摘  要： Chirp超寬帶通信系統(tǒng)使用滿足UWB定義的Chirp信號作為數(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)計并實(shí)現(xiàn)了Chirp-UWB信號，詳細(xì)分析了其設(shè)計過程與原理。試驗(yàn)表明,設(shè)計的信號發(fā)生器在≥2 Mb/s調(diào)制數(shù)率的驅(qū)動下，能夠產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的Chirp-UWB信號，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； 鎖相環(huán)； 電荷泵

    Chirp信號因其高處理增益、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信號應(yīng)用于通信領(lǐng)域中，用來表達(dá)數(shù)據(jù)符號，起到擴(kuò)頻的效果，這種用Chirp信號進(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)。
    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，傳統(tǒng)的Chirp信號產(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，鎖相環(huán)PLL用來產(chǎn)生頻率和相位起點(diǎn)與參考信號同步的載波信號，環(huán)路中的VCO在鋸齒信號的驅(qū)動獲得速率≥2 Mb/s時產(chǎn)生大時寬Chirp-UWB信號。該方案的設(shè)計已經(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)定可靠的大時寬的Chirp-UWB信號，采用鎖相環(huán)PLL來實(shí)現(xiàn)。用PLL產(chǎn)生Chirp信號能夠保持良好的相干性。Chirp信號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)載波信號穩(wěn)定度足夠高，達(dá)到與基準(zhǔn)信號源相同的數(shù)量級。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
    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)計了原理電路，整個電路包括電源部分、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,對應(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)計中，關(guān)鍵是PLL的環(huán)路濾波器的設(shè)計、完成調(diào)制信號接入環(huán)路的加法電路的設(shè)計以及完成鋸齒信號產(chǎn)生的DA部分的設(shè)計，下面予以詳細(xì)分析。
3.1 環(huán)路濾波器的設(shè)計
    根據(jù)選用VCO器件的特性，當(dāng)輸出頻率為575 MHz時，對應(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)算放大器會使輸出信號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 鋸齒波信號發(fā)生器的設(shè)計
    高速鋸齒信號發(fā)生器采用數(shù)字電路方式產(chǎn)生，這種設(shè)計方式靈活性強(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)計采用FPGA編程方式產(chǎn)生與鋸齒波對應(yīng)的數(shù)字信號，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，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)計并制作了Chirp-UWB信號發(fā)生器的硬件電路。在Agilent頻譜儀E4440A中測得系統(tǒng)輸出的Chirp超寬帶信號頻譜如圖6所示。Chirp超寬帶信號頻譜范圍為575 MHz～705 MHz，掃頻帶寬為130 MHz ,相對帶寬大于20%，掃頻周期0.5μs,TB積為65。由測試結(jié)果可知，信號源的輸出信號頻譜質(zhì)量好，頻帶內(nèi)譜線比較平坦，波動范圍小。

    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)制后的信號為鋸齒波，當(dāng)信源編碼輸出為“0”時，鋸齒信號發(fā)生器保持低電平，此時對環(huán)路沒有影響，環(huán)路處于鎖定狀態(tài)，輸出一個單頻信號；當(dāng)信源編碼輸出為“1”時，鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生持續(xù)時間為碼元寬度的線性增長的鋸齒信號，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輸出信號處于線性掃頻狀態(tài)，輸出所需要的Chirp-UWB信號。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，下面的波形是Chirp信號的時域波形。
    本文設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了基于DA+PLL的Chirp-UWB信號發(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，獲得的信號滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求，在Chirp-UWB遠(yuǎn)距離通信中得到了應(yīng)用。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證了計方案的可行性, 所設(shè)計的信號發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡單、 功能強(qiáng)、輸出信號頻率穩(wěn)定、可調(diào)性好，具有比較廣泛的應(yīng)用價值。
參考文獻(xiàn)
[1] LAMPE J, HACH R, MENZER L. Chirp spread spectrum(CSS)PHY presentation for 802.15.4a[J]. IEEE 15-05-0002-00-004a-nanotron-chirp-spread-spectrum-css-phypresenatation, 2005.
[2] 費(fèi)元春，蘇廣川. 寬帶雷達(dá)信號產(chǎn)生技術(shù)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2002.
[3] WIN M Z, SCHOLTZ R A. Ultra-wide bandwidth timehopping spread-spectrum impulse radio for wireless multiple-access communications[J]. IEEE Trans.Commun.,2000, 48:679-691.
[4] PINKLEY J. Low complexity indoor wireless data links using chirp spread spectrum[D]. Alberta, Canada:Dept.Elect.Com.Eng, University of calgary, 2003.
[5] 張闕盛，鄭繼禹，萬心平. 鎖相技術(shù)[M]. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004.
[6] 海森. 高階有源鎖相環(huán)路濾波器的設(shè)計與仿真[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程，2009，9(9)：2443-2446.
[7] BANERJEE D. PLL performance simulation and design[M]. 4th Edition. New York:National Semiconductor, 2006.