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  什么是超寬帶雷達(UWB)

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

  2002年美國聯(lián)邦通信委員會(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，對發(fā)射機發(fā)射功率進行了限制，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，同時超寬帶脈沖雷達技術(shù)是發(fā)射機發(fā)射持續(xù)時間極短的脈沖信號，而收發(fā)機的重頻周期較長，因此單位時間內(nèi)消耗的功耗極低，適合今后低功耗的應(yīng)用場景要求。

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

  圖1 UWB系統(tǒng)的優(yōu)勢與應(yīng)用場景

  UWB雷達芯片中的關(guān)鍵技術(shù)

  UWB雷達芯片關(guān)鍵技術(shù)主要包括了信號產(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。作者團隊對上述關(guān)鍵技術(shù)做了主要綜述和優(yōu)缺點對比。

  UWB系統(tǒng)信號產(chǎn)生技術(shù)

  由于高斯脈沖可以通過調(diào)節(jié)函數(shù)參數(shù)，從而使得信號的帶寬與峰值頻率可以通過簡單的設(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，高斯脈沖信號具有更簡單、對信道衰落不敏感等特點，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)：通過電荷泵對無源濾波網(wǎng)絡(luò)充放電實現(xiàn)脈沖的產(chǎn)生，并通過控制時鐘脈沖寬度以及電流實現(xiàn)對脈沖信號可配置，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)點輸出波形

  或者，采用直接射頻合成技術(shù)，采用對buffer尾電流編程，并通過對發(fā)射脈沖控制序列進行偽隨機編碼，提高輸出脈沖的平滑度，并且通過控制PLL輸出頻率從而調(diào)整高斯脈沖的中心頻率，綜上實現(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現(xiàn)電路

  或者，通過電壓控制改變延遲時間，繼而通過組合邏輯和脈沖組合器產(chǎn)生發(fā)射需要的脈沖信號，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，常見的調(diào)制方式有開關(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)對數(shù)據(jù)速率以及小型化低功耗性能的需求越來越高，開關(guān)鍵控OOK通常具有更高的調(diào)制數(shù)據(jù)速率，但是不可避免的會消耗太多功耗，脈沖位置調(diào)制PPM因為可以實現(xiàn)一個重頻周期發(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)計方案，進一步減小芯片的面積與功耗，隨著研究的不斷深入，PPM將會在調(diào)制方式中展現(xiàn)出數(shù)字化的優(yōu)勢。

  超寬帶功率放大器

  UWB發(fā)射機帶寬較寬，所以對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)射機的輸出不經(jīng)過專門的功率放大器，通過普通buffer進行輸出。因為在功率放大器的應(yīng)用中，輸入信號幅度不是固定的，在單一類型的功率放大器中，不同的輸入幅度對應(yīng)的效率可能會相差很大，所以功率放大器往往對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對應(yīng)的輸入功率處仍然有較好的輸出效率。所以，在一些對效率要求更高的應(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接收機系統(tǒng)架構(gòu)

  在UWB系統(tǒng)中，根據(jù)信號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(TX)結(jié)構(gòu)常由信號產(chǎn)生模塊、功率放大器模塊、以及天線3部分構(gòu)成。接收機則由于信號類型、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)、基于時間擴展采樣結(jié)構(gòu)、基于等效時間采樣結(jié)構(gòu)、STsampling、能量檢測等。

  超外差結(jié)構(gòu)：接收機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LNA放大后的射頻信號下混頻之后，通過低通濾波器將倍頻信號濾除，從而得到較低頻率的中頻信號，由此可以降低對ADC帶寬的要求。

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

  圖6 時間擴展采樣原理

  等效時間采樣：與時間擴展采樣方法一樣，利用脈沖信號死區(qū)時間較長且被探測目標(biāo)移動速度較小時，接收到的脈沖信號在一定時間內(nèi)可以認為幾乎不變。等效時間采樣原理圖如圖7所示。假設(shè)重頻周期為10 ns，然后利用一個周期為5 ns的時鐘對信號采樣可得到兩個采樣點每個周期。然后引入5個不同相位相同周期的時鐘分別對信號采樣，經(jīng)過合成可以得到10個采樣點數(shù)每個信號周期，即實現(xiàn)了10倍于信號的等效采樣率。

  圖7 等效時間采樣原理

  掃描閾值采樣結(jié)構(gòu)(Swept threshold sampling)：與等效時間采樣同理，利用重頻周期一定時間內(nèi)近似認為不變，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，計數(shù)器，以及閾值產(chǎn)生模塊等構(gòu)成。通過掃描VT 從0.1～0.9掃描，步長0.1 V，則在VT 大于幅度時，采樣得到1。VT 小于幅度時，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，最終通過計數(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

  能量檢測結(jié)構(gòu)：對于非相干能量檢測結(jié)構(gòu)一般如圖9所示。接收機包含低噪聲放大器(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Squarer之后得到信號包絡(luò)，然后調(diào)整積分窗口的時間位置，最終通過ADC量化積分結(jié)果，通過數(shù)字模塊恢復(fù)脈沖信號，同時可以實現(xiàn)PPM等調(diào)制方式的解調(diào)。

  圖9 能量檢測原理

  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，對信號質(zhì)量以及整體線性度都將造成損失。時間擴展技術(shù)需要高速的采樣電路對信號進行先采樣，然后通過時間擴展放大器擴展采樣信號脈寬，這種結(jié)構(gòu)對采樣電路要求較高，而且時間擴展放大器會存在相應(yīng)系統(tǒng)誤差與隨機誤差，影響采樣精度。

  等效時間采樣通過利用多相位時鐘采樣，然后經(jīng)過合成可以實現(xiàn)多倍于采樣時鐘的采樣率，從而設(shè)計出高速的模數(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)簡化了RF信號鏈，降低了每個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1位量化器，簡化了設(shè)計,并增加了系統(tǒng)的固有線性度。能量檢測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。通過對上述接收機系統(tǒng)架構(gòu)性能對比，等效采樣結(jié)構(gòu)因其獨特的優(yōu)勢，未來將會被更多的應(yīng)用于UWB接收機系統(tǒng)中。

  超寬帶低噪聲放大器

  UWBLNA 作為UWB接收機中的第1級，將決定整個接收機鏈路的性能。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，但是在后級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)實現(xiàn)輸入匹配，實現(xiàn)將單端信號轉(zhuǎn)換成差分信號。自適應(yīng)偏置ADB(ADaptive Biased)電路，實現(xiàn)一種自適應(yīng)增益的低噪聲放大器，以提高UWB接收機的動態(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)，實現(xiàn)單端到差分的轉(zhuǎn)換，進一步節(jié)省面積。如下圖11所示，通過第2級兩級共源放大器輸出，產(chǎn)生兩個相反相位的信號，實現(xiàn)單端到差分的轉(zhuǎn)換。

  圖11 帶有源balun的兩級LNA結(jié)構(gòu)

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

  圖12 改進型的有源balun結(jié)構(gòu)

  超寬帶低噪聲放大器作為UWB接收機系統(tǒng)中第一級，放大從天線上接收到的微弱信號，并且壓低整個系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，具有十分重要的作用，低噪聲放大器通過添加反饋模塊實現(xiàn)增益自適應(yīng)功能，通過可重構(gòu)功能從而提升系統(tǒng)的動態(tài)范圍。通過與有源balun級聯(lián)，可以實現(xiàn)系統(tǒng)單端轉(zhuǎn)差分的功能，差分信號能夠提高系統(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不斷地被研究。

  UWB雷達發(fā)展趨勢

  UWB雷達是目前發(fā)展最為快速的一種新體制雷達，因為其系統(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、穿透性強的特點，使得UWB雷達在定位、探測、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雷達芯片已經(jīng)可以采用成本較低的CMOS工藝進行全集成設(shè)計。UWB技術(shù)通過將功率分配在很寬的頻帶內(nèi)，使得每一個頻點的功率都很小，這樣將會避免與其他無線協(xié)議產(chǎn)生干擾，隨著頻譜資源越來越珍貴，在未來UWB方案將會較多應(yīng)用于主流電子產(chǎn)品。

  UWB技術(shù)因為其高帶寬的優(yōu)勢，決定了UWB雷達將擁有更高的定位精度，因為UWB雷達使用的原理類似飛行時間(Time Of Flight,TOF)，通過發(fā)射端發(fā)送一個信號，信號在碰到障礙物后反彈回接收端，通過計算發(fā)射與接受信號的時間差乘以光速即可得到信號傳輸?shù)木嚯x。通過多個發(fā)射端進行定位掃描，即可得到物體的幾何位置信息，相比于傳統(tǒng)的藍牙定位等技術(shù)的米級別定位誤差，UWB雷達技術(shù)可以實現(xiàn)厘米級別的定位精度，這使得UWB雷達將會具有更大的應(yīng)用市場，并且由于UWB技術(shù)需要現(xiàn)場設(shè)備直接采集計算，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雷達應(yīng)用最為廣泛的兩個領(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)測以及醫(yī)療檢測，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)測雷達是目前專門應(yīng)用于醫(yī)療監(jiān)測的雷達，不同于傳統(tǒng)的電極和傳感器接觸的檢測形式，它可以實現(xiàn)較遠距離長時間無接觸式檢測患者的呼吸和心跳信號，可以在不影響患者正常休息的情況下，實現(xiàn)對患者的呼吸和心跳等生命體征信號進行實時檢測，并將檢測數(shù)據(jù)與設(shè)定數(shù)據(jù)進行對比，及時反饋給醫(yī)護人員，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，能夠更好輔助醫(yī)護人員進行相應(yīng)的治療。目前我國人口平均壽命持續(xù)增長，人口老齡化趨勢明顯。隨著UWB生命檢測雷達朝著更小更精準(zhǔn)的方向不斷優(yōu)化，未來將會成為家中較為常見的生物醫(yī)療器械。

  當(dāng)前國際國內(nèi)反恐形勢都相當(dāng)嚴重，這給便攜式UWB穿墻雷達提出了迫切的需求，同時提供了巨大的市場。針對可穿戴式UWB穿墻透視雷達進行研究，應(yīng)用層面主要包含建筑物內(nèi)部布局與成像，同時包含探測、鑒別分類跟蹤人和運動目標(biāo)的行蹤，能夠?qū)崿F(xiàn)對建筑物或障礙物后面目標(biāo)的探測、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)用前景和價值。

  基于脈沖信號的UWB系統(tǒng)具有傳輸速率高、功耗低、檢測精度高、穿透力強、安全性高等優(yōu)點。而基于CMOS實現(xiàn)UWB芯片可以實現(xiàn)UWB系統(tǒng)的進一步微型化、低功耗。UWB雷達芯片的核心技術(shù)主要包括信號生成技術(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。本文對上述核心技術(shù)的優(yōu)缺點進行了主要總結(jié)和比較。在過去的幾年里，UWB系統(tǒng)由于其安全性和高精度的優(yōu)點，主要用于軍事、雷達、生物檢測等領(lǐng)域。近年來，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)點是功耗低、對信道衰落(如多徑、非視距等信道)不敏感、抗干擾性強、透過性強、定位精度高。可用于汽車鑰匙、倉儲管理、員工管理、掃地機器人、手機定位等汽車、移動終端、消費設(shè)備交叉領(lǐng)域，實現(xiàn)萬物互聯(lián)。