超寬帶（UWB）接收機的電路設計及仿真分析

引言

　　目前，超寬帶(UWB)解調方法可歸納為下面三種：一種是構造一個(gè)和接收信號差不多的模板信號，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出UWB信號;還有一種就是對接收的信號進(jìn)行A/D轉換，通過(guò)抽樣值識別信號。第一種方案實(shí)現比較困難，因為ns級的脈沖如果實(shí)現相關(guān)接收，同步時(shí)間必須精確到ps級,這種要求無(wú)論是對接收端還是發(fā)射端都是一個(gè)挑戰。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 UWB信號的接收，前提是必須使用高速的ADC，接收機復雜度將會(huì )大大增加。本文提出了在射頻前端應用同步控制的選通脈沖，在UWB的信號到來(lái)時(shí)選通，控制積分信號進(jìn)入后面的判決電路。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是提高了接收信號的信噪比，同時(shí)實(shí)現了多址通信。

　　圖 1 接收機方框圖

　　圖2 電路仿真圖

　　新型接收機的結構

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

　　由天線(xiàn)接收下來(lái)的UWB信號經(jīng)過(guò)一個(gè)寬帶放大器后，進(jìn)入積分檢測電路，在UWB信號脈沖到來(lái)時(shí)，選通脈沖控制UWB的積分信號進(jìn)入比較判決電路，實(shí)現偽碼信號的檢測判決。判決后的偽碼信號與本地的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)現數據的正確解調。在這里選通脈沖對UWB 積分信號的捕獲及同步是本系統的關(guān)鍵部分，捕獲過(guò)程如下：

　　1. 脈沖波形積分信號的同步捕獲。

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

　　2. PN碼的同步捕獲。

因為PN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。在采用相同的搜索算法中，假定接收到的信號周期為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 樣設定為積分信號的1/4，假定包絡(luò )的積分時(shí)間為80ns，則其步長(cháng)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。

　　采用時(shí)域濾波的方法提高了信號的信噪比。本文所使用的是極窄脈沖信號，是一種瞬間發(fā)射脈沖信號的通信方式，可以采用開(kāi)關(guān)方式在時(shí)域上屏蔽噪聲和外來(lái)信號干擾的方法。在選通脈沖沒(méi)有到來(lái)時(shí)，積分信號接地，阻止外面的干擾信號和噪聲進(jìn)入后面的判決電路。只有當選通脈沖到來(lái)時(shí)，外部的噪聲及干擾信號才可以和UWB信號的積分信號進(jìn)入判決電路。如果不考慮系統本身的噪聲影響，通常狀態(tài)下信噪比是Eb/No，其中Eb為信號的能量， N0為噪聲的能量。當加上電子開(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信號的特點(diǎn)是，在低速率時(shí)Tf/Ton值比較大，對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碼的其它UWB信號屏蔽，實(shí)現多址通信。當然，不可避免的是電子開(kāi)關(guān)對整個(gè)接收系統的影響，比如選通脈沖對UWB積分信號的影響，如果干擾太大，會(huì )影響后級的判決輸出。

　　電路仿真

　　系統仿真的電路如圖2所示，簡(jiǎn)單起見(jiàn)，只仿真了前級偽碼輸出電路。仿真時(shí)采用碼速率為2MHz的‘1010’信號，UWB信號通過(guò)一個(gè)電感的耦合變成極性相反的兩路信號，通過(guò)檢波二極管檢波進(jìn)入后面的積分電路，當選通脈沖與接收的UWB信號同步時(shí)，選通脈沖控制電子開(kāi)關(guān)在信號到來(lái)時(shí)開(kāi)啟，信號積分后進(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。當沒(méi)有UWB信號時(shí)導通到地，使輸入到低通濾波器的信號為零，阻止外面信號和噪聲積分后進(jìn)入后面的放大比較電路。實(shí)際上，大部分的信號能量集中在80ns~100ns之間，所以把電子開(kāi)關(guān)的導通時(shí)間定為80ns。在系統仿真中，電子開(kāi)關(guān)的參數設置開(kāi)啟和關(guān)斷的時(shí)間為10ns，信號的積分時(shí)間在80ns~100ns之間，所以設計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信號通過(guò)幾個(gè)信號源延時(shí)疊加來(lái)模擬接收到的多徑信號，同時(shí)加入一個(gè)幅度很大的高斯白噪聲信號。在沒(méi)有選通脈沖輸入時(shí)，信號通過(guò)檢波二極管進(jìn)入后面的積分電路，積分信號波形顯示，積分后的信號波形的噪聲很大，有的隨機噪聲超過(guò)了信號的幅度，進(jìn)入低通濾波器輸出積分后的低頻成分，但是有些噪聲項幅度與信號差不多，經(jīng)過(guò)遲滯比較器輸出后有錯誤的判決出現。

　　當加入偽碼控制的選通脈沖與輸入信號同步時(shí)，可通過(guò)二極管積分。在開(kāi)關(guān)導通時(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)現偽碼信號的正確檢測。

　　電路實(shí)現

　　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，型號為2H10673A，導通電壓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，結電容0.3pF。接收下來(lái)的信號是經(jīng)過(guò)天線(xiàn)展寬、脈沖周期為3ns的不規則信號，所以檢波管的工作頻率可以完全滿(mǎn)足要求，由于條件所限，不能測試PIN管的導通和關(guān)斷時(shí)間，但通過(guò)實(shí)際測試可以滿(mǎn)足系統要求。在實(shí)際測試中加入了256kb/s的TH-PPM調制的超寬帶信號，作為外來(lái)的多址干擾信號。

　　結語(yǔ)

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