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1、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言号的接 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
2、积分检波的 方式解调出UWB言号；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勺信号到来时选通，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
3、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言号的频带比较宽，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。UW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UW取收机的信噪比。本文采用简单的平方检波方式来实现UWB言 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言号经过一个宽带放大器后， 进入积分检 测电路，在UWB言号脉冲到来时，选
4、通脉冲控制UWB勺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勺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
5、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< ;TDpTf（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
6、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言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0.25n
7、s，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言号的积分信号进入判决电路。如果不考虑系 统本身
8、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言号的特点是， 在低速率时Tf/Ton值比较大，对UWB勺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言号屏蔽，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uw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勺1010信号，UW信号通过一个电感的耦
9、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言号同步时，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言号时导通到地，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80n s100ns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80ns100ns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
10、件是Multisim7，输入的UWB言号通过几个 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永冲时，噪声的积分幅度也很大，但主 要是高频分量，所以，在经
11、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2K6084Q击穿电压大于20V,正向微分 电阻1.51，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-PPMM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言号的同步检测，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。
一种结构简单UWB接收机的设计与实现.
