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一种高灵敏度的超宽带脉冲信号包络检测方法
来源:武华科技   发布时间:2012-08-20  浏览数:3986    【收藏本页】

作者姓名: 邱 昕,樊孝明,郑继禹
作者单位: 桂林电子工业学院 通信与信息工程系
  要:本文对超宽带(UWB)通信系统实现的关键技术,即接收机前端的超宽带脉冲信号的检测技术进行了深入讨论。根据对UWB脉冲无线电实际接收信号的时域特征提出了一种简易、新颖的高灵敏度包络检波检测方式,分析了其电路的实现与性能,并给出了实验的数据和结果。与其他方式的比较表明,该电路是一种简单实用的非相关检测方式,与其原有的基带相关处理部分结合可获得良好的超宽带信号接收效果。
   
关键词:超宽带技术;相关接收机;包络检波

A Method for High Sensitivity Envelope Detection of UWB  Pulse Signals

QIU Xin, FAN Xiao-ming, ZHENG Ji-yu

Department of Communication and Information Engineer, Guilin University of
Electronic Technology,Guilin 541004, China

  Abstract:The key technique in Ultra-wideband(UWB) communication system, namely technique of UWB pulse signal detection and receiving, is discussed.An easy and novel method for high sensitiviy envelope detection is given according to the time domain characteristic of received signals. The realization and performance of the circuit is analysed. Meanwhile, experiment data and results are provided.Comparison with other methods indicates this circuit is an easy and useful noncorrelation detection method,and can get good performance when it cooperates with current correlation part in base band.
  Keywords: UWB technology;Noncorrelation receiver;Envelope detection

一、引言
  超宽带(UWB)技术是一项具有创新性和革命性的无线通信技术,其中的超宽带脉冲无线电利用持续时间极短的电磁脉冲在较宽的频谱范围内以较低的信噪比来传输数字数据信息,具有较高的频谱利用率,并解决了困扰传统无线电多年来的有关传播方面的重大难题,同时开发了一个具有千兆赫容量和最高空间容量的无线信道。超宽带技术中的脉冲无线电不使用载波,而是使用宽度达到纳秒级的脉冲。超宽带通信就是通过对这些冲击脉冲进行直接调制,因而具有吉赫量级的通信带宽。超宽带具有一系列的优势:可以极低的发射功率进行工作,从而可以节省电能,延长电池的使用寿命;发射数据的速率可以非常高,等等。
  正是由于这些与传统通信系统的差异,也给超宽带研究提出了新的难题,如对平均功率如此低、脉冲宽度如此窄的信号进行捕获提取就成为一个需要迫切解决的关键技术。本文正是围绕着这样一个难题来构建一个UWB脉冲无线电接收系统,并予以实现。

二、接收系统的设计
   
在目前的超宽带接收机系统中,有多种在射频端对脉冲检测的方式, 包括前沿检测、抽样桥电路法、单稳多谐法、积分和平均法、模板信号匹配检测法、相关检测法、信号积分法、同步检测法,但是总归为两种,即相关方式和非相关方式。
  本文中提出的接收方式就是一种非相干包络检测接收机,实现目标就是直接将天线接收下来的UWB高频信号变成后部基带处理所需的规则信号,实现透明传输,而不用考虑所接收的信号的调制方式,或者说把相关挪到处理相对方便的基带部分。同时能如RAKE接收一样利用了多径效应,通过调节检波器的充放电常数使检波器检出的是包含多径信号的整个脉冲串的包络,这样使得进入充放电回路的能量增加,等于将多个信号的能量累计以提高灵敏度。其系统结构框图如图1所示。

  其工作过程为:天线下来的UWB高频信号经过低噪放大器以后送到波形检波器进行包络检波,将高频信号转化为低频信号,即将UWB信号携带的信息从高频信号中提取出来,等于将信号脉宽展宽,此时检波器输出信号的宽度可由检波器后级的充放电回路来调节。之后所产生的低频信号经过低频放大器LM359,低频放大器在此的功能不仅是放大,还包括利用放大器本身的频率响应来构成低通滤波器来滤除一些送入的高频信号。经过低频放大之后的信号再送入高灵敏比较器LT1720,在这里比较器起到滤除背景噪声的作用,同时有将信号放大的功能。最后比较器输出送到单稳触发器,以产生后级基带处理部分所需要脉宽的标准数字信号。?

三、峰值包络检波电路的仿真与分析
  在这种设计中,关键器件就是前端的超宽带低噪放大器和高灵敏度波形检波器。其中超宽带低噪放大器我们使用的是Minicuricts公司生产的宽带放大器模块ZKL2,所以下面重点介绍一下这种高灵敏度的检波方式。该检波电路如图2所示。

  我们可以看到磁芯变压器Xfer1的初级是用来产生模拟接收天线接送出的UWB信号的电路。变压器对该信号进行单段到双端的转换,变压器次级两端得到的就是极性完全相反、大小相等的UWB高频信号。这两路极性相反的信号分别送到2个成对管连接的2个微波三极管Bfp420的基极。而变压器的中间抽头则通过R2R3的作用被加上一个直流偏置电压来使三极管工作在正常状态,而C6起到交流旁路的作用。组成差分对的三极管是微波三极管Bfp420,它的截至频率fT高达25 GHz。检波输出的信号通过耦合电容C3送到由C4R7构成的调节检波输出宽度的充放电回路,最后再通过耦合电容送到负载。
  我们知道现有的检波方式主要分为二极管检波和三极管检波。在雷达接收机中,单端式二极管检波用的最为广泛,双端式二极管检波如图3a)所示,主要用于中频较低和脉冲很窄的接收机中。二极管检波的优点是:线路简单,检波特性的直线性好,因此非线性失真小;动态范围大。缺点是电压传输系数较小。由于二极管反向电阻不大,并随温度而变,所以检波器的输出阻抗也不大。图3b)显示的是三极管集电极检波器,它是利用晶体管的集电极电结的非线性来实现检波的。三极管检波的优点是电压传输系数大(可有1020 dB的增益)、直流输出电流较大,缺点是检波特性的直线性差,非线性失真大。
  本方案提出的检波器是将上述的两种检波器结合起来,即双端式三极管集电极检波器。通常的二极管检波特性曲线可以近似分为非线性部分和线性部分,根据工作在不同的区域可以分为小信号检波和大信号检波。当输入电压很小时,电压对应于检波特性曲线的非线性区,输出直流电压与输入高频电压振幅之间近似成平方关系,即小信号检波具有平方律的检波特性。小信号的平方律检波特性有着比较明显的缺点,它会严重抑制小信号,输入信号越小时,输出电压就会更小,另一个严重缺点是失真大,所以其使用得比较少。当输入为大信号时,所对应的检波特性曲线可以近似为一条斜线,此时输出直流电压与输入高频电压振幅之间可以认为成直线性关系,即大信号检波具有线性律检波特性,所以大信号检波非线性失真小,传输系数大。

  而本方案中检波器的工作原理类似于双端式二极管检波。首先变压器将单端信号变成双端信号,那么在2个三极管的基极就得到了大小相等、极性相反、处于同一直流偏置的信号。也就是说当三极管Q1的基极信号为最高点时,在三极管Q2的基极有一个关于直流偏置电压对称的一个处于最低点的信号,当偏置电压合适时,则Q1处于大信号检波状态,而Q2处于小信号检波状态,于是Q1的集电极电流Ic1处于上升的最大值,而Q2的集电极电流Ic2处于一个下降的较小的值,于是我们在两者共用的集电极电阻上得到两个变化方向相反、变化量有较大差距的电流的和。这样的构造大大提高了检波灵敏度,因为就算当信号比较小时,我们也可以从工作在不同检波状态下的2个三极管的集电极取到明显的电流差值。所以该检波电路灵敏度高,其检波门限几乎等于零电平,其输入阻抗相当大,对前级影响很小,集电极输出增益近似等于Rc/Re。适合于高频窄脉冲情况下的应用。图4给出了差值检波的检波示意图。


  通过在ADS2002中的仿真,我们得到相应的仿真波形。接收到的信号仿真如图5所示。


  最后检波输出在负载上的波形如图6所示,该信号约3 mV,脉宽40 ns,其信号幅度主要取决于输入信号的能量,只有当大信号时才会有接近Rc/Re的传输系数。而输出脉宽取决于R4C4所构成的充电回路决定的充电时间tr和由C4R7构成的放电回路决定的放电时间tf。而充电时间tr和放电时间tf分别与充电时常数τr、放电时常数τf有如下关系:
  
于是我们通过调整充放电回路参数,适当减小充电常数,增大放电常数,使电路在整个脉冲串的持续时间内保持不断充电以聚积最多的能量,从而取出整个包络,巧妙地利用了多径的能量,起到了提高灵敏度的效果。
  虽然检波器得到的波形和原先的包络相比失真很大,但是需要的只是信号包络所代表的信息,即根据每个包络的上升沿来确定脉冲的位置,相当于将极窄脉冲展宽,所以不用考虑脉冲的形状是否变化。?

四、峰值包络检波电路的实现
  整个接收机前端实现的重点就在检波器的实现,因为处理的是超宽带信号,其中含有大量的高频成分,所以要从射频电路设计的观点来实现。首先我们选用的变压器磁芯是圆形软铁氧体磁芯,其频率响应宽度可达到1 GHz,然后用直径为0.2 mm的漆包线以1:1:1的扎数比进行绕制。其他元件全部采用贴片封装,布板全部按照射频电路设计标准。最后使用Infiniium 存储示波器进行测试。通过示波器观察接收到的接收天线输出的射频波形,我们可以看到,当发射机输出的单峰窄脉冲通过超宽带天线的微分效应以后成为高斯脉冲,然后经过空间传输以后,在接收天线的输出端看到的是一串脉冲(如图7所示),除主波形外,相连的脉冲表现出明显的多径效应。
  经过检波器检波以后得到如图8所示的波形,可以清楚看到检波输出负脉冲中夹杂着的充放电过程,同时可以看到检波器将放大器输出的宽度极窄的高频脉冲串信号转换为一个低频的较宽的包络信号。


  接下来,检波以后的信号经过一个低频放大器将低频包络信号放大数十倍,同时滤除检波信号中的高频成分,然后再送入高灵敏度比较器通过门限判决以滤除一些噪声,最后经过触发器产生后部基带处理所需的特定的波形。通过试验测试,本接收机可以可靠地进行数据传输。由于检波器的灵敏度较高,放大器输出高于噪声电平几毫伏的信号即有检波输出,所以接收机系统的灵敏度主要取决于前端的宽带低噪放大器。

五、结论
   
本文提出的方法是一种比较新颖的时域处理方法,巧妙地利用了多径信号的能量,等于将几个信号的能量累积,同时它最大的优点是相对于基带处理部分进行透明传输,通用性强,适合多种调制方式。但是总的来说还是属于直接对UWB时域信号进行能量检测的方法,提取的只是UWB信号粗略的时域特征,其单峰检测灵敏度高于相关方式的单峰检测灵敏度,但是由于整体性能仍比相关方式略逊一筹。另外,它将同步、相关等部分放到了基带处理当中,降低了射频处理的实现难度,在一些干扰相对较少、多径较强的室内通信场合仍不失为一种简单可行的UWB接收方式。