Chirp_UWB通信系統(tǒng)中寬帶鎖相環(huán)接收機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)-Chirp-UWB

1、Chirp-UWB 通信系統(tǒng)中鎖相解調(diào)接收機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)唐展波,樊孝明,吳政,李昂(桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院 廣西 桂林 541004摘 要: Chirp-UWB 信號(hào)以其強(qiáng)抗干擾、低功耗、低時(shí)延、抗多徑效應(yīng)等能力,在無線通信中有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)開始吸引更多的關(guān)注。接收機(jī)是Chirp-UWB 通信系統(tǒng)中的重要組成部分,然而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、復(fù)雜度低的接收機(jī)設(shè)計(jì)一直是Chirp-UWB 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵之一。根據(jù)Chirp-UWB 信號(hào)的特性,研究并設(shè)計(jì)了一種Chirp-UWB 信號(hào)的寬帶鎖相解調(diào)電路。實(shí)驗(yàn)表明:鎖相環(huán)解調(diào)Chirp-UWB 信號(hào)的接收機(jī)具有易于實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)解調(diào)可靠、電路成本低等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)

2、鍵字:Chirp ;UWB ;寬帶;PLL中圖分類號(hào): 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: 文章編號(hào):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(shù)被認(rèn)為是未來短距離無線通信最理想的技術(shù)。Chirp-UWB 信號(hào)是瞬時(shí)頻率隨時(shí)間做線性變化的正弦波信號(hào),頻譜帶寬較大,具有良好的自相關(guān)性,經(jīng)過匹配濾波器后信號(hào)寬度壓縮,不存在峰均功率比(PAPR 等特點(diǎn)開始吸引更多的關(guān)注4。然而設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單復(fù)雜度低的Chirp-UWB 系統(tǒng)接收機(jī)一直是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。對(duì)Chirp-UWB 信號(hào)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(diǎn),本文

6、研究和設(shè)計(jì)了一種基于電荷泵的寬帶PLL 解調(diào)Chirp-OOK 調(diào)制信號(hào)的方案。通過試驗(yàn)表明:采用鎖相環(huán)解調(diào)Chirp-UWB 信號(hào)具有抗干擾能力強(qiáng)、電路簡(jiǎn)單、發(fā)射功率低、傳輸距離遠(yuǎn)、同步實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單和多徑分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。2 Chirp-OOK 調(diào)制信號(hào)發(fā)射Chirp 信號(hào)的表達(dá)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(shí)寬, 為調(diào)頻斜率,2/B T =,B 為調(diào)頻帶寬。發(fā)射機(jī)采用Chirp-OOK 調(diào)制,在發(fā)送碼元“1”時(shí),整個(gè)碼元周期內(nèi)信號(hào)頻率從

7、580MHz 到710MHz 連續(xù)變化;發(fā)送碼元“0”時(shí),信號(hào)在整個(gè)碼元周期內(nèi)保持580MHz 的單一頻率。從而實(shí)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(shí)際發(fā)射信號(hào)頻譜如圖1所示。 圖1:實(shí)測(cè)發(fā)射信號(hào)頻譜圖3 PLL 解調(diào)電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)根據(jù)發(fā)射機(jī)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(hào)0(s t 的相位可以跟蹤輸入信號(hào)( 圖2 接收機(jī)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(xué)模型1,2,如圖3所示。 圖3 鎖相環(huán)的線性化相位框圖設(shè)信號(hào)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(hào)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(shí)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(shí)一般性設(shè)/(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(duì)4式進(jìn)行傅里葉變換得(m c K U j H j

9、M j K = (5 當(dāng)環(huán)路工作在調(diào)制跟蹤狀態(tài)時(shí),在基帶信號(hào)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(dá)到解調(diào)的目的。(c u t 3.2 環(huán)路參數(shù)的設(shè)計(jì)鎖相環(huán)解調(diào)的成功與否,關(guān)鍵在于環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì),環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)的好壞將直接影響到后續(xù)電路的信號(hào)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(hào)為相位加速度信號(hào),要想環(huán)路能跟蹤上這類信號(hào)那么環(huán)路濾波器必須含有理想的積分環(huán)節(jié),此時(shí)的環(huán)路為二型環(huán)。采用電荷泵輸出的鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)易于設(shè)計(jì)成比較理想的二型環(huán)。故這類鎖相環(huán)得到了廣泛的應(yīng)用。然而在設(shè)計(jì)環(huán)路濾波器之前必

10、須首先確定環(huán)路濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),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(jiǎn)單,帶內(nèi)噪聲少的優(yōu)點(diǎn),然而在一些應(yīng)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(dá)到設(shè)計(jì)所需的要求時(shí),這時(shí)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示3。 圖4 環(huán)路濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 對(duì)于三階環(huán)路濾波器,雖然這類環(huán)路濾波器中運(yùn)放所處的位置不同阻抗計(jì)算的方法有所不同,但在圖4所示的結(jié)構(gòu)中,由于運(yùn)放的隔離作用,可以很方便準(zhǔn)確的表示出極點(diǎn)、零點(diǎn)與元件的關(guān)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(shè)通過編程使電荷泵的輸出為負(fù)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(shè)計(jì)的具體指標(biāo)預(yù)先指定

12、一個(gè)合理的值,對(duì)三階以上的高階環(huán)路工程設(shè)計(jì)中通常取開環(huán)增益過零點(diǎn)處的頻率作為設(shè)計(jì)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(shí)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(dǎo)數(shù)等于0,在推導(dǎo)上面式(10時(shí)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(jì)算和仿真就可以得到的值。1,2,2,3,3C R C R C 應(yīng)當(dāng)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(yùn)放可以提高輸出電壓和增益,但同時(shí)還會(huì)引入熱噪聲和附加相移。一個(gè)選擇不理想的運(yùn)放可以很容易的使相位噪聲增加10dB ,而運(yùn)放在某個(gè)設(shè)計(jì)所期望的放大倍數(shù)上引入的附加相移將嚴(yán)重影響環(huán)路的穩(wěn)定性,使得按穩(wěn)定參數(shù)設(shè)計(jì)出來的環(huán)路可能無法正常工作。隨著集成運(yùn)放的發(fā)展,運(yùn)放的附加相移可以是正的也可以是負(fù)的,如AD8047在設(shè)計(jì)所期望的放大倍數(shù)上將引入負(fù)的附加相移;MAX4414在設(shè)計(jì)所期望的放大倍數(shù)上將引入正的附加相移;因此,在設(shè)置相位裕度時(shí),要認(rèn)真考慮運(yùn)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(yùn)放為理想運(yùn)放,即運(yùn)放在環(huán)路中只是引入一個(gè)增益而不帶來其它的任何附加影響。但實(shí)際的運(yùn)放不可能滿足設(shè)計(jì)的要求,因此期望運(yùn)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(gè)比較合理的選擇。4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析設(shè)計(jì)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(hào)的中心頻率645MHz ,鑒相頻率設(shè)計(jì)為20MHz ,壓控靈敏度043.3/K MHz V =?？紤]到實(shí)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(yīng)該在碼元速率附近來選擇所需的環(huán)路

15、帶寬,為此實(shí)驗(yàn)測(cè)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(duì)信號(hào)解調(diào)的影響。在這些條件不變的情況下,測(cè)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(cè)試結(jié)果從上表中可以看出,環(huán)路帶寬越窄對(duì)應(yīng)同步帶和捕獲帶都窄,使得信號(hào)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?？紤]到上述情況實(shí)驗(yàn)選取環(huán)路帶寬c 為2MHz 來設(shè)計(jì)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(diǎn)對(duì)應(yīng)的相位裕

16、度大于,因此環(huán)路在帶寬060c 設(shè)計(jì)在2MHz 時(shí)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(shí)測(cè)解調(diào)的波形如下圖6所示。 圖6 發(fā)送隨機(jī)碼字對(duì)應(yīng)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(shí)不能快速的下降到0,這是由于發(fā)射機(jī)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(shí)際中運(yùn)放帶寬的限制使得產(chǎn)生的鋸齒波不可能從最高點(diǎn)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(hào)的解調(diào)。實(shí)驗(yàn)中采用電荷泵結(jié)構(gòu)的鎖相環(huán)其輸出是正負(fù)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(shí)電容放電不充分而一直保持為高電平,但是這實(shí)際上不影響解調(diào)的過程。相反可以利用這個(gè)特性來解調(diào)信號(hào),實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的圖6很好的反映了分析的結(jié)果。5 結(jié)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(hào)不僅與相位誤差e 有關(guān),在未達(dá)到捕獲狀態(tài)時(shí)也與頻率誤差12=有關(guān)。因而它的捕獲帶寬,捕捉時(shí)間短,線性范圍大,所以利用它的這些特性設(shè)計(jì)的寬帶鎖相環(huán)完全有可能跟蹤輸入信號(hào)的變化。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示接收機(jī)檢波輸出與仿真結(jié)果相符合,且檢波器輸出峰值動(dòng)態(tài)范圍較大,利于判決電路選擇合適門限。當(dāng)發(fā)射功率為-9dBm 時(shí)傳輸距離能達(dá)到5米,碼元速率達(dá)到2Mbps ,數(shù)據(jù)傳輸基本正確。實(shí)驗(yàn)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),適合于復(fù)雜多徑環(huán)境下的超寬帶遠(yuǎn)距離傳輸。 參考文獻(xiàn):1 張厥盛,鄭繼禹,萬心平. 鎖相技術(shù)M. 西安:西安電子科技大學(xué)出版社, 2003.2 鄭繼禹,林基明編著.