6.7GHz～7.9GHz UWB室内定位接收机射频端设计*

杜海明，付川南（郑州轻工业学院电气信息工程学院，郑州450002）

6.7GHz～7.9GHz UWB室内定位接收机射频端设计*

杜海明*，付川南
（郑州轻工业学院电气信息工程学院，郑州450002）

针对超宽带室内定位接收系统，为解决超宽带信号采样率高的难题，提出了一种新颖的、易实现的非相干检测数模混合结构的接收方案。与其他接收方案相比，该方案采用可控积分检测电路作为系统的A/D转换部分，不仅完成了信号检测，还实现了射频电路与数字基带电路的完美结合。在电路射频端的实现与性能分析的基础上利用ADS进行仿真，并实现了该积分检测电路的实物设计与性能测试，将测试结果与仿真结果进行比较，验证了该电路设计的可行性。

超宽带；室内定位；射频前端；可控积分检测器

随着社会经济的快速发展，人们对无线定位服务精度的要求越来越高。在室内环境下，由于多径传播及非视距的影响，导致室内定位精度大大降低。而超宽带冲激无线电，通过产生极短脉冲来得到带宽特别宽、功率谱密度极低的信号，这种信号抗多径衰落能力强、功耗低、良好的时间分辨率和多径分辨能力等特性［1］，使之在通信与定位系统中有着广泛的应用前景［2］。

目前，超宽带通信定位系统中多径信号的检测和接收技术主要分为相干和非相干两大类。其中相干类接收技术包括相干Rake接收方式和自相关接收方式；非相干接收包括能量检测、包络检测和峰值检测等技术，非相干接收机结构简单，系统对时间定时要求大为降低，是工程实现中广泛采用的接收技术，其代价是接收信号信噪比的降低［3-6］。从工程实现上可以分为：全数字接收机，全模拟接收机，以及数字、模拟混合接收机。

基于此，文中提出了一种非相干检测的数字和模拟混合的接收方案。该方案不需要混频器、相关器等器件，因此电路结构简单；可控积分检测电路用于实现信号的检测与数字化，通过采用三极管开关管与射集追随电路级联的方式来实现信号积分的可控，利用运算放大电路组成判决电路对信号进行判决实现电平的转化。较之文献［7-10］中采用的积分检测器，无需专门的电平转换电路，也不需要差分放大电路，结构更加简单。在对电路结构进行详细分析的基础上，给出了实物设计并进行实物测试，从工程实现上对该电路进行了验证。

1　接收机射频前端结构设计与仿真

接收机射频端是接收机处理模拟信号的电路，其作用是接收信号并对信号进行滤波、放大、下变频、解调和增益控制等处理，将微弱的射频信号变换成符合要求的中频或基带信号以送给数字端作进一步处理。本文设计的非相干检测接收机射频端的结构图如图1所示。

图1　UWB接收机射频端系统框图

图中的带通滤波器、低噪声放大器、主放大器、AGC构成电路的射频前端，主要进行所需频段信号的选择、噪声的滤除以及增益控制，使得接收到的信号适合后级电路处理，其中AGC为自动增益控制放大器，其目的是根据信号强度的变化调节电路增益的大小以保持信号幅度平稳，减少抖动，从而不受多径效应或者发射机距离远近的改变所引起的幅度变化的影响［11］。经由前端处理后的UWB信号经过功率分配器后送入可控积分检测电路，该电路在数字端产生的门控信号的控制下对输入的信号进行脉冲检测、降基以及数字化，数字化后的信号送入FPGA数字端进行同步、数据解调等处理。

通信任务不同，接收机射频前端的性能也有所不同。射频工程师规定了一系列技术参数以客观分析不同接收机射频前端的性能差异，常用的技术参数有工作频段、选择性、等效噪声带宽（通带带宽）、噪声系数、灵敏度、动态范围等［12］。针对超宽带室内定位系统的接收机射频前端，其设计指标如表1所示。

表1　接收机射频前端指标

确定指标后，按照图1所示的射频前端结构选择合适的器件，利用ADS软件搭建了射频前端电路的仿真图，主要进行电路频带选择性以及系统链路预算的仿真。

图2　接收机射频前端仿真模型

1.1频带选择性仿真

频带选择性仿真，是为了分析接收机射频前端的射频部分选择有用信号、抑制带外干扰的能力。利用S参数仿真器，得到的仿真结果如图3所示。

由仿真结果可以看出，所设计的电路在6.7GHz 到7.9GHz有一个稳定的放大，其带宽可以到达1.2GHz。输入回波损耗要求（S11）＜-10 dB，由图3可以看出在中心频率附近，1.2GHz带宽的范围内其参数都低于-10 dB。

图3　接收机频带选择性仿真结果

仿真结果和以上分析表明，理论上本文所设计的接收机射频前端的性能优于系统的指标要求，这是因为仿真是在理想情况下进行的计算，没有考虑实际中存在的反射、干扰等因素，为了保证实际系统实现系统各项指标的要求，仿真得到的各参数值都需要留有一定的裕量。

1.2系统链路预算分析

ADS软件中的链路预算工具Budget仿真器提供了大量的链路预算函数，方便用户分析和测试；支持对参数的调谐、优化、扫描和统计分析；支持AGC环路预算，利用Budget仿真器即可方便、精确地得到参数的预算结果。文中选取了几个与电路关系密切的参数进行系统预算，选取的参数及其意义如表2所示［13］。

表2　系统链路仿真参数及意义

图4为功率扫描下系统链路预算的结果，扫描范围为-60 dBm～-80 dBm。

图4　电路预算分析结果

从图4可以看出不同器件的各个参数的具体参数值以及对输出信号产生的影响。如BFP1这一列表示的是第一级带通滤波器的参数值，噪声系数为2 dB，与我们选取的带通滤波器的插入损耗吻合；LNA为低噪声放大器的性能参数，噪声系数为2 dB，增益为20 dB，所以从图4也可以看出无论是在多大的功率输入下，通过这两个器件的输入信号功率相差20 dB。然后，观察图4最后一栏的结果可发现在输入信号功率大小不同的情况下，通过射频前端的处理后所得到的输出信号的功率总为-10 dBm，这是加入AGC电路的原因，图4中AMP1代表是AGC的性能参数，该器件的增益随着输入信号的强弱不同而改变，信号越弱，增益越大；反之，增益越小。最终，系统的噪声系数为4.044 dB，与由系统噪声级联公式计算出的结果4.019大致相同（见式（1））［14］。综上分析，该电路结构性能满足设计指标。

2　可控积分检测电路设计

接收到的超宽带信号经过射频前端处理后，由可控积分检测电路实现信号的检测，然后高速判决电路对积分后的信号判决，此时的高速判决电路相当于一位的数模采样器，从而实现信号的数字化，解决了超宽带数字化需要极高采样率这一难题，数字化后的信号送入后续FPGA数字端电路实现信号的同步、定时信息提取、数据解调等功能，采用这样的结构较之采用模拟电路实现这一系列功能降低了电路实现的复杂度。由此可以看出可控积分检测电路是连接射频前端与数字端的枢纽，是实现数字、模拟混合接收方案不可缺少的核心器件。

可控的实现是靠三极管的级联来实现的，如图 5所示：电路中采用的三极管为 BFP420和BFP450，其特征频率为25GHz，可以满足中心频率为7.3GHz的超宽带信号工作要求，Q1工作于饱和状态或截止状态，构成一个开关电路，电路的通断受Q1基极输出的由FPGA产生的门控信号的控制，从而控制积分时间的长短；三极管Q2为射极追随电路，C5为积分电容，与电阻R3构成RC积分电路，其工作原理为电容的充放电，当Q1端输入为高电平时，Q1导通处于饱和状态，相当于开关闭合，与Q2形成回路，Q2的基极一直处于导通状态，当集电极导通后，电路形成射极追随器，输入信号由发射极输出，通过RC电路对电容充电，从而实现信号的积分；当Q1端为低电平时，Q1工作于截止状态，相当于开关断开，Q2不导通，这时RC电路放电，相当于对上一次积分结果清零，以便下一次信号到来时积分。因此，门控信号的低电平为清零信号，高电平为积分信号。

图5　可控积分检测电路

积分后的信号为了能够满足判决电路的要求，需要对信号进行一定的放大，同时也可以使的判决输出的电压幅度达到FPGA可以识别的信号幅度，因此设计了如图6的运算放大电路，图7为高速判决电路。

图6　运算放大电路

图7　高速判决电路

3　电路仿真与实物测试

运用Multisim软件对所设计的可控积分检测电路仿真，得到无多径干扰时可控射频积分器的工作结果如图8、图9所示，图8为模拟的重复频率为10MHz的UWB信号，图9为UWB信号通过积分检测电路判决输出的结果。

图8　重复频率为10MHz的UW B信号

图9　判决后的UWB信号

图10、图11为可控积分检测电路的实物图以及实测结果，对比仿真结果与实测结果发现除了电压幅度有一定的差距外基本一致，都能够实现信号的数字化，同时所判决后的信号能够满足FPGA数字端TTL输入电平的需求。因此，所设计的积分检测电路可以应用于接收方案中作为连接射频端与数字端的核心器件。

图10　可控积分检测电路实物图

图11　可控积分检测电路实测结果图

4　结论

本文针对6.7 GHz～7.9 GHz UWB室内定位接收系统设计了一套数字、模拟混合的非相干接收方案，解决了超宽带数字接收机需要高速A/D采样器件的难题，与纯模拟接收机相比，电路结构简单，复杂度低。采用ADS软件搭建仿真模型，对所设计的电路进行频带选择性仿真以及系统链路预算分析，验证了该电路结构的性能满足所要求的设计指标；同时，设计了可控积分检测电路，该电路作为射频端与数字端电路的连接枢纽，实现信号的脉冲检测与数字化，通过电路的仿真与实测结果相比较，证明该电路的可行性。

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杜海明（1977-）男，汉族，河南灵宝人，郑州轻工业学院电子信息工程学院，博士，主要研究方向为无线通信、信号处理与检测以及FPGA应用，duhaiming-007@163.com。

Design of 6.7GHz～7.9GHz UWB Indoor Localization RFReceiver*

DU Haiming*，FU Chuannan
（Electrical Information Engineering College，Zhengzhou Uniυersity of Light Industry，Zhengzhou 450002，China）

A novel and realizable scheme of non-coherent digital-analogmixed receiver detection is proposed to solve the problem ofhigh signal sampling rate according to Ultrawideband indoor positioning receiver system.Compared itwith other schemes，the scheme adopts the controllable integral detection circuitas the A/D conversion section，which realized the ideal-combination of RF circuit and digital base-band circuit and also solved detection of the

signal.The softof ADShas been used to simulate the performance based on the analysis of RF circuit，and the objectof integral detection circuithasbeen designed and tested.Finally the scheme of circuit is verified feasibly by comparing the resultbetween simulation and test.

ultrawideband；indoor localization；rf front-end；controllable integraldetection circuit

TN925.5

A

1005-9490（2016）04-0934-06

项目来源：郑州轻工业学院博士基金项目（2013BSJJ026）；郑州轻工业学院骨干教师项目（2013XGGJS）；国家自然科学基金地区联合项目（U1504604）

2015-09-18修改日期：2015-10-19

EEACC:6210L；125010.3969/j.issn.1005-9490.2016.04.035