《排列三字谜》
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排列三字谜
2009-04-13
王波 王玫 黄冬艳
关键词: 脉冲信号 设计与实现 高斯 通信系统 超宽带

本文地址:http://www.tjsni.com.cn/article/index.aspx?id=13562
文章摘要:超宽带高速通信系统射频发射机的设计与实现,颈静脉龙雏凤种宽带路由,鸡皮鹤发下挫天造地设。

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??? 目前,排列三字谜:超宽带UWB(Ultra Wideband)技术已经成为国际无线通信技术研究的前沿性热点之一,由于UWB技术的诸多优点,使其成为无线个人局域网络WPAN(Wireless Personal Area Network)的主要技术之一。WPAN的目标是用无线电或者红外线代替传统的有线电缆,以低价格和低功耗在10m范围内实现个人信息终端的智能化互联,组建个人化信息网络[1]。因此短距离的高速(100Mb/s)无线通信是UWB技术的主要应用领域。


??? 在UWB短距离高速通信系统中,射频发射机的设计与实现历来是整个高效稳定系统的难点之一。从电路设计的角度来看,射频电路的设计既不同于低频电路设计,又区别于微波电路的设计。本文实现的超宽带信号中心频率为3.5GHz,属于射频的范畴。这就要求电路的设计与分析要用射频电路的理论来实现。


???? 传统的UWB射频发射机[2-4]产生的UWB信号都是高斯脉冲信号,这种高斯脉冲UWB信号的时域表达式如式(1)所示:

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???? 利用傅里叶变换可得其频域表达式,如式(2)所示:
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??? 式(1)、式(2)中为脉冲形状因子,分别为时域、频域幅度归一化因子。


??? 这种UWB信号的不足之处在于对传统的高斯窄脉冲无论如何改变?琢值,都很难满足FCC对UWB信号的频谱限制。更重要的是此种UWB信号为单脉冲信号,其能量分散导致接收端能量检测接收困难,不利于UWB通信系统的整体实现。


??? 本文介绍了一种UWB短距离高速通信系统的射频发射机的设计与实现。该射频发射机产生的UWB信号为高斯包络正余弦脉冲,脉冲周期10ns,峰-峰值电压约为3.2V,满足FCC(美国联邦通信委员会)有关UWB发射信号规范[5],有效解决了高速UWB信号的粘连现象,且产生的信号为多脉冲信号,能量集中,利于接收端能量检测接收。另外通过加置功率放大器(简称功放)解决了在特殊场合下射频发射机的发射功率不足的问题。此功放具有工作频带宽、电路结构简单等特点。振荡器与功放结合起来最终实现了稳定、实用的UWB高速信号。


UWB短距离高速(100Mb/s)通信系统发射机的设计与实现


?UWB短距离高速数据传输系统可以实现从PC到PC的10m范围内的高速数据传输,其发射部分简化框图结构如图1所示。

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??? PC机上的待传输数据通过USB接口电路传送到基带处理电路,经过卷积、交织、编帧、调制等一系列处理后产生100Mb/s的基带码元信号,此基带码元信号用以控制射频发射机的振荡器工作状态,从而产生高速的UWB信号,这样产生的UWB信号为高斯包络正余弦脉冲[6],它的时域表达式如式(3)所示。

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??? 利用傅里叶变换可得其频域表达式,如式(4)所示:

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??? 这样产生的UWB信号经天线发射后可以满足一般的通信需求,但为了达到在恶劣的传输环境下实现有效通信的目的,或者为了满足特殊的通信需求,UWB信号可以先经过功率放大器进行功率放大后再通过天线发射出去。


振荡器的设计与实现


??? 微波可控振荡器的设计与实现基于负阻效应特性原理[7]:把等效的负阻元件直接接到谐振回路中,利用负阻效应抵消回路中的损耗,从而产生等幅、稳定的振荡作为UWB脉冲信号的调制载波。同时利用基带信号码元对振荡电路进行触发控制,以产生高斯包络正余弦脉冲的UWB信号。图2是负阻振荡电路的原理框图,图3是负阻振荡器电路的原理图。

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??? 在图2中,FET栅极和地之间外接正反馈网络来加强电路的负阻效应,从而扩大电路在Smith圆图上的非稳定区域以便电路的起振并建立稳定的振荡;谐振网络控制、协调电路的中心频率和电路的频率稳定度;直流偏置网络为电路提供正常工作点并补偿能量的损耗;输出匹配网络关系到输出功率性能和电路的效率,同时起到滤波的作用;控制网络是实现UWB调制载波信号的重要控制部分,直接影响UWB脉冲信号的性能。


??? 以往振荡器存在的主要问题是振荡器起振速度与停振速度较慢,由此导致产生的UWB高速数据会出现波形粘连情况。为了解决高速数据的波形粘连现象,产生高速且无粘连的UWB信号,本文进行了如下设计。
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??? 首先,振荡电路的FET管采用HP公司的具有频带宽、噪声低、可靠性高、截止频率高等特点的GaAS MESFET ATF13786,其特征频率可达到60GHz,最大功耗,最大漏极电流。在10GHz频率点处输出功率可达10dBm,典型的低噪声特性为?。

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??? 在具体的设计中首先采用Aglient公司的电路设计软件ADS(Advanced Design System)2006A对振荡电路进行了仿真设计。系统经过振荡器后的UWB信号仿真结果如图4、图5所示。

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??? 从以上的仿真结果中可以观测出:


?? (1)调制脉冲信号的峰值电压约为1.6V,与负阻振荡电压幅度基本相符;

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? ?(2)信号周期10ns,脉冲信号之间间隔约5ns,数据的时间隔离度较高;


???(3)调制脉冲信号的中心频率fc为3.500GHz,处于3.1GHz~10.6GHz频段内,满足UWB信号的要求。输出功率为6.771dBm,-10dB带宽大于500MHz,二次谐波和三次谐波对中心频率的影响可以忽略,满足FCC关于UWB信号的定义要求。


??? 基于此仿真设计,实现了具体的振荡器电路,实际电路产生的UWB信号实测结果如图6、图7所示。

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??? 从图6可以看出,在常温条件下,实测振荡器的中心频率fc为3.459GHz,峰值输出功率为-16.64dBm。电路实测时域结果如图7所示,脉冲重复周期T为10ns,脉冲信号的单峰值达400mV,调制UWB信号的振荡建立和停振时间小于1ns,调谐速度非常快,而且脉冲信号之间有较大的信号间隔(约4ns),有效解决了信号波形混叠问题,有利于接收机的同步捕获和积分检测工作。


????硬件电路测试采用的频谱分析仪是Agilent公司的E4443A,仪器的性能指标满足实测要求。而示波器使用Agilent公司的5484bA,它的采样频率为8GHz/s,带宽为2.5GHz,对于3GHz以上的振荡信号已经不能给出真实的时域瞬态波形。


功放的设计与实现


??? 功放是射频发射机的重要组成部分,目前功放的设计与实现主要有两种方法:一种为基于MESFET的宽带功率放大器的设计与实现;另一种为基于MMIC(微波单片集成电路)的设计与实现。


????本UWB高速传输系统对所设计的功率放大器技术指标要求有:功放的工作频段在3GHz~4GHz,其工作带宽大于500MHz;对UWB脉冲信号放大线性度好,失真较小;采用A类功率放大器设计;其功率增益的要求为20dB左右。


??? 功放的设计选用MMIC芯片HMC327来实现。该芯片工作频段为3GHz~4GHz(-3dB带宽),最大增益24dB,工作频段大于500MHz,工作电压一般为5V。功放的电路原理图如图8所示。

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??? 此功放具有如下特点:电路结构简单,无须直流偏置电路,易于实现;工作频段较一般的功放芯片宽,可以工作在3GHz~4GHz的频率范围。


??? 对实际功放电路进行测试,测试输入信号源为经过中心频率3.38GHz,数据速率为100MHz的UWB窄脉冲信号。

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??? 图9和图10是对振荡信号放大的前后对照测试图,可以看到UWB窄脉冲信号的功率从-9.58dBm增加到8.34dBm,增益为17.92 dB。考虑到实际测试中的线损约有2~3 dB。实际增益有20dB,工作频带大于500MHz,有效地放大了UWB信号,延长了传输距离,可以满足其在特殊场合应用的需求。

结? 论
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??? 本文介绍了一种结构简单的超宽带高速通信系统射频发射机,此UWB射频发射机可以产生宽度为5ns、重复周期为100MHz、峰-峰值电压可达3.2V的超宽带高斯包络正余弦脉冲信号,满足FCC相关标准,能够有效解决高速UWB数据的波形粘连问题,并且利于接收端能量检测接收。另外此射频发射机通过在振荡器后放置功率放大器,加大发射功率,解决了特殊场合下UWB高速数据信号功率过低的问题。适用于PPM-UWB、OOK-UWB、BPSK-UWB等高速无线射频系统,兼有经济成本低、结构简单、易于实现的特点,可广泛应用于室内通信、抗灾救险等各种场合的短距离高速无线数据传输,具有广阔的应用前景。

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