Chirp_UWB通信系統(tǒng)中寬帶鎖相環(huán)接收機的設計與實現(xiàn)-Chirp-UWB

1、Chirp-UWB 通信系統(tǒng)中鎖相解調(diào)接收機的設計與實現(xiàn)唐展波,樊孝明,吳政,李昂(桂林電子科技大學 信息與通信學院 廣西 桂林 541004摘 要: Chirp-UWB 信號以其強抗干擾、低功耗、低時延、抗多徑效應等能力,在無線通信中有其獨特的優(yōu)勢開始吸引更多的關注。接收機是Chirp-UWB 通信系統(tǒng)中的重要組成部分,然而結構簡單、復雜度低的接收機設計一直是Chirp-UWB 系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵之一。根據(jù)Chirp-UWB 信號的特性,研究并設計了一種Chirp-UWB 信號的寬帶鎖相解調(diào)電路。實驗表明:鎖相環(huán)解調(diào)Chirp-UWB 信號的接收機具有易于實現(xiàn)、數(shù)據(jù)解調(diào)可靠、電路成本低等優(yōu)點。關

2、鍵字:Chirp ;UWB ;寬帶;PLL中圖分類號: 文獻標識碼: 文章編號:Design and Implementation of a PLL Demodulation Receiver inChirp-UWB Communication SystemsTang zhanbo ,Fan Xiaoming ,Wu Zheng ,Li Ang(School of Information and Communication, Guilin University of Electronic Technology, Guangxi Guilin 541004,China Abstract :Bec

3、ause of good performances such as strong anti-interference ability, low-power consumption, anti-multipath effect and so on, Chirp-UWB signal become to attract more and more attention. Receiver is an important part of Chirp-UWB communication system. However, the design of a simple-structure, low-comp

4、lexity receiver is one of the key factors in Chirp-UWB system. According to the characteristics of chirp-UWB signals ,a demodulation circuit of wideband PLL is designed . The results show that the PLL demodulation receiver of Chirp-UWB signal has many advantages, for instance, easy to implement, rel

5、iable data demodulation, low-cost circuit.Key words : Chirp ;UWB ;Broadband ;PLL1 引言目前,超寬帶(UWB無線傳輸技術被認為是未來短距離無線通信最理想的技術。Chirp-UWB 信號是瞬時頻率隨時間做線性變化的正弦波信號,頻譜帶寬較大,具有良好的自相關性,經(jīng)過匹配濾波器后信號寬度壓縮,不存在峰均功率比(PAPR 等特點開始吸引更多的關注4。然而設計結構簡單復雜度低的Chirp-UWB 系統(tǒng)接收機一直是設計的難點之一。對Chirp-UWB 信號的解調(diào)中多采用匹配濾波的方法,但是該方法具有靈活性差且成本高等缺點,本文

6、研究和設計了一種基于電荷泵的寬帶PLL 解調(diào)Chirp-OOK 調(diào)制信號的方案。通過試驗表明:采用鎖相環(huán)解調(diào)Chirp-UWB 信號具有抗干擾能力強、電路簡單、發(fā)射功率低、傳輸距離遠、同步實現(xiàn)簡單和多徑分辨率高等優(yōu)點。2 Chirp-OOK 調(diào)制信號發(fā)射Chirp 信號的表達式為:2201(cos(,2T i u t t d t t t =+ (1 其中為發(fā)送的基帶數(shù)據(jù),即(d t 1,1(0,0d t =發(fā)送碼字發(fā)送碼字 (2式中:0為中心頻率,T 為基帶脈沖的時寬, 為調(diào)頻斜率,2/B T =,B 為調(diào)頻帶寬。發(fā)射機采用Chirp-OOK 調(diào)制,在發(fā)送碼元“1”時,整個碼元周期內(nèi)信號頻率從

7、580MHz 到710MHz 連續(xù)變化;發(fā)送碼元“0”時,信號在整個碼元周期內(nèi)保持580MHz 的單一頻率。從而實現(xiàn)Chirp-OOK 調(diào)制,其中心頻率為645MHz ,帶寬B=130MHz ,符合FCC 規(guī)定的超寬帶定義。其中實際發(fā)射信號頻譜如圖1所示。 圖1:實測發(fā)射信號頻譜圖3 PLL 解調(diào)電路的設計與實現(xiàn)根據(jù)發(fā)射機的調(diào)制方式,文中提出了基于調(diào)制跟蹤環(huán)的解調(diào)方案,其原理框圖如下圖2所示。在該方案中讓鎖相環(huán)(PLL 工作在調(diào)制跟蹤狀態(tài),那么VCO 的輸出信號0(s t 的相位可以跟蹤輸入信號( 圖2 接收機原理框圖3.1 PLL 解調(diào)工作原理 為了分析鎖相環(huán)(PLL 解調(diào)的工作原理,首先必

8、須建立PLL 的線性化相位數(shù)學模型1,2,如圖3所示。 圖3 鎖相環(huán)的線性化相位框圖設信號經(jīng)過空間傳輸后只是在幅度上引入衰減而沒有其它的失真,那么在接收端收到的信號可以表示成: 0(cos(i i s t a t t t =+ (3式中為(/m i t K m t p =(i s t 的瞬時相位偏移,其中m K 為(i s t 的調(diào)頻靈敏度,單位為。為分析方便且不實一般性設/(rad s V i 1,1R N =。由圖3可得0(1(1d m c m d K F p K u t K m t H p m t K K F p p K p=+ (4 對4式進行傅里葉變換得(m c K U j H j

9、M j K = (5 當環(huán)路工作在調(diào)制跟蹤狀態(tài)時,在基帶信號的頻率范圍內(nèi),(1H j ,故有(m c K U j M j K 。即: 0(m c K u t m t K (6 可見,直接由輸出達到解調(diào)的目的。(c u t 3.2 環(huán)路參數(shù)的設計鎖相環(huán)解調(diào)的成功與否,關鍵在于環(huán)路濾波器的設計,環(huán)路濾波器設計的好壞將直接影響到后續(xù)電路的信號處理。由于環(huán)路要工作在調(diào)制跟蹤狀態(tài),而環(huán)路的輸入信號為相位加速度信號,要想環(huán)路能跟蹤上這類信號那么環(huán)路濾波器必須含有理想的積分環(huán)節(jié),此時的環(huán)路為二型環(huán)。采用電荷泵輸出的鎖相環(huán)結構易于設計成比較理想的二型環(huán)。故這類鎖相環(huán)得到了廣泛的應用。然而在設計環(huán)路濾波器之前必

10、須首先確定環(huán)路濾波器的拓撲結構,在帶電荷泵輸出的鎖相環(huán)中多采用無源環(huán)路濾波器,與有源環(huán)路濾波器相比它具有低廉,電路簡單,帶內(nèi)噪聲少的優(yōu)點,然而在一些應用中由于VCO 需要更高的調(diào)諧電壓,而PLL 的電荷泵的輸出電壓不能達到設計所需的要求時,這時就必須使用有源環(huán)路濾波器來滿足所需的控制電壓。為了更好的降低由于有源器件的引入而增加的帶內(nèi)噪聲,典型的有源三階環(huán)路濾波器其拓撲結構如圖4所示3。 圖4 環(huán)路濾波器拓撲結構 對于三階環(huán)路濾波器,雖然這類環(huán)路濾波器中運放所處的位置不同阻抗計算的方法有所不同,但在圖4所示的結構中,由于運放的隔離作用,可以很方便準確的表示出極點、零點與元件的關系。采用這類環(huán)路濾

11、波器的阻抗都可以表示成如下的通用形式:12(11(13sT A Z s sCt sT sT +=+ (7 由于選擇的電荷泵器件是可編程的,因此可以通過編程來選擇電荷泵輸出極性。假設通過編程使電荷泵的輸出為負極性,則開環(huán)環(huán)路增益為0212(11(13dK K A sT G s Ns Ct sT sT +=+(8 式中: Ct = (9 31sec tan 111c T T =+,231121(1c T T T =+, (10 3131T T T =為了求解環(huán)路參數(shù)必須確定Ct 、環(huán)路帶寬31T c 和相位裕度的值;的范圍通常在01之間,常取0.8。而31T c 、的值則根據(jù)設計的具體指標預先指定

12、一個合理的值,對三階以上的高階環(huán)路工程設計中通常取開環(huán)增益過零點處的頻率作為設計的環(huán)路帶寬c ,相位裕度通常取(3060度之間,令開環(huán)環(huán)路增益在環(huán)路帶寬頻率處模值為1求得值后,則可以按照下式得到實際使用的元件值。Ct1121,21,2,3222T T T C Ct C Ct R R T T C =33T C (11 利用相位裕度在環(huán)路帶寬c 處的導數(shù)等于0,在推導上面式(10時引入了tan(,arg tan(x x x =x 近似。而值的選取必須大于VCO 的輸入電容值,以至于不影響VCO 的輸入電容并能有效的濾除有源器件引入的熱噪聲,通常取3C 31VCO C C C <5。根據(jù)已知的

13、參數(shù)通過計算和仿真就可以得到的值。1,2,2,3,3C R C R C 應當指出,由于環(huán)路采用的是有源環(huán)路濾波器,環(huán)路中加入運放可以提高輸出電壓和增益,但同時還會引入熱噪聲和附加相移。一個選擇不理想的運放可以很容易的使相位噪聲增加10dB ,而運放在某個設計所期望的放大倍數(shù)上引入的附加相移將嚴重影響環(huán)路的穩(wěn)定性,使得按穩(wěn)定參數(shù)設計出來的環(huán)路可能無法正常工作。隨著集成運放的發(fā)展,運放的附加相移可以是正的也可以是負的,如AD8047在設計所期望的放大倍數(shù)上將引入負的附加相移;MAX4414在設計所期望的放大倍數(shù)上將引入正的附加相移;因此,在設置相位裕度時,要認真考慮運放附加相移的影響,否則環(huán)路可能

14、產(chǎn)生不穩(wěn)定。通常期望在環(huán)路濾波器中加入的運放為理想運放,即運放在環(huán)路中只是引入一個增益而不帶來其它的任何附加影響。但實際的運放不可能滿足設計的要求,因此期望運放的輸入阻抗足夠大,輸出阻抗足夠小,噪聲系數(shù)低,在所期望的放大倍數(shù)上引入較小或者不引入附加相移,那么AD 公司的AD820和AD823將是一個比較合理的選擇。4 實驗結果與分析設計中采用ADF4112作為鑒相器,將鎖相環(huán)的中心頻率選擇為發(fā)射信號的中心頻率645MHz ,鑒相頻率設計為20MHz ,壓控靈敏度043.3/K MHz V =?？紤]到實際發(fā)送的碼元速率為2MHz ,而環(huán)路工作在調(diào)制跟蹤狀態(tài),那么應該在碼元速率附近來選擇所需的環(huán)路

15、帶寬,為此實驗測試了4組數(shù)據(jù),并以此觀察在不同環(huán)路帶寬的條件下,環(huán)路對信號解調(diào)的影響。在這些條件不變的情況下,測試了環(huán)路帶寬c 分別為500KHz ,1.5Mhz ,2MHz 和4MHz 表1 不同環(huán)路帶寬下環(huán)路的參數(shù)測試結果從上表中可以看出,環(huán)路帶寬越窄對應同步帶和捕獲帶都窄,使得信號跟蹤不上環(huán)路的最低和最高端的頻率從而產(chǎn)生失真。相反如果環(huán)路的帶寬大環(huán)路的同步帶和捕獲帶大,但是環(huán)路的信噪比下降使得環(huán)路容易受干擾而產(chǎn)生不穩(wěn)定。考慮到上述情況實驗選取環(huán)路帶寬c 為2MHz 來設計環(huán)路的具體元件參數(shù)。并在該參數(shù)下仿真了環(huán)路的開環(huán)頻率和相位曲線如下圖5所示。從圖可以看出環(huán)路開環(huán)增益過零點對應的相位裕

16、度大于,因此環(huán)路在帶寬060c 設計在2MHz 時系統(tǒng)是穩(wěn)定的。 圖5 環(huán)路的開環(huán)頻率和相位曲線 在環(huán)路在帶寬c 為2MHz 的條件下,利用安捷倫數(shù)字示波器實測解調(diào)的波形如下圖6所示。 圖6 發(fā)送隨機碼字對應的解調(diào)波形圖 從解調(diào)的波形圖可以看出,環(huán)路在發(fā)送連“1”碼字時不能快速的下降到0,這是由于發(fā)射機采用的是直接調(diào)制方式,利用DA 芯片產(chǎn)生的鋸齒波形去作為VCO 的控制電壓來改變VCO 頻率變化,然而實際中運放帶寬的限制使得產(chǎn)生的鋸齒波不可能從最高點電壓快速的下降到所需的低電平因而產(chǎn)生拖尾,但這不影響到信號的解調(diào)。實驗中采用電荷泵結構的鎖相環(huán)其輸出是正負脈沖,經(jīng)過環(huán)路后,由于環(huán)路的積分作用,

17、環(huán)路中電容的充放電跟不上碼字的變化速度,使得發(fā)送碼字在發(fā)送一連串的碼字“1”時電容放電不充分而一直保持為高電平,但是這實際上不影響解調(diào)的過程。相反可以利用這個特性來解調(diào)信號,實驗測試得到的圖6很好的反映了分析的結果。5 結論由于電荷泵型鑒相器與傳統(tǒng)的鑒相器有很大的不同,電荷泵的輸出信號不僅與相位誤差e 有關,在未達到捕獲狀態(tài)時也與頻率誤差12=有關。因而它的捕獲帶寬,捕捉時間短,線性范圍大,所以利用它的這些特性設計的寬帶鎖相環(huán)完全有可能跟蹤輸入信號的變化。實驗測試結果顯示接收機檢波輸出與仿真結果相符合,且檢波器輸出峰值動態(tài)范圍較大,利于判決電路選擇合適門限。當發(fā)射功率為-9dBm 時傳輸距離能達到5米,碼元速率達到2Mbps ,數(shù)據(jù)傳輸基本正確。實驗表明,采用Chirp-UWB 的數(shù)字通信系統(tǒng)具有發(fā)射功率低、信源速率高、抗干擾能力強等優(yōu)點,適合于復雜多徑環(huán)境下的超寬帶遠距離傳輸。 參考文獻:1 張厥盛,鄭繼禹,萬心平. 鎖相技術M. 西安:西安電子科技大學出版社, 2003.2 鄭繼禹,林基明編著.