Источник: Кафедра интегральных схем и систем
Факультет электротехники
Калифорнийский университет Лос-Анджелес
Калифорния 90095-1594, США
http://wcsp.eng.usf.edu/UWB_Testbed_Docs/correlation_receiver_binaryFSK.pdf
Ключевые слова: ЧМн детектор, пеленг, корреляция, беспроводной приёмник прямого преобразования.
Реферат
Показан корреляционный детектор для двоичных ЧМн сигналов с динамическим диапазоном 82 дБ. Предлагаемый детектор хорошо подходит для маломощных приемников прямого преобразования, которые используются в беспроводных системах связи с ЧМн модуляцией.
Введение
Частотная манипуляция (ЧМн), обычно с непрерывной фазой сигнала, широко используется в беспроводных систем связи, таких как пейджеры и передатчиков с псевдослучайной перестройкой радиочастоты (ППРЧ) [1]. Модулированный сигнал имеет постоянную огибающую и ограниченный спектры мощности. В приемнике часто применяется некогерентного обнаружения для уменьшения аппаратной сложности. В последнее время приемнику прямого преобразования уделяется особое внимание для портативных коммуникационных устройств, где низкое энергопотребление является ключевым требованием. Приемник прямого преобразования переносит спектр принимаемого сигнала с ВЧ диапазона непосредственно в полосу частот квадратурного обнаружителя. Это позволяет исключить режекторные фильтры и другие дополнительные компоненты, тем самым позволяет приёмопередающее устройство на одном или двух чипах. Поэтому, крайне важно найти эффективную полосу ЧМн детектора сигналов для такого приемника прямого преобразования. Обычные приёмники обнаружения ЧМ сигналов, такие как частотный дискриминатор, не подходит. Некоторые новые диапазоны частот для двоичных ЧМн детекторов для стандарта DECT и систем радиопейджинга были предложены [2-4]. Хорошо известно, что оптимальный приёмник для ЧМн сигналов – это корреляционный приёмник [5]. Тем не менее, этот детектор не часто используется на практике из-за сложности необходимых схем.
Мы предлагаем простую схему двоичного ЧМн корреляционного приёмника для использования в приемнике прямого преобразования. Квадратурные входные сигналы жестко ограниченны использованием усилителя с расширенным динамическим диапазоном, тем самым исключает использование мульти-битного аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) или автоматической регулировки усиления (АРУ).
Реализация
В корреляционном детекторе импульсных двоичных ЧМн сигналов, вычисляется следующие величины для принимаемого сигнала S
|
|
(1) |
где ft - несущая частота, и N – коэффициент передискретизации (Tbaud/Ts). Упростим реализацию этого алгоритма. Для ЧМн сигналов требуется только информация о частоте, а не амплитуде, т. к. квадратурные входные сигналы ограничены (рис. 1). Перед амплитудным ограничителем ставят фильтр нижних частот (ФНЧ), который фильтрует соседние каналы. Учитывая широкий динамический диапазон (обычно 80 дБ) радиоканала, полоса ЧМн детектора должна обрабатывать этот диапазон, чтобы избежать усиления ВЧ сигнала.
CMOS усилитель [6] способен выполнить это требование не более чем для 80 дБ динамического диапазона. Тем не менее, ограничение вводится для нечетных гармоник исходного сигнала. Эти гармоники появляются после дискретизации, искажающие ортогональность бинарных ЧМн сигналов в цифровых корреляционных детекторах.
Однако если N является целым числом, кратным четырем (4i), можно показать, что искажение из-за гармонических сглаживаний не происходит. Это означает, что генерируемые гармоники симметрично расположены относительно половины частоты дискретизации, сохраняя закон модуляции каждого сигнала. Детектор должен различать энергетические спектры сигнала в положительной или отрицательной области частот {+Ftone,-Ftone}.
Входной сигнал должен быть коррелирован с синусоидальным и косинусоидальным составляющими квадратур коррелятора. Так как входной сигнал уже ограничен по амплитуде, то несущая частота может быть представлена не чистой синусоидой. В контексте предлагаемых методов, вместо них используются квадратуры сигналов на соответствующей частоте. Таким образом, XNOR усилитель может быть использован в качестве 1-битного множителя для корреляционного сигнала. Гармоники в результате объединения в квадратуре сигналы после сглаживания, уменьшают влияние нежелательных спектральных составляющих в полосе частот сигнала [7]. Однако когда входной сигнал фильтруется и ограничен по амплитуде, спектр гармоник обусловлен только входным сигналом на входе. Таким образом, когда выполняется ограничение соотношение передискритизации, то дополнительных искажений нет. Интегрирование и сброс (I&D) блока осуществляет простой накопитель, в котором тактовая частота задаётся отдельным циклом восстановления тактовой синхронизации [8]. Как показано в уравнении (1), корреляционный приёмник также требует амплитудный детектор. В нашей архитектуре, блок, выполняющий сложения по модулю заменяет блок, выполняющий возведение в квадрат. Таким образом, реальный корреляционный приёмник ЧМн сигналов получается с небольшим снижением производительности. Частота адаптивного генератора задаётся с помощью 1-битного числа, заданного программным управляющим генератором (NCO), а не точного прямого цифрового кода синтезатора частоты. Несущая частота сигнала при обнаружении задаётся программно с помощью контрольного слова, поступающего на вход квадратурного ПУГ(NCO).
Измерения
Для приемника прямого преобразования двоичного ЧМн сигнала должны выполняться два основных требования: низкое энергопотребление и широкий динамический диапазон. Все блоки показаны на рис. 1 были построены на 1-мм CMOS структуре, и потребляют 5 мВт, напряжение питания 3В. На рис. 2 приведены результаты измерения динамического диапазона детектора. Измерения проводились согласно следующим параметрам Ftone = ± 160 кГц, Fbaud = 160 кГц, Fs = 10,24 МГц, N = 64. Динамический диапазон детектора составляет 82 дБм, вероятность ошибки 10-3. Этот результат выше, чем в других приёмниках обнаружения ЧМн сигналов [3, 9]. Минимальная мощность сигнала необходимая для обнаружения при заданной вероятности ошибки 10-3 определёна и составляет -72 дБм, при которой сигнал ещё различим на фоне шумов, ограниченных по амплитуде. Верхний предел устанавливается максимальный амплитудой на выходе амплитудного ограничителя, который для теста составляет 1 В. Для детектора, работающего без ограничителя нет верхнего предела, и ввод токоограничивающего предохранителя позволит задавать верхний предел с помощью источника питания. Широкий динамический диапазон может быть достигнут путем рассеивания большей мощности на этапе амплитудного ограничения, однако, это не нужно, так как 82 дБ динамического диапазона достаточно для радиоканалов, используемых в большинстве беспроводных устройств.
Заключение
Была представлена реализация корреляционного приёмника обнаружения двоичных ЧМн сигналов. Показаны упрощения в архитектуре приёмника, что уменьшает потребляемую мощность. При правильном выборе передискретизации отношение (4i), предлагаемый детектор выделяет ортогональные бинарные частоты ЧМн без искажений, и таким образом минимизирует потери производительности из-за 1-битной корреляции. Динамический диапазон детектора составляет 82 дБ с вероятностью ошибки 10-3. Представленный детектор ЧМн сигналов подходит для интеграции в приемники прямого преобразования, которые используются в беспроводных системах связи.
Список литературы
[1] J. Min, A. Rofougaran, H. Samueli and A. Abidi, “An All-CMOS Architecture for a Low-Power Frequency-Hopped 900 MHz Spread Spectrum Transceiver,” Proceedings of IEEE Custom Integrated Circuits Conference, pp. 379-382, May 1994.
[2] G. Schultes, A.L. Scholtz, E. Bonek and P. Veith, “A New Incoherent Direct Conversion Receiver,” Proceedings of the 40th IEEE Vehicular Technology Conference, pp. 668-674, May. 1990.
[3] P. Kreuzgruber, “A class of binary FSK direct conversion receivers,” Proceedings of the 44th IEEE Vehicular Technology Conference, pp. 457-461, Jun. 1994.
[4] J.F. Wilson, R. Youell, T.H. Richards, G. Luff and R. Pilaski, “A Single-Chip VHF and UHF Receivers for Radio Paging,” IEEE Journal of Solid State Circuits, v. 26(12), pp. 1944-1950, 1991.
[5] J.G. Proakis, Digital Communications, 2nd Ed. New York: McGraw-Hill, 1989.
[6] S. Khorram, A. Rofougaran and A.A. Abidi, “A CMOS Limiting Amplifier and Signal-Strength Indicator,” to be presented at Symposium on VLSI Circuits, Kyoto, Japan, Jun. 1995.
[7] A. D. Proudfoot, “Simple Multifrequency Tone-detector,” Electronics Letters, vol. 8, pp. 524-525, Oct. 19, 1972.
[8] H-C. Liu, J. Min and H. Samueli, “A Low-Power Baseband Receiver IC for Frequency-Hopped Spread Spectrum Applications,” to appear in Proceedings of IEEE Custom Integrated Circuits Conference, Santa Clara, CA, May 1995.
[9] E. Bonek, G. Schultes, P. Kreuzgruber, W. Simburger, P. Weger, T. C. Leslie, J. Popp, H Knapp and N. Rohringer, “Personal Communications Transceiver Architectures for Monolithic Integration,” IEEE International Symposium on Personal, Indoor, and Mobile Radio Communications, The Hague, The Netherlands, Sep. 1994, pp. 363-368.
Подписи к рисункам
Рисунок 1: Структурная схема двоичного ЧМн корреляционного детектора
Рисунок 2: Характеристика динамического диапазона детектора двоичного ЧМн сигнала
Рисунок 1
Рисунок 2