UWB雷達(dá)芯片的研究現(xiàn)狀與發(fā)展

羅 朋 胡振峰 田世偉 劉馬良*

①(西安電子科技大學(xué) 西安 710000)

②(軍事科學(xué)院國防科技創(chuàng)新研究院 北京 100097)

1 引言

20世紀(jì)60年代超寬帶(Ultra-Wide Band,UWB)的構(gòu)想首次在“time-domain electromagnetics”中被提出[1]，采用一種無載波的窄脈沖信號(hào)進(jìn)行通信。由于其具有較好的安全性，高傳輸速率以及高距離分辨率，其在軍事及雷達(dá)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值。2002年2月，美國聯(lián)邦通信委員會(huì)(Federal Communications Commission, FCC)正式批準(zhǔn)超寬帶民用，規(guī)定超寬帶的工作頻率為3.1～10.6 GHz，發(fā)射帶寬大于500 MHz，但為了防止超寬帶與其他通信帶寬產(chǎn)生干擾，對(duì)發(fā)射機(jī)發(fā)射功率進(jìn)行了限制，即有效全向輻射功率小于–41.2 dBm/MHz[2]。因此超寬帶技術(shù)的高速傳輸速率是以非常寬的帶寬為代價(jià)，同時(shí)超寬帶脈沖雷達(dá)技術(shù)是發(fā)射機(jī)發(fā)射持續(xù)時(shí)間極短的脈沖信號(hào)，而收發(fā)機(jī)的重復(fù)頻率周期較長，因此單位時(shí)間內(nèi)消耗的功耗極低，適合今后低功耗的應(yīng)用場景要求。所以UWB系統(tǒng)在軍事雷達(dá)領(lǐng)域應(yīng)用之外，在生物探測、室內(nèi)定位等商業(yè)應(yīng)用場景得到重要的應(yīng)用。Decawave 公司在2013年推出第1款基于超寬帶技術(shù)的單芯片無線收發(fā)器。室內(nèi)和室外定位精確到10 cm以內(nèi)。通過提供準(zhǔn)確的位置感知和通信，為實(shí)時(shí)定位和室內(nèi)定位系統(tǒng)、基于位置的服務(wù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)提供了一種新方法。同時(shí)恩智浦推出UWB產(chǎn)品“Trimension”解決方案，如圖1所示，在汽車、移動(dòng)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)安全測距和精確感測。近年來國內(nèi)對(duì)UWB系統(tǒng)的研究正快速增加。未來其在物聯(lián)網(wǎng)、短距通信、室內(nèi)室外定位、生物探測以及軍事等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用需求與市場前景。

圖1 UWB系統(tǒng)的優(yōu)勢與應(yīng)用場景

2 UWB 發(fā)射機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)與關(guān)鍵電路

發(fā)射機(jī)(Transmitter X, TX)作為發(fā)射信號(hào)的關(guān)鍵功能模塊，通常由信號(hào)產(chǎn)生電路、功率放大器以及天線3部分構(gòu)成。下面將對(duì)UWB系統(tǒng)信號(hào)產(chǎn)生電路與功率放大器兩個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

2.1 UWB系統(tǒng)信號(hào)產(chǎn)生技術(shù)

2002年2月，美國聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)正式批準(zhǔn)超寬帶民用，規(guī)定超寬帶的工作頻率為3.1～10.6 GHz，發(fā)射帶寬大于500 MHz，但為了防止超寬帶與其他通信帶寬產(chǎn)生干擾，對(duì)發(fā)射機(jī)發(fā)射功率進(jìn)行了限制，即有效全向輻射功率小于–41.2 dBm/MHz。所以針對(duì)不同的UWB系統(tǒng)，不同應(yīng)用場景，UWB系統(tǒng)的信號(hào)產(chǎn)生技術(shù)將直接影響系統(tǒng)的性能、復(fù)雜度、功耗等。其中脈沖體制是UWB系統(tǒng)的主要信號(hào)體制之一，本節(jié)將針對(duì)脈沖信號(hào)體制及其對(duì)應(yīng)的UWB系統(tǒng)信號(hào)調(diào)制技術(shù)進(jìn)行綜述。

2.1.1 基本脈沖信號(hào)類型

文獻(xiàn)[3]介紹并對(duì)比了高斯脈沖(Gaussian pulse)、高斯單脈沖(Gaussian monocycle)、Scholtz單脈沖( Scholtz's monocycle)、曼徹斯特單脈沖(Manchester monocycle)、歸零曼徹斯特單脈沖(RZ-Manchester monocycle)、正弦單脈沖(sine monocycle)、矩形單脈沖(rectangle monocycle)等脈沖信號(hào)類型的時(shí)域及頻域特性。

由于高斯脈沖可以通過調(diào)節(jié)函數(shù)參數(shù)，信號(hào)的帶寬與峰值頻率可以通過簡單的設(shè)置而發(fā)生改變，在滿足FCC條件下高斯脈沖的發(fā)射功率與性能更適合超寬帶系統(tǒng)的應(yīng)用，高斯脈沖信號(hào)具有更簡單、對(duì)信道衰落不敏感等特點(diǎn)，所以常用于UWB發(fā)射系統(tǒng)中，下面將對(duì)不同的高斯脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路進(jìn)行論述。

2.1.2 頻移高斯脈沖信號(hào)

上述信號(hào)類型為滿足FCC，及降低功率譜密度(Power Spectrum Density, PSD)，高斯脈沖及矩形脈沖均存在DC分量且其余各階導(dǎo)數(shù)信號(hào)電路實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，因此文獻(xiàn)[4]中采用如圖2所示的一種頻移高斯脈沖(frequency-shifted Gaussian pulse)。文獻(xiàn)[4]指出該類型波形具有更好的頻譜特性，更窄的脈沖寬度，以及容易在CMOS中電路實(shí)現(xiàn)。所以該信號(hào)類型更適合作為UWB系統(tǒng)中信號(hào)技術(shù)。頻移高斯脈沖可以表示為式(1)

圖2 頻移高斯脈沖時(shí)域波形

文獻(xiàn)[4]采用如圖3所示的全數(shù)字高斯脈沖產(chǎn)生電路。通過電荷泵對(duì)無源濾波網(wǎng)絡(luò)充放電實(shí)現(xiàn)脈沖的產(chǎn)生，并通過控制時(shí)鐘脈沖寬度以及電流實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖信號(hào)可配置。然而在文獻(xiàn)[5]中采用直接射頻合成的方式實(shí)現(xiàn)類高斯脈沖信號(hào)的產(chǎn)生，其產(chǎn)生電路如圖4所示，采用對(duì)buffer尾電流編程，并通過對(duì)發(fā)射脈沖控制序列進(jìn)行偽隨機(jī)編碼，提高輸出脈沖的平滑度。并且通過控制PLL輸出頻率從而調(diào)整高斯脈沖的中心頻率。綜上實(shí)現(xiàn)一種更加平滑的可編程頻移高斯脈沖波形。為了進(jìn)一步減小面積與功耗，文獻(xiàn)[6,7]提出一種全數(shù)字的脈沖信號(hào)產(chǎn)生技術(shù)。其中文獻(xiàn)[8]電路原理如圖5所示。該文獻(xiàn)首先提出一種延遲可配置的延遲單元，如圖5(a)所示，通過控制電壓Vc從而改變延遲時(shí)間。然后通過組合邏輯產(chǎn)生一定脈沖寬度的單脈沖。最終通過如圖5(c)所示的脈沖組合器將單脈沖組合，從而產(chǎn)生用于發(fā)射的脈沖信號(hào)。該脈沖信號(hào)產(chǎn)生技術(shù)既有較低的功耗與面積，并且脈沖寬度與個(gè)數(shù)可配置，圖6中的文獻(xiàn)[8]同樣采用了全數(shù)字脈沖產(chǎn)生技術(shù)。

圖3 文獻(xiàn)[4]中全數(shù)字高斯脈沖產(chǎn)生電路

圖4 文獻(xiàn)[5]中直接射頻合成高斯脈沖的實(shí)現(xiàn)電路

圖5 文獻(xiàn)[8]中提出的數(shù)字脈沖產(chǎn)生電路

圖6 文獻(xiàn)[8]采用的全數(shù)字脈沖產(chǎn)生技術(shù)

另外文獻(xiàn)[9–11]均采用如圖7所示的混頻結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生方式，從而實(shí)現(xiàn)可配置的脈沖信號(hào)，常用于開關(guān)鍵控(ON-Off-Keying, OOK)、脈沖位置調(diào)制(Pulse Position Modulation, PPM)等帶有調(diào)制波形產(chǎn)生電路中。

圖7 文獻(xiàn)[9]采用混頻器實(shí)現(xiàn)脈沖產(chǎn)生電路

隨著研究的不斷深入，目前高斯脈沖產(chǎn)生電路的功耗與面積都已經(jīng)可以大大降低，通過可編程技術(shù)使得輸出脈沖具有更好的平滑度與可調(diào)的中心頻率。隨著數(shù)字化電路控制技術(shù)的提出，脈沖組合器將單脈沖組合，使得脈沖的寬度與個(gè)數(shù)實(shí)現(xiàn)可調(diào)，高斯脈沖產(chǎn)生電路的脈沖寬度與峰值頻率等方面將會(huì)具有更強(qiáng)的可調(diào)性能。

2.1.3 調(diào)制方式

在目前的IR-UWB系統(tǒng)中，常見的調(diào)制方式有開關(guān)鍵控(OOK)、脈沖幅度調(diào)制(Pulse Amplitude Modulation, PAM)、脈沖位置調(diào)制(PPM)、相位鍵控(Binary Phase Shift Keying, BPSK)等調(diào)制方式，接下來主要對(duì)常見的幾種調(diào)制方式進(jìn)行綜述。

(1) 開關(guān)鍵控(OOK)。在文獻(xiàn)[11–19]的收發(fā)機(jī)中采用OOK的調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)UWB系統(tǒng)通信。文獻(xiàn)[11]采用如圖8所示的結(jié)構(gòu)，通過控制數(shù)控振蕩器(Digitally Controlled Oscillators, DCO)或功率放大器(Power Amplifiers, PA)的開關(guān)從而實(shí)現(xiàn)OOK調(diào)制。另外為了避免直接對(duì)電源控制，文獻(xiàn)[13]采用如圖9所示的電路實(shí)現(xiàn)方式，通過開關(guān)控制振蕩器實(shí)現(xiàn)OOK脈沖調(diào)制。與文獻(xiàn)[13]所述方式類似的還有文獻(xiàn)[19]采用如圖10所示的電路，在產(chǎn)生脈沖時(shí)，利用D觸發(fā)器和邏輯電路產(chǎn)生的Data_dly控制buffer尾電流實(shí)現(xiàn)data的調(diào)制，不需要對(duì)振蕩器的電源直接控制。

圖8 文獻(xiàn)[11]的開關(guān)鍵控調(diào)制產(chǎn)生方式

圖9 文獻(xiàn)[13]通過控制壓控振蕩器的接地端實(shí)現(xiàn)開關(guān)鍵控調(diào)制

圖10 文獻(xiàn)[19]OOK調(diào)制產(chǎn)生電路

(2) 脈沖位置調(diào)制(PPM)。文獻(xiàn)[20–22]均采用PPM調(diào)制的脈沖信號(hào)。其中文獻(xiàn)[20]提出采用基于PPM調(diào)制的UWB系統(tǒng)用于RFID(Radio Frequency IDentification)系統(tǒng)中。其調(diào)制電路如圖11所示，通過將sensor的模擬信號(hào)與三角波信號(hào)比較，從而產(chǎn)生PPM調(diào)制。在斜坡信號(hào)的上升沿發(fā)出第一個(gè)參考脈沖信號(hào)，用于接收機(jī)實(shí)現(xiàn)同步處理，然后在下降沿發(fā)出脈沖位置調(diào)制的脈沖信號(hào)。從而節(jié)省模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter, ADC)，進(jìn)一步節(jié)省功耗與面積。

圖11 文獻(xiàn)[20]的調(diào)制電路

另外文獻(xiàn)[22]提出一種D-MPPM，即全數(shù)字多脈沖相位調(diào)制，如圖12所示。通過DTC電路與同步脈沖實(shí)現(xiàn)一個(gè)重頻周期發(fā)送多bit數(shù)據(jù)，提高通信的數(shù)據(jù)率。從而data rate不受重頻周期與時(shí)鐘速率影響。隨著DTC精度的提高，數(shù)據(jù)率可以進(jìn)一步提高，并且可以全數(shù)字實(shí)現(xiàn)調(diào)制與解調(diào)，適用于小面積與低功耗場景。

圖12 文獻(xiàn)[22]所提調(diào)制電路

(3) 相位鍵控(PSK)。文獻(xiàn)[23–26]采用PSK調(diào)制的脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)UWB通信。文獻(xiàn)[23–25]采用模擬混頻器的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖信號(hào)的PSK調(diào)制。需要消耗大量的功耗面積，所以文獻(xiàn)[26]采用如圖13所示的全數(shù)字實(shí)現(xiàn)BPSK調(diào)制，通過輸入數(shù)據(jù)data與時(shí)鐘信號(hào)邏輯產(chǎn)生正脈沖和負(fù)脈沖兩個(gè)相位的脈沖信號(hào)，最終經(jīng)過PA發(fā)送，產(chǎn)生基于PSK的脈沖信號(hào)和。表1對(duì)不同調(diào)制方式進(jìn)行了性能匯總。

表1 調(diào)制方式性能匯總

圖13 文獻(xiàn)[26]調(diào)制產(chǎn)生電路

隨著通信系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)速率以及小型化低功耗性能的需求越來越高，開關(guān)鍵控OOK通常具有更高的調(diào)制數(shù)據(jù)速率，但是不可避免地會(huì)消耗太多功耗，脈沖位置調(diào)制PPM因?yàn)榭梢詫?shí)現(xiàn)一個(gè)重頻周期發(fā)送多bit數(shù)據(jù)，大大提高通信的數(shù)據(jù)率，并且可以采用全數(shù)字化設(shè)計(jì)方案，進(jìn)一步減小芯片的面積與功耗，隨著研究的不斷深入，PPM將會(huì)在調(diào)制方式中展現(xiàn)出數(shù)字化的優(yōu)勢。

2.2 超寬帶功率放大器(UWB PA)

UWB發(fā)射機(jī)帶寬較寬，所以對(duì)功率放大器的帶寬要求也較高，甚至有的需要覆蓋3.1～10 GHz。而功率放大器的帶寬越寬越難保證效率和功率的性能。所以有些發(fā)射機(jī)的輸出不經(jīng)過專門的功率放大器，而通過普通buffer。例如文獻(xiàn)[27–29]，在這些結(jié)構(gòu)中，產(chǎn)生脈沖過后，往往只通過無源諧振電路，或者直接發(fā)射輸出。文獻(xiàn)[30]應(yīng)用了一個(gè)預(yù)放大器和推挽級(jí)AB類功率放大器，最后達(dá)到了–10 dBm的輸出功率，文獻(xiàn)[31]采用開關(guān)結(jié)構(gòu)降低功耗。這些結(jié)構(gòu)能達(dá)到較好的效率，但是輸出功率較低。在一些對(duì)發(fā)射功率有要求的場景中，就不可避免地要引入功率放大器。

因?yàn)樵诠β史糯笃鞯膽?yīng)用中，輸入信號(hào)幅度不是固定的，在單一類型的功率放大器中，不同的輸入幅度對(duì)應(yīng)的效率可能會(huì)相差很大，所以功率放大器往往對(duì)6 dB回退效率有要求，Doherty功率放大器能在效率峰值回退6 dB對(duì)應(yīng)的輸入功率處仍然有較好的輸出效率。所以，在一些對(duì)效率要求更高的應(yīng)用中，例如IOT等，在一些低功耗的收發(fā)機(jī)應(yīng)用中，往往應(yīng)用更高效率的功率放大器，例如Doherty功率放大器，c類功率放大器等等，文獻(xiàn)[32]引入了數(shù)字Doherty功率放大器，如圖14所示。這類功率放大器工作在A B 類或者C 類，一般能達(dá)到30%～40%的轉(zhuǎn)換效率。其利用多路數(shù)字功率合成技術(shù)，在輸出中將16路功率放大器分成兩部分，組合成Doherty功率放大器，達(dá)到了29.5%的效率和24.4 dBm的輸出功率。

圖14 文獻(xiàn)[32]數(shù)字Doherty功率放大器

3 UWB接收機(jī)架構(gòu)與關(guān)鍵電路

在UWB系統(tǒng)中，根據(jù)信號(hào)類型以及采樣方式不同提出不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。發(fā)射機(jī)(TX)結(jié)構(gòu)常由信號(hào)產(chǎn)生模塊、功率放大器模塊以及天線3部分構(gòu)成。接收機(jī)則由于信號(hào)類型、量化方式不同，學(xué)者提出眾多結(jié)構(gòu)。其中較為常見結(jié)構(gòu)有超外差結(jié)構(gòu)、零中頻結(jié)構(gòu)、直接射頻采樣結(jié)構(gòu)、基于時(shí)間擴(kuò)展采樣結(jié)構(gòu)、基于等效時(shí)間采樣結(jié)構(gòu)、ST sampling、能量檢測等。同時(shí)還提出了多種低噪聲放大器的優(yōu)化方式，包括噪聲相消、增益自適應(yīng)等技術(shù)。

3.1 UWB接收機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)

超寬帶接收其具有帶寬大、頻率高等特點(diǎn)，所以接收機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多采用超外差方式，混頻后降低信號(hào)頻率，或者采用等效采樣等方式提升ADC的采樣率。以下將對(duì)常見接收機(jī)架構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)綜述。

3.1.1 超外差

由于接收到的信號(hào)均具有較高頻率的載波，難以直接量化。文獻(xiàn)[33]采用如圖15所示的結(jié)構(gòu)。接收機(jī)中包括低噪聲放大器(Low Noise Amplifier,LNA)、混頻器(Mixer)、濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)等模塊。該結(jié)構(gòu)首先將通過LNA放大后的射頻信號(hào)下混頻之后，通過低通濾波器將倍頻信號(hào)濾除，從而得到較低頻率的中頻信號(hào)。由此可以降低對(duì)ADC帶寬的要求。

圖15 文獻(xiàn)[33]接收機(jī)架構(gòu)

文獻(xiàn)[30]針對(duì)FM調(diào)制的UWB信號(hào)波形采用零中頻結(jié)構(gòu)，與超外差結(jié)構(gòu)不同的是該結(jié)構(gòu)直接將射頻信號(hào)下混頻到DC，濾波后直接進(jìn)行量化解調(diào)。

3.1.2 時(shí)間擴(kuò)展

在常見的IR-radar 系統(tǒng)中，發(fā)射的射頻信號(hào)具有窄脈沖的特點(diǎn)，在信號(hào)的周期內(nèi)存在大量死區(qū)時(shí)間，針對(duì)發(fā)射信號(hào)的該特點(diǎn)，有學(xué)者提出如圖16所示的時(shí)間擴(kuò)展采樣結(jié)構(gòu)[34–36]。從圖中可以看出首先通過高速的采樣單元對(duì)脈沖進(jìn)行采樣，得到的信號(hào)脈寬時(shí)Δds，然后通過時(shí)間擴(kuò)展放大器將采樣得到的信號(hào)的脈寬放大GDTE倍得到脈寬為Δde的低速信號(hào)，從而降低對(duì)后記數(shù)字量化模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的速度與性能要求。

圖16 時(shí)間擴(kuò)展采樣原理

由此文獻(xiàn)[34,35]采用如圖17所示的時(shí)間擴(kuò)展結(jié)構(gòu)，充分利用脈沖信號(hào)的死區(qū)時(shí)間降低系統(tǒng)的復(fù)雜度與功耗。從圖中可以看出該接收機(jī)中包含低噪聲放大器(LNA)、高速采樣模塊、時(shí)間擴(kuò)展模塊以及較低速度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。除此之外，該結(jié)構(gòu)引入能量檢測單元和數(shù)字時(shí)間轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生高速采樣時(shí)鐘與采樣窗口。實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖信號(hào)的恢復(fù)。

圖17 文獻(xiàn)[34]基于時(shí)間擴(kuò)展采樣架構(gòu)

3.1.3 等效時(shí)間采樣

同時(shí)間擴(kuò)展采樣方法一樣，利用脈沖信號(hào)死區(qū)時(shí)間較長且被探測目標(biāo)移動(dòng)速度較小時(shí)，接收到的脈沖信號(hào)在一定時(shí)間內(nèi)可以認(rèn)為幾乎不變。

所以有學(xué)者提出等效時(shí)間采樣的方式[37–40]。等效時(shí)間采樣的原理如圖18所示，假設(shè)重頻周期為10 ns，然后利用一個(gè)周期為5 ns的時(shí)鐘對(duì)信號(hào)采樣可得到每個(gè)周期兩個(gè)采樣點(diǎn)。然后引入5個(gè)不同相位相同周期的時(shí)鐘分別對(duì)信號(hào)采樣，然后經(jīng)過合成可以得到10個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)每個(gè)信號(hào)周期，即實(shí)現(xiàn)了10倍于信號(hào)的等效采樣率。即等效時(shí)間采樣率可以由式(2)表示

圖18 等效時(shí)間采樣原理

其中，ncl表示不同相位的時(shí)鐘個(gè)數(shù)，F(xiàn)clk表示每一個(gè)采樣時(shí)鐘的時(shí)鐘頻率。

文獻(xiàn)[37]采用如圖19所示的結(jié)構(gòu)。從圖中可以看出該結(jié)構(gòu)包含低噪聲放大器、高速采樣單元以及由高精度數(shù)字時(shí)間轉(zhuǎn)換器(Digital Time Converter,DTC)構(gòu)成。該結(jié)構(gòu)利用1.5 pixels分辨率的高精度DTC模塊為接收機(jī)(Receiver)產(chǎn)生一定相差的多相位時(shí)鐘。則DTC的時(shí)間分辨率決定了直接采樣接收機(jī)的等效時(shí)間采樣率高達(dá)666 GS/s。

圖19 文獻(xiàn)[37]基于等效時(shí)間采樣接收機(jī)結(jié)構(gòu)

3.1.4 掃描閾值采樣結(jié)構(gòu)

與等效時(shí)間采樣同理，利用重頻周期一定時(shí)間內(nèi)近似認(rèn)為不變，有學(xué)者提出一種掃描閾值采樣(Swept threshold sampling)[5,41]。其常見實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖20所示，由比較器、計(jì)數(shù)器以及閾值產(chǎn)生模塊等構(gòu)成。其工作原理如圖20所示，通過VT從0.1～0.9掃描，步長0.1 V，則在VT大于幅度時(shí)，采樣得到1。當(dāng)VT小于幅度時(shí)，采樣得到0。如圖20所示，若幅度為0.65 V，則在9次掃描采樣結(jié)果中前6次為1，后3次為0，最終通過計(jì)數(shù)器將掃描周期的1做累加得到6，則可以得到6/9的量化值。其他幅度同理可得。

圖20 掃描閾值采樣結(jié)構(gòu)原理

文獻(xiàn)[5]采用如圖21所示的掃描閾值采樣結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由濾波器、低噪聲放大器(LNA)、多路閾值采樣器、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)、時(shí)鐘產(chǎn)生單元以及數(shù)字的計(jì)數(shù)器部分構(gòu)成。其中DAC主要用于產(chǎn)生掃描閾值的電壓。閾值采樣單元結(jié)構(gòu)與上述原理分析時(shí)結(jié)構(gòu)類似。從而采用st sampling的方式對(duì)信號(hào)恢復(fù)。并且文中指出與多bits系統(tǒng)相比，ST的一個(gè)重要優(yōu)勢是只需要1個(gè) 1 bit量化器，簡化了設(shè)計(jì)并增加了系統(tǒng)的固有線性度。另一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢是ST采樣結(jié)構(gòu)在同樣信噪比條件下可以實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的探測距離。

圖21 文獻(xiàn)[5]基于ST 采樣接收機(jī)結(jié)構(gòu)

3.1.5 能量檢測結(jié)構(gòu)

此外常見的接收機(jī)量化方式還有基于能量檢測的結(jié)構(gòu)[9,11,18,21,22]，非相干能量檢測結(jié)構(gòu)一般如圖22所示。接收機(jī)包含低噪聲放大器(LNA)、平方器(squarer)、積分器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)以及數(shù)字部分等模塊。其基本原理如圖23所示，通過Squarer之后得到信號(hào)包絡(luò)，然后調(diào)整積分窗口的時(shí)間位置，最終通過ADC量化積分結(jié)果，通過數(shù)字模塊恢復(fù)脈沖信號(hào)。同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)PPM等調(diào)制方式的解調(diào)。

圖22 基于能量檢測UWB接收機(jī)架構(gòu)

圖23 能量檢測原理

文獻(xiàn)[9]在此基礎(chǔ)上提出一種ΔΣ的能量檢測模塊。其結(jié)構(gòu)如圖24所示，通過將上述的積分窗口拆解成兩個(gè)窗口，然后與比較器構(gòu)成1 bit量化的ΔΣ能量檢測器。文中指出該結(jié)構(gòu)相比多bit結(jié)構(gòu)具有更好的穩(wěn)定性，較低的精度要求，并且可以省略模數(shù)轉(zhuǎn)化器(ADC)或者時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)模塊。

圖24 文獻(xiàn)[9]基于能量檢測接收機(jī)架構(gòu)

超外差的電路架構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)直接降頻并且結(jié)構(gòu)簡單，能夠降低后續(xù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的壓力，但是由于需要混頻器等模塊，對(duì)信號(hào)質(zhì)量以及整體線性度都將造成損失。時(shí)間擴(kuò)展技術(shù)需要高速的采樣電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行先采樣，然后通過時(shí)間擴(kuò)展放大器擴(kuò)展采樣信號(hào)脈寬，這種結(jié)構(gòu)對(duì)采樣電路要求較高，而且時(shí)間擴(kuò)展放大器會(huì)存在相應(yīng)系統(tǒng)誤差與隨機(jī)誤差，會(huì)影響采樣精度。等效時(shí)間采樣通過利用多相位時(shí)鐘采樣，然后經(jīng)過合成可以實(shí)現(xiàn)多倍于采樣時(shí)鐘的采樣率，從而設(shè)計(jì)出高速的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，能夠應(yīng)用于直接射頻采樣系統(tǒng)，該種結(jié)構(gòu)簡化了RF信號(hào)鏈，降低了每個(gè)通道的成本以及通道密度。掃描閾值采樣結(jié)構(gòu)只需要1個(gè)1 bit量化器，簡化了設(shè)計(jì)并增加了系統(tǒng)的固有線性度。能量檢測方式可以降低比較器的精度要求，并且擁有更好的穩(wěn)定度。通過對(duì)上述接收機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)性能對(duì)比，等效采樣結(jié)構(gòu)因其獨(dú)特的優(yōu)勢，未來將會(huì)被更多地應(yīng)用于UWB接收機(jī)系統(tǒng)中。

3.2 超寬帶低噪聲放大器(UWB LNA)

UWB LNA 作為UWB接收機(jī)中的第1級(jí)，將決定整個(gè)接收機(jī)鏈路的性能。所以UWB LNA 在UWB系統(tǒng)中尤其重要。常見的LNA結(jié)構(gòu)如圖25所示，以共源、共漏、共柵3種基本結(jié)構(gòu)的放大器為基礎(chǔ)。如文獻(xiàn)[42]采用了基于共源共柵(cascade)放大器為基礎(chǔ)的LNA。并且采用無源的LC網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)輸入匹配，無源LC網(wǎng)絡(luò)為負(fù)載拓展帶寬，實(shí)現(xiàn)3～5 GHz的超寬帶匹配。文獻(xiàn)[43–45]采用共柵結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)LNA，通過調(diào)節(jié)輸入管跨導(dǎo)gm實(shí)現(xiàn)50 Ω匹配。

圖25 常見結(jié)構(gòu)的低噪聲放大器

在UWB系統(tǒng)中天線常為單端輸入信號(hào)，但是在后級(jí)電路中差分電路具有更好的偶次諧波抑制和共模抑制的能力，所以文獻(xiàn)[46–48]在輸入端采用片上變壓器(balun)實(shí)現(xiàn)輸入匹配，實(shí)現(xiàn)將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)。并且文獻(xiàn)[48]提出一種自適應(yīng)偏置ADB(ADaptive Biased)電路，如圖26所示，實(shí)現(xiàn)一種自適應(yīng)增益的低噪聲放大器，以提高UWB接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。

圖26 文獻(xiàn)[48]采用的自適應(yīng)增益低噪聲放大器

但是由于片上變壓器面積較大，所以文獻(xiàn)[11,22,49]采用有源的balun結(jié)構(gòu)，如圖27所示，實(shí)現(xiàn)單端到差分的轉(zhuǎn)換，進(jìn)一步節(jié)省面積。文獻(xiàn)[11,49]采用如圖27所示的有源balun結(jié)構(gòu)。可以看出通過第2級(jí)兩級(jí)共源放大器輸出，產(chǎn)生兩個(gè)相反相位的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)單端到差分的轉(zhuǎn)換。上述結(jié)構(gòu)由于OVON增加一級(jí)共源放大，且存在相位延遲，所以輸出的差分信號(hào)存在相位與增益的誤差，且受PVT影響較大。文獻(xiàn)[50]采用晶體管反饋，實(shí)現(xiàn)了阻抗匹配與電壓隔離。

圖27 文獻(xiàn)[11]采用的帶有源balun的兩級(jí)LNA結(jié)構(gòu)

所以文獻(xiàn)[22,34,36]采用如圖28所示的有源balun結(jié)構(gòu)，通過組合共柵(CG)與共源放大(CS)，從而減小輸出差分信號(hào)的增益與相位誤差。

圖28 文獻(xiàn)[22]的有源balun結(jié)構(gòu)

此外許多學(xué)者提出多種噪聲相消的技術(shù)，文獻(xiàn)[51]采用如圖29所示的結(jié)構(gòu)，通過圖中所示的兩條噪聲路徑，由于其相反的相位，可以對(duì)M3和M1的噪聲在輸出端實(shí)現(xiàn)抵消，從而進(jìn)一步減小噪聲。文獻(xiàn)[52]采用如圖30所示的改進(jìn)型噪聲抵消技術(shù)，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，提供相反相位的噪聲通路的同時(shí)，利用電流復(fù)用技術(shù)，進(jìn)一步減小功耗。表2 對(duì)L N A進(jìn)行一個(gè)性能匯總。

表2 低噪聲放大器性能匯總

圖29 文獻(xiàn)[51]的噪聲相消的結(jié)構(gòu)

圖30 文獻(xiàn)[52]提出的改進(jìn)型噪聲相消技術(shù)

超寬帶低噪聲放大器作為UWB接收機(jī)系統(tǒng)中第1級(jí)，放大從天線上接收到的微弱信號(hào)，并且壓低整個(gè)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，具有十分重要的作用，低噪聲放大器通過添加反饋模塊實(shí)現(xiàn)增益自適應(yīng)功能，通過可重構(gòu)功能從而提升系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。通過與有源balun級(jí)聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)單端轉(zhuǎn)差分的功能，差分信號(hào)能夠提高系統(tǒng)共模抑制比與抗干擾特性。噪聲相消技術(shù)的突破進(jìn)一步優(yōu)化了噪聲，多功能一體化的超寬帶低噪聲放大器將會(huì)不斷地被研究。

4 UWB雷達(dá)發(fā)展趨勢

UWB雷達(dá)是目前發(fā)展最為快速的一種新體制雷達(dá)，因?yàn)槠湎到y(tǒng)工作在較寬的頻率帶寬，具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率、較高分辨率、穿透性強(qiáng)的特點(diǎn)，使得UWB雷達(dá)在定位、探測、通信、生物醫(yī)療等領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用，隨著硅基工藝的不斷發(fā)展，截止頻率的不斷提升，UWB雷達(dá)芯片已經(jīng)可以采用成本較低的CMOS工藝進(jìn)行全集成設(shè)計(jì)。UWB技術(shù)通過將功率分配在很寬的頻帶內(nèi)，使得每一個(gè)頻點(diǎn)的功率都很小，這樣將會(huì)避免與其他無線協(xié)議產(chǎn)生干擾，隨著頻譜資源越來越珍貴，在未來UWB方案將會(huì)較多應(yīng)用于主流電子產(chǎn)品。

UWB技術(shù)因?yàn)槠涓邘挼膬?yōu)勢，決定了UWB雷達(dá)將擁有更高的定位精度，因?yàn)閁WB雷達(dá)使用的原理類似飛行時(shí)間(Time Of Flight, TOF)，通過發(fā)射端發(fā)送一個(gè)信號(hào)，信號(hào)在碰到障礙物后反彈回接收端，通過計(jì)算發(fā)射與接收信號(hào)的時(shí)間差乘以光速即可得到信號(hào)傳輸?shù)木嚯x。通過多個(gè)發(fā)射端進(jìn)行定位掃描，即可得到物體的幾何位置信息，相比于傳統(tǒng)的藍(lán)牙定位等技術(shù)的米級(jí)別定位誤差，UWB雷達(dá)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)別的定位精度，這使得UWB雷達(dá)將會(huì)具有更大的應(yīng)用市場，并且由于UWB技術(shù)需要現(xiàn)場設(shè)備直接采集計(jì)算，很難被第三方突破信息保障壁壘，因此具有較高的安全性。目前UWB雷達(dá)應(yīng)用最為廣泛的兩個(gè)領(lǐng)域一類是面向醫(yī)療行業(yè)，主要包括高精度醫(yī)療監(jiān)測以及醫(yī)療檢測，另一類主要是面向軍事巷戰(zhàn)、反恐、災(zāi)難搜救等高精度定位軍事應(yīng)用。

非接觸式UWB生命監(jiān)測雷達(dá)是目前專門應(yīng)用于醫(yī)療監(jiān)測的雷達(dá)，不同于傳統(tǒng)的電極和傳感器接觸的檢測形式，它可以實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離長時(shí)間無接觸式檢測患者的呼吸和心跳信號(hào)，可以在不影響患者正常休息的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)患者的呼吸和心跳等生命體征信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并將檢測數(shù)據(jù)與設(shè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，及時(shí)反饋給醫(yī)護(hù)人員，相比于傳統(tǒng)的呼吸和心電記錄儀，非接觸的方式具有更加輕松和舒適的特點(diǎn)，能夠更好地輔助醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行相應(yīng)的治療。目前我國人口平均壽命持續(xù)增長，人口老齡化趨勢明顯。隨著UWB生命檢測雷達(dá)朝著更小更精準(zhǔn)的方向不斷優(yōu)化，未來將會(huì)成為家中較為常見的生物醫(yī)療器械。

當(dāng)前國際國內(nèi)反恐形勢都相當(dāng)嚴(yán)重，這給便攜式UWB穿墻雷達(dá)提出了迫切的需求，同時(shí)提供了巨大的市場。針對(duì)可穿戴式UWB穿墻透視雷達(dá)進(jìn)行研究，應(yīng)用層面主要包含建筑物內(nèi)部布局與成像，同時(shí)包含探測、鑒別分類跟蹤人和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的行蹤，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)建筑物或障礙物后面目標(biāo)的探測、定位、成像和追蹤，在軍事裝備、城市安全、火災(zāi)及地震等自然災(zāi)害搜救、快速反應(yīng)人員以及反恐方面有著廣泛的應(yīng)用前景和價(jià)值。

5 結(jié)束語

基于脈沖信號(hào)的UWB系統(tǒng)具有高傳輸速率、低功耗、探測精度高、穿透性強(qiáng)、安全性高等優(yōu)勢。而基于CMOS實(shí)現(xiàn)UWB芯片可以實(shí)現(xiàn)UWB系統(tǒng)的進(jìn)一步小型化，低功耗。UWB雷達(dá)芯片中關(guān)鍵技術(shù)主要包括信號(hào)產(chǎn)生技術(shù)、超寬帶功率放大器、超寬帶低噪聲放大器、高速量化技術(shù)等。本文對(duì)上述關(guān)鍵技術(shù)做主要綜述和優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比。

高斯脈沖可以通過調(diào)節(jié)相關(guān)函數(shù)參數(shù)，從而使得信號(hào)的帶寬與峰值頻率具有很強(qiáng)的可調(diào)性，高斯脈沖信號(hào)更適合滿足超寬帶系統(tǒng)的需求，目前UWB發(fā)射系統(tǒng)多采用高斯脈沖信號(hào)。開關(guān)鍵控調(diào)制(OOK)具有更高的調(diào)制數(shù)據(jù)速率與通信距離，但是不可避免地消耗掉很大的功耗，脈沖位置調(diào)制PPM因?yàn)榭梢詫?shí)現(xiàn)一個(gè)重頻周期發(fā)送多bit數(shù)據(jù)，大大提高通信的數(shù)據(jù)率，并且可以采用全數(shù)字化設(shè)計(jì)方案，芯片的面積與功耗得到進(jìn)一步優(yōu)化，更適合微型化低功耗系統(tǒng)應(yīng)用。功率放大器作為UWB雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)中的重要模塊，數(shù)字Doherty功率放大器已經(jīng)可以達(dá)到了29.5%的效率和24.4 dBm的輸出功率，正朝著在超寬帶應(yīng)用下保證較好的輸出功率與效率發(fā)展。隨著等效時(shí)間采樣技術(shù)的發(fā)展，通過多相時(shí)鐘采樣成倍提升了模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的數(shù)據(jù)采樣率，為射頻直采提供了技術(shù)支持，這將簡化RF信號(hào)鏈，降低每個(gè)通道的成本以及通道密度，提升了UWB接收機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率與傳輸質(zhì)量。低噪聲放大器已經(jīng)可以通過噪聲抵消、增益自適應(yīng)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)超寬帶、高增益、低噪聲的性能，未來多功能一體化的超寬帶低噪聲放大器將會(huì)不斷被研究。在過去的幾年里，UWB系統(tǒng)由于其安全性與高精度的優(yōu)勢多用于軍事、雷達(dá)、生物探測等領(lǐng)域。近年來隨著5G和物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展與崛起，基于UWB系統(tǒng)的短距通信與室內(nèi)/室外定位得到快速發(fā)展。超寬帶的主要優(yōu)勢有低功耗、對(duì)信道衰落(如多徑、非視距等信道)不敏感、抗干擾能力強(qiáng)、穿透性較強(qiáng)、具有很高的定位準(zhǔn)確度和定位精度。超帶寬可用于汽車、移動(dòng)設(shè)備和消費(fèi)類設(shè)備的交叉領(lǐng)域，如汽車鑰匙、倉庫管理、工作人員管理、掃地機(jī)器人、手機(jī)定位等，實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)。