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  什么是超寬帶雷達(dá)(UWB)

  20世紀(jì)60年代超寬帶(Ultra-Wide Band，UWB)的構(gòu)想首次在“time-domain electromagnetics”中被提出，采用一種無(wú)載波的窄脈沖信號(hào)進(jìn)行通信。由于其具有較好的安全性，高傳輸速率以及高距離分辨率，使其在軍事及雷達(dá)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值。

  2002年美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(Federal Communications Commission，FCC)正式批準(zhǔn)超寬帶民用，規(guī)定超寬帶的工作頻率為3.1~10.6 GHz，發(fā)射帶寬大于500 MHz，但為了防止超寬帶與其他通信帶寬產(chǎn)生干擾，對(duì)發(fā)射機(jī)發(fā)射功率進(jìn)行了限制，即有效全向輻射功率小于–41.2 dBm/MHz。因此超寬帶技術(shù)的高速傳輸速率是以非常寬的帶寬為代價(jià)，同時(shí)超寬帶脈沖雷達(dá)技術(shù)是發(fā)射機(jī)發(fā)射持續(xù)時(shí)間極短的脈沖信號(hào)，而收發(fā)機(jī)的重頻周期較長(zhǎng)，因此單位時(shí)間內(nèi)消耗的功耗極低，適合今后低功耗的應(yīng)用場(chǎng)景要求。

  UWB系統(tǒng)在軍事雷達(dá)領(lǐng)域應(yīng)用之外，在生物探測(cè)、室內(nèi)定位等商業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景的得到重要的應(yīng)用。圖1展示的是UWB系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用場(chǎng)景。

  圖1 UWB系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用場(chǎng)景

  UWB雷達(dá)芯片中的關(guān)鍵技術(shù)

  UWB雷達(dá)芯片關(guān)鍵技術(shù)主要包括了信號(hào)產(chǎn)生技術(shù)、超寬帶功率放大器、超寬帶低噪聲放大器、高速量化技術(shù)等。作者團(tuán)隊(duì)對(duì)上述關(guān)鍵技術(shù)做了主要綜述和優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比。

  UWB系統(tǒng)信號(hào)產(chǎn)生技術(shù)

  由于高斯脈沖可以通過(guò)調(diào)節(jié)函數(shù)參數(shù)，從而使得信號(hào)的帶寬與峰值頻率可以通過(guò)簡(jiǎn)單的設(shè)置而發(fā)生改變，在滿足FCC條件下高斯脈沖的發(fā)射功率與性能更適合超寬帶系統(tǒng)的應(yīng)用，高斯脈沖信號(hào)具有更簡(jiǎn)單、對(duì)信道衰落不敏感等特點(diǎn)，所以常用于UWB發(fā)射系統(tǒng)中。目前高斯脈沖產(chǎn)生電路包括如下結(jié)構(gòu)：通過(guò)電荷泵對(duì)無(wú)源濾波網(wǎng)絡(luò)充放電實(shí)現(xiàn)脈沖的產(chǎn)生，并通過(guò)控制時(shí)鐘脈沖寬度以及電流實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖信號(hào)可配置，電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

  圖2 (a)脈沖產(chǎn)生的單元電路;(b)節(jié)點(diǎn)輸出波形

  或者，采用直接射頻合成技術(shù)，采用對(duì)buffer尾電流編程，并通過(guò)對(duì)發(fā)射脈沖控制序列進(jìn)行偽隨機(jī)編碼，提高輸出脈沖的平滑度，并且通過(guò)控制PLL輸出頻率從而調(diào)整高斯脈沖的中心頻率，綜上實(shí)現(xiàn)一種更加平滑的可編程頻移高斯脈沖波形，電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

  圖3 直接射頻合成高斯脈沖的實(shí)現(xiàn)電路

  或者，通過(guò)電壓控制改變延遲時(shí)間，繼而通過(guò)組合邏輯和脈沖組合器產(chǎn)生發(fā)射需要的脈沖信號(hào)，電路結(jié)構(gòu)如下圖4所示。

  圖4 數(shù)字脈沖產(chǎn)生電路

  調(diào)制方式

  在目前的IR-UWB系統(tǒng)中，常見(jiàn)的調(diào)制方式有開(kāi)關(guān)鍵控(OOK)、脈沖幅度調(diào)制(Pulse Amplitude Modulation，PAM)、脈沖位置調(diào)制(PPM)、相位鍵控(Binary Phase Shift Keying，BPSK)等調(diào)制方式。隨著通信系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)速率以及小型化低功耗性能的需求越來(lái)越高，開(kāi)關(guān)鍵控OOK通常具有更高的調(diào)制數(shù)據(jù)速率，但是不可避免的會(huì)消耗太多功耗，脈沖位置調(diào)制PPM因?yàn)榭梢詫?shí)現(xiàn)一個(gè)重頻周期發(fā)送多bit數(shù)據(jù)，大大提高通信的數(shù)據(jù)率，并且可以采用全數(shù)字化設(shè)計(jì)方案，進(jìn)一步減小芯片的面積與功耗，隨著研究的不斷深入，PPM將會(huì)在調(diào)制方式中展現(xiàn)出數(shù)字化的優(yōu)勢(shì)。

  超寬帶功率放大器

  UWB發(fā)射機(jī)帶寬較寬，所以對(duì)功率放大器的帶寬要求也較高，甚至有的需要覆蓋3.1～10 GHz。而功率放大器的帶寬越寬越難保證效率和功率的性能。所以有些發(fā)射機(jī)的輸出不經(jīng)過(guò)專門(mén)的功率放大器，通過(guò)普通buffer進(jìn)行輸出。因?yàn)樵诠β史糯笃鞯膽?yīng)用中，輸入信號(hào)幅度不是固定的，在單一類型的功率放大器中，不同的輸入幅度對(duì)應(yīng)的效率可能會(huì)相差很大，所以功率放大器往往對(duì)6 dB回退效率有要求，Doherty功率放大器能在效率峰值回退6 dB對(duì)應(yīng)的輸入功率處仍然有較好的輸出效率。所以，在一些對(duì)效率要求更高的應(yīng)用中，例如IOT等，在一些低功耗的收發(fā)機(jī)應(yīng)用中，往往應(yīng)用更高效率的功率放大器。圖5展示的是一種數(shù)字Doherty功率放大器，其利用多路數(shù)字功率合成技術(shù)，在輸出中將16路功率放大器分成兩部分，組合成Doherty功率放大器，達(dá)到了29.5%的效率和24.4 dBm的輸出功率。

  圖5 數(shù)字Doherty功率放大器

  UWB接收機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)

  在UWB系統(tǒng)中，根據(jù)信號(hào)類型以及采樣方式不同提出不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。發(fā)射機(jī)(TX)結(jié)構(gòu)常由信號(hào)產(chǎn)生模塊、功率放大器模塊、以及天線3部分構(gòu)成。接收機(jī)則由于信號(hào)類型、量化方式不同，學(xué)者們提出眾多結(jié)構(gòu)。其中較為常見(jiàn)結(jié)構(gòu)有超外差結(jié)構(gòu)，零中頻結(jié)構(gòu)，直接射頻采樣結(jié)構(gòu)、基于時(shí)間擴(kuò)展采樣結(jié)構(gòu)、基于等效時(shí)間采樣結(jié)構(gòu)、STsampling、能量檢測(cè)等。

  超外差結(jié)構(gòu)：接收機(jī)中包括低噪聲放大器(LowNoise Amplifier,LNA)、混頻器(Mixer)、濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)等模塊。該結(jié)構(gòu)首先將通過(guò)LNA放大后的射頻信號(hào)下混頻之后，通過(guò)低通濾波器將倍頻信號(hào)濾除，從而得到較低頻率的中頻信號(hào)，由此可以降低對(duì)ADC帶寬的要求。

  時(shí)間擴(kuò)展：在常見(jiàn)的IR-radar系統(tǒng)中，發(fā)射的射頻信號(hào)具有窄脈沖的特點(diǎn)，在信號(hào)的周期內(nèi)存在大量死區(qū)時(shí)間，針對(duì)發(fā)射信號(hào)的該特點(diǎn)，有學(xué)者提出時(shí)間擴(kuò)展采樣結(jié)構(gòu)，原理圖如下圖6所示。首先通過(guò)高速的采樣單元對(duì)脈沖進(jìn)行采樣，得到的信號(hào)脈寬是Δds，然后通過(guò)時(shí)間擴(kuò)展放大器將采樣得到的信號(hào)的脈寬放大GDTE倍得到脈寬為Δde的低速信號(hào)，從而降低對(duì)后級(jí)數(shù)字量化模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的速度與性能要求。

  圖6 時(shí)間擴(kuò)展采樣原理

  等效時(shí)間采樣：與時(shí)間擴(kuò)展采樣方法一樣，利用脈沖信號(hào)死區(qū)時(shí)間較長(zhǎng)且被探測(cè)目標(biāo)移動(dòng)速度較小時(shí)，接收到的脈沖信號(hào)在一定時(shí)間內(nèi)可以認(rèn)為幾乎不變。等效時(shí)間采樣原理圖如圖7所示。假設(shè)重頻周期為10 ns，然后利用一個(gè)周期為5 ns的時(shí)鐘對(duì)信號(hào)采樣可得到兩個(gè)采樣點(diǎn)每個(gè)周期。然后引入5個(gè)不同相位相同周期的時(shí)鐘分別對(duì)信號(hào)采樣，經(jīng)過(guò)合成可以得到10個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)每個(gè)信號(hào)周期，即實(shí)現(xiàn)了10倍于信號(hào)的等效采樣率。

  圖7 等效時(shí)間采樣原理

  掃描閾值采樣結(jié)構(gòu)(Swept threshold sampling)：與等效時(shí)間采樣同理，利用重頻周期一定時(shí)間內(nèi)近似認(rèn)為不變，有學(xué)者提出一種掃描閾值采樣(Swept threshold sampling)，原理圖如圖8所示。由比較器，計(jì)數(shù)器，以及閾值產(chǎn)生模塊等構(gòu)成。通過(guò)掃描VT 從0.1～0.9掃描，步長(zhǎng)0.1 V，則在VT 大于幅度時(shí)，采樣得到1。VT 小于幅度時(shí)，采樣得到0。如圖所示，若幅度為0.65 V，則在9次掃描采樣結(jié)果中前6次為1，后3次為0，最終通過(guò)計(jì)數(shù)器將掃描周期的1做累加得到6，則可以得到6/9的量化值。其他幅度同理可得。

  圖8 Swept threshold sampling 原理

  能量檢測(cè)結(jié)構(gòu)：對(duì)于非相干能量檢測(cè)結(jié)構(gòu)一般如圖9所示。接收機(jī)包含低噪聲放大器(LNA)、平方器(squarer)、積分器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、以及數(shù)字部分等模塊。通過(guò)Squarer之后得到信號(hào)包絡(luò)，然后調(diào)整積分窗口的時(shí)間位置，最終通過(guò)ADC量化積分結(jié)果，通過(guò)數(shù)字模塊恢復(fù)脈沖信號(hào)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)PPM等調(diào)制方式的解調(diào)。

  圖9 能量檢測(cè)原理

  超外差的電路架構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)直接降頻并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，從而降低后續(xù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的壓力，但是由于需要混頻器等模塊，對(duì)信號(hào)質(zhì)量以及整體線性度都將造成損失。時(shí)間擴(kuò)展技術(shù)需要高速的采樣電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行先采樣，然后通過(guò)時(shí)間擴(kuò)展放大器擴(kuò)展采樣信號(hào)脈寬，這種結(jié)構(gòu)對(duì)采樣電路要求較高，而且時(shí)間擴(kuò)展放大器會(huì)存在相應(yīng)系統(tǒng)誤差與隨機(jī)誤差，影響采樣精度。

  等效時(shí)間采樣通過(guò)利用多相位時(shí)鐘采樣，然后經(jīng)過(guò)合成可以實(shí)現(xiàn)多倍于采樣時(shí)鐘的采樣率，從而設(shè)計(jì)出高速的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，能夠應(yīng)用于直接射頻采樣系統(tǒng)，該種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化了RF信號(hào)鏈，降低了每個(gè)通道的成本以及通道密度。掃描閾值采樣結(jié)構(gòu)只需要1個(gè)1位量化器，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì),并增加了系統(tǒng)的固有線性度。能量檢測(cè)方式可以降低比較器的精度要求，并且擁有更好的穩(wěn)定度。通過(guò)對(duì)上述接收機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)性能對(duì)比，等效采樣結(jié)構(gòu)因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，未來(lái)將會(huì)被更多的應(yīng)用于UWB接收機(jī)系統(tǒng)中。

  超寬帶低噪聲放大器

  UWBLNA 作為UWB接收機(jī)中的第1級(jí)，將決定整個(gè)接收機(jī)鏈路的性能。所以UWBLNA在UWB系統(tǒng)中尤其重要。在UWB系統(tǒng)中天線常為單端輸入信號(hào)，但是在后級(jí)電路中差分電路具有更好的偶次諧波抑制和共模抑制的能力，輸入端采用片上變壓器(balun)實(shí)現(xiàn)輸入匹配，實(shí)現(xiàn)將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)。自適應(yīng)偏置ADB(ADaptive Biased)電路，實(shí)現(xiàn)一種自適應(yīng)增益的低噪聲放大器，以提高UWB接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍，自適應(yīng)增益低噪聲放大器電路圖如圖10所示。

  圖10 自適應(yīng)增益低噪聲放大器

  但是由于片上變壓器面積較大，采用有源的balun結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)單端到差分的轉(zhuǎn)換，進(jìn)一步節(jié)省面積。如下圖11所示，通過(guò)第2級(jí)兩級(jí)共源放大器輸出，產(chǎn)生兩個(gè)相反相位的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)單端到差分的轉(zhuǎn)換。

  圖11 帶有源balun的兩級(jí)LNA結(jié)構(gòu)

  上述結(jié)構(gòu)由于VON增加一級(jí)共源放大，將會(huì)存在相位延遲，所以輸出的差分信號(hào)存在相位與增益的誤差，且受PVT影響較大。通過(guò)組合共柵(CG)與共源放大(CS)，能夠減小輸出差分信號(hào)的增益與相位誤差，電路結(jié)構(gòu)如圖12所示。

  圖12 改進(jìn)型的有源balun結(jié)構(gòu)

  超寬帶低噪聲放大器作為UWB接收機(jī)系統(tǒng)中第一級(jí)，放大從天線上接收到的微弱信號(hào)，并且壓低整個(gè)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，具有十分重要的作用，低噪聲放大器通過(guò)添加反饋模塊實(shí)現(xiàn)增益自適應(yīng)功能，通過(guò)可重構(gòu)功能從而提升系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。通過(guò)與有源balun級(jí)聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)單端轉(zhuǎn)差分的功能，差分信號(hào)能夠提高系統(tǒng)共模抑制比與抗干擾特性。多功能一體化的超寬帶低噪聲放大器將會(huì)不斷地被研究。

  UWB雷達(dá)發(fā)展趨勢(shì)

  UWB雷達(dá)是目前發(fā)展最為快速的一種新體制雷達(dá)，因?yàn)槠湎到y(tǒng)工作在較寬的頻率帶寬，具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率、較高分辨率、穿透性強(qiáng)的特點(diǎn)，使得UWB雷達(dá)在定位、探測(cè)、通信、生物醫(yī)療等領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用，隨著硅基工藝的不斷發(fā)展，截至頻率的不斷提升，UWB雷達(dá)芯片已經(jīng)可以采用成本較低的CMOS工藝進(jìn)行全集成設(shè)計(jì)。UWB技術(shù)通過(guò)將功率分配在很寬的頻帶內(nèi)，使得每一個(gè)頻點(diǎn)的功率都很小，這樣將會(huì)避免與其他無(wú)線協(xié)議產(chǎn)生干擾，隨著頻譜資源越來(lái)越珍貴，在未來(lái)UWB方案將會(huì)較多應(yīng)用于主流電子產(chǎn)品。

  UWB技術(shù)因?yàn)槠涓邘挼膬?yōu)勢(shì)，決定了UWB雷達(dá)將擁有更高的定位精度，因?yàn)?/span>UWB雷達(dá)使用的原理類似飛行時(shí)間(Time Of Flight,TOF)，通過(guò)發(fā)射端發(fā)送一個(gè)信號(hào)，信號(hào)在碰到障礙物后反彈回接收端，通過(guò)計(jì)算發(fā)射與接受信號(hào)的時(shí)間差乘以光速即可得到信號(hào)傳輸?shù)木嚯x。通過(guò)多個(gè)發(fā)射端進(jìn)行定位掃描，即可得到物體的幾何位置信息，相比于傳統(tǒng)的藍(lán)牙定位等技術(shù)的米級(jí)別定位誤差，UWB雷達(dá)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)別的定位精度，這使得UWB雷達(dá)將會(huì)具有更大的應(yīng)用市場(chǎng)，并且由于UWB技術(shù)需要現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備直接采集計(jì)算，很難被第三方突破信息保障壁壘，因此具有較高的安全性。目前UWB雷達(dá)應(yīng)用最為廣泛的兩個(gè)領(lǐng)域一類是面向醫(yī)療行業(yè)，主要包括高精度醫(yī)療監(jiān)測(cè)以及醫(yī)療檢測(cè)，另一類主要是面向軍事巷戰(zhàn)、反恐、災(zāi)難搜救等高精度定位軍事應(yīng)用。

  非接觸式UWB生命監(jiān)測(cè)雷達(dá)是目前專門(mén)應(yīng)用于醫(yī)療監(jiān)測(cè)的雷達(dá)，不同于傳統(tǒng)的電極和傳感器接觸的檢測(cè)形式，它可以實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離長(zhǎng)時(shí)間無(wú)接觸式檢測(cè)患者的呼吸和心跳信號(hào)，可以在不影響患者正常休息的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)患者的呼吸和心跳等生命體征信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，及時(shí)反饋給醫(yī)護(hù)人員，相比于傳統(tǒng)的呼吸和心電記錄儀，非接觸的方式具有更加輕松和舒適的特點(diǎn)，能夠更好輔助醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行相應(yīng)的治療。目前我國(guó)人口平均壽命持續(xù)增長(zhǎng)，人口老齡化趨勢(shì)明顯。隨著UWB生命檢測(cè)雷達(dá)朝著更小更精準(zhǔn)的方向不斷優(yōu)化，未來(lái)將會(huì)成為家中較為常見(jiàn)的生物醫(yī)療器械。

  當(dāng)前國(guó)際國(guó)內(nèi)反恐形勢(shì)都相當(dāng)嚴(yán)重，這給便攜式UWB穿墻雷達(dá)提出了迫切的需求，同時(shí)提供了巨大的市場(chǎng)。針對(duì)可穿戴式UWB穿墻透視雷達(dá)進(jìn)行研究，應(yīng)用層面主要包含建筑物內(nèi)部布局與成像，同時(shí)包含探測(cè)、鑒別分類跟蹤人和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的行蹤，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)建筑物或障礙物后面目標(biāo)的探測(cè)、定位、成像和追蹤，在軍事裝備、城市安全、火災(zāi)及地震等自然災(zāi)害搜救、快速反應(yīng)人員以及反恐方面有著廣泛的應(yīng)用前景和價(jià)值。

  基于脈沖信號(hào)的UWB系統(tǒng)具有傳輸速率高、功耗低、檢測(cè)精度高、穿透力強(qiáng)、安全性高等優(yōu)點(diǎn)。而基于CMOS實(shí)現(xiàn)UWB芯片可以實(shí)現(xiàn)UWB系統(tǒng)的進(jìn)一步微型化、低功耗。UWB雷達(dá)芯片的核心技術(shù)主要包括信號(hào)生成技術(shù)、超寬帶功率放大器、超寬帶低噪聲放大器、高速量化技術(shù)等。本文對(duì)上述核心技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了主要總結(jié)和比較。在過(guò)去的幾年里，UWB系統(tǒng)由于其安全性和高精度的優(yōu)點(diǎn)，主要用于軍事、雷達(dá)、生物檢測(cè)等領(lǐng)域。近年來(lái)，隨著5g和物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展和崛起，基于UWB系統(tǒng)的短距離通信和室內(nèi)/室外定位得到了快速發(fā)展。超寬帶的主要優(yōu)點(diǎn)是功耗低、對(duì)信道衰落(如多徑、非視距等信道)不敏感、抗干擾性強(qiáng)、透過(guò)性強(qiáng)、定位精度高。可用于汽車鑰匙、倉(cāng)儲(chǔ)管理、員工管理、掃地機(jī)器人、手機(jī)定位等汽車、移動(dòng)終端、消費(fèi)設(shè)備交叉領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)。