摘  要： Chirp超寬帶通信系統(tǒng)使用滿足UWB定義的Chirp信號(hào)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體,起到了擴(kuò)頻效果，具有CSS和UWB的優(yōu)點(diǎn)，其處理增益大、傳輸距離遠(yuǎn)、功率譜密度低、抗衰落能力和抗截獲能力強(qiáng)，獲得廣泛研究與關(guān)注。Chirp-UWB信號(hào)發(fā)生器是實(shí)現(xiàn)該通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，采用DA+鎖相環(huán)（PLL）技術(shù),設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了Chirp-UWB信號(hào)，詳細(xì)分析了其設(shè)計(jì)過程與原理。試驗(yàn)表明,設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生器在≥2 Mb/s調(diào)制數(shù)率的驅(qū)動(dòng)下，能夠產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的Chirp-UWB信號(hào)，該發(fā)生器具有電路結(jié)構(gòu)簡單、易于編程控制、擴(kuò)展性好以及實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),能夠滿足遠(yuǎn)距離高速率無線傳輸數(shù)據(jù)的要求。
關(guān)鍵詞： 超寬帶； Chirp信號(hào)； 鎖相環(huán)； 電荷泵

    Chirp信號(hào)因其高處理增益、低功耗、抗多徑干擾、抗多普勒頻移等優(yōu)點(diǎn)，在通信系統(tǒng)中得到廣泛研究。Chirp信號(hào)應(yīng)用于通信領(lǐng)域中，用來表達(dá)數(shù)據(jù)符號(hào)，起到擴(kuò)頻的效果，這種用Chirp信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻的通信方式被稱為Chirp擴(kuò)頻（CSS）。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)[1]。通過增加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)。
    實(shí)現(xiàn)Chirp-UWB通信系統(tǒng)的關(guān)鍵之一是產(chǎn)生Chirp-UWB信號(hào)，傳統(tǒng)的Chirp信號(hào)產(chǎn)生方式是模擬的，包括無源和有源兩種方法[2]。本文采用了傳統(tǒng)的鎖相環(huán)PLL和高速DA相結(jié)合的技術(shù),高速DA用來產(chǎn)生高速調(diào)制的線性鋸齒信號(hào)，鎖相環(huán)PLL用來產(chǎn)生頻率和相位起點(diǎn)與參考信號(hào)同步的載波信號(hào)，環(huán)路中的VCO在鋸齒信號(hào)的驅(qū)動(dòng)獲得速率≥2 Mb/s時(shí)產(chǎn)生大時(shí)寬Chirp-UWB信號(hào)。該方案的設(shè)計(jì)已經(jīng)成功應(yīng)用在遠(yuǎn)距離高速超寬帶系統(tǒng)中，獲得了較好的效果。
 

 
    為了能夠產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的大時(shí)寬的Chirp-UWB信號(hào)，采用鎖相環(huán)PLL來實(shí)現(xiàn)。用PLL產(chǎn)生Chirp信號(hào)能夠保持良好的相干性。Chirp信號(hào)的相干性包括兩方面的含義[2]：(1)載波和基準(zhǔn)頻率相等或成整數(shù)倍關(guān)系；(2)載波信號(hào)穩(wěn)定度足夠高，達(dá)到與基準(zhǔn)信號(hào)源相同的數(shù)量級(jí)。用鎖相環(huán)產(chǎn)生Chirp-UWB的原理框圖如圖1所示。

    鎖相環(huán)PLL是該方案的核心部分之一，圖1可簡化為圖2所示的結(jié)構(gòu)框圖[5],產(chǎn)生信號(hào)的載頻穩(wěn)定度很高，達(dá)到晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度。

3 系統(tǒng)方案的電路設(shè)計(jì)
    為了驗(yàn)證方案的可行性，采用頻率合成器AD4112、壓控VCOV637ME02-LF、高速DA器件AD9751，以及集成運(yùn)放AD8047、AD820等器件設(shè)計(jì)了原理電路，整個(gè)電路包括電源部分、接口電路、DA部分以及完成關(guān)鍵作用的PLL電路，其中加法電路內(nèi)嵌在鎖相環(huán)中。
    選用了頻率合成器的器件ADF4112集成的電荷泵鎖相環(huán)中鑒頻鑒相功能，由于電荷泵鎖相環(huán)的工作原理與前面的分析類似，在此不再分析，具體可以參考相關(guān)資料。VCO選用的是Z_COMMUNICATIONGS公司的V637ME02-LF，其調(diào)諧電壓范圍是0.5 V～10 V。需要得到的是575 MHz～705 MHz的Chirp超寬帶信號(hào),對(duì)應(yīng)的調(diào)控電壓范圍是3.5 V～6.5 V，調(diào)控靈敏度為46 MHz/V。在方案電路設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵是PLL的環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)、完成調(diào)制信號(hào)接入環(huán)路的加法電路的設(shè)計(jì)以及完成鋸齒信號(hào)產(chǎn)生的DA部分的設(shè)計(jì)，下面予以詳細(xì)分析。
3.1 環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)
    根據(jù)選用VCO器件的特性，當(dāng)輸出頻率為575 MHz時(shí)，對(duì)應(yīng)的控制電壓至少為3.5 V，而鑒相器能提供的電壓最高可達(dá)3.3 V，因此采用無源濾波器無法滿足指標(biāo)要求，故本設(shè)計(jì)中采用有源環(huán)路濾波器。有源環(huán)路濾波器常選擇二階以上，原因是有源器件運(yùn)算放大器會(huì)使輸出信號(hào)增加額外的相位噪聲，采用多階極點(diǎn)可以改善有源濾波器的性能[6]。故本設(shè)計(jì)采用有源三階低通濾波器作為環(huán)路濾波器，其電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。
 

3.3 鋸齒波信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)
    高速鋸齒信號(hào)發(fā)生器采用數(shù)字電路方式產(chǎn)生，這種設(shè)計(jì)方式靈活性強(qiáng)、容易控制、易與基帶數(shù)據(jù)的調(diào)制方式相結(jié)合。本設(shè)計(jì)采用FPGA編程方式產(chǎn)生與鋸齒波對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過高速DA器件AD9751和差分放大器AD8047后，轉(zhuǎn)換為鋸齒波電壓信號(hào)，最后送入加法電路中。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
    根據(jù)以上方案,設(shè)計(jì)并制作了Chirp-UWB信號(hào)發(fā)生器的硬件電路。在Agilent頻譜儀E4440A中測得系統(tǒng)輸出的Chirp超寬帶信號(hào)頻譜如圖6所示。Chirp超寬帶信號(hào)頻譜范圍為575 MHz～705 MHz，掃頻帶寬為130 MHz ,相對(duì)帶寬大于20%，掃頻周期0.5μs,TB積為65。由測試結(jié)果可知，信號(hào)源的輸出信號(hào)頻譜質(zhì)量好，頻帶內(nèi)譜線比較平坦，波動(dòng)范圍小。

    系統(tǒng)中采用的調(diào)制方式為Chirp-OOK調(diào)制。信源輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)過調(diào)制后的信號(hào)為鋸齒波，當(dāng)信源編碼輸出為“0”時(shí)，鋸齒信號(hào)發(fā)生器保持低電平，此時(shí)對(duì)環(huán)路沒有影響，環(huán)路處于鎖定狀態(tài)，輸出一個(gè)單頻信號(hào)；當(dāng)信源編碼輸出為“1”時(shí)，鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間為碼元寬度的線性增長的鋸齒信號(hào)，由于環(huán)路仍然保持鎖定在中心頻率的載波跟蹤狀態(tài)，而環(huán)路中的VCO輸出信號(hào)處于線性掃頻狀態(tài)，輸出所需要的Chirp-UWB信號(hào)。圖7給出了FPGA產(chǎn)生的信源編碼數(shù)據(jù)為1111001110001100的隨機(jī)碼的實(shí)測波形，其中碼元頻率為2 MHz，上面的三角波表示基帶調(diào)制的信號(hào)，下面的波形是Chirp信號(hào)的時(shí)域波形。
    本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于DA+PLL的Chirp-UWB信號(hào)發(fā)生器，充分利用高速DA與集成鎖相環(huán)的優(yōu)點(diǎn)，產(chǎn)生高速可調(diào)制的Chirp-UWB信號(hào)，獲得的信號(hào)滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，在Chirp-UWB遠(yuǎn)距離通信中得到了應(yīng)用。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證了計(jì)方案的可行性, 所設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡單、 功能強(qiáng)、輸出信號(hào)頻率穩(wěn)定、可調(diào)性好，具有比較廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
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