无调制时码元的重复周期；δ为信息码控制的附加时延，当信息码为“1”时，有附加时延，当信息码为“0”时，无附加时延；不难看出在信号调制过程中包括两种时延调制，即PN码延时(ckjTc)和数据码延时(δdk)。

基于FPGA的TH-UWB发生器系统设计系统结构如图1所示。




由于该调制系统比较抽象，本文采用图形化描述。图2表示当前PN码对应的值分别为1、2(p=3)时，对应位置在时间轴上的表示见图2。




图2中，A表示时间坐标轴，Tf是无调制时码元的重复周期——重复帧；由于周期p=3，故Tf=3×Tc；B表示PN码分别为C1和C2的两帧信号，可以看出第一帧为C1，第二帧为C2，实现第一轮位置调制；C表示加入数据码的位置跳变(延时△)，可以看出第一帧携带的二进制信息为“1”，第二帧携带的二进制信息为“0”。以上调制由图1中两次时延调制完成，最后把携带位置信息调制信号经窄脉冲产生器产生窄脉冲信号。

3 信号发生器设计原理

与传统的无线发射机结构相比，UWB发射机的结构相对比较简单，伪随机码产生器产生的序列状态并行输出，得到一个周期的随机码。开始时计数器计数，并每隔一个周期宽度时间计数器加1，再将两者送入比较器进行比较，当二者数值一致时，输出为脉位调制信号。最后经纳秒级脉冲电路产生携带位置调制信息的窄脉冲即为TH-UWB窄脉冲信号。能够准确产生脉宽较稳定的纳秒级窄脉冲的电路是工程设计过程中的关键。信号通过逻辑电路、逻辑门连接线、I／O连接线都会产生相应的逻辑门延时和走线延时，那么从理论上讲，连续偶数个非门相连，即可得到一个信号延时，但在实际的工程设计中，这样的逻辑连接方式在软件综合过程中可能被逻辑门连接线代替，达不到产生窄脉冲的延时效果，而通过I／O与片外逻辑门相连，会使逻辑延时难于准确控制，增加了整个系统的复杂度和不稳定因素。本文利用FPGA逻辑单元间的延时特性，考虑片内走线延时，利用等效逻辑运算原理编写了可控延时程序，在设计过程中可以根据信号输出的延时情况进行信号延时，调整输出脉冲的宽度。

其产生的系统框图如图3所示。




4 建模及仿真

模型思想：经过位置调制之后的信号脉宽为一个全局时钟周期，故利用位置调制之后的信号经触发器进行触发，可以得到一个和原信号波形相同且有一个器件逻辑门延时的新信号，与此同时位置调制信号被整形，消除了原信号由于逻辑运算产生的毛刺(竞争冒险)。再利用所得的信号求非逻辑运算，最后与原输入信号求逻辑与运算，得到一个携带位置信息的窄脉冲。时序电路仿真如图4所示。图中PPM2为携带位置信息的窄脉冲信号，m为串行伪随机序列。

由图4可以看出伪随机序列确定输出脉冲在时间轴上的位置范围，且时序仿真测得TH-UWB信号PPM2脉宽为1.237 ns。




5 硬件电路实测及数据分析

TH-UWB窄脉冲信号发生器系统硬件平台Altera DE2 FPGA开发平台，采用50 MHz的时钟，目标芯片：CycloneⅡEP2C35F672C6。

硬件电路利用Agilent Infiniium数字示波器进行信号波形观测(带宽600 NHz，采样深度4 GHz)。图5、6为数字示波器实际观测波形图。图5所示波形为携带位置调制信息的输出纳秒级窄脉冲信号，据图中所测参数可知其脉冲的宽度为1.308 8ns，上升时间为781 ps，脉冲的峰峰值为2.041 V。测试中的数据与前面仿真计算的结果非常相似。图6所示波形为携带位置调制信息的输出纳秒级窄脉冲信号及其频谱，测试其-10 dB带宽约为0.55 GHz。





从以上实测结果可以看出本设计电路产生的信号能够满足各项要求，具有很强的实用性；同时，在实际测试中，该电路可以稳定地产生重复频率达50 MHz的TH-UWB脉冲，输出的脉冲已经携带位置调制信息，无需进行二次调制，实测脉冲宽度其脉宽在1.28 ns±60 ps，与时序仿真脉宽相符(约800 MHz)(本文分析用波形图脉冲宽度为1.308 8ns)，信号-10 dB带宽在0.55 GHz左右，满足信号设计的要求。

6 结语

本文利用FPGA实现了全数字化的TH-UWB窄脉冲信号发生器，并在Altera DE2 FPGA开发平台下实现并达到TH-UWB窄脉冲发生器的信号要求。该系统较其他模拟电路实现的超宽带纳秒级脉冲的产生方法更有利于电路的实现。模拟电路实现纳秒级脉冲发生器，虽然其脉冲宽度最窄可以达到亚纳秒级、幅度最高可以达到几十伏，但其电路规模较大，电路功耗较高，可调性较差；而利用FPGA设计的全数字发生器，系统的信号调制、脉冲产生都在片内进行，大大地降低了发射机电路规模和功耗，提高了稳定性，更有利于低功耗手持超宽带设备的发展，同时数字电路易于实现，结构简单，具有成本低、开发周期短、应用范围广等优点.

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1、介绍配件。
2、安装软件（ICC AVR 和AVR STUDIO）及其使用,括新建工程、程序下载，仿真调试；整板测试；板上资源。
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1、AVR单片机的概述包括它的优点、片上资源。
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4、编写函数证明573的工作原理：锁住后不导通就不能再更新数据。
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6  子函数的编写（分带形参和不带形参）。
7、编写流水灯函数。
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第四讲：数码管工作原理
1、共阴共阳数码管内部结构，显示原理。
2、用数字万用表标定数码管的段选和位选
3、编写程序使1个数码管上显示数字
4、编写程序在6个数码管上滚动显示数字
5、重点讲解动态显示，保持时间，以及扫描频率对闪烁和亮暗程度的影响。
第五讲：键盘检测原理（比较复杂）
1、键盘作用，检测原理，如何消抖，独立键盘检测程序编写。
2、矩阵键盘检测程序编写，涉及到返回值函数调用。
第六讲：1602液晶的使用
1、看手册，管脚、写指令和数据、时序图。
2、编写程序，显示光标
3、编写程序显示字，
4、编写程序，滚动显示字符
第七讲：中断、定时器的原理和应用（比较复杂）
1、中断的概念，AVR单片机的中断
2、定时/计数器1几种模式的寄存器配置
3、定时器1普通模式下实现秒表
4、CTC模式输出方波
5、快速PWM模式输出PWM信号
6、相位修正PWM模式输出PWM信号
第八讲：AD、DA简介及其应用
1、AD简介，AVR内部AD寄存器设置
2、编写程序控制AD读写电位器输出的模拟电压
3、SPI串行通信简介
4、DA简介，AD5300时序图
5、编写程序控制DA输出模拟电压使发光二极管亮度变化
第九讲：TWI(IIC)
1、TWI(IIC)协议简介
2、AVR单片机内部TWI寄存器简介，操作流程
3、具有IIC协议的数字电位器芯片AD5161的简介
4、编写程序用独立键盘控制AD5161输出不同的阻值
第十讲：异步串口UART的简介和程序的编写
1、UART简介
2、AVR单片机内部与UART相关的寄存器的配置
3、编写程序控制AVR单片机和电脑进行通信
4、讲解串行通信时数字和字符之间的区别
第十一讲：PS2键盘、DS1302的工作原理和程序的编写
1、AVR单片机外部中断的介绍
2、PS2键盘的工作原理
3、讲解程序，读取PS2键盘的按键值并在1602液晶上显示
4、DS1302的工作原理
5、讲解程序，控制1302工作并在1602液晶上显示时间
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◆◆MSP430单片机视.频◆◆：

第一部分 硬件结构

第一讲 概述
第二讲 复位、中断和IO
第三讲 异步通信接口1
第四讲 异步通信接口2
  第五讲 定时器
第六讲 FLASH
第七讲 ADC12
第二部分 软件使用
第一讲 软件使用
第三部分 基础程序
第一讲 入门和低功耗
第二讲 时钟和IO
第三讲 比较器和定时器和ADC
第四部分 模块程序
第一讲 控制电路和流水灯
第二讲 键盘
第三讲 蜂鸣器和数码管
第四讲 1602液晶和电平转换
第五讲 EEPROM和18B20和DS1302
第六讲 RS232和RS485接口
第七讲 USB接口
第八讲 ADC和DAC
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◆◆PIC 单片机 视.频◆◆
前言：时间：10分。
内容：MPLAB、PICC软件的安装、USB下载驱动安装。
Lesson1:时间：1小时44分。
内容：PIC单片机简介、软件使用方法、新建工程、软件调试、流水灯程序实现。
Lesson2:时间：27分。
内容：数码管的静态显示与动态显示原理及实现。
Lesson3:时间：53分。
内容：PIC单片机独立键盘检测原理及实现。
Lesson4:时间：45分。
内容：PIC单片机矩阵键盘检测原理及实现。
Lesson5:时间：46分。
内容：PIC单片机控制继电器原理及实现。
Lesson6:时间：2小时20分。
内容：PIC单片机控制DS18B20数字温度传感器原理及实现。
Lesson7:时间：53分。
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Lesson8:时间：34分。
内容：PIC单片机定时器1的使用方法。
Lesson9:时间：32分。
内容：PIC单片机定时器2的使用方法。
Lesson10:时间：1小时01分。
内容：PIC单片机内部模数转换器AD的使用方法。
Lesson11:时间：1小时50分。
内容：PIC单片机内部SPI通信接口的使用方法。
Lesson12:时间：2小时12分。
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内容：PIC单片机串行口使用。
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【ARM培训视.频】课程主要内容

1.概念和基本工具：
嵌入式系统基本概念、嵌入式操作系统介绍
嵌入式系统开发的过程和基本结构
Linux基本操作命令的使用
常用工具使用：vi /gcc/gdb等
编写shell程序 和makefile文件结构

2.硬件结构及原理讲解:
ARM7~ARM9体系结构体系结构介绍
ARM7（9）TDMI处理器内核及指令集介绍
讲解SUMSUNG 44B0X 开发板原理图
讲解SUMSUNG 2410 开发板原理图
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3.Linux部分:
Uclinux,mizilinux系统引导程序bootloader原理和实现过程：Uboot、vivi等
ARM系统空间划分及系统映射方法
bootloader内核下载模式实现 ：tftp、Xmoden
linux操作系统原理及组成
介绍linux系统目录组织结构
linux 运行基理，系统运行过程
配置裁减编译linux内核

4.讲解Linux进程特性：
进程属性和状态转换；进程控制与调度；进程相关系统调用，构建守护进程
进程间通信: 进程通信的基本概念，管道、信号、消息队列、信号量、共享内存。
网络通讯接口，socket通信编程。
串口通讯程序和编程实践
多线程程序设计

5.Linux设备驱动:
uClinux内核模块及设备驱动程序开发
介绍linux驱动程序分类和各自操作系统上下层接口
驱动开发实例：蜂鸣器驱动、按键驱动开发、串口驱动、触摸屏驱动、网络驱动开发、USB驱动、液晶屏驱动等。
ARMlinux移植过程。
引导程序Uboot移植。
最小系统启动开发过程。
嵌入式文件系统移植：ramdisk、JFFS2、yaff

6.综合试验:
实现网络文件传输服务程序；
构建嵌入式WEB服务器；
移植mediaplay播放器
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另有
=====第一部分单片机相关======
1【单片机多媒体视.频教程】(汇编)非常经典
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3【手把手教你学单片机 51单片机 C语言 视.频教程 从入门到精通 视.频】
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5【汇编语言精品视.频教程】,非常适合初学者.
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7【标准C语言入门与提高视.频教程】非常经典
8【AVR单片机入门与提高视.频】
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11【电路分析应用技术视.频】
======第二部分电路设计相关=========
【protel99se+DXP/2-0-04 视.频教程+实例】
【Protel(Altium Desinger)】电路设计视.频教程
【Cadence经典视.频教程】
【Orcad经典视.频教程】
【PowerPCB入门视.频教程】
=====第三部分嵌入式硬件部分========
1【ARM linux培训视.频】
2【手把手教你学ARM之LPC2103入门篇 视.频教程】
3【ARM STM32视.频教程 +配套工程源代码】
4【(基于2440开发板的视.频教程)嵌入式Linux视.频培训视.频】
5《学ARM和学单片机一样简单》视.频】
6【ARM嵌入式LPC22-0-0视.频教学视.频教程《嵌入式系统与结构》 】
7【ARM7嵌入式S3C44B0视.频教学《嵌入式微处理器原理及应用》】
8【ARM嵌入式视.频《嵌入式原理与应用》】
9【 台湾嵌入式培训】
10【嵌入式系统开发技术视.频】
11【Altera FPGA 视.频教程】
12【深入浅出玩转FPGA视.频】
13【EDA(CPLD FPGA)入门与提高视.频教程】
14【dsp入门与提高视.频教程】   
15【DSP多媒体教程】
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17【PLC精品视.频】                  
18【数控应用经典技术视.频】

=====第四部分嵌入式软件部分====
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3,【linux编程入门与提高视.频教程】  4 【linux工程师软件开发视.频】
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7,【嵌入式仿真开发】
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