摘? 要： 采用PN碼序列滑動(dòng)相關(guān)的方法，給出了一種超寬帶信號(hào)模擬相關(guān)器的設(shè)計(jì)方案。講述了該模擬相關(guān)器各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)過程，并根據(jù)超寬帶信號(hào)的技術(shù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于該模擬相關(guān)器的超寬帶通信系統(tǒng)基帶驗(yàn)證平臺(tái)。
關(guān)鍵詞： 超寬帶；脈沖；時(shí)間積分相關(guān)器；PN碼
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目前在短距離無線通信領(lǐng)域中，一種新技術(shù)引起了人們的廣泛關(guān)注，這就是超寬帶無線通信技術(shù)UWB(Ultra-WideBand)。與藍(lán)牙(bluetooth)、HomeRF以及IEEE 802.11(即Wi-Fi)相比，UWB具有低功耗、高帶寬、低復(fù)雜度的特點(diǎn)，具有對信道衰落不敏感、發(fā)射信號(hào)功率譜密度低、安全性好和定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于室內(nèi)等密集多徑場所的高速無線接入和軍事通信。
本文主要依據(jù)無載波UWB通信技術(shù)的工作原理，實(shí)現(xiàn)了一種超寬帶信號(hào)模擬相關(guān)器的設(shè)計(jì)，并搭建了基于該模擬相關(guān)器的超寬帶通信系統(tǒng)基帶驗(yàn)證平臺(tái)，通過發(fā)送端窄脈沖信號(hào)的擴(kuò)頻調(diào)制以及接收端的擴(kuò)頻解調(diào)，進(jìn)一步驗(yàn)證了該模擬相關(guān)器的性能。
系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
超寬帶信號(hào)模擬相關(guān)器的工作原理是通過不斷調(diào)整本地PN碼相位，利用時(shí)間積分相關(guān)器來實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)的捕獲。圖1是系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖。
在系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案中，“窄脈沖的產(chǎn)生”模塊主要是模擬超寬帶通信系統(tǒng)的接收信號(hào)；“積分清洗電路”的作用是當(dāng)積分器完成一個(gè)信息碼周期的積分累加并將結(jié)果送入A/D轉(zhuǎn)換器后，將積分值清除，為下一次積分做準(zhǔn)備；A/D轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)送入FPGA可編程邏輯器件，由FPGA完成門限值的判決。FPGA可編程邏輯器件的其他功能還包括信息碼的調(diào)制解調(diào)等。
????工作時(shí)首先在一定范圍內(nèi)選定一個(gè)初始相位，在這個(gè)初始相位下將本地PN碼序列和輸入的接收信號(hào)相乘，再進(jìn)行一個(gè)信息碼周期的積分累加。然后將結(jié)果與事先設(shè)定的門限進(jìn)行比較，如果符合門限要求則開始接收信號(hào)的擴(kuò)頻解調(diào)；如果不符合門限要求則本地碼序列移動(dòng)一定數(shù)量的碼片，重復(fù)上述過程。
硬件電路設(shè)計(jì)
相關(guān)模板信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)
由于在超寬帶信號(hào)模擬相關(guān)器中，模擬乘法器和高速A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號(hào)的電平幅度有要求，因此產(chǎn)生好的窄脈沖信號(hào)不能直接進(jìn)入相關(guān)器，需要進(jìn)行相關(guān)模板信號(hào)的轉(zhuǎn)換。模擬乘法器(AD835)對輸入信號(hào)電平的要求是-1V～+1V，這樣相關(guān)模板信號(hào)轉(zhuǎn)換的工作就是將窄脈沖信號(hào)的電平調(diào)整到該范圍中。具體方案是：通過高速運(yùn)算放大器對窄脈沖信號(hào)作電平加減和縮放運(yùn)算。
系統(tǒng)選擇了ADI公司的AD8002AR 。AD8002AR是低功耗、高速電流反饋型運(yùn)算放大器[1]。信號(hào)帶寬可達(dá)600MHz，轉(zhuǎn)換速率1200V/μs。若窄脈沖幅度范圍在-0.5V～+2.2V之間，可以計(jì)算出中心點(diǎn)電平為0.85V。用運(yùn)放先將最低點(diǎn)電平移至0V，再將信號(hào)整體縮放到0V～+1V之間。圖2是其信號(hào)轉(zhuǎn)換電路原理圖。
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模擬乘法器的設(shè)計(jì)
模擬乘法器中選擇AD835。其主要性能指標(biāo)如下[2]：工作帶寬250MHz；模擬輸入范圍為±1Ｖ；帶符號(hào)差分輸入方式，輸出按四象限乘法結(jié)果表示；信號(hào)建立時(shí)間20ns；轉(zhuǎn)換速率1000V/μs。模擬乘法器AD835的功能原理框圖如圖3所示。圖4是AD835的典型應(yīng)用電路圖。
由電路圖的連接關(guān)系，可以列出輸出信號(hào)W的表達(dá)式：
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因器件的固有特性，一般U取值為1.05V，為了能讓U′=1V，經(jīng)過計(jì)算可以得出R1的阻值應(yīng)是R2阻值的20倍以上，根據(jù)圖4中的參數(shù)，R1=2kΩ，通過調(diào)整的R2的阻值為200Ω，U′的取值范圍應(yīng)在0.95V～1.05V之間。
相關(guān)積分器的設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的相關(guān)積分器由積分器、積分清洗器和A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路三部分組成。下面分別講述它們的設(shè)計(jì)過程。
積分器的設(shè)計(jì)
圖5是采用電容性負(fù)載的Howland電流源，亦稱“Deboo”積分器[3]。這是一種采用雙極或單極電源的非反相積分器，具有以地為基準(zhǔn)電位的輸入和輸出。本系統(tǒng)對積分器的要求是頻率響應(yīng)快、積分精度高。為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)實(shí)際電路時(shí)，通過增加匹配反饋電路對“Deboo”積分器作了進(jìn)一步改進(jìn)。圖6是改進(jìn)后的“Deboo”積分器電路。改進(jìn)后的電路采用相匹配的雙運(yùn)放結(jié)構(gòu)，與單運(yùn)放相比能很好地彌補(bǔ)因器件固有特性引起的偏差，這里的運(yùn)算放大器選用ADI公司的AD8004AR。
積分清洗器的設(shè)計(jì)
積分清洗器的作用是在相關(guān)器完成一個(gè)PN碼周期的積分后打開積分清洗器，釋放積分電容上的電荷，為下一次積分作準(zhǔn)備。在設(shè)計(jì)中主要考慮以下兩點(diǎn)：一是清洗時(shí)間要盡可能短；二是清洗要徹底。在本系統(tǒng)中，一個(gè)占空比為12.5%的窄脈沖信號(hào)，周期是32ns，開關(guān)電路的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在32ns內(nèi)能完成一次清洗動(dòng)作。通過測試，選用ADI公司的模擬開關(guān)ADG749BKS，它是單刀雙擲單片集成高速CMOS模擬開關(guān)，主要性能參數(shù)如下[4]：導(dǎo)通電阻RON=2.5Ω；導(dǎo)通平滑阻抗RFLAT(ON)=0.75Ω；信號(hào)建立時(shí)間tON=7ns、tOFF=3ns。
根據(jù)ADG749BKS的邏輯控制關(guān)系和改進(jìn)后的“Deboo”積分器電路，設(shè)計(jì)的積分清洗電路如圖7所示。充電電阻R的輸入端Vin與模擬乘法器的輸出端相連接，另一端連接模擬開關(guān)的S2；ADG749BKS的1腳邏輯控制端IN與FPGA相連接；積分電容C與模擬開關(guān)的公共端D以及“Deboo”積分器電路相連接。在滑動(dòng)相關(guān)器開始工作的同時(shí)，F(xiàn)PGA控制端輸出高電平，模擬開關(guān)斷開S1，接通S2，這樣相關(guān)結(jié)果通過充電電阻R和模擬開關(guān)導(dǎo)通電阻RON對積分電容C進(jìn)行充電，“Deboo”積分器電路開始工作。在積分時(shí)間接近一個(gè)PN碼周期的結(jié)束時(shí)刻，F(xiàn)PGA控制端再次輸出低電平時(shí)，接通S1，斷開S2，在非常短的時(shí)間內(nèi)釋放掉積分電容C上的電荷，完成積分清洗工作。
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高速A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)
由于本系統(tǒng)低占空比窄脈沖信號(hào)在相關(guān)積分時(shí)，有效積分時(shí)間短，積分結(jié)果不宜分辨，因此模數(shù)轉(zhuǎn)換器件的量化精度越高越好。系統(tǒng)選用ADI公司的AD9059。AD9059是8-bit單片雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器[5]，主要由2個(gè)跟蹤/保持電路(T/H)、2個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADCA、ADCB)和一個(gè)2.5V的基準(zhǔn)電源等組成，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，使用了AD9059的一個(gè)轉(zhuǎn)換通道，編碼時(shí)鐘ENCODE的信號(hào)由FPGA編程產(chǎn)生。當(dāng)PN碼序列開始滑動(dòng)相關(guān)積分后就啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，在積分的過程中模數(shù)轉(zhuǎn)換電路一直工作，在積分清洗器發(fā)出清洗脈沖的同一時(shí)刻，F(xiàn)PGA讀入A/D轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)，進(jìn)行門限判決。
模擬相關(guān)器的實(shí)現(xiàn)和測試
窄脈沖生成和相關(guān)積分器的實(shí)現(xiàn)和測試
本系統(tǒng)采用可編程邏輯器件，通過編程的方法實(shí)現(xiàn)窄脈沖的產(chǎn)生。窄脈沖實(shí)測波形如圖8所示。其有效脈沖寬度約4～5ns，占空比12.5%，與仿真結(jié)果十分符合。根據(jù)積分的時(shí)間定為32個(gè)窄脈沖的總體時(shí)間，即32×32=1 024ns。模擬開關(guān)電路保護(hù)電阻R5的取值略大于導(dǎo)通電阻RON約10Ω。概略計(jì)算出積分電容C的容值和充電電阻R的阻值，這里C=330pF，R=5.1kΩ。積分清洗的實(shí)測波形如圖9所示，其中曲線1代表積分波形，曲線2代表模擬開關(guān)邏輯控制端IN的清洗脈沖。從曲線1的變化可以看出積分清洗的效果非常理想，在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)積分電容C上的電荷能夠完全釋放。
模擬相關(guān)器的全系統(tǒng)測試發(fā)端信息碼擴(kuò)頻調(diào)制
本系統(tǒng)針對超寬帶通信的特點(diǎn)，采用無載波的調(diào)制方案，即信息碼與PN碼序列運(yùn)算后，產(chǎn)生的擴(kuò)頻序列不經(jīng)過載波調(diào)制而直接發(fā)送出去。圖10是發(fā)端信息碼擴(kuò)頻調(diào)制原理框圖。
????PN碼序列的周期定為32位，信息碼由FPGA編程產(chǎn)生，信息速率為一個(gè)PN碼序列周期，即125/(4×32)=0.976 562 5MHz。在已經(jīng)產(chǎn)生的m序列中，每一符號(hào)位的周期是32ns，占空比100%。如圖11所示，將m序列同窄脈沖相與，由于窄脈沖的周期是32ns，占空比12.5%，當(dāng)m序列的符號(hào)位為邏輯1時(shí)，即可得到相同特征的窄脈沖。由于在m序列的符號(hào)位為邏輯0時(shí)，兩信號(hào)相與后窄脈沖被平滑掉了，這樣在進(jìn)行相關(guān)積分時(shí)，有效的積分區(qū)域相應(yīng)減小，不利于門限判決。
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本系統(tǒng)對上述方案進(jìn)行了改進(jìn)。在m序列的符號(hào)位為邏輯1時(shí)，維持原設(shè)計(jì)方案；在m序列的符號(hào)位為邏輯0時(shí)，將窄脈沖的位置向后時(shí)延20ns。根據(jù)脈沖位置的不同可以生成兩種形式的PN碼序列模板：“塊0模板”和“塊1模板”。它們的區(qū)別在于“塊0模板”中邏輯1對應(yīng)的脈沖位置，在“塊1模板”中由邏輯0對應(yīng)的脈沖位置來表示。
圖11是使用Quartus II進(jìn)行仿真的波形，圖中信號(hào)impulse表示m序列，信號(hào)source表示PN碼序列模板中的“塊0模板”。信號(hào)pncode表示PN碼序列模板中的“塊1模板”。在發(fā)端信息碼擴(kuò)頻調(diào)制時(shí)，當(dāng)信息碼的符號(hào)位為0時(shí)，發(fā)送“塊0模板”序列；當(dāng)信息碼的符號(hào)位為1時(shí)，則發(fā)送“塊1模板”序列。
收端信息碼擴(kuò)頻解調(diào)
為能在滑動(dòng)相關(guān)中取得最大相關(guān)峰，根據(jù)PN碼序列相關(guān)模板信號(hào)寬度的統(tǒng)計(jì)分析，相關(guān)模板信號(hào)的寬度設(shè)計(jì)與接收到的PN碼序列信號(hào)寬度相當(dāng)。PN碼序列的周期是32位，一次相關(guān)積分的時(shí)間為1 024ns。
在解調(diào)過程中，每次相位滑動(dòng)的幅度定為一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，即8ns。模擬信元和本地PN碼序列相關(guān)模板信號(hào)由不同的編程模塊產(chǎn)生，而且信號(hào)發(fā)出的啟始時(shí)刻不相同。接收端采用不斷改變本地PN碼序列啟動(dòng)時(shí)延的方法，實(shí)現(xiàn)相位滑動(dòng)。解調(diào)時(shí)，當(dāng)模擬信元和本地PN碼序列不相關(guān)時(shí)，積分器的輸出結(jié)果基本保持在同一電壓范圍；當(dāng)本地PN碼序列的相位滑動(dòng)到與模擬信元一致時(shí)，會(huì)有相關(guān)峰出現(xiàn)。
圖12中曲線1表示“塊0模板”的實(shí)測信號(hào)波形。曲線2表示“塊1模板”的實(shí)測信號(hào)波形。圖13表示本地PN碼序列采用“塊0模板”時(shí)，實(shí)際測試的信息碼解調(diào)波形和其對應(yīng)的積分情況。曲線1表示解調(diào)出的01010101測試信號(hào)波形；曲線2表示每位解調(diào)出的符號(hào)對應(yīng)相關(guān)積分的情況。從圖中可以看到，發(fā)端發(fā)送符號(hào)0時(shí)，當(dāng)本地“塊0模板”的PN碼序列的相位同發(fā)端符號(hào)0序列的相位一致時(shí)，相關(guān)積分結(jié)果出現(xiàn)相關(guān)峰。
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通過基于該模擬相關(guān)器的超寬帶通信系統(tǒng)基帶驗(yàn)證平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)端窄脈沖信號(hào)的擴(kuò)頻調(diào)制以及收端的擴(kuò)頻解調(diào)，實(shí)際的測試結(jié)果與理論分析相符，進(jìn)一步驗(yàn)證該模擬相關(guān)器的性能符合設(shè)計(jì)要求。
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參考文獻(xiàn)
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