一种IR－UWB通信系统技术的研究与实现

刘 雄，雷洪利，向 新

(1.空军工程大学工程学院，陕西 西安 710038;2.中国人民解放军95247部队，广东 惠州 516259)

责任编辑:薛 京

超宽带［1－2］技术是自20世纪末逐步兴起的一种新型无线通信技术。通常典型的UWB实现形式是采用脉冲无线电(IR－UWB)，即以占空比很低的窄脉冲(宽度为纳秒或亚纳秒级)作为信息载体，因此UWB系统具备多径分辨能力强、带宽宽、功率低、近似于噪声的信号特性，可以通过控制信号功率(使UWB信号功率低于噪声干扰容限)与已经申请了频率使用权的窄带通信系统共存，并同时在该合法频段上进行信号传输，这正是其魅力所在。但正是由于超宽带脉冲持续时间短、信号功率低等特点，使超宽带系统的电路实现面临许多难点和挑战，如极窄脉冲的产生和检测接收。

目前，极窄脉冲的产生常见的方法主要通过阶跃恢复二极管、隧道二极管、雪崩三极管等来完成。阶跃恢复二极管利用电荷存储效应产生快速反向阶跃恢复，能形成幅值为数百毫伏的几百皮秒脉冲［3］;隧道二极管利用量子力学隧道产生隧道电流，它可以形成数十皮秒的高速脉冲，但幅值较低，通常也在毫伏级;雪崩三极管利用雪崩击穿效应［4］可以产生幅值达几十伏到几百伏的脉冲。与前面两种方法相比，雪崩三极管产生法具有产生脉冲幅值大、重复频率高，且结构简单、成本低、工作稳定、实用性好等特点。本文正是利用雪崩三极管产生所需要的超宽带窄脉冲，产生了脉宽约3 ns、幅值为1.5 V的类高斯负窄脉冲。窄脉冲的检测接收主要利用隧道二极管［5］、雪崩三极管、高速运算放大器等实现。针对发射端产生的窄脉冲波形特点，本文提出了一种基于高速比较器的窄脉冲检测电路，并通过仿真和实物测量。测量结果表明，该检测电路能完成对窄脉冲的检测，且能恢复出宽度为10.7 ns、幅值为3 V的数字电平信号。

1 系统模型

图1为一个由发射天线、接收天线、发射机、接收机、调制解调、信源和信宿组成的UWB收发系统。在发射端，信号经基带处理(如编码)后进行调制(调幅、调相、位置等)，调制后的脉冲序列驱动UWB脉冲产生器，产生具有超宽带脉冲波形的脉冲序列，经宽带天线发射出去。在接收端，接收到的超宽带信号经过LNA低噪声放大，送入UWB脉冲检测电路，恢复出数字电平的信号，经解调后还原出信号。

图1 IR－UWB收发系统

2 发射端脉冲产生电路设计

2.1 电路原理分析

该系统中发射端最重要的部分是UWB窄脉冲的产生。图2为UWB脉冲产生电路原理图，雪崩晶体管BFP420为脉冲产生器的核心元器件，脉冲的产生主要利用它发生雪崩效应这一特性来完成。如图2所示，电路分为3个部分。电容C2和电阻R2构成方波微分整形电路，对方波进行微分产生短促的脉冲，减少三极管处于雪崩击穿状态的时间，使其不会因基极输入电流持续时间过长而造成损坏。这里C2，R2的取值应适当，时间常数不能大于输入方波周期的一半。由雪崩三极管BFP420和R1组成开关电路，利用三极管发生雪崩效应这一非常短促的反应时间(最大在数纳秒)，使其从截止区迅速转入雪崩区，等效于一个开关的作用;脉冲波形形成电路由C1和负载R3构成，脉冲的形成就是在三极管发生雪崩效应这一瞬间完成的。

图2 超宽带脉冲产生电路

根据三极管的工作状态变化，该电路工作过程主要分为两步。一是截止充电过程:当触发方波上升沿未到来时，Q1无基极电流输入，处于截止区，但由于一般取VCC接近于BVCEO(基极开路时集电极－发射结间的反向击穿电压)，稍小于BVCEO，此时可以看作Q1处于临界雪崩状态;VCC通过电阻R1和R3对C1进行充电，由于C1的取值非常小(通常在数纳法)，其充电时间很短，充满后C1两端电压约等于VCC。二是雪崩放电过程:当触发方波上升沿到来，即微分电路有正向脉冲输出时，Q1有基极电流输入，迅速发生雪崩击穿，把集电极电位在瞬间拉低到约为0，已充满电的C1开始对Q1和负载R3放电(通常R3≪R1，忽略此放电过程中VCC对C1的充电)。由于放电前C1左端电压为正，因此形成的是逆时钟方向的放电电流，则在负载R3上形成的电压是负向的。又因为C1非常小，其存储的电量非常有限，放电电流增大到某临界点后，会逐渐减小到零，在R3上以该临界点为界在两边分别形成波形下降沿和上升沿。因此最终电路产生的是负向的单脉冲。当放电完成后，电路立即进入截止充电过程，为下一次触发做准备。

2.2 电路仿真

电路通过Multisim11.0软件进行仿真，仿真结果如图3所示。从图3a中可以看出，触发方波上升沿来临时就产生了一个负窄脉冲，而图3b中显示，该脉冲的宽度约为0.9 ns、幅度约为7 V。

图3 产生脉冲仿真图及其放大图(截图)

2.3 电路硬件制作与测试

图4a为超宽带脉冲产生电路实物图。电路板制作采用FR4材料，1.7 mm厚度。触发输入方波的幅值为5 V、频率为1 MHz;电源VCC为12 V;R1为680Ω;C1为5 pF;C2为100 pF;R2为100Ω;R3为50Ω;Q1为RF－BJT三极管BFP420。用Tektronic DPO7354示波器测得波形如图4b所示，电路产生了脉冲幅度约为1.5 V、脉冲宽度约为3.0 ns的负脉冲，波形与高斯脉冲非常相似。

图4 脉冲产生电路图及脉冲波形图

2.4 测试数据比较

如图3a和图4b对比所示，实际电路形成的脉冲波形与仿真得到的波形形状基本一致，但在脉冲宽度和幅值上有一定的差距，这是由于使用的元器件、电路板制作达不到理想值所带来的误差。

3 接收端检测接收电路设计

3.1 设计与仿真

本文设计一个实验系统模型，目前研究的是发射端到接收端的直连，未考虑天线传输、LNA放大、调制解调等过程，所以在接收端主要研究脉冲检测电路模块。采用上述所产生的单脉冲序列作为接收电路的输入信号(即代表实际天线发射接收、LNA放大后的UWB信号)，并针对该脉冲波形设计出一种简单的以高速比较器LT1720I为主要元件的检测电路［6］，如图5a所示。其中，R2为限流电阻，R1接地为电路提供0 V的参考电平;输入信号与参考电平作比较进行判决后得到的仿真输出波形如图5b所示，波形宽度约为12.4 ns、幅值为5 V。

图5 脉冲检测电路及其输入输出波形

3.2 电路制作与测量

在仿真过程中电路器件比较理想，噪声干扰比较小，参考电平为0，实际操作过程中存在各种噪声，产生了许多干扰信号。具体实现时通过电阻分压给电路一个约－100 mV的参考电平能明显减少噪声干扰的影响。电路实物如图6a所示。图6b为实测波形，可以看到，波形1(上面)是电路实际产生的波形，幅值约为3 V，宽度大约在10.7 ns左右，幅度和宽度与仿真得到的数据基本一致。该波形与输入波形有一定的延迟，这是比较器处理延迟造成的，大约在4 ns左右，与比较器芯片资料上数据是一致的。显然，该电路能检测出小到100 mV的信号，并恢复出数字电平信号。

图6 脉冲检测实物电路及实测输入输出波形

4 结论

本文在理论分析与仿真的基础上，构建了一个IRUWB脉冲收发系统，并据此完成了UWB脉冲产生和接收检测电路的制作。经实验表明，系统能够产生脉宽不大于3 ns的脉冲，基本满足UWB要求。另外，在接收端能够经检测电路恢复出数字电平信号。

［1］YANG L Q，GIANNAKIS G B.Ultra－wideband communications:an idea whose time has come［J］.IEEE Signal Processing Magazine，2004，21(6):26－54.

［2］AIELLO G R，ROGERSON G D.Ultra－wideband wireless systems［J］.IEEE Microwave Magazine，2003，4(2):36－47.

［3］陈振威，郑继禹.基于SRD的超宽带脉冲产生与设计［J］.桂林电子工业学院学报，2005(5):36－39.

［4］刘文生，高守信.雪崩电路及其应用［J］.电子测量技术，1983(1):42－49.

［5］王俊.脉冲超宽带信号产生、控制与检测［D］.合肥:中国科学技术大学，2007:97－98.

［6］康华光.电子技术基础模拟部分［M］.北京:高等教育出版社，2006:330－341.