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        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)

        2011-05-17 09:08:42唐展波樊孝明
        關(guān)鍵詞:電荷泵碼元開(kāi)環(huán)

        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)

        目前,超寬帶(UWB)無(wú)線傳輸技術(shù)被認(rèn)為是未來(lái)短距離無(wú)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,因具有良好的自相關(guān)性、經(jīng)過(guò)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(kāi)始吸引更多的關(guān)注[1]。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。

        1 Chirp-OOK調(diào)制信號(hào)

        發(fā)射Chirp信號(hào)的表達(dá)式為:

        其中d(t)為發(fā)送的基帶數(shù)據(jù),即

        式中,ω0為中心頻率,T為基帶脈沖的時(shí)寬,μ為調(diào)頻斜率,μ=2πB/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580 MHz~710 MHz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580 MHz的單一頻率,從而實(shí)現(xiàn)Chirp-OOK調(diào)制,其中心頻率為645 MHz,帶寬B=130 MHz,符合FCC規(guī)定的超寬帶定義。其中實(shí)測(cè)發(fā)射信號(hào)頻譜如圖1所示。

        2 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),使VCO的輸出信號(hào)s0(t)的相位可以跟蹤輸入信號(hào)si(t)的相位,從而達(dá)到解調(diào)的目的。

        2.1 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,首先必須建立 PLL的線性化相位數(shù)學(xué)模型[2,3],如圖 3所示。

        設(shè)信號(hào)經(jīng)過(guò)空間傳輸后只是在幅度上引入衰減而沒(méi)有其他的失真,則在接收端收到的信號(hào)可以表示成:

        式中θi(t)=Kmm(t)/p為 si(t)的瞬時(shí)相位偏移,其中Km為si(t)的調(diào)頻靈敏度,單位為rad/(s·V)。為分析方便且不失一般性,設(shè)R=1,N=1。由圖3可得

        對(duì)式(4)進(jìn)行傅里葉變換得

        可見(jiàn),直接由uc(t)輸出達(dá)到解調(diào)的目的。

        2.2 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),要使環(huán)路能跟蹤上這類信號(hào),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(wú)源環(huán)路濾波器,與有源環(huán)路濾波器相比它具有價(jià)格低廉、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,而當(dāng)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),就必須使用有源環(huán)路濾波器來(lái)滿足所需的控制電壓。為了更好地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[4]。

        二階環(huán)路濾波器通過(guò)計(jì)算可得到環(huán)路阻抗的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)表達(dá)式,而三階或更高階次的環(huán)路濾波器就不可能精確得到它們的阻抗表達(dá)式,但是可以通過(guò)引入一些近似處理仍然可以得到其阻抗的近似精確的表達(dá)式。雖然這類環(huán)路濾波器中因運(yùn)放所處的位置不同使得阻抗計(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)確地表示出極點(diǎn)、零點(diǎn)與元件的關(guān)系。采用這類環(huán)路濾波器的阻抗都可以表示成式(7)所示的通用形式:

        由于選擇的電荷泵器件是可編程的,因此可以通過(guò)編程來(lái)選擇電荷泵的輸出極性。假設(shè)通過(guò)編程使電荷泵的輸出為負(fù)極性,則開(kāi)環(huán)環(huán)路增益為

        式中:

        為了求解環(huán)路參數(shù)必須確定 Ct、T31、環(huán)路帶寬ωc和相位裕度θ的值;T31的范圍通常在 0~1之間,常取 0.8。而ωc、θ的值則根據(jù)設(shè)計(jì)的具體指標(biāo)預(yù)先指定一個(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(kāi)環(huán)增益過(guò)零點(diǎn)處的頻率作為設(shè)計(jì)的環(huán)路帶寬ωc,相位裕度θ通常取 30°~60°之間,令開(kāi)環(huán)環(huán)路增益在環(huán)路帶寬頻率處的模值為1求得Ct值后,則可以按照式(11)得到實(shí)際使用的元件值。

        由于這種計(jì)算方法引入了近似 T1+T3<T2,而C3的值必須大于VCO的輸入電容值,以至于不影響VCO的輸入電容并能有效濾除有源器件引入的熱噪聲,通常取CVCO<C3≤C1/5。根據(jù)已知的參數(shù),通過(guò)計(jì)算和仿真就可以得到 C1、R2、C2、R3、C3的值。

        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)放可以很容易使相位噪聲增加10 dB,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(lái)的環(huán)路可能無(wú)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,因此,在設(shè)置相位裕度θ時(shí),需要認(rèn)真考慮運(yùn)放附加相移的影響,否則環(huán)路可能會(huì)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。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,AD公司的AD820和AD823是一個(gè)比較合理的選擇。

        3 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645 MHz,鑒相頻率設(shè)計(jì)為20 MHz,壓控靈敏度K0=43.3 MHz/V??紤]到實(shí)際發(fā)送的碼元速率為2 MHz,而環(huán)路工作在調(diào)制跟蹤狀態(tài),因此應(yīng)該在碼元速率附近來(lái)選擇所需的環(huán)路帶寬,筆者實(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 ωc分別為 500 kHz、1.5 MHz、2 MHz和4 MHz時(shí)各環(huán)路的參數(shù),結(jié)果如表1所示。

        從表1中可以看出,環(huán)路帶寬越窄,對(duì)應(yīng)的同步帶和捕獲帶也越窄,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也大,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ωc為2 MHz來(lái)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(kāi)環(huán)頻率和相位曲線,如圖5所示。從圖5可以看出,環(huán)路開(kāi)環(huán)增益過(guò)零點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相位裕度大于60°,因此環(huán)路在帶寬ωc設(shè)計(jì)在2 MHz時(shí)系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

        表1 不同環(huán)路帶寬下環(huán)路的參數(shù)測(cè)試結(jié)果

        圖5 環(huán)路的開(kāi)環(huán)頻率和相位曲線

        環(huán)路在帶寬ωc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,如圖6所示。

        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)不能快速地下降到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(lái)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)電壓快速地下降到所需的低電平,因而產(chǎn)生拖尾,但這不影響信號(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(guò)環(huán)路后,由于環(huán)路的積分作用,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,但是實(shí)際上并不影響解調(diào)的過(guò)程。相反,可以利用這個(gè)特性來(lái)解調(diào)信號(hào),圖6很好地反映了分析的結(jié)果。

        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θe有關(guān),在未達(dá)到捕獲狀態(tài)時(shí)也與頻率誤差Δω=ω1-ω2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-9 dBm時(shí)傳輸距離能達(dá)到5 m,碼元速率達(dá)到2 Mb/s,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。

        [1]賀鵬飛,呂英華,張洪欣,等.基于 Chirp-BOK調(diào)制的超寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)研究[J].南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào),2006,26(2):23-27.

        [2]張厥盛,鄭繼禹,萬(wàn)心平.鎖相技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2003.

        [3]鄭繼禹,林基明.同步理論與技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003.

        [4]BANERJEE D.PLL Performance Simulation and Design Handbook(2th Edition)[M].Dog Ear Publishing,2006.

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