CN101079647A - 一种脉冲峰值检波的超宽带接收方法及其接收机 - Google Patents

Abstract

本发明脉冲峰值检波的超宽带接收方法及其接收机，特征是比较器将检波器提取的由天线接收信号的峰值包络量化为数字信号，并行多路取样电路每路按码元周期对量化的包络信号取样；按取样先后顺序从小到大编号，每路与帧头序列做相关处理，若其中至少一路相关输出大于门限，则确定相关输出大于门限中编号最小一路的取样时刻为脉冲信号起始，该位为帧信号起始；否则将输入并行多路信号向前滑动一个码元周期，重复上述过程；将该起始时刻和后续数个数目在大于等于1、小于并行取样路数的取样值相加，若大于设定解调门限，则判决为“1”，若小于门限，则判决为“0”。本发明使超宽带技术在近距离无线通信中真正成为结构简单、高速的通信方式。

Description

一种脉冲峰值检波的超宽带接收方法及其接收机

技术领域：

本发明属于脉冲超宽带通信技术领域，特别涉及脉冲峰值检波的超宽带接收方法及其接收机。

背景技术：

《微波理论与技术会刊》(IEEE Transaction on Microwave Theory and Technology，Vol.52，Issue 9，Sep.2004，p 2087-2104)介绍了脉冲超宽带技术的进展，由于纳秒亚纳秒宽度的脉冲信号的检测存在接收、模数转换和同步等困难，目前已有的脉冲超宽带通信系统的最高速率仅为25Mbps。

目前针对超宽带通信的物理层实现方案中纳秒亚纳秒宽度脉冲信号的接收通常有相干方法和非相干方法两种。中国专利CN1561006公开的一种相关接收机及其接收方法，接收端通过最大似然方法估计模板信号，与接收脉冲进行相关积分，相干接收需要有复杂的同步电路以保证相关模板与接收脉冲在时域对齐。，中国专利CN1615596公开的一种差分相关的接收方法，其差分相关电路需要一个宽带延时器件，延时量近似于一个码元周期，实现困难。在非相干接收方法中，通常采用能量检测的方法。美国专利3,755,396提出一种隧道二极管检波的恒定误警率(CFAR)的电路。美国专利5,901,172中描述了一种隧道二极管的超宽带脉冲检测器，仅在系统开始校准隧道二极管的偏置状态。上述专利中隧道二极管都工作在多谐振荡模式，这需要在每次检测一个脉冲之后将隧道二极管放电，因此需要附加电路，并且隧道二极管放电的时间也限制了检测的速度。在中国专利CN1611011A中利用了隧道二极管或运算放大器(op-amp)工作在负阻状态构成的可控张驰振荡电路，该方法需要检测可控张驰振荡电路输出的振荡波形的数目，因此需要附加电路。

目前针对超宽带信号数字化的方法一般是采用超高速的模数转换器件，《58届电器电子工程师学会车载技术会议论文集》(IEEE 58th Vehicular technology conferences，2003，Vol.2，p1303-1307)中介绍了高速的闪速模数转换器(Flash ADC)实现对接收信号的数字化，采用频率越高，模数变换的位数越大，闪速模数转换器的功耗就越高；由于超宽带工作所用的脉冲信号的宽度在纳秒亚纳秒级，经过能量检波之后其输出脉冲包络仍占据了几百兆到几个吉赫兹的带宽，根据耐奎斯特(Nyquist)取样定理，无失真的模数转换所需要的取样率要高达几百兆到几个吉赫兹，这加大了系统的实现难度和功耗。

目前针对脉冲超宽带非相干接收系统的同步方案，一般分为两个步骤：脉冲同步和帧同步。《超宽带系统和技术国际会议论文集》(international workshop on Joint UWBST & IWUWBS，2004，p288-292)提出将一个码元周期分为多个小的区间，采用比较各个区间脉冲能量的大小来获取脉冲同步，然后判决解调脉冲信号。这种同步方案采用单个脉冲信号判决脉冲同步，没有多个脉冲的累积效果，同步的精度不高；同时完成脉冲同步之后还需要进行帧同步，运算量大，所需的同步时间长。

发明内容：

本发明的目的是提供一种脉冲峰值检波的超宽带接收方法及其接收机，以克服现有技术的上述缺陷，使超宽带技术在近距离无线通信中真正成为结构简单、高速的通信方式。

本发明的脉冲峰值检波的超宽带系统接收方法，其特征在于：首先将天线接收到的信号通过检波器提取脉冲信号的峰值包络；峰值包络信号被比较器量化为数字信号，通过并行多路取样电路实现对量化的包络信号取样，每路的取样周期与码元周期相同；然后将并行多路的量化包络信号按取样的先后顺序从小到大编号，每一路与设定的帧头序列做相关处理，若其中至少有一路相关输出值大于门限值，则确定相关输出值大于门限值中编号最小的一路的取样时刻为接收到脉冲信号的起始时刻，确定该位为帧信号的起始时刻；若没有一路相关输出值大于门限值，则将输入并行多路的量化包络信号向前滑动一个码元周期，重复上述过程；再根据同步单元确定的接收到脉冲信号的起始时刻，将该时刻的取样值和后续数个取样值做相加，数目在大于等于1，小于并行取样的路数，若相加值大于设定的解调门限，则判决为“1”，若相加值小于设定的门限，则判决为“0”。

本发明的脉冲峰值检波的超宽带系统接收机，包括：接收天线联接滤波放大电路的输入端，滤波放大电路的输出端联接峰值检波电路的输入端，峰值检波电路的输出端联接量化取样电路的输入端，量化取样电路的输出端联接同步单元的输入端和解调单元的输入端，同步单元的输出端联接解调单元的输入端；其特征在于：所述峰值检波电路采用隧道二极管检波器反向安装：其耦合电容一端连接峰值检波电路的输入，另一端连接电感和隧道二极管检波器的负极(N极)，电感的另一端接地，隧道二极管检波器的正极(P极)连接电阻和滤波电容，电阻和滤波电容的另一端接地，峰值检波电路的输出连接隧道二极管检波器的正极、电阻和滤波电容；所述量化取样电路包括高速比较电路的输出联接并行取样电路的输入或高速比较电路联接脉冲延展器的输入，脉冲延展器的输出联接并行取样电路的输入。

所述高速比较电路可以为单个或多个高速比较器。

所述脉冲延展器包括集成单稳多谐触发器或由D型触发器通过自清除构成的脉冲延展电路，优选D型触发器通过自清除构成的脉冲延展电路。

所述并行取样电路包括并行输出的高速取样器或并行多路的数字取样锁存器；优选并行输出的高速取样器。

由于本发明采用峰值检波脉冲检测的接收方案，相对于相关接收和差分相关接收的方法，不需要产生相关模板电路或超宽带的延时电路，结构简单；相对于能量检测的非相干接收方法，脉冲峰值检波电路无需附加额外的放电电路或波形检测电路，可以实现高达200Mbps及以上的通信速率；脉冲峰值检波电路利用隧道二极管工作在反向检波状态，检波器对峰值功率在-15dBm到4dBm之间的脉冲信号进行包络检波，但不响应功率小于-20dBm的窄带干扰信号和噪声信号，检波带宽很宽，可以工作在几百兆赫兹到几十吉赫兹的频段，检波的响应时间很快，可以检测脉冲宽度在纳秒和亚纳秒宽度的脉冲信号；采用量化取样器用于数字化检波输出信号，将量化和取样电路分离，只需要单路取样电路的速率和脉冲速率相同，总的取样速率为单路取样速率和路数的乘积，相对于闪速模数转换器更易实现高达几个吉的取样量化速率；采用帧头序列和并行多路的量化包络信号做滑动相关处理，同时实现脉冲信号和帧信号的同步，降低了信号同步的运算复杂度，通过并行处理，无需没有反馈环路，降低了同步所需的时间。

本发明利用隧道二极管反向检波来实现对脉冲信号峰值检测，利用量化取样电路来实现检波信号的数字化，并提供与接收机结构相对应的信号同步和解调方法，使超宽带技术在近距离无线通信中真正成为结构简单、高速的通信方式。

附图说明：

图1是本发明实施例中特定脉冲超宽带接收机结构框图。

图2是本发明中的脉冲峰值检波电路。

图3是本发明中脉冲峰值检波电路中隧道二极管的I-V特征曲线图。

图4是基于开关键控调制的传输波形和检测过程波形图。

图5是本发明中量化取样电路含脉冲延展器的实现电路。

图6是本发明中量化取样电路不含脉冲延展器的实现电路。

图7是采用并行多路的数字取样锁存器的并行取样电路。

图8是采用并行输出的高速取样器的并行取样电路。

图9是本发明的同步和解调算法流程图。

具体实施方式：

以下结合附图进一步详细描述本发明的脉冲峰值检波的超宽带系统接收机结构和方法的

具体实施方式。

实施例1：

本实施例提供一个基于脉冲峰值检测的超宽带接收机，其具体结构框图如图1所示：接收天线ANT联接滤波器FIL的输入端，滤波器FIL的输出端联接放大器AMP的输入端，放大器AMP的输出端联接检波电路DET的输入端，检波电路DET的输出端联接量化取样电路QUASAM的输入端，量化取样电路QUASAM的输出端联接同步单元SYN的输入端和解调单元MOD的一个输入端，同步单元SYN的输出端联接解调单元MOD的另一个输入端。

图2给出了图1中检波电路DET的实现电路，图3给出了图2中隧道二极管的电流(I)一电压(V)的特征曲线。本实施例中，检波电路DET采用隧道二极管检波器TD反向安装，电路结构如图2所示：耦合电容C1的一端为检波电路DET的输入端，另一端联接隧道二极管检波器TD的负极(N极)和电感L的一端，电感L的另一端接地，隧道二极管检波器TD的正极(P极)联接电阻R和滤波电容C2一端，电阻R和滤波电容C2的另一端接地，隧道二极管检波器TD的正极(P极)为检波电路DET的输出端。所述耦合电容C1的范围为10皮法到1000皮法，电感L的范围为100纳亨到1微亨，电阻R的范围为300欧姆到20,000欧姆。滤波电容C2的范围为1皮法到20皮法；当接收脉冲信号的重复频率高于100兆赫兹时，电阻R可取300欧姆；当接收脉冲信号的重复频率低于20兆赫兹时，电阻R可取20,000欧姆。

检波电路DET中隧道二极管检波器TD的电流(I)-电压(V)特性曲线包含反向低阻区301、正向低阻区302、正向高阻区303和正向第二低阻区304，如图3所示。一般来说，不要求曲线是分段线性的，唯一要求是电路拥有的特征曲线包含至少三个明显区：反向低阻区301、正向低阻区302和正向高阻区303。当输入功率较小时，一般小于一20dBm，隧道二极管检波器并不表现出非线性，对于信号是直通的；当输入信号功率较大时，一般在-15dBm到4dBm之间，隧道二极管检波器表现出强的非线性，输出信号是对出入信号的峰值包络检波；因此只要设计接收机放大器AMP的增益使窄带连续波干扰信号和稳态的噪声信号的功率较小，一般小于-20dBm，使有用的脉冲信号功率在-15dBm到4dBm之间；经过检波电路DET时，窄带连续波干扰信号和稳态噪声信号将不被检波，而有用的脉冲信号将被峰值包络检波，如图4中检波电路DET输入波形402和检波电路DET输出波形403所示。通过检波电路DET，对有用的脉冲信号进行了峰值包络检波，对干扰和噪声进行了抑制，从而提高了输出信号的信噪比。

实施例中的量化取样电路QUASAM可以是检波电路DET输出接高速比较器CAMP的输入，高速比较器CAMP的输出联接脉冲延展器TRC的输入，脉冲延展器TRC的输出联接并行取样电路SAMP的输入，如图5所示；也可以是检波电路DET输出接高速比较器CAMP的输入，高速比较器CAMP的输出联接并行取样电路SAMP的输入，如图6所示。并行取样电路SAMP可以包括并行多路的数字取样锁存器，如图7所示：时钟CLK通过时钟分配器CDIS分配为N路相差为2π/N的时钟信号，其中N为多路时钟分配器CDIS的输出路数，范围为几到几十，该多路时钟分配器CDIS的输出和并行取样电路SAMP的输入分别联接并行的触发器组TRIS的时钟输入端和信号输入端，所述多相时钟分配器包括数字锁相环路时钟分配器或延时网络，优选数字锁相环路时钟分配器，多相时钟分配器输出相邻的两路时钟的相位差为2π/N；并行取样电路SAMP也可以包括并行输出的高速比较器，如图8所示：时钟CLK联接倍频器MUT的输入，倍频器MUT的输出和并行取样电路SAMP的输入分别联接并行输出的高速取样器HSAMP的时钟输入端和信号输入端。检波电路DET的输出信号送入高速比较器CAMP后量化为单比特信号，当工作脉冲的宽度相对于码元宽度在几十分之一以下时，量化后的单比特信号送入脉冲延展器TRC展宽脉冲宽度后通过并行取样电路SAMP输出并行取样的量化信号。其中所述的脉冲延展器TRC包括集成单稳多谐触发器或由D型触发器通过自清除构成的脉冲延展电路，优选D型触发器通过自清除构成的脉冲延展电路，脉冲的延展宽度的范围为大于2/N的码元周期，小于一个码元周期，N为多路时钟分配器CDIS的输出路数或倍频器MUT的倍频次数；当工作脉冲的宽度相对于码元宽度大于2/N的码元周期时，其中N为倍频器的倍频次数，高速比较器CAMP量化的检波电路DET输出信号直接送入并行取样电路SAMP，输出并行取样信号。通过并行取样，降低了取样时钟的频率。使得取样时钟与脉冲速率相同，并行取样的路数N与接收的脉冲宽度无关，仅于脉冲宽度延展TRC输出的脉冲宽度有关。降低了实现难度。多比特量化取样电路可以通过量化门限成比例的单比特量化取样电路的组合来实现，相邻量化器门限电平的比值为两倍。

该脉冲超宽带接收机的工作步骤是：首先经过接收天线ANT将空间电磁波信号接收下来并转换成电信号，然后将得到的电信号输入到接收端的滤波器FIL，滤波器FIL滤除带外信号之后其输出端接放大器AMP的输入端，放大器AMP的输出为放大之后的信号，包含有用脉冲信号以及窄带干扰和带内噪声，波形如图4中402所示，其输出端接检波电路DET的输入端，检波电路DET将检测出输入脉冲信号的峰值包络，其输出波形如图4中403所示，检波电路DET的输出经过量化取样器QUASAM量化取样之后变成数字序列输入到同步单元SYN和解调单元MOD，同步单元SYN确定接收信号中脉冲的起始时刻和帧的起始位置，解调单元MOD通过输入的量化取样信号和同步信号恢复出传输的数据信息。

图9给出了同步和解调算法流程图。其同步和解调过程为：并行多路取样电路SAMP输出的多路量化取样信号按取样的先后顺序从小到大编号，每一路与设定的帧头FRA通过相关器COR做相关运算，相关输出值输入到判决器ADJ，若其中至少有一路相关输出值大于门限值，则确定相关输出值大于门限值中编号最小的一路的取样时刻为接收到脉冲信号的起始时刻，确定该位为帧信号的起始时刻，将该同步信息和量化取样的峰值包络信号送入解调器M0D恢复出传输信息；若没有一路相关输出值大于门限值，则将输入并行多路的量化包络信号向前滑动一个码元周期，重复上述过程。所述解调器的解调过程为：根据同步单元确定的接收到脉冲信号的起始时刻，将该时刻的取样值和后续K个取样值做相加，K的范围大于等于1，小于并行取样的路数，若相加值大于设定的解调门限，则判决为“1”，若相加值小于设定的门限，则判决为“0”；在同步单元SYN确定接收帧信号的起始时刻时，计数器COU清零；每解调一个码元信息，计数器COU加一，到计数器COU计满一帧时，返回同步单元的起始，同时计数器COU清零。由于采用帧头序列和并行多路的量化包络信号做滑动相关处理，同时实现脉冲信号和帧信号的同步，降低了信号同步的运算复杂度，通过并行处理，无需没有反馈环路，同步所需的时间少，对于脉冲的重复频率为200兆赫兹，帧头为13比特的巴克码，并行取样路数为12的典型接收系统，仅需做12次13位的异或运算，同步时间也仅需65纳秒。

由于本发明采用峰值检波脉冲检测的接收方案，相对于相关接收和差分相关接收的方法，不需要产生相关模板电路或超宽带的延时电路，结构简单；相对于能量检测的非相干接收方法，脉冲峰值检波电路无需附加额外的放电电路或波形检测电路，可以实现高达200Mbps及以上的通信速率。本发明采用的脉冲峰值检波电路利用隧道二极管工作在反向检波状态，充分利用了纳秒亚纳秒脉冲信号与噪声和窄带干扰信号在时域上的不同特性，将脉冲信号与噪声和窄带干扰信号分离；该检波电路检波带宽很宽，可以工作在几十兆赫兹到几十吉赫兹的频段，检波的响应时间很快，可以检测脉冲宽度在纳秒和亚纳秒宽度的脉冲信号，使该峰值检波电路适用于工作频段在几十兆赫兹到几十吉赫兹内的脉冲超宽带接收装置。采用量化取样器用于数字化检波输出信号，将量化和取样电路分离，只需要单路取样电路的速率和脉冲速率相同，总的取样速率为单路取样速率和路数的乘积，相对于闪速模数转换器更易实现高达几个吉赫兹的取样量化速率。采用帧头序列和并行多路的量化包络信号做滑动相关处理，同时实现脉冲信号和帧信号的同步，降低了信号同步的运算复杂度，通过并行处理，无需没有反馈环路，降低了同步所需的时间，尤其适用于突发通信。

本发明利用隧道二极管反向检波来实现对脉冲信号峰值检测，利用量化取样电路来实现检波信号的数字化，并提供了与接收机结构相对应的快速简单信号同步和解调方法，实现了结构简单、高速的脉冲超宽带接收机。

Claims (7)

1、一种脉冲峰值检波的超宽带系统接收方法，其特征在于：首先将天线接收到的信号通过检波器提取脉冲信号的峰值包络；峰值包络信号被比较器量化为数字信号，通过并行多路取样电路实现对量化的包络信号取样，每路的取样周期与码元周期相同；然后将并行多路的量化包络信号按取样的先后顺序从小到大编号，每一路与设定的帧头序列做相关处理，若其中至少有一路相关输出值大于门限值，则确定相关输出值大于门限值中编号最小的一路的取样时刻为接收到脉冲信号的起始时刻，确定该位为帧信号的起始时刻；若没有一路相关输出值大于门限值，则将输入并行多路的量化包络信号向前滑动一个码元周期，重复上述过程；再根据同步单元确定的接收到脉冲信号的起始时刻，将该时刻的取样值和后续数个取样值做相加，数目在大于等于1，小于并行取样的路数，若相加值大于设定的解调门限，则判决为“1”，若相加值小于设定的门限，则判决为“0”。

2、一种脉冲峰值检波的超宽带系统接收机，包括：接收天线联接滤波放大电路的输入端，滤波放大电路的输出端联接峰值检波电路的输入端，峰值检波电路的输出端联接量化取样电路的输入端，量化取样电路的输出端联接同步单元的输入端和解调单元的输入端，同步单元的输出端联接解调单元的输入端；其特征在于：所述峰值检波电路采用隧道二极管检波器反向安装：其耦合电容一端连接峰值检波电路的输入，另一端连接电感和隧道二极管检波器的负极(N极)，电感的另一端接地，隧道二极管检波器的正极(P极)连接电阻和滤波电容，电阻和滤波电容的另一端接地，峰值检波电路的输出连接隧道二极管检波器的正极、电阻和滤波电容；所述量化取样电路包括高速比较电路的输出联接并行取样电路的输入或高速比较电路联接脉冲延展器的输入，脉冲延展器的输出联接并行取样电路的输入。

3、如权利要求2所述脉冲峰值检波的超宽带系统接收机，特征在于所述高速比较电路为单个或多个高速比较器。

4、如权利要求2所述脉冲峰值检波的超宽带系统接收机，特征在于所述脉冲延展器包括集成单稳多谐触发器或由D型触发器通过自清除构成的脉冲延展电路。

5、如权利要求2所述脉冲峰值检波的超宽带系统接收机，特征在于所述脉冲延展器为由D型触发器通过自清除构成的脉冲延展电路。

6、如权利要求2所述脉冲峰值检波的超宽带系统接收机，特征在于所述并行取样电路包括并行输出的高速取样器或并行多路的数字取样锁存器。

7、如权利要求2所述脉冲峰值检波的超宽带系统接收机，特征在于所述并行取样电路为并行输出的高速取样器。

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