樊孝明，林基明

（桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林541004）

超寬帶UWB(Ultra-Wideband)技術(shù)是目前無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域中比較先進(jìn)的技術(shù)之一，由于其具有大容量、低發(fā)射功率和低成本等諸多優(yōu)點(diǎn)，在通信、雷達(dá)和無(wú)線(xiàn)定位等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。有4種方式實(shí)現(xiàn)超寬帶技術(shù)：（1）基于脈沖無(wú)線(xiàn)電（IR）的 UWB[1]；（2）基于直接序列碼分多址（DS-CDMA）的 UWB[2-3]；（3）基于多載波正交頻分復(fù)用（MB-OFDM）的 UWB[4]；（4）基于 Chirp 擴(kuò)頻（CSS）的 UWB[5]。 與其他三種形式的 UWB相比，Chirp_UWB利用Chirp擴(kuò)頻技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)頻譜的擴(kuò)展，并且Chirp_UWB信號(hào)對(duì)頻偏不敏感和不存在峰均功率比(PAPR)，同時(shí)Chirp_UWB同樣具有抗干擾能力強(qiáng)、同步實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易、發(fā)射功率低、傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)、多徑分辨率高和測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)。2006年IEEE802.15.4a工作組最終選擇了CSS技術(shù)作為物理層的標(biāo)準(zhǔn)[6-7]。通過(guò)增加Chirp信號(hào)的帶寬和減小時(shí)間寬度T，Chirp信號(hào)同樣可以應(yīng)用于高速的超寬帶通信系統(tǒng)。

作為大的時(shí)間帶寬積信號(hào),它廣泛地應(yīng)用在通信、雷達(dá)、聲納和地震勘探等系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中,Chirp信號(hào)的解調(diào)與檢測(cè)、參數(shù)估計(jì)和信號(hào)恢復(fù)是一個(gè)重要的研究課題。到目前為止，對(duì)于Chirp信號(hào)的最佳解調(diào)與檢測(cè)方法有：基于脈沖壓縮匹配濾波檢測(cè)法[8]和基于分?jǐn)?shù)階 Fourier變換（FRFT）的參數(shù)檢測(cè)法[9-10]。前者的實(shí)現(xiàn)需要定制專(zhuān)用器件（如聲表面波SAW），其應(yīng)用時(shí)的靈活與通用性較差；而后者由于其運(yùn)算量過(guò)大，需要尋找滿(mǎn)足目前硬件要求的快速算法導(dǎo)致在實(shí)際的系統(tǒng)中難于實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)這些現(xiàn)狀，本文提出了采用寬帶調(diào)制跟蹤環(huán)與積分處理的檢測(cè)方式進(jìn)行Chirp信號(hào)的解調(diào)。

1 Chirp信號(hào)的特性與BOK調(diào)制方式

Chirp信號(hào)可表示為：

式中矩形調(diào)制函數(shù)為：

式中，ω0為中心頻率，T為矩形調(diào)制脈沖的時(shí)寬，a為矩形調(diào)制脈沖的幅度，μ為調(diào)頻斜率，μ=2πB/T，B為調(diào)頻帶寬。μ＞0稱(chēng)為正向線(xiàn)性調(diào)頻脈沖(Up-Chirp)，其瞬時(shí)頻率不斷增大；μ<0為反向線(xiàn)性調(diào)頻脈沖(Down-Chirp)，其瞬時(shí)頻率不斷減小，如圖1所示。利用數(shù)據(jù)信息中的“1”和“0”碼元控制 Chirp信號(hào)的調(diào)制斜率來(lái)實(shí)現(xiàn) Chirp-BOK調(diào)制，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其中 μ＞0的 Chirp波形表示傳輸數(shù)據(jù)信息比特“1”，μ<0的Chirp波形表示傳輸數(shù)據(jù)信息比特“0”。

當(dāng)Chirp信號(hào)通過(guò)匹配濾波器后，其輸出信號(hào)可以表示為：

使用匹配濾波解調(diào)方式，只要在碼元結(jié)束時(shí)刻檢測(cè)匹配器輸出信號(hào)的峰值，進(jìn)行抽樣判決恢復(fù)出數(shù)據(jù)信號(hào)，然而使用本文提出的寬帶調(diào)制跟蹤環(huán)與積分處理的解調(diào)方式同樣能夠獲得信號(hào)的峰值，設(shè)計(jì)合理的環(huán)路參數(shù)，能夠獲得匹配濾波解調(diào)的效果，并且文中提出的方法非常簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。

2 Chirp信號(hào)的解調(diào)原理

本文提出的用于Chirp_UWB通信系統(tǒng)的Chirp調(diào)制信號(hào)解調(diào)方法的功能框圖如圖3所示，其中包括一個(gè)寬帶調(diào)制跟蹤鎖相環(huán)PLL、積分器和定時(shí)抽樣判決電路。

使用寬帶跟蹤環(huán)+積分處理的解調(diào)方式是Chirp_UWB通信系統(tǒng)的一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低及易于實(shí)現(xiàn)的解調(diào)方案。寬帶調(diào)制跟蹤環(huán)由鑒相器PD、環(huán)路濾波器LF和壓控振蕩器VCO組成。寬帶調(diào)制跟蹤環(huán)利用鎖相環(huán)的寬帶跟蹤特性，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)制跟蹤。在環(huán)路的跟蹤過(guò)程中，環(huán)路中的壓控振蕩器的輸出相位或頻率隨環(huán)路輸入信號(hào)的相位或頻率而變化，當(dāng)輸入信號(hào)的頻率線(xiàn)性增加時(shí)，VCO控制信號(hào)為正向線(xiàn)性增長(zhǎng)的鋸齒信號(hào)，當(dāng)輸入信號(hào)的頻率不變時(shí)，VCO控制信號(hào)為直流信號(hào)，當(dāng)輸入信號(hào)的頻率線(xiàn)性降低時(shí)，VCO控制信號(hào)為負(fù)向線(xiàn)性增長(zhǎng)的鋸齒信號(hào)。這樣可以利用鎖相環(huán)的寬帶跟蹤特性對(duì)輸入信號(hào)的頻率變化進(jìn)行跟蹤，從而對(duì)輸入的已調(diào)信號(hào)的調(diào)制信息進(jìn)行識(shí)別。下面首先予以詳細(xì)分析寬帶跟蹤環(huán)的工作原理[11]。

輸入信號(hào)為Chirp_UWB信號(hào)，其表達(dá)式為：

其中 ω0t為參考相位，ω0為載波頻率的中心頻率，θ1(t)受調(diào)制信號(hào)的控制：

m(t)為受調(diào)制數(shù)據(jù)d(t)控制的線(xiàn)性變化的鋸齒波信號(hào)，d(t)∈(0，1)或 d(t)∈(+1，-1)，取決于系統(tǒng)采樣的調(diào)制方式是Chirp_OOK或Chirp_BOK。

輸入信號(hào)的瞬時(shí)頻率為：

Kt為發(fā)送信號(hào)的調(diào)制靈敏度，由此可以看出輸入信號(hào)的瞬時(shí)頻率以ω0為中心，隨鋸齒波信號(hào)m(t)作線(xiàn)性變化，調(diào)制靈敏度Kt和鋸齒波信號(hào)的幅度峰值決定輸入的Chirp_UWB信號(hào)的掃頻范圍。

根據(jù)式（1）可知：

時(shí)，式（1）與式（5）是等效的，都可以用來(lái)表示受調(diào)制的Chirp信號(hào)。

環(huán)路中，VCO的輸出信號(hào)uo(t)表示為：

其中 θ2(t)是輸出信號(hào) uo(t)以 ω0t為參考的相位。

由于環(huán)路工作在寬帶調(diào)制跟蹤狀態(tài)，因此環(huán)路的壓控振蕩器VCO的輸出電壓信號(hào)將跟蹤輸入信號(hào)ui(t)的相位調(diào)制。在環(huán)路工作在調(diào)制跟蹤狀態(tài)時(shí)，鑒相器輸出的相位誤差信號(hào) θe(t)=θ2(t)-θ1(t)很小，環(huán)路濾波器采用有源比例積分低通濾波器時(shí)，環(huán)路的增益比較大，可以認(rèn)為相位誤差 θe(t)近似為0，此時(shí)：

又根據(jù)環(huán)路中VCO的控制特性：

其中K0為本地VCO的壓控靈敏度，可得到環(huán)路的控制電壓：

由式(12)可以看出VCO的控制電壓信號(hào)與調(diào)制的鋸齒信號(hào)m(t)呈線(xiàn)性關(guān)系變化。設(shè)計(jì)合理的環(huán)路參數(shù)使得環(huán)路調(diào)制跟蹤狀態(tài)，通過(guò)檢測(cè)VCO控制信號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)。實(shí)際上利用寬帶調(diào)制跟蹤環(huán)對(duì)Chirp信號(hào)進(jìn)行解調(diào)的過(guò)程是對(duì)線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行去斜率的過(guò)程。

為了提高系統(tǒng)的處理能力，對(duì)跟蹤環(huán)路中VCO壓控端的控制信號(hào)進(jìn)行積分處理，積分器對(duì)信號(hào)在碼元間隔時(shí)間內(nèi)進(jìn)行積分運(yùn)算，能夠有效地抑制信道中的噪聲和環(huán)路中的高頻干擾噪聲，在碼元結(jié)束時(shí)刻獲得信號(hào)的能量峰值，提高系統(tǒng)檢測(cè)的性能，有利于后續(xù)的抽樣判決電路工作。抽樣判決電路在定時(shí)同步脈沖δ(t)的作用下對(duì)積分后峰值信號(hào)進(jìn)行抽樣判決，大于門(mén)限值判為數(shù)據(jù)“1”，小于數(shù)據(jù)門(mén)限值判為數(shù)據(jù)“0”，這樣就完成了數(shù)據(jù)解調(diào)輸出。對(duì)于Chirp_OOK調(diào)制時(shí)，其判決門(mén)限為積分器輸出的一半，而對(duì)Chirp_BOK,其判決門(mén)限為零。由此可以看出，系統(tǒng)采用Chirp_BOK調(diào)制時(shí)，系統(tǒng)的誤碼性能優(yōu)于Chirp_OOK調(diào)制 3 dB，且門(mén)限設(shè)置簡(jiǎn)單方便。

3 系統(tǒng)仿真與性能分析

仿真中信息bit速率為2 Mb/s時(shí)，發(fā)射端的調(diào)制方式為 Chirp_bok方式，中心頻率為 640 MHz，掃頻帶寬為130 MHz，相對(duì)帶寬大于 20%，符合 FCC對(duì) UWB信號(hào)定義?！?”碼調(diào)制正斜率的 Chirp信號(hào)，“0”碼調(diào)制負(fù)斜率的Chirp信號(hào)。系統(tǒng)中使用一個(gè)Chirp信號(hào)傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)信息比特時(shí)，獲得的處理增益約為18 dB。

圖4～圖6給出了高斯信道中不同信噪比情形下使用本文提出的解調(diào)方式得到的各點(diǎn)輸出波形。由圖中可以看出，環(huán)路中VCO的控制電壓為正負(fù)斜率的鋸齒信號(hào)，但是上面疊加了信道和環(huán)路中的噪聲，經(jīng)過(guò)積分處理之后，信號(hào)的能量在碼元結(jié)束時(shí)刻獲得聚集，噪聲得到了抑制，有利于抽樣判決。

圖4 信噪比SNR=-10 dB時(shí)的解調(diào)輸出的各點(diǎn)波形

圖5 信噪比SNR=0 dB時(shí)的解調(diào)輸出的各點(diǎn)波形

圖6 信噪比SNR=10 dB時(shí)的解調(diào)輸出的各點(diǎn)波形

仿真結(jié)果表明，本文提出的使用寬帶PLL與積分處理的解調(diào)方式，不但能夠獲得匹配濾波的解調(diào)效果，而且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、成本低、容易集成，且靈活性好，只要更改相應(yīng)的參數(shù)，就能夠適用不同頻段的Chirp_UWB通信系統(tǒng)。

[1]WIN M Z，SCHOLTZ R A,Ultra-wide bandwidth timehopping spread-spectrum impulse radio for wireless multiple-access communications[J].IEEE Trans.Communication，2000(48)：679-691.

[2]SNOW C，LAMPE L，SCHOBER R.Performance analysis of multiband OFDM for UWB communication[C].IEEE International Conference on Communications，Seoul，2005：2573-2578.

[3]MISHRA C，GARCIA A V，BAHMANI F，et al.Frequency planning and synthesizer architectures for multiband OFDM UWB radios[J].IEEE Trans.Microw.2005(53)：3744-3756.

[4]RUNKLE P，MCCORKLE J，MILLER T，et al.DS-CDMA:the modulation technology of choice for UWB communications[C].IEEE Conference on Ultra Wideband Systems and Technologies，2003：364-368.

[5]PINKNEY J，BEHIN R，SESAY A，et al.High-speed DQPSK chirp spread spectrum system for indoor wireless applications[J].Electronics Letters，1998(34)：1910-1911.

[6]Nanotron Technology.Chirp-based Wireless Networks white paper[S].2005.

[7]LAMPE R，HACH R，MENZER L.Chirp Spread Spectrum(CSS)PHY Presentation for 802.15.4a[C].IEEE P802.15 Working Group for Wireless Personal Area Networks，2004.

[8]BROCATO R，HELLER E.UWB communication using SAW Correlators[C].Radio and Wireless Conference，2004：267-270.

[9]AKAY O，BOUDREAUS-BARTELS G F.Fractional con volu-tion and correlation via operator methods and an application to detection of linear FM signals[J].IEEE Trans.SP，2001，49(5)：979-993.

[10]陶然，齊林，王越.分?jǐn)?shù)階Fourier變換的原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[11]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，2004.