摘 要： 給出一種帶自動增益控制(AGC)環(huán)路的IR-UWB無線定位系統(tǒng)非相干接收機。為了使各個接收機不因多徑效應(yīng)或發(fā)射機距離遠近的改變而引起幅度變化，在接收機中引入AGC模塊，通過對連續(xù)工作方式下的AGC進行改進，使之能夠工作在非連續(xù)的IR-UWB脈沖方式下，并通過硬件設(shè)計與實現(xiàn)證明了這種改進的AGC環(huán)路工作穩(wěn)定，接收機用于室內(nèi)定位系統(tǒng)，能夠達到保持幅度平穩(wěn)、減少抖動、提高定位精度的要求。
關(guān)鍵詞：AGC； IR-UWB； 無線定位接收機
脈沖超寬帶(IR-UWB)信號具有衰減小、穿透性強、定位精度高、多徑分辨率高等優(yōu)點，能夠有效改善室內(nèi)定位的效果。近年來，IR-UWB定位技術(shù)既克服了GPS信號強度不足以穿透建筑物的缺點，又避免了蜂窩通信室內(nèi)定位系統(tǒng)的多徑效應(yīng)和非視距傳播的影響，因此IR-UWB定位技術(shù)成為室內(nèi)定位技術(shù)的研究熱點[1]。
IR-UWB信號采用基帶窄脈沖作為信息的載體，常用的脈沖信號接收方法統(tǒng)分為相干接收和非相干接收兩類。其中非相干接收是將接收信號進行非相干解調(diào)(如包絡(luò)檢波、平方律檢波)，不需要產(chǎn)生本地模板信號，對定時恢復(fù)精度要求低，且結(jié)構(gòu)簡單[2]。本文在非相干接收機系統(tǒng)中加入了脈沖AGC模塊，目的是用來保證各個接收機不會受多徑效應(yīng)或者發(fā)射機距離遠近的改變所引起的幅度變化的影響，保持幅度平穩(wěn)，從而減少抖動，避免影響到后續(xù)電路。但脈沖工作方式下的AGC系統(tǒng)較為少見，因此首先對連續(xù)工作方式下的AGC進行了改進，從而設(shè)計出了帶改進AGC的IR-UWB無線定位接收機系統(tǒng)。通過硬件設(shè)計和實現(xiàn)，表明了這種無線定位接收機系統(tǒng)工作穩(wěn)定，精度較高，達到了設(shè)計要求，是一種較為理想的無線接收機模型。
1 接收機系統(tǒng)模型
在目前常用的定位算法中，TOA與TDOA方法比較適合IR-UWB定位[3-4]，本文設(shè)計的接收機采用TDOA方式。TDOA方式是通過數(shù)臺彼此相鄰的接收機接收來自標簽發(fā)送的信號，計算到達時間，再計算各個接收機的到達時間差，最后通過雙曲線定位算法來確定標簽位置，因此TDOA方式也叫雙曲線定位技術(shù)，如圖1所示。
本文采用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)由需要定位的標簽Tag(發(fā)射機)、定位接收機(BS1、BS2、BS3)、時間差計數(shù)器Counter和后端服務(wù)器組成，每個接收機坐標已知。定位過程為:取BS1為主接收機，BS1與BS2、BS3距離分別為4 m，且成等邊三角形排列。Tag在4 m×4 m范圍內(nèi)移動，不斷發(fā)出頻率10.7 MHz的超寬帶脈沖，3個接收機分別從接收到的信號中提取的信號到達時間，送入時差計數(shù)器。設(shè)定BS1最先接收到的信號，然后計數(shù)器記錄下后續(xù)到來的BS2和BS3與BS1的到達時間差，再送入后端處理器中，通過定位算法得出標簽Tag的具體坐標值。
參考文獻[5]中設(shè)計的接收機是最初的設(shè)計，此時并未包括AGC模塊，其組成框圖如圖3所示。
測試中采用的脈沖發(fā)射機發(fā)出的是工作寬度為950 ps，頻率為10.7 MHz的周期脈沖信號。在室內(nèi)視距環(huán)境下，發(fā)現(xiàn)鎖相環(huán)輸出的波形拉開前沿時有明顯的抖動，按照電磁波傳播速度，信號每抖動1 ns的寬度，定位時就產(chǎn)生30 cm的誤差。而導(dǎo)致這種抖動的原因是發(fā)射機的不斷移動和室內(nèi)傳播的多徑效應(yīng)。
本文對上述系統(tǒng)模型進行了改進，加入了改進的脈沖AGC模塊，如圖4所示。這種設(shè)計的目的是用來保證各個接收機不會因為多徑效應(yīng)或者發(fā)射機距離的改變引起幅度變化，保持幅度平穩(wěn)，從而減少抖動，避免影響到后續(xù)電路。
2 改進AGC的設(shè)計
2.1 AGC簡介
自動增益控制（AGC）系統(tǒng)是一個在電子學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用很廣的系統(tǒng)，在廣播、電視、通信和雷達接收機中幾乎都不可避免地被采用，并且對于這些接收機的性能有著重要影響[6]。其作用是：當輸入信號很弱時，接收機的增益大；當輸入信號很強時，自動增益控制電路進行控制，使接收機的增益減小。這樣，當接收信號強度變化時，接收機的輸出端的電壓或功率基本不變或保持恒定。
在常用的通信接收機中主要用的是連續(xù)工作狀態(tài)，因此連續(xù)工作方式的AGC獲得了較多的應(yīng)用。對于IR-UWB信號，它發(fā)射的是二階高斯脈沖信號，而接收機接收的實際上是三階高斯脈沖信號，即整個定位系統(tǒng)工作的信號是高斯脈沖信號，如果將通常的AGC系統(tǒng)直接應(yīng)用于脈沖信號接收，效果不是很理想，同時對器件也提出很高的要求。因此首先對AGC做了一定的改進。
2.2 IR-UWB接收機AGC的設(shè)計思想
對于超寬帶通信系統(tǒng)，接收機檢測技術(shù)和在距離發(fā)生變化時如何控制增益是其中的難點和重點[7]。超寬帶信號在時域上是極窄脈沖，在頻域上有著類似高斯白噪聲的特性，而且發(fā)射功率極低，頻譜極寬。圖5是接收機所接收的信號，不難發(fā)現(xiàn)在接收的信號當中，由于有諧波分量的存在，表現(xiàn)出完整的包絡(luò)特性，這個經(jīng)過檢波后輸出的包絡(luò)仍然是一個不完整的脈沖波形，只是其中包含所需要的10.7 MHz基波和大量的諧波,并且觀測到頻率為10.7 MHz的點幅度最大,即這一點能量最高,而系統(tǒng)所要的就是10.7 MHz的計時脈沖。改進AGC的設(shè)計思想就是把這個10.7 MHz的基波分量提取出來，成為一個10.7 MHz的正弦波，作為可調(diào)增益控制放大器(VGA)的輸入信號，這樣即使是脈沖超寬帶信號也可以用連續(xù)自動增益控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。
2.3 元件選取與測試
選用了Analog公司的芯片AD8368作為主要AGC控制芯片來實現(xiàn)大范圍的超寬帶接收機AGC控制，它是一個兼有VGA和AGC功能的高集成度中頻放大器[8]。AD8368通過增益控制接口可分別在增益上升和增益下降兩種模式中工作。在增益上升模式（MODE接高電平）時，增益隨著增益控制電壓的升高而增大；而在增益下降模式（MODE接低電平，通常接地）時，增益減小。但不管在哪種模式，它在-12 dB~+22 dB增益范圍內(nèi)都可以按照37.5 dB/V精確調(diào)整，且一致性誤差極小，增益電壓范圍從100 mV~900 mV，由于單片AGC內(nèi)部集成VGA和精確平方律檢波器，因此可以方便地構(gòu)成單片AGC環(huán)路。
AD8368芯片MODE置于上拉和下拉電平時的增益控制方程如下：
GaubHIGH(dB)=37.5×VGAIN-14, GainLOW(dB)=-38×VGAIN+24.8
圖6為AD8368的增益控制圖。當增益電壓VGAIN在0.5 V左右時，增益大約是5 dB，處于增益上升和增益下降兩種模式線性區(qū)域的交點,因此將增益電壓調(diào)至該點附近。
圖7是AD8368的輸入輸出信號功率關(guān)系圖。當輸入信號在-20 dBm~14 dBm(63 mV~3.16 V)之間時，AD8368的輸出可以穩(wěn)定在0d Bm(633 mV)附近。經(jīng)過實際測定，AGC保證輸出穩(wěn)定的范圍大致在624 mV(±3 mV)。這說明AD8368滿足了穩(wěn)定幅度的要求。
2.4 電路設(shè)計
圍繞AD8368設(shè)計的整個AGC環(huán)路框圖如圖8所示。
圖8中接收信號通過低噪聲放大器后進入AD8368，對其輸出的穩(wěn)定信號進行包絡(luò)檢波，然后將包絡(luò)中的10.7 MHz的分量濾出，但此信號非常弱，作為反饋輸入AD8368太小，因此使用運算放大器將其放大，再送回AD8368。
3 帶改進AGC的IR-UWB接收機電路設(shè)計
將改進AGC加入到整個定位接收機中，得到帶改進AGC的IR-UWB接收機整體結(jié)構(gòu)圖,如圖9所示。
4 測試與實現(xiàn)
4.1 AGC測試數(shù)據(jù)
在5 m×5 m的房間內(nèi)移動發(fā)射機,分別在1 m、2 m、3 m、4.5 m 4個距離上測定了AGC環(huán)路的各點波形與參數(shù)。特別還測試了系統(tǒng)在增強的多徑影響下的性能。記錄AD8368的測試結(jié)果如表1所示。
分析上述結(jié)果，發(fā)現(xiàn)輸出信號基本穩(wěn)定在600 mV附近,考慮到脈沖信號的特性與各種干擾的存在，與2.3節(jié)中測試的輸出624 mV相比較，此結(jié)果在合理范圍內(nèi)，并且證明了VGA工作是正常的。
4.2 AGC環(huán)路各點波形分析
AGC環(huán)路中的脈沖包絡(luò)檢波器也是一個重要組成部分。在設(shè)計中，采用了非理想積分器實現(xiàn)檢波功能，通過設(shè)置積分器的基極偏置進行積分，進而提取包絡(luò)。在調(diào)試過程中，當沒有脈沖信號到來時，三極管截止；當脈沖到來時，三極管在正半周期內(nèi)導(dǎo)通，集電極電流對集電極電容充電，在示波器上觀察包絡(luò)就是第一個向下的尖峰前沿；脈沖結(jié)束后，三極管又截止，然后集電極電容通過與集電極電阻組成的回路開始放電，示波器上顯示為尖峰的后沿。由于接收到的信號是一個脈沖簇，有大量的多徑噪聲，因此得到的包絡(luò)不是一個單獨脈沖。另外每個脈沖的寬度非常窄，還不到1 ns，因此放電速度非?？臁６诘谝粋€脈沖進行充電時，由于電壓很高，三極管會進入飽和狀態(tài)，這樣在放電時就不會直接變?yōu)榻刂?，而要有一個退出飽和的過程，隨后才進入截止狀態(tài)。因此，得到的包絡(luò)也不是一個從第一個脈沖前沿直接平滑下去類似三角波的包絡(luò)，而是出現(xiàn)兩個峰之后才平滑下去。又因為有前段AD8368的存在，包絡(luò)檢波的輸出在各距離上變化很小，并且抖動非常小，達到了加入VGA模塊的要求。
AGC環(huán)路中的BPF選用村田公司的10.7 MHz陶瓷濾波器，Q值很高。再經(jīng)過AD9632放大電路，輸出的波形為10.7 MHz的正弦波，用來反饋輸入到AD8368，其幅值按照設(shè)定的阻值應(yīng)為320 mV。實測得結(jié)果在324 mV左右。
綜上所述，整個AGC環(huán)路工作正常，包絡(luò)輸出得到有效控制，從而實現(xiàn)了穩(wěn)定和改善定位精度的目的。
4.3 接收機測試數(shù)據(jù)
在證明了上述AGC環(huán)路正常工作之后，對整個接收機系統(tǒng)進行了測試，來檢驗加入了改進的AGC模塊后接收機的工作情況。表2列出了定位標簽的實際坐標，接收機測量的標簽坐標，以及通過計算得出的二者之間誤差的情況。
從表2可以看出，定位系統(tǒng)的誤差在10 cm~20 cm附近，如果增加接收機的數(shù)量，采用統(tǒng)計方法得到的精度會更高。所以此接收機方案能夠?qū)崿F(xiàn)精度較高的室內(nèi)定位。
利用鎖相環(huán)作為跟蹤電路，來處理IR-UWB接收信號的前沿，實時跟蹤相位變化得到時間信息，把時間信息再轉(zhuǎn)化為到達時間差，這些過程硬件也已實現(xiàn)。不過唯一的不足是，它仍然沒有解決接收機受多徑等外界因素影響下的接收機信號幅值變化問題，影響了定位精度。為了解決這一問題，設(shè)計了改進的自動增益控制(AGC)電路，使得在IR-UWB定位接收機系統(tǒng)中能夠?qū)崿F(xiàn)AGC的控制，從而減少抖動、提高定位精度。結(jié)果證明，本文的設(shè)計達到了最終的目的。
參考文獻
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