超寬帶（UWB）接收機的電路設(shè)計及仿真分析

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(diào)出UWB信號;還有一種就是對接收的信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，通過抽樣值識別信號。第一種方案實現(xiàn)比較困難，因為ns級的脈沖如果實現(xiàn)相關(guān)接收，同步時間必須精確到ps級,這種要求無論是對接收端還是發(fā)射端都是一個挑戰(zhàn)。簡單的積分檢波方式抗干擾性能比較差。采用抽樣的方式實現(xiàn) UWB信號的接收，前提是必須使用高速的ADC，接收機復(fù)雜度將會大大增加。本文提出了在射頻前端應(yīng)用同步控制的選通脈沖，在UWB的信號到來時選通，控制積分信號進(jìn)入后面的判決電路。這種方式的優(yōu)點是提高了接收信號的信噪比，同時實現(xiàn)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(jié)構(gòu)

　　傳統(tǒng)接收機的前端都有一個帶通濾波器，來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，在這個頻帶內(nèi)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提高接收信號的信噪比效果不是太明顯。UWB信號與傳統(tǒng)的窄帶信號不一樣，它是一個時間上不連續(xù)、脈沖寬度相對很窄的信號，因此在信號到來時積分實現(xiàn)信號的檢測，在其它時間內(nèi)屏蔽噪聲和外界的干擾信號，即通過在時域隔離噪聲的方法來提高UWB接收機的信噪比。本文采用簡單的平方檢波方式來實現(xiàn)UWB信號的積分檢測，接收機的方框圖如圖1所示。

　　由天線接收下來的UWB信號經(jīng)過一個寬帶放大器后，進(jìn)入積分檢測電路，在UWB信號脈沖到來時，選通脈沖控制UWB的積分信號進(jìn)入比較判決電路，實現(xiàn)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，通過低通濾波器的積分，進(jìn)入門限判決電路，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的正確解調(diào)。在這里選通脈沖對UWB 積分信號的捕獲及同步是本系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，捕獲過程如下：

　　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;然后對進(jìn)入門限判決電路的積分信號電平進(jìn)行判決，超過判決門限時判為‘1’，否則為‘0’;判決后的信號送到移位寄存器，移位寄存器的長度以所使用的PN碼的特性來設(shè)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‘1’，目的是防止在有噪聲進(jìn)入系統(tǒng)時，系統(tǒng)因誤判決產(chǎn)生誤動作而進(jìn)入失步狀態(tài)。每隔 Tf的時間對移位寄存器讀取一次數(shù)據(jù)，如果里面存儲的數(shù)據(jù)含有‘1’的符號，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。

因為PN碼的周期為pTf，其中Tf為單個偽碼的周期，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，同步捕獲容易實現(xiàn)。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)定為積分信號的1/4，假定包絡(luò)的積分時間為80ns，則其步長移位時間為 20ns。在同步跟蹤方面，采用波形相關(guān)的方式需要時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ns就可以了，硬件更容易實現(xiàn)。

　　采用時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，可以采用開關(guān)方式在時域上屏蔽噪聲和外來信號干擾的方法。在選通脈沖沒有到來時，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(dāng)選通脈沖到來時，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(tǒng)本身的噪聲影響，通常狀態(tài)下信噪比是Eb/No，其中Eb為信號的能量， N0為噪聲的能量。當(dāng)加上電子開關(guān)時，信噪比將變成EbTf/NoTon，其中Tf為脈沖周期，Ton為電子開關(guān)的開啟時間。UWB信號的特點是，在低速率時Tf/Ton值比較大，對UWB的接收靈敏度有很大提高。同時可以將使用不同偽隨機碼的其它UWB信號屏蔽，實現(xiàn)多址通信。當(dāng)然，不可避免的是電子開關(guān)對整個接收系統(tǒng)的影響，比如選通脈沖對UWB積分信號的影響，如果干擾太大，會影響后級的判決輸出。

　　電路仿真

　　系統(tǒng)仿真的電路如圖2所示，簡單起見，只仿真了前級偽碼輸出電路。仿真時采用碼速率為2MHz的‘1010’信號，UWB信號通過一個電感的耦合變成極性相反的兩路信號，通過檢波二極管檢波進(jìn)入后面的積分電路，當(dāng)選通脈沖與接收的UWB信號同步時，選通脈沖控制電子開關(guān)在信號到來時開啟，信號積分后進(jìn)入后面的低通放大電路，然后經(jīng)過遲滯比較器輸出偽碼信號。當(dāng)沒有UWB信號時導(dǎo)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。實際上，大部分的信號能量集中在80ns~100ns之間，所以把電子開關(guān)的導(dǎo)通時間定為80ns。在系統(tǒng)仿真中，電子開關(guān)的參數(shù)設(shè)置開啟和關(guān)斷的時間為10ns，信號的積分時間在80ns~100ns之間，所以設(shè)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信號通過幾個信號源延時疊加來模擬接收到的多徑信號，同時加入一個幅度很大的高斯白噪聲信號。在沒有選通脈沖輸入時，信號通過檢波二極管進(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)過遲滯比較器輸出后有錯誤的判決出現(xiàn)。

　　當(dāng)加入偽碼控制的選通脈沖與輸入信號同步時，可通過二極管積分。在開關(guān)導(dǎo)通時，外面的噪聲完全被屏蔽掉，只有在選通脈沖到來時，噪聲才可以進(jìn)入檢測電路。在選通沒有UWB脈沖時，噪聲的積分幅度也很大，但主要是高頻分量，所以，在經(jīng)過低通濾波器后，可以將高頻分量濾除，通過遲滯比較器可以實現(xiàn)偽碼信號的正確檢測。

　　電路實現(xiàn)

　　在實際電路中，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(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。接收下來的信號是經(jīng)過天線展寬、脈沖周期為3ns的不規(guī)則信號，所以檢波管的工作頻率可以完全滿足要求，由于條件所限，不能測試PIN管的導(dǎo)通和關(guān)斷時間，但通過實際測試可以滿足系統(tǒng)要求。在實際測試中加入了256kb/s的TH-PPM調(diào)制的超寬帶信號，作為外來的多址干擾信號。

　　結(jié)語

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