发射信号的时域特性仿真

时间：2008-12-09

　　1．仿真模型总体结构分析

　　读写器电路的模块包括：（1）信号源，用于产生读写器发射所需要的编码，产生伪随机编码，其关键参数是编码方式和数据速率；（2）升余弦滤波器，用于对发射基带信号进行波形整形，其关键参数是采样率、延迟时间和滚降因子；（3）调制深度控制模块，用于控制发射电路的调制深度；（4）IQ失配，在发射电路中加入幅度和相位失配系数，其关键参数是IQ两路的增益差和相位差：（5）上变频器，用于控制发射电路的调制方式，包括单边带调制、双边带调制以及无调制载波，其关键参数是混频器的线性度和噪声系数；（6）功率放大器，其关键参数是增益、线性度和噪声系数；（7）带通滤波器，关键参数是带通滤波器的Q值和带宽；（8）接收电路低噪声放大器，当发射电路到接收电路之间的隔离度较高时，采用低噪声放大器，当隔离度较低时，为了保证接收电路的动态范围，直接接旁路低噪声放大器，采用可变增益的方式来实现，其关键参数包括增益、噪声系数和线性度；（9）下变频器，其关键参数包括增益、噪声系数和线性度；（10）低通滤波器，抑制带外噪声、杂散频率，其关键参数为带宽和阶数：（11）基带增益，提供一个合适的增益，其关键参数是增益。

　　2．ISO 18000－6 Type A协议下的高频接口仿真

　　ISO 18000－6 Type A协议规定读写器发送的数据编码为脉冲间隔编码（PIE coding），即通过定义下降沿之间的不同宽度来表示不同的数据信号。编码后的基带数据命令信号进行ASk（振幅键控）调制，调制深度为30％。用二进制序列｛an｝表示基带数据命令，经ASk调制后得到的调制信号为：

　　其中Acosω_ct为调制载波，N为调制深度。在Type A协议中，规定N＝30％。

　　图1为高频接口系统的Simulink仿真结构图。

　　图1 ISO 18000-6 Type A协议Simulink仿真系统结构图

　　ISO 18000-6 Type A型读写器高频发射接口由PIE脉冲间隔编码、ASk调制（调制深度30％）和功率放大三部分组成。这里加入解调部分是为了更好地反映数据流变化。MCU发出的原始数据或命令由脉冲发生器（Pulse Generator）模拟产生。分析完PIE编码规则后，根据编码前后波形变化的逻辑关系，利用逻辑门实现PIE编码。编码基带信号经载波ASk调制，再进行功率放大，形成终的发射信号。在解调部分，发射信号与载波同频信号经下变频器、低通滤波器形成解调信号，再由电压比较器对解调信号进行整形，得到终的接收编码信号。

　　（1）主要功能模块说明

　　①正弦波发生器（Sine Wave）

　　双击正弦波发生器，则会看到如图2所示的Block Parameters：Sine Wave对话框。该对话框分为两部分，上面一部分描述了该对话框的作用；下面一部分设置了模块的参数，依据Sine type选择的曲线类型的不同，相应的模块参数也有所不同。事实上，这个模块可以产生两类正弦曲线：基于时间模式和基于采样点模式。若在Sine type列表框中选择Time based，则如图2所示，生成的曲线是基于时间模式的正弦曲线；若选择Sample based，如图3所示，生成的曲线则是基于采样点模式的正弦曲线。在Timedbased模式下有5个参数：Amplitude（幅值）、Bias（偏差）、Frequency（频率）、Phase（相位）和Sample time（采样间隔）。注意：这里的频率是角频率，单位为弧度／秒（rad／s）。而Sample based模式下的5个参数为：Amplitude（幅值）、Bias（偏差）、Samples per period（每个区间的采样点）、Number of offset samples（采样点的偏移个数）和Sample time（采样间隔）。

　　图2 基于时间模式的参数设置方式

　　图3 基于采样点模式的参数设置框

　　下面介绍该正弦发生器的参数设置方式。

　　a．Time based模式

　　该模式使用下列公式计算输出的正弦曲线：

　　基于时间模式有两个子模式：连续模式和离散模式。采样间隔（Sample time）的值决定了该模块的工作模式：0（缺省值）表示该模块工作在离散模式。在连续模式下，该曲线会由于时间的增大而导致下降，会产生不准确的效果。

　　b．Sample based模式

　　该模式使用下列公式计算输出的正弦曲线：

　　A：正弦波的幅值 P：每个波形区间采样点的间隔数目

　　K：范围在0～（p－1）之间的整数值 O：信号的相位偏移量

　　b：信号偏差

　　在这个模式下，Simulink步先把k设为0，并利用上面的公式计算模块的输出，第二步Simulink令k为k＋1，重新计算模块的输出，当k等于p时，Simulink把k重新设为0，再计算模块的输出，这个过程将一直循环至仿真结束。

　　②传递函数模块（Transfer Fcn）

　　其所在库为Continuous。传递函数模块能够实现一个线性系统，它具有输入u和输出y，并可以由下式表示：

　　其中mn和nd分别为分子和分母多项式系数的个数，num和den包括了分子和分母多项式的系数，并按s的降幂次排列。它们都是在模块的参数对话框中设置的。num可以是向量或者矩阵，而den只能是向量。分母多项式的阶次必须大于或者等于分子多项式的阶次。

　　该模块可以接收一个标量输入，如果num是一个向量，那么输出仍然是标量。而当num是矩阵时，模块会将输出扩展为向量，其长度等于num的列数。

　　当分子或分母全部由常数组成时，该模块的图标会显示为多项式的形式，比如定义

　　num＝［1 2 1］，den＝［5 4 1］，则图标为：，其对话框如图4所示。

　　图4 传递函数模块参数

　　Numerator是传递函数分子多项式系数的列向量，从左往右次数依次降低，右边为常数项。Denominator是传递函数分母多项式系数的列向量，排列规则同Numerator。

　　③数据类型转换（Data Type Conversion）

　　用于将输入信号转换成为特定的数据类型，以满足不同模块间输入输出数据类型要求的变换，通常设为auto。

　　④关系操作运算（Relational Operator）

　　这里用关系操作运算实现电压比较器的功能。如图5所示，选择Parameters为大于等于，将输入信号与一个常数值进行比较，这个常数值即为设定的电压门限。大于等于电压门限，输出为1，否则为0。

　　图5 关系运算对话框设置

　　⑤示波器（Scope）

　　在示波器窗口单击右键，会弹出一个菜单，选择Axes properties命令，打开坐标轴属性对话框，如图6所示，可以在对话中的Y-mln和Y－max文本框中输入坐标轴的值和值。此外，Title文本框中可以输入示波器显示波形的名称。

　　图6 坐标轴属性对话框

　　单击示波器工具栏上的示波器参数图标，打开Scopeproperties（示波器属性）设置对话框，这个对话框有两个面板：General和Data history，如图7（a）和7（b）所示。在General面板上可以设置坐标轴参数、时间范围以及坐标轴标记，也可以选择浮动示波器。

　　图7 示波器属性对话框

　　下面介绍文本框内各参数的设置方法。

　　Number ofaxes：设置y坐标轴的数目，除了浮点示波器外，示波器模块对坐标轴的数目没有限制，所有的y坐标轴都共有相同的时间轴（即x轴），但y坐标轴都是独立的。需要说明的是，坐标轴的数目等于输入端口的数目。

　　Time range：设置x轴的时间范围，单位为秒（s），它表示示波器窗口只显示指定时间范围内的波形，该参数的缺省值为auto，它表示设置x轴的时间范围为仿真持续时间，该文本框不允许输入变量名。

　　Tick labels：该选项有下拉列表框，它表示是否在坐标轴上标记，三个选项：all（标记所有的坐标轴）、none（所有的坐标轴均不标记）和bottom axls only（只标记底部的x轴）。

　　Floating Scope：选中这个选项将会把示波器变为浮动示波器，浮动示波器是可以显示一条或者多条曲线的示波器，在Siumlink的sinks子模块中有Floating Scope模块，可以直接拖动该模块建立浮动示波器。可以单击示波器窗口上的信号选择器图标Ⅱ埯∷来选择浮动示波器上需要显示的信号曲线。

　　Sampling：如果选择Decimation选项，则在右侧的文本框内输入一个数值来指定小数部分。若要显示采样间隔内的数据，选择Sample time选项，并键入数值。

　　Limit data points to last：该选项可以限制保存到工作空间的数据个数。示波器依据这个选项执行放大和自动缩放操作，如果数据点的个数限制为1000，而仿真过程中产生了2000个数据点，那么示波器只会依据后1000个数据点来绘制显示波形。

　　（2）各功能模块参数设定

　　①本地振荡（Sine Wave）

　　为了减小计算机的仿真工作量，加快仿真速度，故将本振源的频率调至915Hz。Sine Wave的具体参数设置如图8所示。

　　图8 本振Sine Wave参数设置

　　图9 PIE编码

　　②PIE编码模块

　　由于本振频率在仿真中调整为915Hz，PIE编码模块的取样时间设定也做了相应的调整，参数设置如图10所示。

　　图10 PIE编码模块参数设置

　　③低通滤波器

　　用传递函数模块（Transfer Fan）描述低通滤波器。这里采用一阶低通滤波。传递函数模块设置如图11所示。

　　图11 传递函数模块参数设置

　　（3）仿真分析

　　完成相应的模块参数设置后，运行仿真。用示波器观察基带编码信号、调制信号、低通滤波后的解调信号和整形后的解调信号。

　　从仿真结果可以看到，数据流仿真情况与理论设计一致，系统符合Type A协议要求。

　　3．ISO 18000-6 Typo B协议下的高频接口仿真

　　ISO 18000-6 Type B协议规定读写器发送数据的编码方式为曼彻斯特（Manchester）编码。具体来说是一种on-off key格式，射频场存在代表“1”，不存在代表“0”，Manchester编码在一个位窗内采用电平变化来表示逻辑“1”（下降沿）和逻辑“0”（上升沿）。

　　编码后的基带数据信号进行ASk（振幅键控）调制，调制深度是11％或99％。经ASk调制后得到的调制信号为：

　　其中Acosω_ct为调制载波，N为调制深度。Type B协议规定N＝11％或99％。

　　图13为发送设备高频接口系统的Simulink仿真结构图。

　　图13 ISO 18000-6 Type B协议Simulink仿真系统结构图

　　ISO 18000－6 Type B型读写器高频发射接口由曼彻斯特编码、ASk调制（调制深度11％或99％）和功率放大三部分组成。这里加入解调部分是为了更好地反映数据流变化。MCU发出的原始数据或命令由脉冲发生器（Pulse Generator）模拟产生。原始数据与其两倍频信号异或后完成曼彻斯特编码。编码基带信号经载波ASk调制，再进行功率放大，形成终的发射信号。在解调部分，发射信号与载波同频信号经下变频器、低通滤波器形成解调信号，再由电压比较器对解调信号进行整形，得到终的接收编码信号。

　　（1）各功能模块参数设定

　　①本地振荡（Sine Wave）

　　同Type A仿真一致。

　　②曼彻斯特编码模块

　　由于本振频率在仿真中调整为915Hz，曼彻斯特编码模块的取样时间设定也做了相应的调整，参数设置如图14所示。