超寬帶（UWB）接收機(jī)的電路設(shè)計(jì)及仿真分析

引言

　　目前，超寬帶(UWB)解調(diào)方法可歸納為下面三種：一種是構(gòu)造一個(gè)和接收信號(hào)差不多的模板信號(hào)，然后采用相關(guān)方式;另外一種就是采用積分檢波的方式解調(diào)出UWB信號(hào);還有一種就是對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，通過(guò)抽樣值識(shí)別信號(hào)。第一種方案實(shí)現(xiàn)比較困難，因?yàn)閚s級(jí)的脈沖如果實(shí)現(xiàn)相關(guān)接收，同步時(shí)間必須精確到ps級(jí),這種要求無(wú)論是對(duì)接收端還是發(fā)射端都是一個(gè)挑戰(zhàn)。簡(jiǎn)單的積分檢波方式抗干擾性能比較差。采用抽樣的方式實(shí)現(xiàn) UWB信號(hào)的接收，前提是必須使用高速的ADC，接收機(jī)復(fù)雜度將會(huì)大大增加。本文提出了在射頻前端應(yīng)用同步控制的選通脈沖，在UWB的信號(hào)到來(lái)時(shí)選通，控制積分信號(hào)進(jìn)入后面的判決電路。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是提高了接收信號(hào)的信噪比，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了多址通信。

　　圖 1 接收機(jī)方框圖

　　圖2 電路仿真圖

　　新型接收機(jī)的結(jié)構(gòu)

　　傳統(tǒng)接收機(jī)的前端都有一個(gè)帶通濾波器，來(lái)阻止帶外干擾信號(hào)和噪聲的進(jìn)入，從而提高信噪比。但是UWB信號(hào)的頻帶比較寬，在這個(gè)頻帶內(nèi)存在很多的噪聲和其它的窄帶干擾信號(hào)，采用接收前端加帶通濾波器的方法來(lái)提高接收信號(hào)的信噪比效果不是太明顯。UWB信號(hào)與傳統(tǒng)的窄帶信號(hào)不一樣，它是一個(gè)時(shí)間上不連續(xù)、脈沖寬度相對(duì)很窄的信號(hào)，因此在信號(hào)到來(lái)時(shí)積分實(shí)現(xiàn)信號(hào)的檢測(cè)，在其它時(shí)間內(nèi)屏蔽噪聲和外界的干擾信號(hào)，即通過(guò)在時(shí)域隔離噪聲的方法來(lái)提高UWB接收機(jī)的信噪比。本文采用簡(jiǎn)單的平方檢波方式來(lái)實(shí)現(xiàn)UWB信號(hào)的積分檢測(cè)，接收機(jī)的方框圖如圖1所示。

　　由天線接收下來(lái)的UWB信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)寬帶放大器后，進(jìn)入積分檢測(cè)電路，在UWB信號(hào)脈沖到來(lái)時(shí)，選通脈沖控制UWB的積分信號(hào)進(jìn)入比較判決電路，實(shí)現(xiàn)偽碼信號(hào)的檢測(cè)判決。判決后的偽碼信號(hào)與本地的PN碼相乘后，通過(guò)低通濾波器的積分，進(jìn)入門(mén)限判決電路，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的正確解調(diào)。在這里選通脈沖對(duì)UWB 積分信號(hào)的捕獲及同步是本系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，捕獲過(guò)程如下：

　　1. 脈沖波形積分信號(hào)的同步捕獲。

如圖1所示，首先由選通脈沖控制UWB的積分信號(hào)進(jìn)入門(mén)限判決電路，其中選通脈沖的重復(fù)速率和偽碼的速率相同;然后對(duì)進(jìn)入門(mén)限判決電路的積分信號(hào)電平進(jìn)行判決，超過(guò)判決門(mén)限時(shí)判為‘1’，否則為‘0’;判決后的信號(hào)送到移位寄存器，移位寄存器的長(zhǎng)度以所使用的PN碼的特性來(lái)設(shè)定，在可以正確接收的情況下，移位寄存器可以存儲(chǔ)的偽碼必須包含兩個(gè)‘1’，目的是防止在有噪聲進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)因誤判決產(chǎn)生誤動(dòng)作而進(jìn)入失步狀態(tài)。每隔 Tf的時(shí)間對(duì)移位寄存器讀取一次數(shù)據(jù)，如果里面存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)含有‘1’的符號(hào)，選通脈沖停止移位，認(rèn)為取得同步;如果全‘0’則控制選通脈沖繼續(xù)移位搜索。

　　2. PN碼的同步捕獲。

因?yàn)镻N碼的周期為pTf，其中Tf為單個(gè)偽碼的周期，其中p值較大，要取得較準(zhǔn)確的相關(guān)，一般nTf[td]

　　性能分析

　　與波形相關(guān)方式相比，同步捕獲容易實(shí)現(xiàn)。在采用相同的搜索算法中，假定接收到的信號(hào)周期為1ns，如果采用波形相關(guān)的方式搜索移位的時(shí)間為周期的1/4，即0.25ns，那么采用取其包絡(luò)的移位同 樣設(shè)定為積分信號(hào)的1/4，假定包絡(luò)的積分時(shí)間為80ns，則其步長(zhǎng)移位時(shí)間為 20ns。在同步跟蹤方面，采用波形相關(guān)的方式需要時(shí)鐘同步必須精確到幾十ps，但是采用同步包絡(luò)檢波的方式只要精確到幾個(gè)ns就可以了，硬件更容易實(shí)現(xiàn)。

　　采用時(shí)域?yàn)V波的方法提高了信號(hào)的信噪比。本文所使用的是極窄脈沖信號(hào)，是一種瞬間發(fā)射脈沖信號(hào)的通信方式，可以采用開(kāi)關(guān)方式在時(shí)域上屏蔽噪聲和外來(lái)信號(hào)干擾的方法。在選通脈沖沒(méi)有到來(lái)時(shí)，積分信號(hào)接地，阻止外面的干擾信號(hào)和噪聲進(jìn)入后面的判決電路。只有當(dāng)選通脈沖到來(lái)時(shí)，外部的噪聲及干擾信號(hào)才可以和UWB信號(hào)的積分信號(hào)進(jìn)入判決電路。如果不考慮系統(tǒng)本身的噪聲影響，通常狀態(tài)下信噪比是Eb/No，其中Eb為信號(hào)的能量， N0為噪聲的能量。當(dāng)加上電子開(kāi)關(guān)時(shí)，信噪比將變成EbTf/NoTon，其中Tf為脈沖周期，Ton為電子開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟時(shí)間。UWB信號(hào)的特點(diǎn)是，在低速率時(shí)Tf/Ton值比較大，對(duì)UWB的接收靈敏度有很大提高。同時(shí)可以將使用不同偽隨機(jī)碼的其它UWB信號(hào)屏蔽，實(shí)現(xiàn)多址通信。當(dāng)然，不可避免的是電子開(kāi)關(guān)對(duì)整個(gè)接收系統(tǒng)的影響，比如選通脈沖對(duì)UWB積分信號(hào)的影響，如果干擾太大，會(huì)影響后級(jí)的判決輸出。

　　電路仿真

　　系統(tǒng)仿真的電路如圖2所示，簡(jiǎn)單起見(jiàn)，只仿真了前級(jí)偽碼輸出電路。仿真時(shí)采用碼速率為2MHz的‘1010’信號(hào)，UWB信號(hào)通過(guò)一個(gè)電感的耦合變成極性相反的兩路信號(hào)，通過(guò)檢波二極管檢波進(jìn)入后面的積分電路，當(dāng)選通脈沖與接收的UWB信號(hào)同步時(shí)，選通脈沖控制電子開(kāi)關(guān)在信號(hào)到來(lái)時(shí)開(kāi)啟，信號(hào)積分后進(jìn)入后面的低通放大電路，然后經(jīng)過(guò)遲滯比較器輸出偽碼信號(hào)。當(dāng)沒(méi)有UWB信號(hào)時(shí)導(dǎo)通到地，使輸入到低通濾波器的信號(hào)為零，阻止外面信號(hào)和噪聲積分后進(jìn)入后面的放大比較電路。實(shí)際上，大部分的信號(hào)能量集中在80ns~100ns之間，所以把電子開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間定為80ns。在系統(tǒng)仿真中，電子開(kāi)關(guān)的參數(shù)設(shè)置開(kāi)啟和關(guān)斷的時(shí)間為10ns，信號(hào)的積分時(shí)間在80ns~100ns之間，所以設(shè)計(jì)有源低通濾波器的帶寬為10MHz，截止頻率為 20MHz。

　　本文所采用的仿真軟件是Multisim7，輸入的UWB信號(hào)通過(guò)幾個(gè)信號(hào)源延時(shí)疊加來(lái)模擬接收到的多徑信號(hào)，同時(shí)加入一個(gè)幅度很大的高斯白噪聲信號(hào)。在沒(méi)有選通脈沖輸入時(shí)，信號(hào)通過(guò)檢波二極管進(jìn)入后面的積分電路，積分信號(hào)波形顯示，積分后的信號(hào)波形的噪聲很大，有的隨機(jī)噪聲超過(guò)了信號(hào)的幅度，進(jìn)入低通濾波器輸出積分后的低頻成分，但是有些噪聲項(xiàng)幅度與信號(hào)差不多，經(jīng)過(guò)遲滯比較器輸出后有錯(cuò)誤的判決出現(xiàn)。

　　當(dāng)加入偽碼控制的選通脈沖與輸入信號(hào)同步時(shí)，可通過(guò)二極管積分。在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，外面的噪聲完全被屏蔽掉，只有在選通脈沖到來(lái)時(shí)，噪聲才可以進(jìn)入檢測(cè)電路。在選通沒(méi)有UWB脈沖時(shí)，噪聲的積分幅度也很大，但主要是高頻分量，所以，在經(jīng)過(guò)低通濾波器后，可以將高頻分量濾除，通過(guò)遲滯比較器可以實(shí)現(xiàn)偽碼信號(hào)的正確檢測(cè)。

　　電路實(shí)現(xiàn)

　　在實(shí)際電路中，檢波二極管采用成都亞光的零偏置檢波二極管，型號(hào)為2H10673A，導(dǎo)通電壓200 mV，工作頻率大于3GHz。選通脈沖器件采用PIN二極管2K60840，擊穿電壓大于20V，正向微分電阻1.55，結(jié)電容0.3pF。接收下來(lái)的信號(hào)是經(jīng)過(guò)天線展寬、脈沖周期為3ns的不規(guī)則信號(hào)，所以檢波管的工作頻率可以完全滿足要求，由于條件所限，不能測(cè)試PIN管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，但通過(guò)實(shí)際測(cè)試可以滿足系統(tǒng)要求。在實(shí)際測(cè)試中加入了256kb/s的TH-PPM調(diào)制的超寬帶信號(hào)，作為外來(lái)的多址干擾信號(hào)。

　　結(jié)語(yǔ)

　　本文通過(guò)在積分后加入同步選通脈沖的方法，實(shí)現(xiàn)了UWB信號(hào)的同步檢測(cè)，同時(shí)屏蔽了外來(lái)的干擾信號(hào)和噪聲，從而實(shí)現(xiàn)了多址通信。本文是在假設(shè)傳輸速率不是很大，多址信號(hào)重疊不是很多，沒(méi)有明顯碼間干擾情況下的一種檢測(cè)方法。通過(guò)試驗(yàn)，該方案在低速率的情況下是一種較好的檢測(cè)方法。