《電子技術(shù)應(yīng)用》
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超寬帶高速通信系統(tǒng)射頻發(fā)射機的設(shè)計與實現(xiàn)

2009-04-13
作者:王波 王玫 黃冬艷

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??? 目前,超寬帶UWB(Ultra Wideband)技術(shù)已經(jīng)成為國際無線通信技術(shù)研究的前沿性熱點之一,由于UWB技術(shù)的諸多優(yōu)點,使其成為無線個人局域網(wǎng)絡(luò)WPAN(Wireless Personal Area Network)的主要技術(shù)之一。WPAN的目標(biāo)是用無線電或者紅外線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有線電纜,以低價格和低功耗在10m范圍內(nèi)實現(xiàn)個人信息終端的智能化互聯(lián),組建個人化信息網(wǎng)絡(luò)[1]。因此短距離的高速(100Mb/s)無線通信是UWB技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域。


??? 在UWB短距離高速通信系統(tǒng)中,射頻發(fā)射機的設(shè)計與實現(xiàn)歷來是整個高效穩(wěn)定系統(tǒng)的難點之一。從電路設(shè)計的角度來看,射頻電路的設(shè)計既不同于低頻電路設(shè)計,又區(qū)別于微波電路的設(shè)計。本文實現(xiàn)的超寬帶信號中心頻率為3.5GHz,屬于射頻的范疇。這就要求電路的設(shè)計與分析要用射頻電路的理論來實現(xiàn)。


???? 傳統(tǒng)的UWB射頻發(fā)射機[2-4]產(chǎn)生的UWB信號都是高斯脈沖信號,這種高斯脈沖UWB信號的時域表達式如式(1)所示:

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???? 利用傅里葉變換可得其頻域表達式,如式(2)所示:
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??? 式(1)、式(2)中為脈沖形狀因子,分別為時域、頻域幅度歸一化因子。


??? 這種UWB信號的不足之處在于對傳統(tǒng)的高斯窄脈沖無論如何改變?琢值,都很難滿足FCC對UWB信號的頻譜限制。更重要的是此種UWB信號為單脈沖信號,其能量分散導(dǎo)致接收端能量檢測接收困難,不利于UWB通信系統(tǒng)的整體實現(xiàn)。


??? 本文介紹了一種UWB短距離高速通信系統(tǒng)的射頻發(fā)射機的設(shè)計與實現(xiàn)。該射頻發(fā)射機產(chǎn)生的UWB信號為高斯包絡(luò)正余弦脈沖,脈沖周期10ns,峰-峰值電壓約為3.2V,滿足FCC(美國聯(lián)邦通信委員會)有關(guān)UWB發(fā)射信號規(guī)范[5],有效解決了高速UWB信號的粘連現(xiàn)象,且產(chǎn)生的信號為多脈沖信號,能量集中,利于接收端能量檢測接收。另外通過加置功率放大器(簡稱功放)解決了在特殊場合下射頻發(fā)射機的發(fā)射功率不足的問題。此功放具有工作頻帶寬、電路結(jié)構(gòu)簡單等特點。振蕩器與功放結(jié)合起來最終實現(xiàn)了穩(wěn)定、實用的UWB高速信號。


UWB短距離高速(100Mb/s)通信系統(tǒng)發(fā)射機的設(shè)計與實現(xiàn)


?UWB短距離高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)可以實現(xiàn)從PC到PC的10m范圍內(nèi)的高速數(shù)據(jù)傳輸,其發(fā)射部分簡化框圖結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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??? PC機上的待傳輸數(shù)據(jù)通過USB接口電路傳送到基帶處理電路,經(jīng)過卷積、交織、編幀、調(diào)制等一系列處理后產(chǎn)生100Mb/s的基帶碼元信號,此基帶碼元信號用以控制射頻發(fā)射機的振蕩器工作狀態(tài),從而產(chǎn)生高速的UWB信號,這樣產(chǎn)生的UWB信號為高斯包絡(luò)正余弦脈沖[6],它的時域表達式如式(3)所示。

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??? 利用傅里葉變換可得其頻域表達式,如式(4)所示:

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??? 這樣產(chǎn)生的UWB信號經(jīng)天線發(fā)射后可以滿足一般的通信需求,但為了達到在惡劣的傳輸環(huán)境下實現(xiàn)有效通信的目的,或者為了滿足特殊的通信需求,UWB信號可以先經(jīng)過功率放大器進行功率放大后再通過天線發(fā)射出去。


振蕩器的設(shè)計與實現(xiàn)


??? 微波可控振蕩器的設(shè)計與實現(xiàn)基于負阻效應(yīng)特性原理[7]:把等效的負阻元件直接接到諧振回路中,利用負阻效應(yīng)抵消回路中的損耗,從而產(chǎn)生等幅、穩(wěn)定的振蕩作為UWB脈沖信號的調(diào)制載波。同時利用基帶信號碼元對振蕩電路進行觸發(fā)控制,以產(chǎn)生高斯包絡(luò)正余弦脈沖的UWB信號。圖2是負阻振蕩電路的原理框圖,圖3是負阻振蕩器電路的原理圖。

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??? 在圖2中,F(xiàn)ET柵極和地之間外接正反饋網(wǎng)絡(luò)來加強電路的負阻效應(yīng),從而擴大電路在Smith圓圖上的非穩(wěn)定區(qū)域以便電路的起振并建立穩(wěn)定的振蕩;諧振網(wǎng)絡(luò)控制、協(xié)調(diào)電路的中心頻率和電路的頻率穩(wěn)定度;直流偏置網(wǎng)絡(luò)為電路提供正常工作點并補償能量的損耗;輸出匹配網(wǎng)絡(luò)關(guān)系到輸出功率性能和電路的效率,同時起到濾波的作用;控制網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)UWB調(diào)制載波信號的重要控制部分,直接影響UWB脈沖信號的性能。


??? 以往振蕩器存在的主要問題是振蕩器起振速度與停振速度較慢,由此導(dǎo)致產(chǎn)生的UWB高速數(shù)據(jù)會出現(xiàn)波形粘連情況。為了解決高速數(shù)據(jù)的波形粘連現(xiàn)象,產(chǎn)生高速且無粘連的UWB信號,本文進行了如下設(shè)計。
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??? 首先,振蕩電路的FET管采用HP公司的具有頻帶寬、噪聲低、可靠性高、截止頻率高等特點的GaAS MESFET ATF13786,其特征頻率可達到60GHz,最大功耗,最大漏極電流。在10GHz頻率點處輸出功率可達10dBm,典型的低噪聲特性為?。

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??? 在具體的設(shè)計中首先采用Aglient公司的電路設(shè)計軟件ADS(Advanced Design System)2006A對振蕩電路進行了仿真設(shè)計。系統(tǒng)經(jīng)過振蕩器后的UWB信號仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。

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??? 從以上的仿真結(jié)果中可以觀測出:


?? (1)調(diào)制脈沖信號的峰值電壓約為1.6V,與負阻振蕩電壓幅度基本相符;

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? ?(2)信號周期10ns,脈沖信號之間間隔約5ns,數(shù)據(jù)的時間隔離度較高;


???(3)調(diào)制脈沖信號的中心頻率fc為3.500GHz,處于3.1GHz~10.6GHz頻段內(nèi),滿足UWB信號的要求。輸出功率為6.771dBm,-10dB帶寬大于500MHz,二次諧波和三次諧波對中心頻率的影響可以忽略,滿足FCC關(guān)于UWB信號的定義要求。


??? 基于此仿真設(shè)計,實現(xiàn)了具體的振蕩器電路,實際電路產(chǎn)生的UWB信號實測結(jié)果如圖6、圖7所示。

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??? 從圖6可以看出,在常溫條件下,實測振蕩器的中心頻率fc為3.459GHz,峰值輸出功率為-16.64dBm。電路實測時域結(jié)果如圖7所示,脈沖重復(fù)周期T為10ns,脈沖信號的單峰值達400mV,調(diào)制UWB信號的振蕩建立和停振時間小于1ns,調(diào)諧速度非常快,而且脈沖信號之間有較大的信號間隔(約4ns),有效解決了信號波形混疊問題,有利于接收機的同步捕獲和積分檢測工作。


????硬件電路測試采用的頻譜分析儀是Agilent公司的E4443A,儀器的性能指標(biāo)滿足實測要求。而示波器使用Agilent公司的5484bA,它的采樣頻率為8GHz/s,帶寬為2.5GHz,對于3GHz以上的振蕩信號已經(jīng)不能給出真實的時域瞬態(tài)波形。


功放的設(shè)計與實現(xiàn)


??? 功放是射頻發(fā)射機的重要組成部分,目前功放的設(shè)計與實現(xiàn)主要有兩種方法:一種為基于MESFET的寬帶功率放大器的設(shè)計與實現(xiàn);另一種為基于MMIC(微波單片集成電路)的設(shè)計與實現(xiàn)。


????本UWB高速傳輸系統(tǒng)對所設(shè)計的功率放大器技術(shù)指標(biāo)要求有:功放的工作頻段在3GHz~4GHz,其工作帶寬大于500MHz;對UWB脈沖信號放大線性度好,失真較??;采用A類功率放大器設(shè)計;其功率增益的要求為20dB左右。


??? 功放的設(shè)計選用MMIC芯片HMC327來實現(xiàn)。該芯片工作頻段為3GHz~4GHz(-3dB帶寬),最大增益24dB,工作頻段大于500MHz,工作電壓一般為5V。功放的電路原理圖如圖8所示。

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??? 此功放具有如下特點:電路結(jié)構(gòu)簡單,無須直流偏置電路,易于實現(xiàn);工作頻段較一般的功放芯片寬,可以工作在3GHz~4GHz的頻率范圍。


??? 對實際功放電路進行測試,測試輸入信號源為經(jīng)過中心頻率3.38GHz,數(shù)據(jù)速率為100MHz的UWB窄脈沖信號。

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??? 圖9和圖10是對振蕩信號放大的前后對照測試圖,可以看到UWB窄脈沖信號的功率從-9.58dBm增加到8.34dBm,增益為17.92 dB。考慮到實際測試中的線損約有2~3 dB。實際增益有20dB,工作頻帶大于500MHz,有效地放大了UWB信號,延長了傳輸距離,可以滿足其在特殊場合應(yīng)用的需求。

結(jié)? 論
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??? 本文介紹了一種結(jié)構(gòu)簡單的超寬帶高速通信系統(tǒng)射頻發(fā)射機,此UWB射頻發(fā)射機可以產(chǎn)生寬度為5ns、重復(fù)周期為100MHz、峰-峰值電壓可達3.2V的超寬帶高斯包絡(luò)正余弦脈沖信號,滿足FCC相關(guān)標(biāo)準,能夠有效解決高速UWB數(shù)據(jù)的波形粘連問題,并且利于接收端能量檢測接收。另外此射頻發(fā)射機通過在振蕩器后放置功率放大器,加大發(fā)射功率,解決了特殊場合下UWB高速數(shù)據(jù)信號功率過低的問題。適用于PPM-UWB、OOK-UWB、BPSK-UWB等高速無線射頻系統(tǒng),兼有經(jīng)濟成本低、結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)的特點,可廣泛應(yīng)用于室內(nèi)通信、抗災(zāi)救險等各種場合的短距離高速無線數(shù)據(jù)傳輸,具有廣闊的應(yīng)用前景。

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