摘   要： 給出一種帶自動(dòng)增益控制(AGC)環(huán)路的IR-UWB無(wú)線定位系統(tǒng)非相干接收機(jī)。為了使各個(gè)接收機(jī)不因多徑效應(yīng)或發(fā)射機(jī)距離遠(yuǎn)近的改變而引起幅度變化，在接收機(jī)中引入AGC模塊，通過(guò)對(duì)連續(xù)工作方式下的AGC進(jìn)行改進(jìn)，使之能夠工作在非連續(xù)的IR-UWB脈沖方式下，并通過(guò)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)證明了這種改進(jìn)的AGC環(huán)路工作穩(wěn)定，接收機(jī)用于室內(nèi)定位系統(tǒng)，能夠達(dá)到保持幅度平穩(wěn)、減少抖動(dòng)、提高定位精度的要求。
關(guān)鍵詞：AGC； IR-UWB； 無(wú)線定位接收機(jī)

    脈沖超寬帶(IR-UWB)信號(hào)具有衰減小、穿透性強(qiáng)、定位精度高、多徑分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效改善室內(nèi)定位的效果。近年來(lái)，IR-UWB定位技術(shù)既克服了GPS信號(hào)強(qiáng)度不足以穿透建筑物的缺點(diǎn)，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(diǎn)[1]。
    IR-UWB信號(hào)采用基帶窄脈沖作為信息的載體，常用的脈沖信號(hào)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(hào)進(jìn)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(hào)，對(duì)定時(shí)恢復(fù)精度要求低，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單[2]。本文在非相干接收機(jī)系統(tǒng)中加入了脈沖AGC模塊，目的是用來(lái)保證各個(gè)接收機(jī)不會(huì)受多徑效應(yīng)或者發(fā)射機(jī)距離遠(yuǎn)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(dòng)，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(duì)連續(xù)工作方式下的AGC進(jìn)行了改進(jìn)，從而設(shè)計(jì)出了帶改進(jìn)AGC的IR-UWB無(wú)線定位接收機(jī)系統(tǒng)。通過(guò)硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，表明了這種無(wú)線定位接收機(jī)系統(tǒng)工作穩(wěn)定，精度較高，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，是一種較為理想的無(wú)線接收機(jī)模型。
1 接收機(jī)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(jì)的接收機(jī)采用TDOA方式。TDOA方式是通過(guò)數(shù)臺(tái)彼此相鄰的接收機(jī)接收來(lái)自標(biāo)簽發(fā)送的信號(hào)，計(jì)算到達(dá)時(shí)間，再計(jì)算各個(gè)接收機(jī)的到達(dá)時(shí)間差，最后通過(guò)雙曲線定位算法來(lái)確定標(biāo)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(biāo)簽Tag(發(fā)射機(jī))、定位接收機(jī)(BS1、BS2、BS3)、時(shí)間差計(jì)數(shù)器Counter和后端服務(wù)器組成，每個(gè)接收機(jī)坐標(biāo)已知。定位過(guò)程為:取BS1為主接收機(jī)，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(dòng)，不斷發(fā)出頻率10.7 MHz的超寬帶脈沖，3個(gè)接收機(jī)分別從接收到的信號(hào)中提取的信號(hào)到達(dá)時(shí)間，送入時(shí)差計(jì)數(shù)器。設(shè)定BS1最先接收到的信號(hào)，然后計(jì)數(shù)器記錄下后續(xù)到來(lái)的BS2和BS3與BS1的到達(dá)時(shí)間差，再送入后端處理器中，通過(guò)定位算法得出標(biāo)簽Tag的具體坐標(biāo)值。

    參考文獻(xiàn)[5]中設(shè)計(jì)的接收機(jī)是最初的設(shè)計(jì)，此時(shí)并未包括AGC模塊，其組成框圖如圖3所示。

    測(cè)試中采用的脈沖發(fā)射機(jī)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(hào)。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(shí)有明顯的抖動(dòng)，按照電磁波傳播速度，信號(hào)每抖動(dòng)1 ns的寬度，定位時(shí)就產(chǎn)生30 cm的誤差。而導(dǎo)致這種抖動(dòng)的原因是發(fā)射機(jī)的不斷移動(dòng)和室內(nèi)傳播的多徑效應(yīng)。
    本文對(duì)上述系統(tǒng)模型進(jìn)行了改進(jìn)，加入了改進(jìn)的脈沖AGC模塊，如圖4所示。這種設(shè)計(jì)的目的是用來(lái)保證各個(gè)接收機(jī)不會(huì)因?yàn)槎鄰叫?yīng)或者發(fā)射機(jī)距離的改變引起幅度變化，保持幅度平穩(wěn)，從而減少抖動(dòng)，避免影響到后續(xù)電路。      

2 改進(jìn)AGC的設(shè)計(jì)
2.1 AGC簡(jiǎn)介
    自動(dòng)增益控制（AGC）系統(tǒng)是一個(gè)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(dá)接收機(jī)中幾乎都不可避免地被采用，并且對(duì)于這些接收機(jī)的性能有著重要影響[6]。其作用是：當(dāng)輸入信號(hào)很弱時(shí)，接收機(jī)的增益大；當(dāng)輸入信號(hào)很強(qiáng)時(shí)，自動(dòng)增益控制電路進(jìn)行控制，使接收機(jī)的增益減小。這樣，當(dāng)接收信號(hào)強(qiáng)度變化時(shí)，接收機(jī)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(jī)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(duì)于IR-UWB信號(hào)，它發(fā)射的是二階高斯脈沖信號(hào)，而接收機(jī)接收的實(shí)際上是三階高斯脈沖信號(hào)，即整個(gè)定位系統(tǒng)工作的信號(hào)是高斯脈沖信號(hào)，如果將通常的AGC系統(tǒng)直接應(yīng)用于脈沖信號(hào)接收，效果不是很理想，同時(shí)對(duì)器件也提出很高的要求。因此首先對(duì)AGC做了一定的改進(jìn)。
2.2 IR-UWB接收機(jī)AGC的設(shè)計(jì)思想
    對(duì)于超寬帶通信系統(tǒng)，接收機(jī)檢測(cè)技術(shù)和在距離發(fā)生變化時(shí)如何控制增益是其中的難點(diǎn)和重點(diǎn)[7]。超寬帶信號(hào)在時(shí)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(jī)所接收的信號(hào)，不難發(fā)現(xiàn)在接收的信號(hào)當(dāng)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(gè)經(jīng)過(guò)檢波后輸出的包絡(luò)仍然是一個(gè)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(cè)到頻率為10.7 MHz的點(diǎn)幅度最大,即這一點(diǎn)能量最高,而系統(tǒng)所要的就是10.7 MHz的計(jì)時(shí)脈沖。改進(jìn)AGC的設(shè)計(jì)思想就是把這個(gè)10.7 MHz的基波分量提取出來(lái)，成為一個(gè)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(hào)，這樣即使是脈沖超寬帶信號(hào)也可以用連續(xù)自動(dòng)增益控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.3 元件選取與測(cè)試
    選用了Analog公司的芯片AD8368作為主要AGC控制芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)大范圍的超寬帶接收機(jī)AGC控制，它是一個(gè)兼有VGA和AGC功能的高集成度中頻放大器[8]。AD8368通過(guò)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(shí)，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(shí)，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(shí)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(dāng)增益電壓VGAIN在0.5 V左右時(shí)，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(diǎn),因此將增益電壓調(diào)至該點(diǎn)附近。

    圖7是AD8368的輸入輸出信號(hào)功率關(guān)系圖。當(dāng)輸入信號(hào)在-20 dBm~14 dBm(63 mV~3.16 V)之間時(shí)，AD8368的輸出可以穩(wěn)定在0d Bm(633 mV)附近。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)定，AGC保證輸出穩(wěn)定的范圍大致在624 mV(±3 mV)。這說(shuō)明AD8368滿足了穩(wěn)定幅度的要求。

2.4 電路設(shè)計(jì)
    圍繞AD8368設(shè)計(jì)的整個(gè)AGC環(huán)路框圖如圖8所示。
    圖8中接收信號(hào)通過(guò)低噪聲放大器后進(jìn)入AD8368，對(duì)其輸出的穩(wěn)定信號(hào)進(jìn)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(hào)非常弱，作為反饋輸入AD8368太小，因此使用運(yùn)算放大器將其放大，再送回AD8368。
3 帶改進(jìn)AGC的IR-UWB接收機(jī)電路設(shè)計(jì)
    將改進(jìn)AGC加入到整個(gè)定位接收機(jī)中，得到帶改進(jìn)AGC的IR-UWB接收機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖,如圖9所示。      
4 測(cè)試與實(shí)現(xiàn)
4.1 AGC測(cè)試數(shù)據(jù)
    在5 m×5 m的房間內(nèi)移動(dòng)發(fā)射機(jī),分別在1 m、2 m、3 m、4.5 m 4個(gè)距離上測(cè)定了AGC環(huán)路的各點(diǎn)波形與參數(shù)。特別還測(cè)試了系統(tǒng)在增強(qiáng)的多徑影響下的性能。記錄AD8368的測(cè)試結(jié)果如表1所示。

    分析上述結(jié)果，發(fā)現(xiàn)輸出信號(hào)基本穩(wěn)定在600 mV附近,考慮到脈沖信號(hào)的特性與各種干擾的存在，與2.3節(jié)中測(cè)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(diǎn)波形分析
    AGC環(huán)路中的脈沖包絡(luò)檢波器也是一個(gè)重要組成部分。在設(shè)計(jì)中，采用了非理想積分器實(shí)現(xiàn)檢波功能，通過(guò)設(shè)置積分器的基極偏置進(jìn)行積分，進(jìn)而提取包絡(luò)。在調(diào)試過(guò)程中，當(dāng)沒(méi)有脈沖信號(hào)到來(lái)時(shí)，三極管截止；當(dāng)脈沖到來(lái)時(shí)，三極管在正半周期內(nèi)導(dǎo)通，集電極電流對(duì)集電極電容充電，在示波器上觀察包絡(luò)就是第一個(gè)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(guò)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(hào)是一個(gè)脈沖簇，有大量的多徑噪聲，因此得到的包絡(luò)不是一個(gè)單獨(dú)脈沖。另外每個(gè)脈沖的寬度非常窄，還不到1 ns，因此放電速度非常快。而在第一個(gè)脈沖進(jìn)行充電時(shí)，由于電壓很高，三極管會(huì)進(jìn)入飽和狀態(tài)，這樣在放電時(shí)就不會(huì)直接變?yōu)榻刂梗幸粋€(gè)退出飽和的過(guò)程，隨后才進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。因此，得到的包絡(luò)也不是一個(gè)從第一個(gè)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(gè)峰之后才平滑下去。又因?yàn)橛星岸蜛D8368的存在，包絡(luò)檢波的輸出在各距離上變化很小，并且抖動(dòng)非常小，達(dá)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(guò)AD9632放大電路，輸出的波形為10.7 MHz的正弦波，用來(lái)反饋輸入到AD8368，其幅值按照設(shè)定的阻值應(yīng)為320 mV。實(shí)測(cè)得結(jié)果在324 mV左右。
    綜上所述，整個(gè)AGC環(huán)路工作正常，包絡(luò)輸出得到有效控制，從而實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定和改善定位精度的目的。
4.3 接收機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)
    在證明了上述AGC環(huán)路正常工作之后，對(duì)整個(gè)接收機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，來(lái)檢驗(yàn)加入了改進(jìn)的AGC模塊后接收機(jī)的工作情況。表2列出了定位標(biāo)簽的實(shí)際坐標(biāo)，接收機(jī)測(cè)量的標(biāo)簽坐標(biāo)，以及通過(guò)計(jì)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(jī)的數(shù)量，采用統(tǒng)計(jì)方法得到的精度會(huì)更高。所以此接收機(jī)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(lái)處理IR-UWB接收信號(hào)的前沿，實(shí)時(shí)跟蹤相位變化得到時(shí)間信息，把時(shí)間信息再轉(zhuǎn)化為到達(dá)時(shí)間差，這些過(guò)程硬件也已實(shí)現(xiàn)。不過(guò)唯一的不足是，它仍然沒(méi)有解決接收機(jī)受多徑等外界因素影響下的接收機(jī)信號(hào)幅值變化問(wèn)題，影響了定位精度。為了解決這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了改進(jìn)的自動(dòng)增益控制(AGC)電路，使得在IR-UWB定位接收機(jī)系統(tǒng)中能夠?qū)崿F(xiàn)AGC的控制，從而減少抖動(dòng)、提高定位精度。結(jié)果證明，本文的設(shè)計(jì)達(dá)到了最終的目的。
參考文獻(xiàn)
[1] 肖竹，黑永強(qiáng)，于全，等.脈沖超寬帶定位技術(shù)綜述[J]. 中國(guó)科學(xué)F輯:信息科學(xué), 2009,39(10):1112-1124.
[2] WEISENHOM M, HIRT W. Robust noncoherent receiver  exploiting UWB channel properties. 0-7803-8373-7/04.2004.IEEE.
[3] 吳紹華，張乃通.室內(nèi)信道環(huán)境下UWB精確測(cè)距研究[J].通信學(xué)報(bào),2007,28(7):65-71.
[4] 吳紹華，張欽宇，張乃通.新穎的基于門限比較的脈沖超寬帶TOA估計(jì)算法[J].通信學(xué)報(bào),2008,29(7):7-13.
[5] 廖丁毅，王玫，鄭霖，等.基于脈沖鎖相環(huán)的超寬帶定位接收機(jī)設(shè)計(jì)[J].桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2010.2,30(1):17-20.
[6] BARRAS D, JAECKEL, HIRT W. A wideband 0 to 60 dB CMOS variable gain amplifier for IR-UWB I1Q Receivers. 978-1-4244-4353-6/09.2009. IEEE.
[7] 萬(wàn)中波.新型超寬帶定位接收機(jī)研究[D].桂林電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文,2010.
[8] “800 MHz, Linear-in-dB VGA with AGC Detector-AD8368”. 2006-2008 Analog Devices, Inc.