一种简易的宽带PLL的Chirp_UWB通信的相干解调方法*

樊孝明，林基明

（桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林541004）

超宽带UWB(Ultra-Wideband)技术是目前无线通信领域中比较先进的技术之一，由于其具有大容量、低发射功率和低成本等诸多优点，在通信、雷达和无线定位等领域具有广阔的应用前景。有4种方式实现超宽带技术：（1）基于脉冲无线电（IR）的 UWB[1]；（2）基于直接序列码分多址（DS-CDMA）的 UWB[2-3]；（3）基于多载波正交频分复用（MB-OFDM）的 UWB[4]；（4）基于 Chirp 扩频（CSS）的 UWB[5]。 与其他三种形式的 UWB相比，Chirp_UWB利用Chirp扩频技术来实现频谱的扩展，并且Chirp_UWB信号对频偏不敏感和不存在峰均功率比(PAPR)，同时Chirp_UWB同样具有抗干扰能力强、同步实现简易、发射功率低、传输速率高、传输距离远、多径分辨率高和测量精度高等优点。2006年IEEE802.15.4a工作组最终选择了CSS技术作为物理层的标准[6-7]。通过增加Chirp信号的带宽和减小时间宽度T，Chirp信号同样可以应用于高速的超宽带通信系统。

作为大的时间带宽积信号,它广泛地应用在通信、雷达、声纳和地震勘探等系统。在这些系统中,Chirp信号的解调与检测、参数估计和信号恢复是一个重要的研究课题。到目前为止，对于Chirp信号的最佳解调与检测方法有：基于脉冲压缩匹配滤波检测法[8]和基于分数阶 Fourier变换（FRFT）的参数检测法[9-10]。前者的实现需要定制专用器件（如声表面波SAW），其应用时的灵活与通用性较差；而后者由于其运算量过大，需要寻找满足目前硬件要求的快速算法导致在实际的系统中难于实现。

针对这些现状，本文提出了采用宽带调制跟踪环与积分处理的检测方式进行Chirp信号的解调。

1 Chirp信号的特性与BOK调制方式

Chirp信号可表示为：

式中矩形调制函数为：

式中，ω0为中心频率，T为矩形调制脉冲的时宽，a为矩形调制脉冲的幅度，μ为调频斜率，μ=2πB/T，B为调频带宽。μ＞0称为正向线性调频脉冲(Up-Chirp)，其瞬时频率不断增大；μ<0为反向线性调频脉冲(Down-Chirp)，其瞬时频率不断减小，如图1所示。利用数据信息中的“1”和“0”码元控制 Chirp信号的调制斜率来实现 Chirp-BOK调制，进行数据传输，其中 μ＞0的 Chirp波形表示传输数据信息比特“1”，μ<0的Chirp波形表示传输数据信息比特“0”。

当Chirp信号通过匹配滤波器后，其输出信号可以表示为：

使用匹配滤波解调方式，只要在码元结束时刻检测匹配器输出信号的峰值，进行抽样判决恢复出数据信号，然而使用本文提出的宽带调制跟踪环与积分处理的解调方式同样能够获得信号的峰值，设计合理的环路参数，能够获得匹配滤波解调的效果，并且文中提出的方法非常简单，容易实现。

2 Chirp信号的解调原理

本文提出的用于Chirp_UWB通信系统的Chirp调制信号解调方法的功能框图如图3所示，其中包括一个宽带调制跟踪锁相环PLL、积分器和定时抽样判决电路。

使用宽带跟踪环+积分处理的解调方式是Chirp_UWB通信系统的一种结构简单、成本低及易于实现的解调方案。宽带调制跟踪环由鉴相器PD、环路滤波器LF和压控振荡器VCO组成。宽带调制跟踪环利用锁相环的宽带跟踪特性，对输入信号进行调制跟踪。在环路的跟踪过程中，环路中的压控振荡器的输出相位或频率随环路输入信号的相位或频率而变化，当输入信号的频率线性增加时，VCO控制信号为正向线性增长的锯齿信号，当输入信号的频率不变时，VCO控制信号为直流信号，当输入信号的频率线性降低时，VCO控制信号为负向线性增长的锯齿信号。这样可以利用锁相环的宽带跟踪特性对输入信号的频率变化进行跟踪，从而对输入的已调信号的调制信息进行识别。下面首先予以详细分析宽带跟踪环的工作原理[11]。

输入信号为Chirp_UWB信号，其表达式为：

其中 ω0t为参考相位，ω0为载波频率的中心频率，θ1(t)受调制信号的控制：

m(t)为受调制数据d(t)控制的线性变化的锯齿波信号，d(t)∈(0，1)或 d(t)∈(+1，-1)，取决于系统采样的调制方式是Chirp_OOK或Chirp_BOK。

输入信号的瞬时频率为：

Kt为发送信号的调制灵敏度，由此可以看出输入信号的瞬时频率以ω0为中心，随锯齿波信号m(t)作线性变化，调制灵敏度Kt和锯齿波信号的幅度峰值决定输入的Chirp_UWB信号的扫频范围。

根据式（1）可知：

时，式（1）与式（5）是等效的，都可以用来表示受调制的Chirp信号。

环路中，VCO的输出信号uo(t)表示为：

其中 θ2(t)是输出信号 uo(t)以 ω0t为参考的相位。

由于环路工作在宽带调制跟踪状态，因此环路的压控振荡器VCO的输出电压信号将跟踪输入信号ui(t)的相位调制。在环路工作在调制跟踪状态时，鉴相器输出的相位误差信号 θe(t)=θ2(t)-θ1(t)很小，环路滤波器采用有源比例积分低通滤波器时，环路的增益比较大，可以认为相位误差 θe(t)近似为0，此时：

又根据环路中VCO的控制特性：

其中K0为本地VCO的压控灵敏度，可得到环路的控制电压：

由式(12)可以看出VCO的控制电压信号与调制的锯齿信号m(t)呈线性关系变化。设计合理的环路参数使得环路调制跟踪状态，通过检测VCO控制信号，进行数据恢复。实际上利用宽带调制跟踪环对Chirp信号进行解调的过程是对线性调频信号进行去斜率的过程。

为了提高系统的处理能力，对跟踪环路中VCO压控端的控制信号进行积分处理，积分器对信号在码元间隔时间内进行积分运算，能够有效地抑制信道中的噪声和环路中的高频干扰噪声，在码元结束时刻获得信号的能量峰值，提高系统检测的性能，有利于后续的抽样判决电路工作。抽样判决电路在定时同步脉冲δ(t)的作用下对积分后峰值信号进行抽样判决，大于门限值判为数据“1”，小于数据门限值判为数据“0”，这样就完成了数据解调输出。对于Chirp_OOK调制时，其判决门限为积分器输出的一半，而对Chirp_BOK,其判决门限为零。由此可以看出，系统采用Chirp_BOK调制时，系统的误码性能优于Chirp_OOK调制 3 dB，且门限设置简单方便。

3 系统仿真与性能分析

仿真中信息bit速率为2 Mb/s时，发射端的调制方式为 Chirp_bok方式，中心频率为 640 MHz，扫频带宽为130 MHz，相对带宽大于 20%，符合 FCC对 UWB信号定义。“1”码调制正斜率的 Chirp信号，“0”码调制负斜率的Chirp信号。系统中使用一个Chirp信号传输一个数据信息比特时，获得的处理增益约为18 dB。

图4～图6给出了高斯信道中不同信噪比情形下使用本文提出的解调方式得到的各点输出波形。由图中可以看出，环路中VCO的控制电压为正负斜率的锯齿信号，但是上面叠加了信道和环路中的噪声，经过积分处理之后，信号的能量在码元结束时刻获得聚集，噪声得到了抑制，有利于抽样判决。

图4 信噪比SNR=-10 dB时的解调输出的各点波形

图5 信噪比SNR=0 dB时的解调输出的各点波形

图6 信噪比SNR=10 dB时的解调输出的各点波形

仿真结果表明，本文提出的使用宽带PLL与积分处理的解调方式，不但能够获得匹配滤波的解调效果，而且实现简单、成本低、容易集成，且灵活性好，只要更改相应的参数，就能够适用不同频段的Chirp_UWB通信系统。

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