作者姓名： 邱 昕，樊孝明，鄭繼禹
作者單位： 桂林電子工業學院 通信與信息工程系
摘  要：本文對超寬帶（UWB）通信系統實現的關鍵技術，即接收機前端的超寬帶脈沖信號的檢測技術進行了深入討論。根據對UWB脈沖無線電實際接收信號的時域特征提出了一種簡易、新穎的高靈敏度包絡檢波檢測方式，分析了其電路的實現與性能，并給出了實驗的數據和結果。與其他方式的比較表明，該電路是一種簡單實用的非相關檢測方式，與其原有的基帶相關處理部分結合可獲得良好的超寬帶信號接收效果。
    關鍵詞：超寬帶技術；相關接收機；包絡檢波

A Method for High Sensitivity Envelope Detection of UWB  Pulse Signals

QIU Xin, FAN Xiao-ming, ZHENG Ji-yu

（Department of Communication and Information Engineer, Guilin University of
Electronic Technology,Guilin 541004, China）

　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：The key technique in Ultra-wideband(UWB) communication system, namely technique of UWB pulse signal detection and receiving, is discussed.An easy and novel method for high sensitiviy envelope detection is given according to the time domain characteristic of received signals. The realization and performance of the circuit is analysed. Meanwhile, experiment data and results are provided.Comparison with other methods indicates this circuit is an easy and useful noncorrelation detection method,and can get good performance when it cooperates with current correlation part in base band.
　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： UWB technology;Noncorrelation receiver;Envelope detection

一、引言
　　超寬帶（UWB）技術是一項具有創新性和革命性的無線通信技術，其中的超寬帶脈沖無線電利用持續時間極短的電磁脈沖在較寬的頻譜范圍內以較低的信噪比來傳輸數字數據信息，具有較高的頻譜利用率，并解決了困擾傳統無線電多年來的有關傳播方面的重大難題，同時開發了一個具有千兆赫容量和最高空間容量的無線信道。超寬帶技術中的脈沖無線電不使用載波，而是使用寬度達到納秒級的脈沖。超寬帶通信就是通過對這些沖擊脈沖進行直接調制，因而具有吉赫量級的通信帶寬。超寬帶具有一系列的優勢：可以極低的發射功率進行工作，從而可以節省電能，延長電池的使用壽命；發射數據的速率可以非常高，等等。
　　正是由于這些與傳統通信系統的差異，也給超寬帶研究提出了新的難題，如對平均功率如此低、脈沖寬度如此窄的信號進行捕獲提取就成為一個需要迫切解決的關鍵技術。本文正是圍繞著這樣一個難題來構建一個UWB脈沖無線電接收系統，并予以實現。

二、接收系統的設計
    在目前的超寬帶接收機系統中，有多種在射頻端對脈沖檢測的方式, 包括前沿檢測、抽樣橋電路法、單穩多諧法、積分和平均法、模板信號匹配檢測法、相關檢測法、信號積分法、同步檢測法，但是總歸為兩種，即相關方式和非相關方式。
　　本文中提出的接收方式就是一種非相干包絡檢測接收機，實現目標就是直接將天線接收下來的UWB高頻信號變成后部基帶處理所需的規則信號，實現透明傳輸，而不用考慮所接收的信號的調制方式,或者說把相關挪到處理相對方便的基帶部分。同時能如RAKE接收一樣利用了多徑效應，通過調節檢波器的充放電常數使檢波器檢出的是包含多徑信號的整個脈沖串的包絡，這樣使得進入充放電回路的能量增加，等于將多個信號的能量累計以提高靈敏度。其系統結構框圖如圖1所示。

　　其工作過程為：天線下來的UWB高頻信號經過低噪放大器以后送到波形檢波器進行包絡檢波，將高頻信號轉化為低頻信號，即將UWB信號攜帶的信息從高頻信號中提取出來，等于將信號脈寬展寬，此時檢波器輸出信號的寬度可由檢波器后級的充放電回路來調節。之后所產生的低頻信號經過低頻放大器LM359，低頻放大器在此的功能不僅是放大，還包括利用放大器本身的頻率響應來構成低通濾波器來濾除一些送入的高頻信號。經過低頻放大之后的信號再送入高靈敏比較器LT1720，在這里比較器起到濾除背景噪聲的作用，同時有將信號放大的功能。最后比較器輸出送到單穩觸發器，以產生后級基帶處理部分所需要脈寬的標準數字信號。?

三、峰值包絡檢波電路的仿真與分析
　　在這種設計中，關鍵器件就是前端的超寬帶低噪放大器和高靈敏度波形檢波器。其中超寬帶低噪放大器我們使用的是Minicuricts公司生產的寬帶放大器模塊ZKL－2，所以下面重點介紹一下這種高靈敏度的檢波方式。該檢波電路如圖2所示。

　　我們可以看到磁芯變壓器Xfer1的初級是用來產生模擬接收天線接送出的UWB信號的電路。變壓器對該信號進行單段到雙端的轉換，變壓器次級兩端得到的就是極性完全相反、大小相等的UWB高頻信號。這兩路極性相反的信號分別送到2個成對管連接的2個微波三極管Bfp420的基極。而變壓器的中間抽頭則通過R2、R3的作用被加上一個直流偏置電壓來使三極管工作在正常狀態，而C6起到交流旁路的作用。組成差分對的三極管是微波三極管Bfp420，它的截至頻率fT高達25 GHz。檢波輸出的信號通過耦合電容C3送到由C4和R7構成的調節檢波輸出寬度的充放電回路，最后再通過耦合電容送到負載。
　　我們知道現有的檢波方式主要分為二極管檢波和三極管檢波。在雷達接收機中，單端式二極管檢波用的最為廣泛，雙端式二極管檢波如圖3（a）所示，主要用于中頻較低和脈沖很窄的接收機中。二極管檢波的優點是：線路簡單，檢波特性的直線性好，因此非線性失真??；動態范圍大。缺點是電壓傳輸系數較小。由于二極管反向電阻不大，并隨溫度而變，所以檢波器的輸出阻抗也不大。圖3（b）顯示的是三極管集電極檢波器，它是利用晶體管的集電極電結的非線性來實現檢波的。三極管檢波的優點是電壓傳輸系數大（可有10～20 dB的增益）、直流輸出電流較大，缺點是檢波特性的直線性差，非線性失真大。
　　本方案提出的檢波器是將上述的兩種檢波器結合起來，即雙端式三極管集電極檢波器。通常的二極管檢波特性曲線可以近似分為非線性部分和線性部分，根據工作在不同的區域可以分為小信號檢波和大信號檢波。當輸入電壓很小時，電壓對應于檢波特性曲線的非線性區，輸出直流電壓與輸入高頻電壓振幅之間近似成平方關系，即小信號檢波具有平方律的檢波特性。小信號的平方律檢波特性有著比較明顯的缺點，它會嚴重抑制小信號，輸入信號越小時，輸出電壓就會更小，另一個嚴重缺點是失真大，所以其使用得比較少。當輸入為大信號時，所對應的檢波特性曲線可以近似為一條斜線，此時輸出直流電壓與輸入高頻電壓振幅之間可以認為成直線性關系，即大信號檢波具有線性律檢波特性，所以大信號檢波非線性失真小，傳輸系數大。
　　而本方案中檢波器的工作原理類似于雙端式二極管檢波。首先變壓器將單端信號變成雙端信號，那么在2個三極管的基極就得到了大小相等、極性相反、處于同一直流偏置的信號。也就是說當三極管Q1的基極信號為最高點時，在三極管Q2的基極有一個關于直流偏置電壓對稱的一個處于最低點的信號，當偏置電壓合適時，則Q1處于大信號檢波狀態，而Q2處于小信號檢波狀態，于是Q1的集電極電流I_c1處于上升的最大值，而Q2的集電極電流I_c2處于一個下降的較小的值，于是我們在兩者共用的集電極電阻上得到兩個變化方向相反、變化量有較大差距的電流的和。這樣的構造大大提高了檢波靈敏度，因為就算當信號比較小時，我們也可以從工作在不同檢波狀態下的2個三極管的集電極取到明顯的電流差值。所以該檢波電路靈敏度高，其檢波門限幾乎等于零電平，其輸入阻抗相當大，對前級影響很小，集電極輸出增益近似等于R_c/R_e。適合于高頻窄脈沖情況下的應用。圖4給出了差值檢波的檢波示意圖。

　　通過在ADS2002中的仿真，我們得到相應的仿真波形。接收到的信號仿真如圖5所示。

　　最后檢波輸出在負載上的波形如圖6所示，該信號約3 mV，脈寬40 ns，其信號幅度主要取決于輸入信號的能量，只有當大信號時才會有接近R_c/R_e的傳輸系數。而輸出脈寬取決于R4和C4所構成的充電回路決定的充電時間t_r和由C4與R7構成的放電回路決定的放電時間t_f。而充電時間t_r和放電時間t_f分別與充電時常數τ_r、放電時常數τ_f有如下關系：
　　
于是我們通過調整充放電回路參數，適當減小充電常數，增大放電常數，使電路在整個脈沖串的持續時間內保持不斷充電以聚積最多的能量，從而取出整個包絡，巧妙地利用了多徑的能量，起到了提高靈敏度的效果。
　　雖然檢波器得到的波形和原先的包絡相比失真很大，但是需要的只是信號包絡所代表的信息，即根據每個包絡的上升沿來確定脈沖的位置，相當于將極窄脈沖展寬，所以不用考慮脈沖的形狀是否變化。?

四、峰值包絡檢波電路的實現
　　整個接收機前端實現的重點就在檢波器的實現，因為處理的是超寬帶信號，其中含有大量的高頻成分，所以要從射頻電路設計的觀點來實現。首先我們選用的變壓器磁芯是圓形軟鐵氧體磁芯，其頻率響應寬度可達到1 GHz，然后用直徑為0.2 mm的漆包線以1:1:1的扎數比進行繞制。其他元件全部采用貼片封裝，布板全部按照射頻電路設計標準。最后使用Infiniium 存儲示波器進行測試。通過示波器觀察接收到的接收天線輸出的射頻波形,我們可以看到,當發射機輸出的單峰窄脈沖通過超寬帶天線的微分效應以后成為高斯脈沖，然后經過空間傳輸以后，在接收天線的輸出端看到的是一串脈沖（如圖7所示）,除主波形外，相連的脈沖表現出明顯的多徑效應。
　　經過檢波器檢波以后得到如圖8所示的波形，可以清楚看到檢波輸出負脈沖中夾雜著的充放電過程，同時可以看到檢波器將放大器輸出的寬度極窄的高頻脈沖串信號轉換為一個低頻的較寬的包絡信號。

　　接下來，檢波以后的信號經過一個低頻放大器將低頻包絡信號放大數十倍，同時濾除檢波信號中的高頻成分，然后再送入高靈敏度比較器通過門限判決以濾除一些噪聲，最后經過觸發器產生后部基帶處理所需的特定的波形。通過試驗測試，本接收機可以可靠地進行數據傳輸。由于檢波器的靈敏度較高，放大器輸出高于噪聲電平幾毫伏的信號即有檢波輸出，所以接收機系統的靈敏度主要取決于前端的寬帶低噪放大器。

五、結論
    本文提出的方法是一種比較新穎的時域處理方法，巧妙地利用了多徑信號的能量，等于將幾個信號的能量累積，同時它最大的優點是相對于基帶處理部分進行透明傳輸，通用性強，適合多種調制方式。但是總的來說還是屬于直接對UWB時域信號進行能量檢測的方法，提取的只是UWB信號粗略的時域特征，其單峰檢測靈敏度高于相關方式的單峰檢測靈敏度，但是由于整體性能仍比相關方式略遜一籌。另外，它將同步、相關等部分放到了基帶處理當中，降低了射頻處理的實現難度，在一些干擾相對較少、多徑較強的室內通信場合仍不失為一種簡單可行的UWB接收方式。