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  什么是超宽带雷达(UWB)

  20世纪60年代超宽带(Ultra-Wide Band，UWB)的构想首次在“time-domain electromagnetics”中被提出，采用一种无载波的窄脉冲信号进行通信。由于其具有较好的安全性，高传输速率以及高距离分辨率，使其在军事及雷达等领域有着重要的应用价值。

  2002年美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission，FCC)正式批准超宽带民用，规定超宽带的工作频率为3.1~10.6 GHz，发射带宽大于500 MHz，但为了防止超宽带与其他通信带宽产生干扰，对发射机发射功率进行了限制，即有效全向辐射功率小于–41.2 dBm/MHz。因此超宽带技术的高速传输速率是以非常宽的带宽为代价，同时超宽带脉冲雷达技术是发射机发射持续时间极短的脉冲信号，而收发机的重频周期较长，因此单位时间内消耗的功耗极低，适合今后低功耗的应用场景要求。

  UWB系统在军事雷达领域应用之外，在生物探测、室内定位等商业应用场景的得到重要的应用。图1展示的是UWB系统的优势和应用场景。

  图1 UWB系统的优势与应用场景

  UWB雷达芯片中的关键技术

  UWB雷达芯片关键技术主要包括了信号产生技术、超宽带功率放大器、超宽带低噪声放大器、高速量化技术等。作者团队对上述关键技术做了主要综述和优缺点对比。

  UWB系统信号产生技术

  由于高斯脉冲可以通过调节函数参数，从而使得信号的带宽与峰值频率可以通过简单的设置而发生改变，在满足FCC条件下高斯脉冲的发射功率与性能更适合超宽带系统的应用，高斯脉冲信号具有更简单、对信道衰落不敏感等特点，所以常用于UWB发射系统中。目前高斯脉冲产生电路包括如下结构：通过电荷泵对无源滤波网络充放电实现脉冲的产生，并通过控制时钟脉冲宽度以及电流实现对脉冲信号可配置，电路结构如图2所示。

  图2 (a)脉冲产生的单元电路;(b)节点输出波形

  或者，采用直接射频合成技术，采用对buffer尾电流编程，并通过对发射脉冲控制序列进行伪随机编码，提高输出脉冲的平滑度，并且通过控制PLL输出频率从而调整高斯脉冲的中心频率，综上实现一种更加平滑的可编程频移高斯脉冲波形，电路结构如图3所示。

  图3 直接射频合成高斯脉冲的实现电路

  或者，通过电压控制改变延迟时间，继而通过组合逻辑和脉冲组合器产生发射需要的脉冲信号，电路结构如下图4所示。

  图4 数字脉冲产生电路

  调制方式

  在目前的IR-UWB系统中，常见的调制方式有开关键控(OOK)、脉冲幅度调制(Pulse Amplitude Modulation，PAM)、脉冲位置调制(PPM)、相位键控(Binary Phase Shift Keying，BPSK)等调制方式。随着通信系统对数据速率以及小型化低功耗性能的需求越来越高，开关键控OOK通常具有更高的调制数据速率，但是不可避免的会消耗太多功耗，脉冲位置调制PPM因为可以实现一个重频周期发送多bit数据，大大提高通信的数据率，并且可以采用全数字化设计方案，进一步减小芯片的面积与功耗，随着研究的不断深入，PPM将会在调制方式中展现出数字化的优势。

  超宽带功率放大器

  UWB发射机带宽较宽，所以对功率放大器的带宽要求也较高，甚至有的需要覆盖3.1～10 GHz。而功率放大器的带宽越宽越难保证效率和功率的性能。所以有些发射机的输出不经过专门的功率放大器，通过普通buffer进行输出。因为在功率放大器的应用中，输入信号幅度不是固定的，在单一类型的功率放大器中，不同的输入幅度对应的效率可能会相差很大，所以功率放大器往往对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对应的输入功率处仍然有较好的输出效率。所以，在一些对效率要求更高的应用中，例如IOT等，在一些低功耗的收发机应用中，往往应用更高效率的功率放大器。图5展示的是一种数字Doherty功率放大器，其利用多路数字功率合成技术，在输出中将16路功率放大器分成两部分，组合成Doherty功率放大器，达到了29.5%的效率和24.4 dBm的输出功率。

  图5 数字Doherty功率放大器

  UWB接收机系统架构

  在UWB系统中，根据信号类型以及采样方式不同提出不同的系统结构。发射机(TX)结构常由信号产生模块、功率放大器模块、以及天线3部分构成。接收机则由于信号类型、量化方式不同，学者们提出众多结构。其中较为常见结构有超外差结构，零中频结构，直接射频采样结构、基于时间扩展采样结构、基于等效时间采样结构、STsampling、能量检测等。

  超外差结构：接收机中包括低噪声放大器(LowNoise Amplifier,LNA)、混频器(Mixer)、滤波器、模数转换器(ADC)等模块。该结构首先将通过LNA放大后的射频信号下混频之后，通过低通滤波器将倍频信号滤除，从而得到较低频率的中频信号，由此可以降低对ADC带宽的要求。

  时间扩展：在常见的IR-radar系统中，发射的射频信号具有窄脉冲的特点，在信号的周期内存在大量死区时间，针对发射信号的该特点，有学者提出时间扩展采样结构，原理图如下图6所示。首先通过高速的采样单元对脉冲进行采样，得到的信号脉宽是Δds，然后通过时间扩展放大器将采样得到的信号的脉宽放大GDTE倍得到脉宽为Δde的低速信号，从而降低对后级数字量化模数转换器(ADC)的速度与性能要求。

  图6 时间扩展采样原理

  等效时间采样：与时间扩展采样方法一样，利用脉冲信号死区时间较长且被探测目标移动速度较小时，接收到的脉冲信号在一定时间内可以认为几乎不变。等效时间采样原理图如图7所示。假设重频周期为10 ns，然后利用一个周期为5 ns的时钟对信号采样可得到两个采样点每个周期。然后引入5个不同相位相同周期的时钟分别对信号采样，经过合成可以得到10个采样点数每个信号周期，即实现了10倍于信号的等效采样率。

  图7 等效时间采样原理

  扫描阈值采样结构(Swept threshold sampling)：与等效时间采样同理，利用重频周期一定时间内近似认为不变，有学者提出一种扫描阈值采样(Swept threshold sampling)，原理图如图8所示。由比较器，计数器，以及阈值产生模块等构成。通过扫描VT 从0.1～0.9扫描，步长0.1 V，则在VT 大于幅度时，采样得到1。VT 小于幅度时，采样得到0。如图所示，若幅度为0.65 V，则在9次扫描采样结果中前6次为1，后3次为0，最终通过计数器将扫描周期的1做累加得到6，则可以得到6/9的量化值。其他幅度同理可得。

  图8 Swept threshold sampling 原理

  能量检测结构：对于非相干能量检测结构一般如图9所示。接收机包含低噪声放大器(LNA)、平方器(squarer)、积分器、模数转换器(ADC)、以及数字部分等模块。通过Squarer之后得到信号包络，然后调整积分窗口的时间位置，最终通过ADC量化积分结果，通过数字模块恢复脉冲信号，同时可以实现PPM等调制方式的解调。

  图9 能量检测原理

  超外差的电路架构能够实现直接降频并且结构简单，从而降低后续模数转换器的压力，但是由于需要混频器等模块，对信号质量以及整体线性度都将造成损失。时间扩展技术需要高速的采样电路对信号进行先采样，然后通过时间扩展放大器扩展采样信号脉宽，这种结构对采样电路要求较高，而且时间扩展放大器会存在相应系统误差与随机误差，影响采样精度。

  等效时间采样通过利用多相位时钟采样，然后经过合成可以实现多倍于采样时钟的采样率，从而设计出高速的模数转换器，能够应用于直接射频采样系统，该种结构简化了RF信号链，降低了每个通道的成本以及通道密度。扫描阈值采样结构只需要1个1位量化器，简化了设计,并增加了系统的固有线性度。能量检测方式可以降低比较器的精度要求，并且拥有更好的稳定度。通过对上述接收机系统架构性能对比，等效采样结构因其独特的优势，未来将会被更多的应用于UWB接收机系统中。

  超宽带低噪声放大器

  UWBLNA 作为UWB接收机中的第1级，将决定整个接收机链路的性能。所以UWBLNA在UWB系统中尤其重要。在UWB系统中天线常为单端输入信号，但是在后级电路中差分电路具有更好的偶次谐波抑制和共模抑制的能力，输入端采用片上变压器(balun)实现输入匹配，实现将单端信号转换成差分信号。自适应偏置ADB(ADaptive Biased)电路，实现一种自适应增益的低噪声放大器，以提高UWB接收机的动态范围，自适应增益低噪声放大器电路图如图10所示。

  图10 自适应增益低噪声放大器

  但是由于片上变压器面积较大，采用有源的balun结构，实现单端到差分的转换，进一步节省面积。如下图11所示，通过第2级两级共源放大器输出，产生两个相反相位的信号，实现单端到差分的转换。

  图11 带有源balun的两级LNA结构

  上述结构由于VON增加一级共源放大，将会存在相位延迟，所以输出的差分信号存在相位与增益的误差，且受PVT影响较大。通过组合共栅(CG)与共源放大(CS)，能够减小输出差分信号的增益与相位误差，电路结构如图12所示。

  图12 改进型的有源balun结构

  超宽带低噪声放大器作为UWB接收机系统中第一级，放大从天线上接收到的微弱信号，并且压低整个系统的噪声系数，具有十分重要的作用，低噪声放大器通过添加反馈模块实现增益自适应功能，通过可重构功能从而提升系统的动态范围。通过与有源balun级联，可以实现系统单端转差分的功能，差分信号能够提高系统共模抑制比与抗干扰特性。多功能一体化的超宽带低噪声放大器将会不断地被研究。

  UWB雷达发展趋势

  UWB雷达是目前发展最为快速的一种新体制雷达，因为其系统工作在较宽的频率带宽，具有较高的数据传输速率、较高分辨率、穿透性强的特点，使得UWB雷达在定位、探测、通信、生物医疗等领域广泛的应用，随着硅基工艺的不断发展，截至频率的不断提升，UWB雷达芯片已经可以采用成本较低的CMOS工艺进行全集成设计。UWB技术通过将功率分配在很宽的频带内，使得每一个频点的功率都很小，这样将会避免与其他无线协议产生干扰，随着频谱资源越来越珍贵，在未来UWB方案将会较多应用于主流电子产品。

  UWB技术因为其高带宽的优势，决定了UWB雷达将拥有更高的定位精度，因为UWB雷达使用的原理类似飞行时间(Time Of Flight,TOF)，通过发射端发送一个信号，信号在碰到障碍物后反弹回接收端，通过计算发射与接受信号的时间差乘以光速即可得到信号传输的距离。通过多个发射端进行定位扫描，即可得到物体的几何位置信息，相比于传统的蓝牙定位等技术的米级别定位误差，UWB雷达技术可以实现厘米级别的定位精度，这使得UWB雷达将会具有更大的应用市场，并且由于UWB技术需要现场设备直接采集计算，很难被第三方突破信息保障壁垒，因此具有较高的安全性。目前UWB雷达应用最为广泛的两个领域一类是面向医疗行业，主要包括高精度医疗监测以及医疗检测，另一类主要是面向军事巷战、反恐、灾难搜救等高精度定位军事应用。

  非接触式UWB生命监测雷达是目前专门应用于医疗监测的雷达，不同于传统的电极和传感器接触的检测形式，它可以实现较远距离长时间无接触式检测患者的呼吸和心跳信号，可以在不影响患者正常休息的情况下，实现对患者的呼吸和心跳等生命体征信号进行实时检测，并将检测数据与设定数据进行对比，及时反馈给医护人员，相比于传统的呼吸和心电记录仪，非接触的方式具有更加轻松和舒适的特点，能够更好辅助医护人员进行相应的治疗。目前我国人口平均寿命持续增长，人口老龄化趋势明显。随着UWB生命检测雷达朝着更小更精准的方向不断优化，未来将会成为家中较为常见的生物医疗器械。

  当前国际国内反恐形势都相当严重，这给便携式UWB穿墙雷达提出了迫切的需求，同时提供了巨大的市场。针对可穿戴式UWB穿墙透视雷达进行研究，应用层面主要包含建筑物内部布局与成像，同时包含探测、鉴别分类跟踪人和运动目标的行踪，能够实现对建筑物或障碍物后面目标的探测、定位、成像和追踪，在军事装备、城市安全、火灾及地震等自然灾害搜救、快速反应人员以及反恐方面有着广泛的应用前景和价值。

  基于脉冲信号的UWB系统具有传输速率高、功耗低、检测精度高、穿透力强、安全性高等优点。而基于CMOS实现UWB芯片可以实现UWB系统的进一步微型化、低功耗。UWB雷达芯片的核心技术主要包括信号生成技术、超宽带功率放大器、超宽带低噪声放大器、高速量化技术等。本文对上述核心技术的优缺点进行了主要总结和比较。在过去的几年里，UWB系统由于其安全性和高精度的优点，主要用于军事、雷达、生物检测等领域。近年来，随着5g和物联网的快速发展和崛起，基于UWB系统的短距离通信和室内/室外定位得到了快速发展。超宽带的主要优点是功耗低、对信道衰落(如多径、非视距等信道)不敏感、抗干扰性强、透过性强、定位精度高。可用于汽车钥匙、仓储管理、员工管理、扫地机器人、手机定位等汽车、移动终端、消费设备交叉领域，实现万物互联。