oooooUWB基带信号FPGA实现
CN4321258/TP ISSN10072130X 计算机工程与科学
COMPU TER EN GIN EERIN G&SCIENCE
2009年第31卷第7期
Vol131,No17,2009
文章编号:10072130X(2009)0720123203
U WB标签定位系统接收机基带部分的FP GA实现3 The FP GA Implementatio n of t he Receiver Baseband Part of t he U WB Tag Po sitio n System
饶清文,王 玫,陈艳余
RAO Q ing2w en,WANG Mei,CHEN Yan2yu
(桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林541004)
(School of I nformation and Communication,G uilin U niversity of E lectronic T echnology,G uilin541004,China)
摘 要:脉冲无线电(IR2UWB)技术利用极窄脉冲传输良好的时间分辨率特性,可以为收发机之间提供精确的距离测量,从而为室内与室外的定位系统提供一种低成本、高精确度的定位技术。本文对一种UWB标签定位系统作了简单的介绍,提出了一种UWB能量检测接收机的方案,并对能量检测接收机中的积分窗作了一种新颖合理的设计,简化了接收机的同步捕获模块。最后还对接收机FP GA基带处理部分作了仿真,给出了仿真波形。仿真结果证实了设计的可行性,说明UWB定位厘米级的精度是可实现的。
Abstract:The IR_UWB technology for the nicer characteristics of time differentiation rate by using very narrow impulse transmission,can provide accurate distance measuring between the transmitter and the receiver,and thus provide a low2cost but high2precision location technique for indoor and outdoor locating systems.This paper gives a brief introduction of the UWB tag location system,proposes a project for the UWB energy detecting receiver,and gives a novel and rational design of the integral window in it,which simplifies the simultaneous capturing module of the receiver.Finally,a simulation of the FP GA baseband part of the receiver is taken,and the simulation waveforms are given.The simulation results confirm the feasibility of the design,which shows that the centimeter2level positioning accuracy of UWB is achievable.
关键词:UWB;标签定位;能量检测;积分窗;同步捕获
K ey w ords:UWB;tag location;energy detecting;integral window;simultaneous capturing
中图分类号:TN925文献标识码:A
1 引言
随着人类社会的不断发展,人们对无线通信的要求也在不断提高,希望其能够提供更高的数据传输速率或者更加准确的定位信息,而且要求其成本更低、功耗更小。然而,由于无线通信技术的发展,各种无线通信系统相继出现,可利用的频谱资源日趋饱和。在这样的背景下,超宽带(Ultra2wideband,简称UWB)技术,又称为脉冲无线电技术,逐渐成为无线通信领域研究开发的一个热点,并被视为下一代无线通信的关键技术之一。由于UWB脉冲的特殊性,使其应用在定位上有如下特点:(1)具有厘米级的距离分辨能力。(2)良好的穿透能力。UWB信号对建筑物、墙体等障碍物具有良好的穿透能力,这使得UWB定位系统在一般定位系统的覆盖盲区也能正常工作。(3)强多径分离能力。由于UWB脉冲宽度很窄,在恶劣的多径传播环境下,在接收点迭加合成的直射路径(LOS)分量与非直射(NLOS)分量是分离的。这有助于精确地测量直射分量到达的传播时延,从而精确地测定距离。(4)结构简单,多功能。
2 定位系统方案简介
UWB标签定位系统结构框图如图1所示。
这是一种TDOA双曲线定位方案。系统由中央处理器、标签、三个基站和一个同步点构成。三个基站和中央处
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3收稿日期:2008209203;修订日期:2008212223
基金项目:国家自然科学基金资助项目(60472091)
作者简介:饶清文(19822),男,湖北咸宁人,硕士生,研究方向为超宽带定位技术;王玫,博士,教授,研究方向为超宽带通信和扩频通信;陈艳余,硕士生,研究方向为无线光通信。
通讯地址:541004广西桂林市桂林电子科技大学研H2信箱;Tel:130********;E2mail:raoqingwen2006@https://www.wendangku.net/doc/4d14910593.html,
Address:Postgraduate Mail Box H2,Guilin University of Electronic Technology,Guilin,Guangxi541004,P.R.China
图1 U WB标签定位系统结构框图
理器之间由同步电缆连接。除标签外,其它点的位置固定并已知。系统工作流程是:
(1)标签向三个基站和同步点发送定位信号;
(2)同步点收到定位信号后立刻向三个基站发送同步信号;
(3)三个基站分别先后收到定位信号和同步信号,这样就各自测出一个时间差,并通过电缆把时间差送到中央处理器;
(4)中央处理器得到三个时间差,也就可以得到三个双曲线方程,通过某种算法就可以求出标签的位置。
根据IEEE802.15.4a标准,设置发射端发送周期为100ns,脉宽为4ns超宽带窄脉冲,即码速率为10M。定位信号和同步信号的帧格式设置为:帧长1024bit,包括494位同步导频头、11位帧头、512位信息位和7位帧尾。由后面的设计可知,同步导频头最小需50位,这里设为494位是比较充足的;11位帧头可用11位巴克码,它作为定位信号或同步信号到达标志;512位信息位用作传输其它信息,以使本系统兼有通信功能;7位帧尾作为一帧结束标志。
从上面的工作流程可知,标签只有发射功能,同步点兼有发射和接收功能,基站只有接收功能。发射部分的FP2 GA基带处理部分相对比较简单,这里就不做介绍。以下重点介绍接收机的FP GA基带处理。
3 接收机
在我们的UWB标签定位系统中,发射端发送的是脉宽为4ns、中心频率为3.5G、周期为100ns的超宽带窄脉冲。由于超宽带脉冲信号在频域上过于宽广,其特性近似高斯白噪声,信号的功率谱完全淹没在噪声中,所以在检测方式上采用频域的处理方法很难实现。但是,超宽带信号的时域能量非常集中,瞬时脉冲幅度超过噪声与干扰信号的时域波形值,因此时域检测成为UWB信号检测技术的首选方式。能量检测就是时域检测中的一种。
基于能量检测的接收机结构框图如图2所示。接收机天线接收到的超宽带信号经过低噪放后送入积分器积分,然后经过整形以及展宽等波形变换,就解调为数字信号。FP GA部分有三个模块:同步捕获模块、位同步模块和ID 检测模块。由于发射的是脉宽为纳秒级的超宽带信号,因此同步捕获模块是整个接收机最关键的一环。数字信号送入ID检测模块,就可以判决是标签发送的定位信号,还是同步点发送的同步信号。位同步模块使本地时钟与接收码元同步,产生的位同步时钟送至同步捕获模块和ID检测模块
。
图2 接收机结构框图
3.1 同步捕获
同步捕获方案:用滑动积分窗去控制一路积分器积分,用门限判决的办法去捕捉信号;同步导频头设为全1码;在失步状态下,每检测到一个0,则在一个码元周期内送出一个积分窗滑动脉冲,若连续检测到m个1(若期间检测到0计数器暂不清零),则送出同步锁定信号;在同步状态下,若连续检测到n个0(若期间检测到1计数器清零),则送出失步信号。
发送脉冲脉宽为4ns,周期为100ns,经过发送天线和接收天线变换、信道噪声和多径干扰等一系列处理后,其脉宽和波形会有所变化,但占空比总的来说不会有太大变化,因此积分窗的宽度也应与4ns相仿。接收机捕捉信号的过程,就是积分窗跟接收信号达到相位一致的过程。积分窗的设计参数有三个:宽度、周期和滑动间隔。这三者的设计要依据接收波形的形状,而接收波形的形状会随着信道的改变而改变,故关于接收波形的大量的统计实验是必须的。为了做FP GA仿真实验,暂时定积分窗的宽度为4ns,周期为100ns,即与发送波形一致。
在同步状态下,同步捕获模块的工作任务就是判断是否失步,其工作过程较简单,这里就不详述。在失步状态下,同步捕获模块的工作流程如图3所示
。
图3 同步捕获模块工作流程图
图3中送出的滑动脉冲控制积分窗滑动,以产生控制积分器积分的积分窗。积分窗的设计流程如图4所示
。
图4 积分窗设计流程图
对积分窗设计方案的几点说明:
(1)积分窗周期为10ns,占空比为40%。其中,4ns控制积分器积分,6ns控制积分器放电,以保证下次开始积分时积分器放电完毕。
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(2)5路积分窗每相邻两路的相对时延为2ns ,5路刚
好覆盖一个积分窗周期,即10ns 。因此,5路积分窗都经过10个积分周期后刚好覆盖一个码元周期,即100ns (码速率为10M )
。
(3)在失步状态下,送入积分器的积分窗若在10个周期内均未使积分器积够能量,就滑动一次。
在此方案中,积分窗周期跟码元周期设计得并不一致,而是它的1/10,但积分窗的脉宽跟接收码元的脉宽是一致的。这样设计的好处是可以减少积分窗的路数,而滑动间隔并不增大(同为2ns ),保证了捕获精度。
3.2 位同步
位同步方案框图如图5所示
。
图5 位同步方案
说明:接收码元经过上升沿微分得到含有位同步信息
的窄脉冲,用它去对数控50分频器内部的计数器置0,则
受500M 本地时钟源驱动的数控50分频器的输出相位就与接收码元相对应,即得到了10M 的位同步时钟。
3.3 ID 检测
各基站和同步点的导频头设置为不同的码字,ID 检测模块就是要捕获并判别这些码字,以断定到达的是哪种信号。当同步锁定信号为“1”时,ID 检测模块被激活。它不断地将进入缓存器的11位接收码元与设定的信号码字相对比,当二者相同时,则送出捕获到的对应ID 的信号。
4 仿真
图6～图9是接收机整个FP GA 部分的仿真图。图中
clk_50m 是50M 的振荡源输入;data_in 是解调后的数字信号,码元“1”是占空比为90%的脉冲(考虑到波形变换后送过来的数字信号不是全占空比的脉冲);p _hua 是滑动脉冲;chuang_out 是送至积分器的积分窗;syn_10m 是位同步模块产生的10M 位同步时钟;syn_flag 是同步锁定标志。
图6显示,在没有滑动脉冲时,chuang_out 在一个周期内有4ns 高电平、6ns 低电平;而在有滑动脉冲时,它在一个周期内有4ns 高电平、8ns 低电平。显然是相对滑动了
图5 CRC 错误校验流程图
If ((Temp High And &H1)=&H1)Then//如果高8位
//右移前最低位为1,则使移位后低8位最高位为1
CRC16Low =CRC16Low or &H80 End If
If ((TempLow and &H1)=&H1)Then CRC16High =CRC16High XOR CH//如果低8位右//移前最低位为1,则与多项式HA001进行异或,结果存于CRC //寄存器中
CRC16Low =CRC16Low Xor CL End If
Next iFlag//移位8次Next i//处理下一个数据帧CRC16Result (0)=CRC16High
CRC16Result (1)=CRC16Low//交换CRC 的高低字节CRC16=CRC16Result//得到的结果即为CRC 校验码End Sub
4 结束语
一个完善的标定系统是产品开发成功的必要条件,汽
车的ECU 参数繁多,使得其标定过程繁琐而复杂。上位机标定平台设计的目的是为了提供给标定人员一个友好的界面和完善的数据库系统,实现用户对ECU 的可视化控制,使其能够根据需要灵活地修改各标定值,以达到最佳的匹配效果;另外,通过ECU 标定平台的通信模块,可以实时了解ECU 的各个状态,方便对各个参数进行实时修改。
参考文献:
[1] 王旭东.汽车电子控制装置与应用[M ].北京:机械工业出版
社,2007.
[2] Industrial Automation System.Modicon Modbus Protocol
Reference Guid[M ].MODICON Inc ,1996.
[3] 马赛厄斯?海因,戴维?格里菲思.简单网络管理协议的理
论与实践[M ].SN MP.第1版.第2版.北京:国防工业出版社,1999.
[4] Roger R T.Visual Basic 2005专家编程[M ].沈小春译.北
京:清华大学出版社,2006.
[5] 阳宪惠.工业数据通信与控制网络[M ].北京:清华大学出版
社,2003.
(上接第125页)
2ns 。滑动间隔2ns 决定了定位精度是60cm 左右;同时决
定了同步捕获锁定的最大周期为50个码元周期。
图7显示,在data_in 没有输入时,p_hua 在一个码元周期内就有一个窄脉冲,即输出一个滑动脉冲;当data_in 有码元“1”输入时,p _hua 就不再输出窄脉冲。当data_in 刚一有码元“1”输入时,位同步时钟syn_10m 立刻就跟上其相位变化。
图8显示,当连续捕获到一定数量的码元“1”时,同步锁定标志syn_flag 就输出高电平,表示同步捕获成功。
图9显示,在同步状态下,当data_in 在若干个码元周期内没有输入码元“1”时,同步标志syn_flag 由高电平变为低电平,即变为失步状态。同时,p _hua 又开始有输出,即又输出滑动脉冲。
5 结束语
这些仿真图从各个角度证实了设计的可行性,也就是说从理论上来讲,定位的精度是60cm 左右。这里的精度受我们所用FP GA 芯片EP2S60F672C3的速度所限,其最高时钟只有500M 。所以,找到速度更快的芯片,是提高本系统定位精度的有效方法。
参考文献:
[1] 贝尼迪特,吉安卡拉.超宽带无线电基础[M ].葛利嘉,等译.
北京:电子工业出版社,2005.
[2] 庞艳,乔静.U WB 无线定位技术探讨[J ].电信快报,2005,
12(11):49251.
[3] 朱林.超宽带测距定位技术研究:[硕士学位论文][D ].成都:
四川大学电子信息学院,2005.
[4] Kang D ,Namgoong Y ,Yang S ,et al.A Simple Asyn 2
chronous U WB Position Location Algorit hm Based on Single Round 2Trip Transmission [C ]∥Proc of Int ’l Conf on Ad 2vanced Communication Technology ,2006:145821461.[5] Mizugaki I K ,Fujiwara R ,Nakagawa.Accurate Wireless
Location/Communication System wit h 222cm Error U sing U WB 2IR[C ]∥Proc of IEEE Radio and Wireless Symp ,2007:4552458.
[6] 邱昕.超宽带通信接收检测方式的研究[D ].桂林:桂林电子
工业学院,2005.
[7] 况泉,覃远年.极窄脉冲取样积分接收机的同步定时系统
[J ].桂林电子工业学院学报,2004,24(1):43247.