CN114257257A - 一种多阶峰值检测脉冲超宽带接收机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多阶峰值检测脉冲超宽带接收机，包括：射频前端低噪声放大器，用于对天线接收到的射频信号进行第一次放大；可变增益放大器，连接于所述射频前端低噪声放大器的输出端，用于对所述射频前端低噪声放大器的输出信号进行第二次放大；多阶峰值脉冲检测器，连接于所述可变增益放大器的输出端，用于将所述可变增益放大器的输出信号与一组参考电压进行比较，输出包含脉冲峰值范围的多比特信号；以及，编码器，连接于所述多阶峰值脉冲检测器的输出端，用于对所述多阶峰值脉冲检测器输出的所述多比特信号进行编码，并交由后级解调电路进行软解调。

Description

一种多阶峰值检测脉冲超宽带接收机
技术领域
本发明涉及无线通信和集成电路设计领域，具体涉及一种基于触发器的多阶峰值检测脉冲超宽带接收机。
背景技术
超宽带(Ultra Wideband,UWB)无线通信技术具有大带宽、高速率和低功耗的特点，是短距离通信的优良技术，在室内定位方面应用前景广阔。
目前超宽带接收机的架构分为相关接收机和非相关接收机，其中相关接收机又分为模拟相关接收机和数字相关接收机。模拟相关接收机中将接收信号与本地模板做互相关运算，需要设计精确的本地模板；同时，为了能够得到最佳接收效果，需要引入搜索相关峰的设计机制，需要设计复杂的延时、相乘、积分等电路，由于超宽带脉冲在时域上表现为窄脉冲，其自相关峰非常陡峭，需要接收到的信号与模板信号精确对准，设计上有一定的困难。数字相关接收机使用模数转换器(Analog-Digital Converter,ADC)把模拟信号转换为数字信号，在数字域做相关，此种接收方式面临的问题是，UWB传输系统是与现有窄带系统共享频带的，为了保持与窄带系统的兼容性，必须使用低功率谱密度、宽频带的窄脉冲信号；由于奈奎斯特采样定理对无损采样的规定，采样率必须要高于信号最高频率的2倍，对于带宽下限在3GHz之上的超宽带信号而言，使用同步采样接收方法用到的模数转换器需要工作在6GHz以上，传输1bit数据所需的接收机翻转次数很高，导致数字相关接收机电路功耗P很高，也使得电路的单位比特能耗Ec恶化。
非相关接收机有包络检波、能量判决和触发接收等几种结构，其中触发接收主要针对OOK(On-OffKeying，开关键控)调制的通信方式，接收电路的核心的两个触发器在一个数据周期内接收机翻转一次或者不翻转，相对于相关接收机，不仅结构简单而且功耗低，但存在通信性能相对较低、误码率相对较差的问题。
发明内容
现有的触发接收方式，由于射频前端输出的脉冲信号在经过比较器时采用硬判决直接将解调信号判决为0或1，丢失了信道信息，因此通信性能相对低，误码率相对较差。鉴于此，本发明提出一种多阶峰值检测脉冲超宽带接收机，旨在保留触发接收机结构简单优点的同时，引入多阶峰值判决获取软信息，以解决现有的触发接收方式存在的上述问题，从而提升通信系统性能。
本发明的技术问题通过如下技术方案解决：
一种多阶峰值检测脉冲超宽带接收机，包括：射频前端低噪声放大器，用于对天线接收到的射频信号进行第一次放大；可变增益放大器，连接于所述射频前端低噪声放大器的输出端，用于对所述射频前端低噪声放大器的输出信号进行第二次放大；多阶峰值脉冲检测器，连接于所述可变增益放大器的输出端，用于将所述可变增益放大器的输出信号与一组参考电压进行比较，输出包含脉冲峰值范围的多比特信号；以及，编码器，连接于所述多阶峰值脉冲检测器的输出端，用于对所述多阶峰值脉冲检测器输出的所述多比特信号进行编码，并交由后级解调电路进行软解调。
进一步地，所述射频前端低噪声放大器的放大倍数为12.6±0.8dB，所述可变增益放大器的放大倍数为1～26dB。
进一步地，所述多阶峰值脉冲检测器包括多通道异步触发器，且各通道的参考电压互不相同；所述可变增益放大器的输出进入所述多阶峰值脉冲检测器之后，分别与每通道的参考电压进行比较：对于某通道而言，若所述可变增益放大器输出的一个数据周期内的脉冲信号中包含高于该通道参考电压的峰值，则该通道被触发，输出高电平1，触发后的通道在时钟信号有效沿到来时复位，准备下一次触发；若所述可变增益放大器输出的一个数据周期内的脉冲信号任何时刻的值均不高于该通道的参考电压，则该通道输出低电平0。
进一步地，所述多通道异步触发器包括8组比较器-异步触发器单元，每组所述比较器-异步触发器单元均由一比较器和连接于比较器输出端的异步触发器构成；相应地，所述多阶峰值脉冲检测器输出8比特信号，所述编码器为8-3优先编码器；所述8-3优先编码器对所述8比特信号进行优先规则的编码，输出代表8电平量化结果的3比特信息。
进一步地，所述8组比较器-异步触发器单元的参考电压依次记为Vref1、Vref2、Vref3、Vref4、Vref5、Vref6、Vref7、Vref8，并且满足0<Vref1<Vref2<Vref3<Vref4<Vref5<Vref6<Vref7<Vref8<V；其中，V代表电源电压。
进一步地，所述比较器为迟滞比较器。
进一步地，所述异步触发器的内核为两个串联的异步置位、同步复位的D触发器；其中第一个D触发器的输入端接地，置位端连接前级比较器的输出；第二个D触发器的输入端连接所述第一个D触发器的输出，置位端接地；有脉冲时，所述第一个D触发器置位；在数据周期末尾，时钟信号有效沿到来，所述第一个D触发器复位，同时将输出信号传送到所述第二个D触发器；无脉冲时，所述第一个D触发器保持复位。
进一步地，所述多阶峰值脉冲检测器还包括一电阻分压网络，该电阻分压网络的输出连接至所述多通道异步触发器的比较器的参考电压输入端，用于提供所述多通道异步触发器的参考电压。
进一步地，所述射频前端低噪声放大器采用电流复用两级共源结构。
进一步地，所述可变增益放大器由线性MOS负载的共源共栅放大器提供。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果体现在：相对于单通道异步触发接收可以获得额外的软判决增益。原因是：本发明采用基于异步触发接收方式的多阶峰值脉冲检测，利用多路触发获取多级量化的脉冲幅值软信息，补偿了一部分单路触发器硬判决损失的信道信息，经过后级解码模块的软判决后可以降低误码率。
本发明的另一个优势体现在，与同样可以获得脉冲峰值进行软解调的直接采样接收机相比，本发明基于触发器的多峰值检测器工作在基带频率，因时钟翻转(时钟信号电平的周期性变化)导致的电路动态功耗要远低于时钟频率在GHz以上的ADC，因此本发明所述接收机还具有功耗低的优势。
附图说明
图1是本发明实施例的多阶峰值检测脉冲超宽带接收机原理框图；
图2是本发明实施例所述接收机的低噪声放大器电路原理图；
图3是本发明实施例所述接收机的可变增益放大器电路原理图；
图4是本发明实施例所述接收机的多阶峰值脉冲检测器结构示意图；
图5是本发明实施例的多阶峰值脉冲检测器脉冲量化功能波形图；
图6是本发明实施例的迟滞比较器结构示意图；
图7是本发明实施例的异步触发器结构示意图；
图8是本发明实施例的多阶峰值检测脉冲超宽带接收机与现有的异步触发接收机误码率曲线仿真结果对比。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步说明。
本发明实施例提出一种基于触发器的多阶峰值检测脉冲超宽带接收机，用于解调OOK调制的脉冲超宽带信号，如图1所示，该接收机包括从输入端到输出端依次连接的射频前端低噪声放大器(Low NoiseAmplifier,LNA)10、可变增益放大器(VariableGainAmplifier,VGA)20、多阶峰值脉冲检测器30、编码器40和解码器50。其中，低噪声放大器10用于对天线接收到的射频信号进行第一次放大；可变增益放大器20用于对低噪声放大器10的输出信号进行第二次放大；多阶峰值脉冲检测器30用于将可变增益放大器20的输出信号与一组参考电压进行比较，输出包含脉冲峰值范围的多比特信号；编码器40用于对多阶峰值脉冲检测器30输出的所述多比特信号进行编码，并交由后级解调电路进行软解调，获得解调后的基带信号。
如图2所示为所述射频前端低噪声放大器10的电路原理图，噪声放大器10采用电流复用(Current-Reuse)两级共源(Common-Source)结构，对来自天线的射频信号进行12.6±0.8dB的放大。接收机天线所接收到的射频信号首先进入低噪声放大器10，由低噪声放大器10的RFIN端输入，依次经过MOS管M1、M2两个共源管的放大后由RFOUT端输出。其小信号输入阻抗Zin如式(1)所示。输入端RFIN通过电感元件Lg1、Ls和并联电阻Rf实现近似50欧姆的阻抗匹配，输入匹配的拓宽由并联电阻Rf提供。该低噪声放大器具有噪声系数(NF)低的特点，根据接收机灵敏度公式(2)，有利于获得低的接收机灵敏度Psen；
Figure BDA0003418750720000051
Psen＝N0+NF+SNR+10×lgBW (2)
式(1)中，S是与角频率相关的复变量，S＝jω，其中ω是角频率；Lg1是MOS管M1的栅极电感值；LS是MOS管M1的源极电感值；Cgs1是MOS管M1的等效总栅源电容值；gm1是MOS管M1的跨导值；ZF是从输入端RFIN向电阻反馈回路(图2中虚线框部分)看去的等效阻抗值，式(2)中，N0是噪声单边功率谱密度；NF是噪声系数；SNR是接收信号信噪比；BW是接收信号带宽。由于低噪声放大器10可采用现有结构来实现，因此其具体的元件参数可无需赘述。
如图3所示是可变增益放大器20的电路原理图，所述可变增益放大器由线性MOS负载的共源共栅(Cascode)放大器提供。负载MOS管M5的线性区小信号输出电阻ro如式(3)所示，放大器的增益AV如式(4)所示，gm为输入MOS管M3的跨导。控制电压接Vctl端，通过控制MOS管M5的输出电阻进而调节放大器增益。在一些实施例中，该可变增益放大器20对低噪声放大器输出的信号进行1～26dB的进一步放大。
Figure BDA0003418750720000052
Figure BDA0003418750720000053
式(3)中，μp是MOS管M5的载流子迁移率，Cox是MOS管M5的单位面积的栅氧化层电容，W、L分别是MOS管M5的宽度和长度，VGS是MOS管M5的栅源电压，VTH是MOS管M5的阈值电压，gm是可变增益放大器输入级MOS管M3的跨导值。由于可变增益放大器20可采用现有结构来实现，因此其具体的元件参数可无需赘述。
如图4所示是所述多阶峰值脉冲检测器30的电路原理图，该多阶峰值脉冲检测器包括多通道异步触发器31和电阻分压网络32，各通道具有互不相同的参考电压，而电阻分压网络32用于为多通道异步触发器31提供这些参考电压，即，电阻分压网络32通过电阻分压作用为多通道异步触发器31提供与通道数量相同的多个参考电压。继续参考图4，可变增益放大器20的输出由多通道异步触发器31的IN端进入多阶峰值脉冲检测器之后，分别与每通道的参考电压进行比较：对于某通道而言，若可变增益放大器20输出的一个数据周期内的脉冲信号中包含高于该通道参考电压的峰值，则该通道被触发，输出高电平1，触发后的通道在时钟信号有效沿到来时复位，准备下一次触发；若可变增益放大器20输出的一个数据周期内的脉冲信号任何时刻的值均不高于该通道的参考电压，则该通道不会被触发，输出低电平0。
如图4，在一种示例性的实施方式中，所述多通道异步触发器31包含8组结构相同的比较器-异步触发器单元310，每组比较器-异步触发器单元均由一比较器(如迟滞比较器)和连接于比较器输出端的异步触发器构成，每组比较器-异步触发器单元的异步触发器(Trigger)因被触发或不被触发而输出高电平1或低电平0，从而，所述多阶峰值脉冲检测器输出8比特信号(8bit)，对应地，所述编码器为8-3优先编码器；所述8-3优先编码器对所述8比特信号进行优先规则的编码，输出代表8电平量化结果的3比特信息(3bit)。8-3优先编码器进行优先规则的编码，体现在：对于其输入信号(8bit信号)而言，最高位的1所在位决定了编码器输出数据的值，而忽略比它低的数据位的值；编码输出3bit信息，代表了8电平量化结果。比如，多阶峰值脉冲检测器30输出8bit的信号为01111111，最高位的“1”所在的位是第7位，则编码器的输出为3bit二进制信息111；如果输出的8bit的信号为00111111，最高位的1所在的位是第6位，则编码器的输出为3bit二进制信息110。
如图6所示是迟滞比较器的电路图，来自电阻分压网络32的参考电压与Vt端连接，来自可变增益放大器20的脉冲信号与Vin连接。当有脉冲信号时，Vin电平上升，CMP信号出现短暂的下降。CMP端与后级的异步触发器相连接，其短暂的电平下降将触发后级电路。
如图7所示是所述异步触发器的电路图，其核心模块是两个异步置位、同步复位的D触发器Q1、Q2。第一个D触发器的置位端SET连接前级的比较器输出，而输入端D接地。第二个D触发器的置位端SET接地，而输入端D连接所述第一个D触发器的输出端Q。有脉冲时，第一个D触发器置位；在数据周期末尾，时钟信号有效沿到来，第一个D触发器复位，同时将输出信号Q1传送到第二个D触发器的输入端D；由于脉冲来临可能发生在接收机时隙中的任意时刻，因此设置第二个D触发器，其作用是通过多打一拍来将第一个D触发器输出的一个非完整周期的高电平1变成一个完整周期内的高电平，实现OOK脉冲的解调。
继续沿用上述例子，由于有8组比较器-异步触发器单元，因此电阻分压网络32需提供8个参考电压Vref，分别输入到8个比较器的参考电压输入端，8个参考电压分别记为Vref1、Vref2、Vref3、Vref4、Vref5、Vref6、Vref7、Vref8，优选地，可以设置为满足0<Vref1<Vref2<Vref3<Vref4<Vref5<Vref6<Vref7<Vref8<V，更优选地，可以设置为8个参考电压在0～V之间均匀地分布；其中，V代表电源电压。在一个数据周期中，被触发的通道可能不止一个，由于有8个通道，因此多阶峰值脉冲检测器30的输出信息共有9种，依次为：无通道被触发、仅有1个通道(最低参考电压的通道)被触发、共有2个通道(最低和第二低参考电压的通道)被触发、……、8个通道全被触发。多阶峰值脉冲检测器30的输出信息Y与输入的脉冲波形R(t)的具体关系如公式(5)所示。需要注意的是，9种信息在经过8-3优先编码器之后实际上变为8种，其中，有7个通路被触发和8个通路都被触发的情况均认为输出信息为“7”、均被编码为111，详见8-3优先编码器真值表-表1，而多阶峰值脉冲检测器对不同峰值脉冲的量化效果如图5所示。
Figure BDA0003418750720000071
式(5)中，Y＝0至Y＝8即代表前述提到的9种可能输出，这9种可能输出分别对应这9种可能的8bit信号00000000、00000001、00000011、00000111、00001111、00011111、00111111、01111111、11111111。
表18-3优先编码器真值表
Figure BDA0003418750720000072
Figure BDA0003418750720000081
如图8所示，是OOK调制系统的误码率曲线仿真结果，仿真过程采用了卷积编码和维特比解码。其中，横轴为单位bit信号能量Eb与高斯白噪声单边功率谱密度N0之比，纵轴为比特误码率(Bit Error Rate,BER)。实线L1为无信道编解码情况下理论(Theoretical)误码率，实线L2为卷积编码-Viterbi解码硬判决理论(Theoretical-Hard)误码率，实线L3是卷积编码-Viterbi解码软判决理论(Theoretical-Soft)误码率；散点图为蒙特卡洛仿真得到的误码率，其中倒三角散点图是硬判决误码率仿真结果，十字点散点图是本发明实施例的软判决误码率仿真结果。从图8可以看出，本发明的接收机软判决误码率与理论上的软判决误码率接近，在Eb/No较高的条件下，软判决性能比同等误码率下硬判决需要的Eb/No低大约2dB。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多阶峰值检测脉冲超宽带接收机，其特征在于，包括：
射频前端低噪声放大器，用于对天线接收到的射频信号进行第一次放大；
可变增益放大器，连接于所述射频前端低噪声放大器的输出端，用于对所述射频前端低噪声放大器的输出信号进行第二次放大；
多阶峰值脉冲检测器，连接于所述可变增益放大器的输出端，用于将所述可变增益放大器的输出信号与一组参考电压进行比较，输出包含脉冲峰值范围的多比特信号；以及，
编码器，连接于所述多阶峰值脉冲检测器的输出端，用于对所述多阶峰值脉冲检测器输出的所述多比特信号进行编码，并交由后级解调电路进行软解调。
2.如权利要求1所述的多阶峰值检测脉冲超宽带接收机，其特征在于：所述射频前端低噪声放大器的放大倍数为12.6±0.8dB，所述可变增益放大器的放大倍数为1～26dB。
3.如权利要求1所述的多阶峰值检测脉冲超宽带接收机，其特征在于：所述多阶峰值脉冲检测器包括多通道异步触发器，且各通道的参考电压互不相同；
所述可变增益放大器的输出进入所述多阶峰值脉冲检测器之后，分别与每通道的参考电压进行比较：对于某通道而言，若所述可变增益放大器输出的一个数据周期内的脉冲信号中包含高于该通道参考电压的峰值，则该通道被触发，输出高电平1，触发后的通道在时钟信号有效沿到来时复位，准备下一次触发；若所述可变增益放大器输出的一个数据周期内的脉冲信号任何时刻的值均不高于该通道的参考电压，则该通道输出低电平0。
4.如权利要求3所述的多阶峰值检测脉冲超宽带接收机，其特征在于：所述多通道异步触发器包括8组比较器-异步触发器单元，每组所述比较器-异步触发器单元均由一比较器和连接于比较器输出端的异步触发器构成；相应地，所述多阶峰值脉冲检测器输出8比特信号，所述编码器为8-3优先编码器；
所述8-3优先编码器对所述8比特信号进行优先规则的编码，输出代表8电平量化结果的3比特信息。
5.如权利要求4所述的多阶峰值检测脉冲超宽带接收机，其特征在于：所述8组比较器-异步触发器单元的参考电压依次记为Vref1、Vref2、Vref3、Vref4、Vref5、Vref6、Vref7、Vref8，并且满足0<Vref1<Vref2<Vref3<Vref4<Vref5<Vref6<Vref7<Vref8<V；其中，V代表电源电压。
6.如权利要求4所述的多阶峰值检测脉冲超宽带接收机，其特征在于：所述比较器为迟滞比较器。
7.如权利要求4所述的多阶峰值检测脉冲超宽带接收机，其特征在于：所述异步触发器的内核为两个串联的异步置位、同步复位的D触发器，其中第一个D触发器的输入端接地，置位端连接前级比较器的输出；第二个D触发器的输入端连接所述第一个D触发器的输出，置位端接地；有脉冲时，所述第一个D触发器置位；在数据周期末尾，时钟信号有效沿到来，所述第一个D触发器复位，同时将输出信号传送到所述第二个D触发器；无脉冲时，所述第一个D触发器保持复位。
8.如权利要求4所述的多阶峰值检测脉冲超宽带接收机，其特征在于：所述多阶峰值脉冲检测器还包括一电阻分压网络，该电阻分压网络的输出连接至所述多通道异步触发器的比较器的参考电压输入端，用于提供所述多通道异步触发器的参考电压。
9.如权利要求1所述的多阶峰值检测脉冲超宽带接收机，其特征在于：所述射频前端低噪声放大器采用电流复用两级共源结构。
10.如权利要求1所述的多阶峰值检测脉冲超宽带接收机，其特征在于：所述可变增益放大器由线性MOS负载的共源共栅放大器提供。
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