一种结构简单UWB接收机的设计与实现

引言

    目前，超宽带(UWB)解调方法可归纳为下面三种：一种是构造一个和接收信号差不多的模板信号，然后采用相关方式；另外一种就是采用积分检波的方式解调出UWB信号；还有一种就是对接收的信号进行A/D转换，通过抽样值识别信号。第一种方案实现比较困难，因为ns级的脉冲如果实现相关接收，同步时间必须精确到ps级,这种要求无论是对接收端还是发射端都是一个挑战。简单的积分检波方式抗干扰性能比较差。采用抽样的方式实现 UWB信号的接收，前提是必须使用高速的ADC，接收机复杂度将会大大增加。本文提出了在射频前端应用同步控制的选通脉冲，在UWB的信号到来时选通，控制积分信号进入后面的判决电路。这种方式的优点是提高了接收信号的信噪比，同时实现了多址通信。

                         
                                                 图 1  接收机方框图

                         
                                                图2    电路仿真图

新型接收机的结构

     传统接收机的前端都有一个带通滤波器，来阻止带外干扰信号和噪声的进入，从而提高信噪比。但是UWB信号的频带比较宽，在这个频带内存在很多的噪声和其它的窄带干扰信号，采用接收前端加带通滤波器的方法来提高接收信号的信噪比效果不是太明显。UWB信号与传统的窄带信号不一样，它是一个时间上不连续、脉冲宽度相对很窄的信号，因此在信号到来时积分实现信号的检测，在其它时间内屏蔽噪声和外界的干扰信号，即通过在时域隔离噪声的方法来提高UWB接收机的信噪比。本文采用简单的平方检波方式来实现UWB信号的积分检测，接收机的方框图如图1所示。

      由天线接收下来的UWB信号经过一个宽带放大器后，进入积分检测电路，在UWB信号脉冲到来时，选通脉冲控制UWB的积分信号进入比较判决电路，实现伪码信号的检测判决。判决后的伪码信号与本地的PN码相乘后，通过低通滤波器的积分，进入门限判决电路，实现数据的正确解调。在这里选通脉冲对UWB 积分信号的捕获及同步是本系统的关键部分，捕获过程如下：

       1. 脉冲波形积分信号的同步捕获。如图1所示，首先由选通脉冲控制UWB的积分信号进入门限判决电路，其中选通脉冲的重复速率和伪码的速率相同；然后对进入门限判决电路的积分信号电平进行判决，超过判决门限时判为‘1’，否则为‘0’；判决后的信号送到移位寄存器，移位寄存器的长度以所使用的PN码的特性来设定，在可以正确接收的情况下，移位寄存器可以存储的伪码必须包含两个‘1’，目的是防止在有噪声进入系统时，系统因误判决产生误动作而进入失步状态。每隔 Tf的时间对移位寄存器读取一次数据，如果里面存储的数据含有‘1’的符号，选通脉冲停止移位，认为取得同步；如果全‘0’则控制选通脉冲继续移位搜索。   
   
       2. PN码的同步捕获。因为PN码的周期为pTf，其中Tf为单个伪码的周期，其中p值较大，要取得较准确的相关，一般nTf<TD<pTf(n 为整数)。显然捕获过程开始时，只要脉冲检波器每帧有相关值输出，尽管不是同步的最大值，PN码相位捕获也可进行，只是检测概率低些，虚警概率大些。一旦脉冲的时位取得同步，PN码捕获的检测概率就会提高，虚警概率下降，从而取得可靠的捕获，进入同步跟踪状态。当存在多址干扰时，获得的脉冲积分信号可能是别的用户信号，所以在获得脉冲积分信号的时间后，经过一个PN码的捕获周期后，仍不能同步控制选通脉冲移位，重复第一步操作，进行脉冲积分信号的搜索，直到获得同步。因为经过天线接收下来的UWB信号是一个宽度为几十到一百多ns的多径信号的叠加，其中，信号的大部分能量集中在连续的几十个ns以内，所以把选通脉冲的脉冲宽度设定为几十个ns，目的就是获取其信号的能量。

性能分析

      与波形相关方式相比，同步捕获容易实现。在采用相同的搜索算法中，假定接收到的信号周期为1ns，如果采用波形相关的方式搜索移位的时间为周期的1/4，即0.25ns，那么采用取其包络的移位同样设定为积分信号的1/4，假定包络的积分时间为80ns，则其步长移位时间为 20ns。在同步跟踪方面，采用波形相关的方式需要时钟同步必须精确到几十ps，但是采用同步包络检波的方式只要精确到几个ns就可以了，硬件更容易实现。

      采用时域滤波的方法提高了信号的信噪比。本文所使用的是极窄脉冲信号，是一种瞬间发射脉冲信号的通信方式，可以采用开关方式在时域上屏蔽噪声和外来信号干扰的方法。在选通脉冲没有到来时，积分信号接地，阻止外面的干扰信号和噪声进入后面的判决电路。只有当选通脉冲到来时，外部的噪声及干扰信号才可以和UWB信号的积分信号进入判决电路。如果不考虑系统本身的噪声影响，通常状态下信噪比是Eb/No，其中Eb为信号的能量， N0为噪声的能量。当加上电子开关时，信噪比将变成EbTf/NoTon，其中Tf为脉冲周期，Ton为电子开关的开启时间。UWB信号的特点是，在低速率时Tf/Ton值比较大，对UWB的接收灵敏度有很大提高。同时可以将使用不同伪随机码的其它UWB信号屏蔽，实现多址通信。当然，不可避免的是电子开关对整个接收系统的影响，比如选通脉冲对UWB积分信号的影响，如果干扰太大，会影响后级的判决输出。

电路仿真

      系统仿真的电路如图2所示，简单起见，只仿真了前级伪码输出电路。仿真时采用码速率为2MHz的‘1010’信号，UWB信号通过一个电感的耦合变成极性相反的两路信号，通过检波二极管检波进入后面的积分电路，当选通脉冲与接收的UWB信号同步时，选通脉冲控制电子开关在信号到来时开启，信号积分后进入后面的低通放大电路，然后经过迟滞比较器输出伪码信号。当没有UWB信号时导通到地，使输入到低通滤波器的信号为零，阻止外面信号和噪声积分后进入后面的放大比较电路。实际上，大部分的信号能量集中在80ns~100ns之间，所以把电子开关的导通时间定为80ns。在系统仿真中，电子开关的参数设置开启和关断的时间为10ns，信号的积分时间在80ns~100ns之间，所以设计有源低通滤波器的带宽为10MHz，截止频率为 20MHz。

      本文所采用的仿真软件是Multisim7，输入的UWB信号通过几个信号源延时叠加来模拟接收到的多径信号，同时加入一个幅度很大的高斯白噪声信号。在没有选通脉冲输入时，信号通过检波二极管进入后面的积分电路，积分信号波形显示，积分后的信号波形的噪声很大，有的随机噪声超过了信号的幅度，进入低通滤波器输出积分后的低频成分，但是有些噪声项幅度与信号差不多，经过迟滞比较器输出后有错误的判决出现。

      当加入伪码控制的选通脉冲与输入信号同步时，可通过二极管积分。在开关导通时，外面的噪声完全被屏蔽掉，只有在选通脉冲到来时，噪声才可以进入检测电路。在选通没有UWB脉冲时，噪声的积分幅度也很大，但主要是高频分量，所以，在经过低通滤波器后，可以将高频分量滤除，通过迟滞比较器可以实现伪码信号的正确检测。

电路实现

      在实际电路中，检波二极管采用成都亚光的零偏置检波二极管，型号为2H10673A，导通电压200 mV，工作频率大于3GHz。选通脉冲器件采用PIN二极管2K60840，击穿电压大于20V，正向微分电阻1.55，结电容0.3pF。接收下来的信号是经过天线展宽、脉冲周期为3ns的不规则信号，所以检波管的工作频率可以完全满足要求，由于条件所限，不能测试PIN管的导通和关断时间，但通过实际测试可以满足系统要求。在实际测试中加入了256kb/s的TH-PPM调制的超宽带信号，作为外来的多址干扰信号。

结语

      本文通过在积分后加入同步选通脉冲的方法，实现了UWB信号的同步检测，同时屏蔽了外来的干扰信号和噪声，从而实现了多址通信。本文是在假设传输速率不是很大，多址信号重叠不是很多，没有明显码间干扰情况下的一种检测方法。通过试验，该方案在低速率的情况下是一种较好的检测方法。