摘  要： Chirp超寬帶通信系統(tǒng)使用滿足UWB定義的Chirp信號作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體,起到了擴頻效果,，具有CSS和UWB的優(yōu)點，其處理增益大,、傳輸距離遠,、功率譜密度低、抗衰落能力和抗截獲能力強,，獲得廣泛研究與關注,。Chirp-UWB信號發(fā)生器是實現(xiàn)該通信系統(tǒng)的關鍵技術之一，采用DA+鎖相環(huán)（PLL）技術,設計并實現(xiàn)了Chirp-UWB信號,，詳細分析了其設計過程與原理,。試驗表明,設計的信號發(fā)生器在≥2 Mb/s調制數(shù)率的驅動下，能夠產生穩(wěn)定可靠的Chirp-UWB信號,，該發(fā)生器具有電路結構簡單,、易于編程控制、擴展性好以及實用性強等優(yōu)點,能夠滿足遠距離高速率無線傳輸數(shù)據(jù)的要求,。
關鍵詞： 超寬帶,； Chirp信號； 鎖相環(huán),； 電荷泵

    Chirp信號因其高處理增益,、低功耗、抗多徑干擾,、抗多普勒頻移等優(yōu)點,，在通信系統(tǒng)中得到廣泛研究。Chirp信號應用于通信領域中，用來表達數(shù)據(jù)符號,，起到擴頻的效果,，這種用Chirp信號進行擴頻的通信方式被稱為Chirp擴頻（CSS）。2006年IEEE802.15.4a工作組最終選擇了CSS技術作為物理層的標準[1],。通過增加Chirp信號的帶寬和減小時間寬度T,，Chirp信號同樣可以應用于高速的超寬帶通信系統(tǒng)。
    實現(xiàn)Chirp-UWB通信系統(tǒng)的關鍵之一是產生Chirp-UWB信號,，傳統(tǒng)的Chirp信號產生方式是模擬的,，包括無源和有源兩種方法[2]。本文采用了傳統(tǒng)的鎖相環(huán)PLL和高速DA相結合的技術,高速DA用來產生高速調制的線性鋸齒信號,，鎖相環(huán)PLL用來產生頻率和相位起點與參考信號同步的載波信號,，環(huán)路中的VCO在鋸齒信號的驅動獲得速率≥2 Mb/s時產生大時寬Chirp-UWB信號。該方案的設計已經成功應用在遠距離高速超寬帶系統(tǒng)中,，獲得了較好的效果,。
 

 
    為了能夠產生穩(wěn)定可靠的大時寬的Chirp-UWB信號，采用鎖相環(huán)PLL來實現(xiàn),。用PLL產生Chirp信號能夠保持良好的相干性,。Chirp信號的相干性包括兩方面的含義[2]：(1)載波和基準頻率相等或成整數(shù)倍關系；(2)載波信號穩(wěn)定度足夠高,，達到與基準信號源相同的數(shù)量級,。用鎖相環(huán)產生Chirp-UWB的原理框圖如圖1所示。

    鎖相環(huán)PLL是該方案的核心部分之一,，圖1可簡化為圖2所示的結構框圖[5],產生信號的載頻穩(wěn)定度很高,，達到晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度。

3 系統(tǒng)方案的電路設計
    為了驗證方案的可行性,，采用頻率合成器AD4112,、壓控VCOV637ME02-LF、高速DA器件AD9751,，以及集成運放AD8047,、AD820等器件設計了原理電路,，整個電路包括電源部分,、接口電路、DA部分以及完成關鍵作用的PLL電路,，其中加法電路內嵌在鎖相環(huán)中,。
    選用了頻率合成器的器件ADF4112集成的電荷泵鎖相環(huán)中鑒頻鑒相功能，由于電荷泵鎖相環(huán)的工作原理與前面的分析類似,，在此不再分析,，具體可以參考相關資料。VCO選用的是Z_COMMUNICATIONGS公司的V637ME02-LF，其調諧電壓范圍是0.5 V～10 V,。需要得到的是575 MHz～705 MHz的Chirp超寬帶信號,對應的調控電壓范圍是3.5 V～6.5 V,，調控靈敏度為46 MHz/V。在方案電路設計中,，關鍵是PLL的環(huán)路濾波器的設計,、完成調制信號接入環(huán)路的加法電路的設計以及完成鋸齒信號產生的DA部分的設計，下面予以詳細分析,。
3.1 環(huán)路濾波器的設計
    根據(jù)選用VCO器件的特性,，當輸出頻率為575 MHz時，對應的控制電壓至少為3.5 V,，而鑒相器能提供的電壓最高可達3.3 V,，因此采用無源濾波器無法滿足指標要求，故本設計中采用有源環(huán)路濾波器,。有源環(huán)路濾波器常選擇二階以上,，原因是有源器件運算放大器會使輸出信號增加額外的相位噪聲，采用多階極點可以改善有源濾波器的性能[6],。故本設計采用有源三階低通濾波器作為環(huán)路濾波器,，其電路結構如圖4所示。
 

3.3 鋸齒波信號發(fā)生器的設計
    高速鋸齒信號發(fā)生器采用數(shù)字電路方式產生,，這種設計方式靈活性強,、容易控制、易與基帶數(shù)據(jù)的調制方式相結合,。本設計采用FPGA編程方式產生與鋸齒波對應的數(shù)字信號,，經過高速DA器件AD9751和差分放大器AD8047后，轉換為鋸齒波電壓信號,，最后送入加法電路中,。
4 實驗結果與分析
    根據(jù)以上方案,設計并制作了Chirp-UWB信號發(fā)生器的硬件電路。在Agilent頻譜儀E4440A中測得系統(tǒng)輸出的Chirp超寬帶信號頻譜如圖6所示,。Chirp超寬帶信號頻譜范圍為575 MHz～705 MHz,，掃頻帶寬為130 MHz ,相對帶寬大于20%，掃頻周期0.5μs,TB積為65,。由測試結果可知,，信號源的輸出信號頻譜質量好，頻帶內譜線比較平坦,，波動范圍小,。

    系統(tǒng)中采用的調制方式為Chirp-OOK調制。信源輸出的數(shù)據(jù)經過調制后的信號為鋸齒波,，當信源編碼輸出為“0”時,，鋸齒信號發(fā)生器保持低電平，此時對環(huán)路沒有影響，環(huán)路處于鎖定狀態(tài),，輸出一個單頻信號,；當信源編碼輸出為“1”時，鋸齒波發(fā)生器產生持續(xù)時間為碼元寬度的線性增長的鋸齒信號,，由于環(huán)路仍然保持鎖定在中心頻率的載波跟蹤狀態(tài),，而環(huán)路中的VCO輸出信號處于線性掃頻狀態(tài)，輸出所需要的Chirp-UWB信號,。圖7給出了FPGA產生的信源編碼數(shù)據(jù)為1111001110001100的隨機碼的實測波形,，其中碼元頻率為2 MHz，上面的三角波表示基帶調制的信號,，下面的波形是Chirp信號的時域波形,。
    本文設計并實現(xiàn)了基于DA+PLL的Chirp-UWB信號發(fā)生器，充分利用高速DA與集成鎖相環(huán)的優(yōu)點,，產生高速可調制的Chirp-UWB信號,，獲得的信號滿足系統(tǒng)的設計要求，在Chirp-UWB遠距離通信中得到了應用,。經試驗驗證了計方案的可行性, 所設計的信號發(fā)生器結構簡單,、 功能強、輸出信號頻率穩(wěn)定,、可調性好,，具有比較廣泛的應用價值。
參考文獻
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