一種簡易的寬帶PLL的Chirp_UWB通信的相干解調(diào)方法*

樊孝明，林基明

（桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林541004）

超寬帶UWB(Ultra-Wideband)技術(shù)是目前無線通信領(lǐng)域中比較先進(jìn)的技術(shù)之一，由于其具有大容量、低發(fā)射功率和低成本等諸多優(yōu)點(diǎn)，在通信、雷達(dá)和無線定位等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。有4種方式實現(xiàn)超寬帶技術(shù)：（1）基于脈沖無線電（IR）的 UWB[1]；（2）基于直接序列碼分多址（DS-CDMA）的 UWB[2-3]；（3）基于多載波正交頻分復(fù)用（MB-OFDM）的 UWB[4]；（4）基于 Chirp 擴(kuò)頻（CSS）的 UWB[5]。 與其他三種形式的 UWB相比，Chirp_UWB利用Chirp擴(kuò)頻技術(shù)來實現(xiàn)頻譜的擴(kuò)展，并且Chirp_UWB信號對頻偏不敏感和不存在峰均功率比(PAPR)，同時Chirp_UWB同樣具有抗干擾能力強(qiáng)、同步實現(xiàn)簡易、發(fā)射功率低、傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)、多徑分辨率高和測量精度高等優(yōu)點(diǎn)。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)[6-7]。通過增加Chirp信號的帶寬和減小時間寬度T，Chirp信號同樣可以應(yīng)用于高速的超寬帶通信系統(tǒng)。

作為大的時間帶寬積信號,它廣泛地應(yīng)用在通信、雷達(dá)、聲納和地震勘探等系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中,Chirp信號的解調(diào)與檢測、參數(shù)估計和信號恢復(fù)是一個重要的研究課題。到目前為止，對于Chirp信號的最佳解調(diào)與檢測方法有：基于脈沖壓縮匹配濾波檢測法[8]和基于分?jǐn)?shù)階 Fourier變換（FRFT）的參數(shù)檢測法[9-10]。前者的實現(xiàn)需要定制專用器件（如聲表面波SAW），其應(yīng)用時的靈活與通用性較差；而后者由于其運(yùn)算量過大，需要尋找滿足目前硬件要求的快速算法導(dǎo)致在實際的系統(tǒng)中難于實現(xiàn)。

針對這些現(xiàn)狀，本文提出了采用寬帶調(diào)制跟蹤環(huán)與積分處理的檢測方式進(jìn)行Chirp信號的解調(diào)。

1 Chirp信號的特性與BOK調(diào)制方式

Chirp信號可表示為：

式中矩形調(diào)制函數(shù)為：

式中，ω0為中心頻率，T為矩形調(diào)制脈沖的時寬，a為矩形調(diào)制脈沖的幅度，μ為調(diào)頻斜率，μ=2πB/T，B為調(diào)頻帶寬。μ＞0稱為正向線性調(diào)頻脈沖(Up-Chirp)，其瞬時頻率不斷增大；μ<0為反向線性調(diào)頻脈沖(Down-Chirp)，其瞬時頻率不斷減小，如圖1所示。利用數(shù)據(jù)信息中的“1”和“0”碼元控制 Chirp信號的調(diào)制斜率來實現(xiàn) Chirp-BOK調(diào)制，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其中 μ＞0的 Chirp波形表示傳輸數(shù)據(jù)信息比特“1”，μ<0的Chirp波形表示傳輸數(shù)據(jù)信息比特“0”。

當(dāng)Chirp信號通過匹配濾波器后，其輸出信號可以表示為：

使用匹配濾波解調(diào)方式，只要在碼元結(jié)束時刻檢測匹配器輸出信號的峰值，進(jìn)行抽樣判決恢復(fù)出數(shù)據(jù)信號，然而使用本文提出的寬帶調(diào)制跟蹤環(huán)與積分處理的解調(diào)方式同樣能夠獲得信號的峰值，設(shè)計合理的環(huán)路參數(shù)，能夠獲得匹配濾波解調(diào)的效果，并且文中提出的方法非常簡單，容易實現(xiàn)。

2 Chirp信號的解調(diào)原理

本文提出的用于Chirp_UWB通信系統(tǒng)的Chirp調(diào)制信號解調(diào)方法的功能框圖如圖3所示，其中包括一個寬帶調(diào)制跟蹤鎖相環(huán)PLL、積分器和定時抽樣判決電路。

使用寬帶跟蹤環(huán)+積分處理的解調(diào)方式是Chirp_UWB通信系統(tǒng)的一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低及易于實現(xiàn)的解調(diào)方案。寬帶調(diào)制跟蹤環(huán)由鑒相器PD、環(huán)路濾波器LF和壓控振蕩器VCO組成。寬帶調(diào)制跟蹤環(huán)利用鎖相環(huán)的寬帶跟蹤特性，對輸入信號進(jìn)行調(diào)制跟蹤。在環(huán)路的跟蹤過程中，環(huán)路中的壓控振蕩器的輸出相位或頻率隨環(huán)路輸入信號的相位或頻率而變化，當(dāng)輸入信號的頻率線性增加時，VCO控制信號為正向線性增長的鋸齒信號，當(dāng)輸入信號的頻率不變時，VCO控制信號為直流信號，當(dāng)輸入信號的頻率線性降低時，VCO控制信號為負(fù)向線性增長的鋸齒信號。這樣可以利用鎖相環(huán)的寬帶跟蹤特性對輸入信號的頻率變化進(jìn)行跟蹤，從而對輸入的已調(diào)信號的調(diào)制信息進(jìn)行識別。下面首先予以詳細(xì)分析寬帶跟蹤環(huán)的工作原理[11]。

輸入信號為Chirp_UWB信號，其表達(dá)式為：

其中 ω0t為參考相位，ω0為載波頻率的中心頻率，θ1(t)受調(diào)制信號的控制：

m(t)為受調(diào)制數(shù)據(jù)d(t)控制的線性變化的鋸齒波信號，d(t)∈(0，1)或 d(t)∈(+1，-1)，取決于系統(tǒng)采樣的調(diào)制方式是Chirp_OOK或Chirp_BOK。

輸入信號的瞬時頻率為：

Kt為發(fā)送信號的調(diào)制靈敏度，由此可以看出輸入信號的瞬時頻率以ω0為中心，隨鋸齒波信號m(t)作線性變化，調(diào)制靈敏度Kt和鋸齒波信號的幅度峰值決定輸入的Chirp_UWB信號的掃頻范圍。

根據(jù)式（1）可知：

時，式（1）與式（5）是等效的，都可以用來表示受調(diào)制的Chirp信號。

環(huán)路中，VCO的輸出信號uo(t)表示為：

其中 θ2(t)是輸出信號 uo(t)以 ω0t為參考的相位。

由于環(huán)路工作在寬帶調(diào)制跟蹤狀態(tài)，因此環(huán)路的壓控振蕩器VCO的輸出電壓信號將跟蹤輸入信號ui(t)的相位調(diào)制。在環(huán)路工作在調(diào)制跟蹤狀態(tài)時，鑒相器輸出的相位誤差信號 θe(t)=θ2(t)-θ1(t)很小，環(huán)路濾波器采用有源比例積分低通濾波器時，環(huán)路的增益比較大，可以認(rèn)為相位誤差 θe(t)近似為0，此時：

又根據(jù)環(huán)路中VCO的控制特性：

其中K0為本地VCO的壓控靈敏度，可得到環(huán)路的控制電壓：

由式(12)可以看出VCO的控制電壓信號與調(diào)制的鋸齒信號m(t)呈線性關(guān)系變化。設(shè)計合理的環(huán)路參數(shù)使得環(huán)路調(diào)制跟蹤狀態(tài)，通過檢測VCO控制信號，進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)。實際上利用寬帶調(diào)制跟蹤環(huán)對Chirp信號進(jìn)行解調(diào)的過程是對線性調(diào)頻信號進(jìn)行去斜率的過程。

為了提高系統(tǒng)的處理能力，對跟蹤環(huán)路中VCO壓控端的控制信號進(jìn)行積分處理，積分器對信號在碼元間隔時間內(nèi)進(jìn)行積分運(yùn)算，能夠有效地抑制信道中的噪聲和環(huán)路中的高頻干擾噪聲，在碼元結(jié)束時刻獲得信號的能量峰值，提高系統(tǒng)檢測的性能，有利于后續(xù)的抽樣判決電路工作。抽樣判決電路在定時同步脈沖δ(t)的作用下對積分后峰值信號進(jìn)行抽樣判決，大于門限值判為數(shù)據(jù)“1”，小于數(shù)據(jù)門限值判為數(shù)據(jù)“0”，這樣就完成了數(shù)據(jù)解調(diào)輸出。對于Chirp_OOK調(diào)制時，其判決門限為積分器輸出的一半，而對Chirp_BOK,其判決門限為零。由此可以看出，系統(tǒng)采用Chirp_BOK調(diào)制時，系統(tǒng)的誤碼性能優(yōu)于Chirp_OOK調(diào)制 3 dB，且門限設(shè)置簡單方便。

3 系統(tǒng)仿真與性能分析

仿真中信息bit速率為2 Mb/s時，發(fā)射端的調(diào)制方式為 Chirp_bok方式，中心頻率為 640 MHz，掃頻帶寬為130 MHz，相對帶寬大于 20%，符合 FCC對 UWB信號定義?！?”碼調(diào)制正斜率的 Chirp信號，“0”碼調(diào)制負(fù)斜率的Chirp信號。系統(tǒng)中使用一個Chirp信號傳輸一個數(shù)據(jù)信息比特時，獲得的處理增益約為18 dB。

圖4～圖6給出了高斯信道中不同信噪比情形下使用本文提出的解調(diào)方式得到的各點(diǎn)輸出波形。由圖中可以看出，環(huán)路中VCO的控制電壓為正負(fù)斜率的鋸齒信號，但是上面疊加了信道和環(huán)路中的噪聲，經(jīng)過積分處理之后，信號的能量在碼元結(jié)束時刻獲得聚集，噪聲得到了抑制，有利于抽樣判決。

圖4 信噪比SNR=-10 dB時的解調(diào)輸出的各點(diǎn)波形

圖5 信噪比SNR=0 dB時的解調(diào)輸出的各點(diǎn)波形

圖6 信噪比SNR=10 dB時的解調(diào)輸出的各點(diǎn)波形

仿真結(jié)果表明，本文提出的使用寬帶PLL與積分處理的解調(diào)方式，不但能夠獲得匹配濾波的解調(diào)效果，而且實現(xiàn)簡單、成本低、容易集成，且靈活性好，只要更改相應(yīng)的參數(shù)，就能夠適用不同頻段的Chirp_UWB通信系統(tǒng)。

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