一種IR－UWB通信系統技術的研究與實現

劉 雄，雷洪利，向 新

(1.空軍工程大學工程學院，陜西 西安 710038;2.中國人民解放軍95247部隊，廣東 惠州 516259)

責任編輯:薛 京

超寬帶［1－2］技術是自20世紀末逐步興起的一種新型無線通信技術。通常典型的UWB實現形式是采用脈沖無線電(IR－UWB)，即以占空比很低的窄脈沖(寬度為納秒或亞納秒級)作為信息載體，因此UWB系統具備多徑分辨能力強、帶寬寬、功率低、近似于噪聲的信號特性，可以通過控制信號功率(使UWB信號功率低于噪聲干擾容限)與已經申請了頻率使用權的窄帶通信系統共存，并同時在該合法頻段上進行信號傳輸，這正是其魅力所在。但正是由于超寬帶脈沖持續時間短、信號功率低等特點，使超寬帶系統的電路實現面臨許多難點和挑戰，如極窄脈沖的產生和檢測接收。

目前，極窄脈沖的產生常見的方法主要通過階躍恢復二極管、隧道二極管、雪崩三極管等來完成。階躍恢復二極管利用電荷存儲效應產生快速反向階躍恢復，能形成幅值為數百毫伏的幾百皮秒脈沖［3］;隧道二極管利用量子力學隧道產生隧道電流，它可以形成數十皮秒的高速脈沖，但幅值較低，通常也在毫伏級;雪崩三極管利用雪崩擊穿效應［4］可以產生幅值達幾十伏到幾百伏的脈沖。與前面兩種方法相比，雪崩三極管產生法具有產生脈沖幅值大、重復頻率高，且結構簡單、成本低、工作穩定、實用性好等特點。本文正是利用雪崩三極管產生所需要的超寬帶窄脈沖，產生了脈寬約3 ns、幅值為1.5 V的類高斯負窄脈沖。窄脈沖的檢測接收主要利用隧道二極管［5］、雪崩三極管、高速運算放大器等實現。針對發射端產生的窄脈沖波形特點，本文提出了一種基于高速比較器的窄脈沖檢測電路，并通過仿真和實物測量。測量結果表明，該檢測電路能完成對窄脈沖的檢測，且能恢復出寬度為10.7 ns、幅值為3 V的數字電平信號。

1 系統模型

圖1為一個由發射天線、接收天線、發射機、接收機、調制解調、信源和信宿組成的UWB收發系統。在發射端，信號經基帶處理(如編碼)后進行調制(調幅、調相、位置等)，調制后的脈沖序列驅動UWB脈沖產生器，產生具有超寬帶脈沖波形的脈沖序列，經寬帶天線發射出去。在接收端，接收到的超寬帶信號經過LNA低噪聲放大，送入UWB脈沖檢測電路，恢復出數字電平的信號，經解調后還原出信號。

圖1 IR－UWB收發系統

2 發射端脈沖產生電路設計

2.1 電路原理分析

該系統中發射端最重要的部分是UWB窄脈沖的產生。圖2為UWB脈沖產生電路原理圖，雪崩晶體管BFP420為脈沖產生器的核心元器件，脈沖的產生主要利用它發生雪崩效應這一特性來完成。如圖2所示，電路分為3個部分。電容C2和電阻R2構成方波微分整形電路，對方波進行微分產生短促的脈沖，減少三極管處于雪崩擊穿狀態的時間，使其不會因基極輸入電流持續時間過長而造成損壞。這里C2，R2的取值應適當，時間常數不能大于輸入方波周期的一半。由雪崩三極管BFP420和R1組成開關電路，利用三極管發生雪崩效應這一非常短促的反應時間(最大在數納秒)，使其從截止區迅速轉入雪崩區，等效于一個開關的作用;脈沖波形形成電路由C1和負載R3構成，脈沖的形成就是在三極管發生雪崩效應這一瞬間完成的。

圖2 超寬帶脈沖產生電路

根據三極管的工作狀態變化，該電路工作過程主要分為兩步。一是截止充電過程:當觸發方波上升沿未到來時，Q1無基極電流輸入，處于截止區，但由于一般取VCC接近于BVCEO(基極開路時集電極－發射結間的反向擊穿電壓)，稍小于BVCEO，此時可以看作Q1處于臨界雪崩狀態;VCC通過電阻R1和R3對C1進行充電，由于C1的取值非常小(通常在數納法)，其充電時間很短，充滿后C1兩端電壓約等于VCC。二是雪崩放電過程:當觸發方波上升沿到來，即微分電路有正向脈沖輸出時，Q1有基極電流輸入，迅速發生雪崩擊穿，把集電極電位在瞬間拉低到約為0，已充滿電的C1開始對Q1和負載R3放電(通常R3?R1，忽略此放電過程中VCC對C1的充電)。由于放電前C1左端電壓為正，因此形成的是逆時鐘方向的放電電流，則在負載R3上形成的電壓是負向的。又因為C1非常小，其存儲的電量非常有限，放電電流增大到某臨界點后，會逐漸減小到零，在R3上以該臨界點為界在兩邊分別形成波形下降沿和上升沿。因此最終電路產生的是負向的單脈沖。當放電完成后，電路立即進入截止充電過程，為下一次觸發做準備。

2.2 電路仿真

電路通過Multisim11.0軟件進行仿真，仿真結果如圖3所示。從圖3a中可以看出，觸發方波上升沿來臨時就產生了一個負窄脈沖，而圖3b中顯示，該脈沖的寬度約為0.9 ns、幅度約為7 V。

圖3 產生脈沖仿真圖及其放大圖(截圖)

2.3 電路硬件制作與測試

圖4a為超寬帶脈沖產生電路實物圖。電路板制作采用FR4材料，1.7 mm厚度。觸發輸入方波的幅值為5 V、頻率為1 MHz;電源VCC為12 V;R1為680Ω;C1為5 pF;C2為100 pF;R2為100Ω;R3為50Ω;Q1為RF－BJT三極管BFP420。用Tektronic DPO7354示波器測得波形如圖4b所示，電路產生了脈沖幅度約為1.5 V、脈沖寬度約為3.0 ns的負脈沖，波形與高斯脈沖非常相似。

圖4 脈沖產生電路圖及脈沖波形圖

2.4 測試數據比較

如圖3a和圖4b對比所示，實際電路形成的脈沖波形與仿真得到的波形形狀基本一致，但在脈沖寬度和幅值上有一定的差距，這是由于使用的元器件、電路板制作達不到理想值所帶來的誤差。

3 接收端檢測接收電路設計

3.1 設計與仿真

本文設計一個實驗系統模型，目前研究的是發射端到接收端的直連，未考慮天線傳輸、LNA放大、調制解調等過程，所以在接收端主要研究脈沖檢測電路模塊。采用上述所產生的單脈沖序列作為接收電路的輸入信號(即代表實際天線發射接收、LNA放大后的UWB信號)，并針對該脈沖波形設計出一種簡單的以高速比較器LT1720I為主要元件的檢測電路［6］，如圖5a所示。其中，R2為限流電阻，R1接地為電路提供0 V的參考電平;輸入信號與參考電平作比較進行判決后得到的仿真輸出波形如圖5b所示，波形寬度約為12.4 ns、幅值為5 V。

圖5 脈沖檢測電路及其輸入輸出波形

3.2 電路制作與測量

在仿真過程中電路器件比較理想，噪聲干擾比較小，參考電平為0，實際操作過程中存在各種噪聲，產生了許多干擾信號。具體實現時通過電阻分壓給電路一個約－100 mV的參考電平能明顯減少噪聲干擾的影響。電路實物如圖6a所示。圖6b為實測波形，可以看到，波形1(上面)是電路實際產生的波形，幅值約為3 V，寬度大約在10.7 ns左右，幅度和寬度與仿真得到的數據基本一致。該波形與輸入波形有一定的延遲，這是比較器處理延遲造成的，大約在4 ns左右，與比較器芯片資料上數據是一致的。顯然，該電路能檢測出小到100 mV的信號，并恢復出數字電平信號。

圖6 脈沖檢測實物電路及實測輸入輸出波形

4 結論

本文在理論分析與仿真的基礎上，構建了一個IRUWB脈沖收發系統，并據此完成了UWB脈沖產生和接收檢測電路的制作。經實驗表明，系統能夠產生脈寬不大于3 ns的脈沖，基本滿足UWB要求。另外，在接收端能夠經檢測電路恢復出數字電平信號。

［1］YANG L Q，GIANNAKIS G B.Ultra－wideband communications:an idea whose time has come［J］.IEEE Signal Processing Magazine，2004，21(6):26－54.

［2］AIELLO G R，ROGERSON G D.Ultra－wideband wireless systems［J］.IEEE Microwave Magazine，2003，4(2):36－47.

［3］陳振威，鄭繼禹.基于SRD的超寬帶脈沖產生與設計［J］.桂林電子工業學院學報，2005(5):36－39.

［4］劉文生，高守信.雪崩電路及其應用［J］.電子測量技術，1983(1):42－49.

［5］王俊.脈沖超寬帶信號產生、控制與檢測［D］.合肥:中國科學技術大學，2007:97－98.

［6］康華光.電子技術基礎模擬部分［M］.北京:高等教育出版社，2006:330－341.