摘 要： 介紹了無(wú)線(xiàn)芯片域網(wǎng)絡(luò)(WCAN)的物理層調(diào)制解調(diào)技術(shù)，給出了AWGN信道和多徑信道" title="多徑信道">多徑信道條件下的傳輸性能仿真結(jié)果。
關(guān)鍵詞： 無(wú)線(xiàn)芯片域網(wǎng)絡(luò) 物理層 調(diào)制解調(diào) 誤碼率
隨著計(jì)算機(jī)硬件電路的不斷復(fù)雜,、超大規(guī)模集成電路的集成度及時(shí)鐘速率的不斷提高，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)芯片間傳統(tǒng)的有線(xiàn)連接方式表現(xiàn)出諸多弊端：系統(tǒng)集成度的提高使得印刷電路板(PCB)上的芯片連線(xiàn)數(shù)目龐大,、系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)PCB板間的連接工藝太復(fù)雜,；PCB板的開(kāi)發(fā)費(fèi)用高、開(kāi)發(fā)時(shí)間長(zhǎng),；而且CPU時(shí)鐘速率越高,，芯片間的連線(xiàn)就越短，PCB板就越擁擠,。例如在Intel XP2400高性能嵌入式系統(tǒng)中,，PCB超低功率布線(xiàn)多達(dá)18層，制板費(fèi)已經(jīng)大大超過(guò)板上芯片價(jià)格的總和,?？梢?jiàn)，芯片間傳統(tǒng)的有線(xiàn)連接方式已成為制約高性能計(jì)算機(jī)發(fā)展的瓶頸,。因此,，用無(wú)線(xiàn)方式代替大量連接線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)芯片間通信互聯(lián)的WCAN(Wireless Chip Area Network)技術(shù)便成為一個(gè)極具吸引力的解決方案。
1 WCAN的物理層模型
WCAN的物理層采用超寬帶(UWB)傳輸技術(shù),。UWB技術(shù)將數(shù)據(jù)直接調(diào)制在高斯" title="高斯">高斯脈沖上,，在幾十厘米范圍內(nèi)數(shù)據(jù)吞吐量可以達(dá)到Gbps量級(jí)。近年來(lái)片上天線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展為WCAN無(wú)線(xiàn)連接的實(shí)現(xiàn)提供了有力支撐,。
WCAN物理層的任務(wù)是搭建一個(gè)物理通道,并在該通道上傳輸來(lái)自介質(zhì)訪問(wèn)控制(MAC)子層的數(shù)據(jù)流,。圖1給出了WCAN收、發(fā)信機(jī)的物理層模型,。
為保證物理層傳輸數(shù)據(jù)的高效,、可靠，對(duì)物理層的設(shè)計(jì)目標(biāo)是：一要滿(mǎn)足FCC組織對(duì)3.1GHz～10.6GHz的超寬帶功率譜" title="功率譜">功率譜的規(guī)定(見(jiàn)表1),，二要達(dá)到2.5Gbps的數(shù)據(jù)速率,，同時(shí)在Eb/N0大于15dB的情況下，誤碼率應(yīng)低于10-7,。
2 差分" title="差分">差分編碼
物理幀數(shù)據(jù)流進(jìn)入發(fā)信機(jī)后首先進(jìn)行差分編碼,，避免信道傳輸引起的相位模糊,。圖2給出了差分編碼的原理圖。圖3是在System View 4.5仿真平臺(tái)上的仿真差分編碼波形,。
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圖3中第一條曲線(xiàn)是輸入時(shí)鐘(頻率為2.5×109Hz),，第二條曲線(xiàn)是差分編碼器的輸入數(shù)據(jù)流，第三條曲線(xiàn)是差分編碼器的輸出序列,。從圖3不難發(fā)現(xiàn),，編碼器的輸出序列反映了輸入數(shù)據(jù)流相鄰碼間的變化。
3 UWB脈沖成形
UWB脈沖發(fā)生器的作用是產(chǎn)生連續(xù)脈沖流作為數(shù)據(jù)調(diào)制的載波,。對(duì)脈沖波形的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮：(1)功率譜應(yīng)滿(mǎn)足FCC規(guī)定的功率限定要求(見(jiàn)表1),，以避免對(duì)現(xiàn)有的無(wú)線(xiàn)通信或定位系統(tǒng)諸如GPS、無(wú)線(xiàn)接入設(shè)備,、藍(lán)牙耳機(jī),、PDA及其他掌上設(shè)備產(chǎn)生影響；(2)具有類(lèi)似正弦波的漸變包絡(luò)及固定的振蕩波形,，以克服信號(hào)失真和多徑畸變,；(3)良好的相關(guān)特性，因?yàn)樵诮邮諜C(jī)內(nèi)使用了相關(guān)器以降低誤碼率,。
還應(yīng)考慮的另一個(gè)重要問(wèn)題是時(shí)鐘頻率應(yīng)包含在發(fā)送的信號(hào)流中,，這樣在接收機(jī)中可以提取出性能良好的時(shí)鐘信號(hào)" title="時(shí)鐘信號(hào)">時(shí)鐘信號(hào)。
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根據(jù)以上要求,，筆者選擇了高斯三重微分脈沖,。圖4是高斯濾波器的時(shí)域響應(yīng)，圖5是圖4高斯波形的三重微分輸出,，圖6是滿(mǎn)足FCC規(guī)定的發(fā)射信號(hào)的功率譜,，圖7是圖5高斯三重微分信號(hào)的自相關(guān)曲線(xiàn)。圖8是用來(lái)產(chǎn)生所要波形的電路模型,，從其輸出可獲得圖6所示的頻譜,。
4 數(shù)據(jù)調(diào)制
數(shù)據(jù)調(diào)制的目的是將數(shù)據(jù)流加載到某個(gè)載波上。本方案以連續(xù)脈沖流(高斯三重微分脈沖)作為載波,，其優(yōu)點(diǎn)是使接收機(jī)便于從接收信號(hào)中提取時(shí)鐘信號(hào),，并且恢復(fù)的時(shí)鐘信號(hào)是穩(wěn)定的。
數(shù)據(jù)調(diào)制器的電路組成如圖9,，被提取的時(shí)鐘信號(hào)上升沿在選擇器中根據(jù)差分編碼信號(hào)的變化輸出相應(yīng)的相位,，并控制高斯三重微分脈沖的輸出相位，所輸出的已調(diào)波中包含了差分編碼數(shù)據(jù)流,。
數(shù)據(jù)調(diào)制器的工作過(guò)程如圖10所示,。圖10(a)是數(shù)據(jù)時(shí)鐘；圖10(b)是差分編碼器的輸出數(shù)據(jù)；圖10(c)是數(shù)據(jù)時(shí)鐘的上升沿,；圖10(d)是經(jīng)高斯三重微分脈沖成形后輸出的調(diào)制信號(hào),。根據(jù)前面分析，最后輸出的已調(diào)波具有圖6所示的功率譜,。
5 時(shí)鐘恢復(fù)
時(shí)鐘恢復(fù)是收信機(jī)中的一個(gè)重要模塊。接收信號(hào)的FFT分析結(jié)果如圖11所示,，接收信號(hào)中直接包含了數(shù)據(jù)時(shí)鐘(2.5×109Hz),，對(duì)接收信號(hào)做整流即可得到預(yù)期的功率譜(見(jiàn)圖12)。
顯然,，圖12是一個(gè)包含時(shí)鐘尖銳頻率的功率譜,，可用一個(gè)低通濾波器提取時(shí)鐘分量，濾波后的波形見(jiàn)圖13,。然后用鎖相環(huán)(PLL)捕獲濾出的時(shí)鐘信號(hào),。
6 解調(diào)
當(dāng)從接收信號(hào)中恢復(fù)出時(shí)鐘信號(hào)后，便可將接收信號(hào)與本地參考脈沖信號(hào)做相關(guān)運(yùn)算進(jìn)行數(shù)據(jù)解調(diào),。時(shí)鐘信號(hào)上升沿的提取及本地參考脈沖信號(hào)產(chǎn)生與發(fā)射機(jī)中的方法一樣,。而相關(guān)運(yùn)算則是通過(guò)對(duì)接收信號(hào)與本地參考脈沖信號(hào)的相乘并在一個(gè)比特的時(shí)隙內(nèi)進(jìn)行積分，然后輸出累加結(jié)果,，同時(shí)對(duì)積分器進(jìn)行清空,。整個(gè)解調(diào)過(guò)程在恢復(fù)的時(shí)鐘信號(hào)控制下進(jìn)行。
圖14給出了相關(guān)解調(diào)的仿真結(jié)果,。其中第一條曲線(xiàn)是接收信號(hào),，第二條曲線(xiàn)是恢復(fù)時(shí)鐘的上升沿，第三條曲線(xiàn)是相關(guān)解調(diào)的結(jié)果,。另外,，為獲得最佳接收性能，可在相關(guān)器之前增加一個(gè)延時(shí)調(diào)節(jié)單元,，以便于本地參考脈沖信號(hào)與接收信號(hào)同步,。
7 差分解碼
差分解碼是差分編碼的逆過(guò)程。差分解碼的原理圖如圖15,，其仿真結(jié)果如圖16,。
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在圖16中，第一條曲線(xiàn)是差分解碼器的輸入比特流,，第二條曲線(xiàn)是差分解碼器的輸出序列,，第三條曲線(xiàn)是輸入到發(fā)信機(jī)的原始數(shù)據(jù)的比特流。顯然,，第二條曲線(xiàn)與第三條曲線(xiàn)基本一致,，說(shuō)明整個(gè)系統(tǒng)的工作是良好的。
8 誤碼性能
BER(誤碼率)是測(cè)量系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。在WCAN中主要有多徑信道和AWGN(加性高斯白噪聲信道)兩種信道模型,。由于芯片天線(xiàn)的距離很近(通常只有幾厘米),，而且附近無(wú)反射物，所以認(rèn)為多徑影響并不嚴(yán)重,。首先考慮AWGN中的誤碼率,。
數(shù)據(jù)速率：Rb=2.5×109bps=2.5Gbps;
信道編碼：差分編碼;
調(diào)制方式：二相鍵控調(diào)制(BPSK);
脈沖波形：三重微分高斯波形;
保護(hù)間隔：0;
信道噪聲類(lèi)型：AWGN;
System view 4.5 的采樣速率：50GHz
由圖18可見(jiàn)，系統(tǒng)性能與參考文獻(xiàn)[2] P249中所示的性能相差3.3dB,。文獻(xiàn)中的性能測(cè)試是假定收發(fā)時(shí)鐘完全同步,，而本文中采用了PLL(鎖相環(huán))，有一定的性能損失,。當(dāng)PLL鎖定了輸入信號(hào)的相位時(shí),，仍然會(huì)有一些相位抖動(dòng)，這種抖動(dòng)引起了本地脈沖與接收脈沖的失步,，從而導(dǎo)致誤碼率BER的損失,。
下面討論多徑信道對(duì)BER性能的影響。多徑信道一般可用式(1)表示,。根據(jù)參考文獻(xiàn)[4]中的圖8,，當(dāng)時(shí)延小于0.8ns時(shí)，相應(yīng)的功率衰減因子具有如式(2)所示的線(xiàn)性模式,。圖19給出的是參考文獻(xiàn)[4]中LOS環(huán)境下多徑信道的模式,。
這樣便提供了四條路徑。在這種多徑情況下的BER性能見(jiàn)圖20,?？梢?jiàn)多徑又增加了4.3dB的信噪比損失。通常認(rèn)為UWB技術(shù)是抗多徑的,，但當(dāng)數(shù)據(jù)速率很高,，達(dá)到幾Gbps后，多徑效應(yīng)會(huì)突顯出來(lái),。
由上述討論可見(jiàn),，采用單脈沖調(diào)制的UWB技術(shù)在AWGN信道下可以獲得預(yù)期的性能。在多徑信道下還需研究提高性能的方法,。
參考文獻(xiàn)
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