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),，即通過在時(shí)域隔離噪聲的方法來提高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,。
由天線接收下來的UWB信號(hào)經(jīng)過一個(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,，通過低通濾波器的積分,，進(jìn)入門限判決電路，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)入門限判決電路的積分信號(hào)電平進(jìn)行判決,，超過判決門限時(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,，可以采用開關(guān)方式在時(shí)域上屏蔽噪聲和外來信號(hào)干擾的方法。在選通脈沖沒有到來時(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為電子開關(guān)的開啟時(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,，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)通過一個(gè)電感的耦合變成極性相反的兩路信號(hào),，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(hào)同步時(shí),，選通脈沖控制電子開關(guān)在信號(hào)到來時(shí)開啟，信號(hào)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(hào),。當(dāng)沒有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,，所以把電子開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)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(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)通過幾個(gè)信號(hào)源延時(shí)疊加來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),。在沒有選通脈沖輸入時(shí),，信號(hào)通過檢波二極管進(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),，可通過二極管積分。在開關(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時(shí)，噪聲才可以進(jìn)入檢測(cè)電路,。在選通沒有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(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,。接收下來的信號(hào)是經(jīng)過天線展寬,、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),，作為外來的多址干擾信號(hào)。
結(jié)語
本文通過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，沒有明顯碼間干擾情況下的一種檢測(cè)方法,。通過試驗(yàn),，該方案在低速率的情況下是一種較好的檢測(cè)方法。