【正文】 術(shù)”作 為無(wú)線通信共性技術(shù)與創(chuàng)新技術(shù)的研究?jī)?nèi)容，鼓勵(lì)國(guó)內(nèi)學(xué)者加強(qiáng)這方面的研究工作 [9]。 20xx 年我國(guó)將 UWB無(wú)線電接入理論與關(guān)鍵技術(shù)列入國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目，加大研究力度且力求在該領(lǐng)域取得理論和關(guān)鍵技術(shù)的突破，構(gòu)建 UWB 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)演示系統(tǒng)，為新一代高速移動(dòng) PAN 的構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)通信行業(yè)也對(duì) UWB 無(wú)線通信技術(shù)給予了極大的投入與關(guān)注。中國(guó)超寬帶聯(lián)盟還積極參與國(guó)際行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。20xx 年 9 月，“中國(guó)超寬帶無(wú)線技術(shù)論壇”在北京成立。海爾科技有限公司、創(chuàng)維集團(tuán)、海信集團(tuán)有限公司、中興通訊股份有 限公司等國(guó)內(nèi)著名企業(yè)也對(duì) UWB 產(chǎn)生了濃厚的興趣，并與國(guó)際企業(yè)合作積極參與 UWB 技術(shù)的研發(fā)和商品化推廣。 5 超寬帶收發(fā)機(jī)概述 無(wú)線通信利用大氣空間作為傳輸介質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)信息傳輸。信息的傳輸是通過(guò)天線來(lái)輻射和接收的，而只有當(dāng)天線的長(zhǎng)度與頻率波長(zhǎng)相比擬時(shí)，才能形成比較有效率的輻射和接收。高頻信號(hào)在大氣傳輸中不易衰減，為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無(wú)線通信，很有必要將頻率變換到高頻進(jìn)行傳輸。在無(wú)線通信收發(fā)機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，比較常用的結(jié)構(gòu)有超外差式（ superheterodyne）、直接變頻（ DirectConversion） 或者是零中頻（ ZeroIF）、低中頻（ LowIF）和數(shù)字中頻（ DigitalIF）等。超外差式接收機(jī)盡管有比較好的接收性能，但需要片外濾波器以抑制鏡像頻率，增加了設(shè)備復(fù)雜性以及成本。零中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)中，本振頻率等于載波頻率，可直接將輸入信號(hào)變換為射頻信號(hào)。與超外差式結(jié)構(gòu)相比較，零中頻發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：第一，只需要通過(guò)一次頻率變換，不需要片外的分立濾波器；第二，由于載波頻率和本振頻率相等，因此不存在鏡像頻率，比較適合于超寬帶低成本低功耗系統(tǒng)的應(yīng)用。低中頻收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)性能和特點(diǎn)介于超外差式和零中頻之間 。數(shù)字中頻結(jié)構(gòu)與上述結(jié)構(gòu)不同，輸出中頻信號(hào)直接由高速、高分辨率、低噪聲性能的模數(shù)變換器（ AnalogtoDigital Converter, ADC）采樣，采樣后由數(shù)字混頻器進(jìn)行 I/Q 解調(diào)、抽取、濾波，送往基帶處理部分 [4]。數(shù)字中頻結(jié)構(gòu)能有效的減少收發(fā)機(jī)中的模擬器件，有效避免 I/Q 信號(hào)的幅度不平衡、相位不平衡，具有簡(jiǎn)化收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)，易于集成等優(yōu)點(diǎn)。 P A數(shù) 據(jù)上 混 頻 器天 線L N A數(shù) 據(jù)下 混 頻 器超 寬 帶 發(fā) 射 機(jī)超 寬 帶 接 收 機(jī)基 帶 處 理基 帶 處 理D A CD S PD A CD S P頻 率 合 成 器 圖 超寬帶收發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu) 無(wú)線通信系統(tǒng)中，發(fā)射和接收是可逆的過(guò)程。由于來(lái)自基帶處理部分的信號(hào)能 量較強(qiáng)，降低了后續(xù)電路對(duì)噪聲以及系統(tǒng)靈敏度的要求，所以發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)接收機(jī)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。但發(fā)射機(jī)卻是無(wú)線通信系統(tǒng)中功耗最大的，因?yàn)楸仨毎研盘?hào)以一定的能量通過(guò)天線輻射出去。因此為了降低收發(fā)機(jī)成本和功耗，如何實(shí)現(xiàn) 6 在低電壓低功耗條件下高性能的工作顯得極為重要。超寬帶收發(fā)射機(jī)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖如圖 所示，在接收端，來(lái)自天線的微弱射頻信號(hào)通過(guò)前置濾波器選頻，由低噪聲放大器（ Low Noise Amplifier， LNA）放大，通過(guò)下混頻器將頻率變換到中頻，最后通過(guò)基帶處理電路，得到想要的數(shù)據(jù)信息。在發(fā)射端，數(shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)數(shù) 字信號(hào)處理器（ Digital Signal Processing， DSP）處理，經(jīng)由數(shù)模變換器轉(zhuǎn)換為模擬中頻信號(hào)，再經(jīng)由上混頻器與本振信號(hào)混頻，本振信號(hào)由頻率合成器產(chǎn)生，上混頻后的信號(hào)通過(guò)相應(yīng)的濾波器形成超寬帶射頻信號(hào)。射頻信號(hào)由功率放大器放大到所需要的功率值后，由天線發(fā)射出去。 本文 的組織結(jié)構(gòu) 本文 分為四章，具體安排如下： 第 1 章簡(jiǎn)要的對(duì)超寬帶技術(shù)進(jìn)行概述，闡明了超寬帶技術(shù)在應(yīng)用方面的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀。 第 2 章 給出了本文提出的超寬帶 混沌 UWB 載波 通信系統(tǒng) 的電路結(jié)構(gòu) 第 3 章 給出了本文提出的超寬帶低噪聲高線性度放大器設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)，對(duì)電路結(jié)構(gòu)和仿真結(jié)果進(jìn)行了適當(dāng)?shù)姆治觥? 第 2 章 三級(jí)級(jí)聯(lián) Colpitts 振蕩超寬帶混沌信號(hào)產(chǎn)生電路 設(shè)計(jì) 混沌理論基礎(chǔ) 迄今為止，學(xué)者們對(duì)混沌尚無(wú)一個(gè)統(tǒng)一的定義，為大多數(shù)人所接收的數(shù)學(xué)上的定義有兩個(gè)，一個(gè)是基于混沌運(yùn)動(dòng)軌跡的非周期性所作的，另一個(gè)是基于對(duì)初始條件的敏感依賴性所作的 [10]。 李天巖與約克在“周期 3 意味著混沌” [11]一文中提出了混沌的一種數(shù)學(xué)定義，即LiYorke 定義，如下： 設(shè)連續(xù)的自映射： I → I ∈ R， I 是 R中的一個(gè)子空間，如果存在不可數(shù)的集合 S ∈ I ，滿足下列條件： (1) S 不包含周期點(diǎn)； (2) 任給 ， 則有 ? ? ? ?12lim s u p 0ppp f x f x?? ?? ? ? ? ?12lim in f 0ppp f x f x?? ?? 1 2 1 2,(x x S x x?? ） 7 (3)對(duì)任意 及 f 的任意周期點(diǎn) P∈ I ，有： ? ? ? ?1lim s u p 0ppp f x f q?? ?? 則稱 f 在 S 上是混沌的。 此定義中，前兩個(gè)極限說(shuō)明自己的點(diǎn) x, x ∈ S 相當(dāng)分散又相當(dāng)集中；第三個(gè) 極限說(shuō)明子 集不會(huì)趨近于任何周期點(diǎn)。由此定義，混沌系統(tǒng)應(yīng)具有三個(gè)性質(zhì)： 一、存在可數(shù)無(wú)窮多個(gè)穩(wěn)定的周期軌道； 二、存在一個(gè)不可數(shù)集合，該集合只含有混沌軌道，且任何兩個(gè)軌道既不會(huì)遠(yuǎn)離也不會(huì)趨近，而是兩種狀態(tài)交替出現(xiàn)，同時(shí)任一軌道不趨近于任一周期軌道； 三、混沌軌道具有高度的不穩(wěn)定性。 還有一種定義是基于對(duì)初始條件的敏感依賴性而定義的 [12][13]： 設(shè) f (x)是 [1， 1]上的連續(xù)映射，如果存在集合 Y ∈ [?1,1]（ Y 具有正的勒貝格測(cè)度）和實(shí)數(shù) ε 0，使得對(duì)于每個(gè) x∈ Y 和 x的 每個(gè)領(lǐng)域 U ，存在著一個(gè) y∈ U 和 n ≥ 0使： | f (x) ? f ( y) |ε 則稱 f 具有敏感依賴性。那么給定一個(gè)集合 N 和映射 f : N → N ，如果滿足以下條件，我們稱 f 在 N 上是混沌的： (1) f 對(duì)初始條件具有敏感依賴性。 (2) f 是拓?fù)鋫鬟f的，即狀態(tài)在迭代下從一個(gè)任意小的鄰域最終可以移動(dòng)到其它任何鄰域。也就是說(shuō)，系統(tǒng)不能被分解為二個(gè)在 f 下互不影響的子系統(tǒng) (二個(gè)不變的開(kāi)子集 )。 (3)周期點(diǎn)在 N 中稠密。 這個(gè)定義明確了三件事，即混沌的不可預(yù)測(cè)性、不可分解性及存在約束不規(guī)則 運(yùn)動(dòng)的多種規(guī)則性。從而說(shuō)明混沌不是簡(jiǎn)單的無(wú)序，而是一種包含了有序的無(wú)序。所謂的不可預(yù)測(cè)性，如果初值具有一極微小的變化，在短時(shí)間內(nèi)的結(jié)果還可以預(yù)測(cè)，但通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的演化后，它的狀態(tài)根本無(wú)法預(yù)測(cè)，即差之毫厘，失之千里，這就是著名的“蝴蝶效應(yīng)“。所謂的 (3)的意思是說(shuō)混沌行為具有稠密的周期軌道，其運(yùn)動(dòng)最終要落在混沌吸引子中，使其呈現(xiàn)出多種看似混亂無(wú)序卻又具有規(guī)則的自相似圖像。混沌吸引子中的運(yùn)動(dòng)能在一定的范圍內(nèi)按其自身的規(guī)律遍歷每一條軌道，即不自我重復(fù)又不自我交叉。從事不同領(lǐng)域研究的科學(xué)家都是基于各自對(duì)混沌的理解進(jìn)行 研究并謀求各自的應(yīng)用。不管對(duì)混沌的各種定義有何區(qū)別，混沌本質(zhì)特征是相同的，綜合起來(lái)有以下幾點(diǎn)： 1xS? 8 (1)混沌具有內(nèi)在隨機(jī)性，是確定性系統(tǒng)內(nèi)部隨機(jī)性的反映，它不同于外在的隨機(jī)性，系統(tǒng)是由完全確定性的方程描述，無(wú)需附加任何隨機(jī)元素，但系統(tǒng)仍會(huì)表現(xiàn)出類似隨機(jī)性的行為。 (2)混沌具有分形的性質(zhì)，各種奇怪吸引子都具有分形結(jié)構(gòu)，有分?jǐn)?shù)維來(lái)描述其特征。 (3)混沌具有標(biāo)度不變性，它是一種無(wú)周期的有序，在由分岔導(dǎo)致混沌的過(guò)程中，遵循費(fèi)根包姆常數(shù)系，這一常數(shù)是倍周期分岔走向混沌的普適性數(shù)值特征。 (4)混沌現(xiàn)象具有對(duì)初始條件 的敏感依賴性，只要初始條件稍有差別或微小擾動(dòng)就會(huì)使系統(tǒng)的最終狀態(tài)出現(xiàn)巨大的差異。因而，混沌系統(tǒng)的長(zhǎng)期演化行為是不可預(yù)測(cè)的。 正是由于混沌的上述特征，使得混沌在通信保密安全性方面有著極佳性能?；煦缡怯纱_定性系統(tǒng)產(chǎn)生的，也就是說(shuō)混沌系統(tǒng)是確定的系統(tǒng)，是一個(gè)真實(shí)的物理系統(tǒng)；其次，混沌的表現(xiàn)是貌似隨機(jī)，而不是真正的隨機(jī)，系統(tǒng)每一時(shí)刻狀態(tài)都受到前一時(shí)刻狀態(tài)的影響，是確定出現(xiàn)的，而不是像隨機(jī)系統(tǒng)那樣隨意出現(xiàn)，混沌系統(tǒng)的狀態(tài)是可以完全重現(xiàn)的，這和隨機(jī)系統(tǒng)不同。這意味著混沌是可以通過(guò)適當(dāng)?shù)姆椒▉?lái)調(diào)控的，而且也是可觀測(cè)和可實(shí) 現(xiàn)的?；煦缫卜侵芷谶\(yùn)動(dòng)和準(zhǔn)周期運(yùn)動(dòng)，是非周期性的，但它具有良好的自相關(guān)性和寬頻帶的特點(diǎn)，類似噪聲的特點(diǎn)，基于此正好用其掩蓋所傳送的通信信息，使這些信息看起來(lái)像是寬帶的噪聲一樣，難于提取。對(duì)初始條件的極端敏感性說(shuō)明混沌信號(hào)具有長(zhǎng)期不可預(yù)測(cè)性，通信的保密性正要求這一點(diǎn)。另外，混沌也用于擴(kuò)頻通信中，也是利用混沌的寬帶類噪聲特性和它的初值敏感性，可以產(chǎn)生大量的具有良好偽隨機(jī)性的混沌擴(kuò)頻序列來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的 m 序列?？偟膩?lái)說(shuō)，混沌信號(hào)的時(shí)域隨機(jī)特性和頻域的寬帶性是適合于保密通信和擴(kuò)頻通信的。 多混沌載波超寬帶系統(tǒng) Colpitts振蕩電路是目前研究和應(yīng)用廣泛的三點(diǎn)式振蕩器，只要適當(dāng)?shù)倪x擇電路參數(shù)，就能使 Colpitts振蕩電路進(jìn)入混沌狀態(tài)．單一的 Colpitts振蕩電路 3 dB帶寬很小，利用驅(qū)動(dòng)響應(yīng)的思想，將多個(gè)不同諧振頻率上的 Colpitts振蕩電路通過(guò)合適的方法級(jí)聯(lián)起來(lái)，可獲得更寬闊的頻帶．使用三級(jí)級(jí)聯(lián) Colpitts振蕩器和由 L、 C構(gòu)成的高通濾波器共同構(gòu)成超寬帶混沌信號(hào)產(chǎn)生電路，電路結(jié)構(gòu)如圖 1所示，經(jīng)仿真得到電阻 R 輸出的超寬帶混沌信號(hào)波形及頻譜分別如圖 3所示．從圖 2可 9 以看出輸出的振蕩信號(hào)在時(shí)域上沒(méi)有周期 性，明顯具有類噪聲的特性；圖 3顯示產(chǎn)生的是超寬帶混沌信號(hào)的對(duì)數(shù)頻譜圖，信號(hào)的頻率分量從低頻端到 2 GHz以上的高頻端，十分豐富，中心頻率在 1GHZ左右，并且 1O dB帶寬超過(guò) GHz，帶寬比在，滿足 FCC的超寬帶信號(hào)的定義． 圖 1 超寬帶混沌信號(hào)產(chǎn)生電路 由于混沌信號(hào)具有初值敏感性，所以改變電路中元件的參數(shù)取值，這樣描述系統(tǒng)的微分方程發(fā)生了變化，可以產(chǎn)生互相關(guān)性很低的不同混沌信號(hào)． 由于超寬帶混沌信號(hào)具有很寬的帶寬、良好的自相關(guān)性和很低的互相關(guān)性，所以不同混沌信號(hào)之間可以近似看作是正交 的．如果并行同時(shí)發(fā)送多路經(jīng) lO0 V混沌載波調(diào)制的信號(hào)，首先可以提高系統(tǒng)的傳輸速率，在接收端對(duì)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)解調(diào)就可以恢復(fù)數(shù)據(jù)；再者可以通過(guò)調(diào)節(jié)超寬帶混沌信號(hào)產(chǎn)生電路中元件的參數(shù)值，使每路混沌載波的動(dòng)力學(xué)特性各不相同，所以多路超寬帶混沌載波的疊加結(jié)果具有更為復(fù)雜的圖 2 超寬帶混沌信號(hào)波形混沌動(dòng)力學(xué)特征，大大加強(qiáng)了發(fā)射信號(hào)的隨機(jī)特性，使得系統(tǒng)具有更好的抗截獲能力．利用上面產(chǎn)生的超寬帶混沌信號(hào)作為載波可以構(gòu)造新穎的超寬帶系統(tǒng)，系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)與接收機(jī)結(jié)構(gòu)分別如圖 4和圖 5所示． 10 發(fā)射機(jī) 對(duì)于二進(jìn)制 數(shù)據(jù) bk∈ (O， 1)， k=0， 1， ? ， + ? ，先經(jīng)過(guò) 12kb 的變換分別轉(zhuǎn)化為雙極性信號(hào) 1和 1，然后每 m比特為一組，經(jīng)過(guò)串／并變換分成 m路并行的數(shù)據(jù)，其中 ()jbi = 1， 2， ? ， m， j=0， 1， ? ， +? ，且 ()j jm ib i b ?? ，再分別由 m個(gè)互相關(guān)性很低的超寬帶混沌載 波 ()ict進(jìn)行調(diào)制，由于 FCC定義的超寬帶占用的頻段為 ~ GHz，所以各路信號(hào)相加的結(jié)果再和載波 d(t)相乘，經(jīng)天線送人信道 .載波 d(t)的頻率可以在 ~ GHz上任意設(shè)定，靈活性較大，這樣就能根據(jù)工作環(huán)境的需要， 避開(kāi) 其它通信系統(tǒng)在 ~ GHz范圍內(nèi)使用的頻段，減少系統(tǒng)間的相互干擾．由上可知發(fā)射信號(hào) s(t)為： 01( ) { } ( )[ 1 2 ( ) ] ( )m j i fjis t d tb i c t jT?????????? 式中， fT 為一幀的持續(xù)時(shí)間，所以 1/ fT是每路并行數(shù)據(jù)的信息速率，這樣系統(tǒng)總的傳輸速率為 1/ fT ． 接收機(jī) 為了分析方便，不考慮多址干擾，設(shè)信道的沖擊響應(yīng) ( ) ( )h t t????，信道中的噪聲 n(t)為加性高斯白噪聲，且均值為零，雙邊功率譜密度為 0/2N ．系統(tǒng)接 11 收端使用相關(guān)接收機(jī)來(lái)解調(diào)信號(hào)．發(fā)射信號(hào) s(t)經(jīng)過(guò)信道傳輸，則接收的信號(hào) r(t)為： ( ) ( ) * ( ) ( ) ( ) ( )r t s t h t n t s t n t?? ? ? ? ?,然后接收信號(hào)先與載波 d(t)相乘解調(diào)，再分別與 m路 UWB混沌載波進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算得到：( 1 ) ( ) ( )( ) ( )friffrjT r t d tjTa j i c t j T ????? ?? ? ?? ，接著對(duì) ()aji 進(jìn)行判決得到 ()jbi的估計(jì)量 ()jbi，判決準(zhǔn)則是： () 0 ( ) 0 ,1 ( ) 0 ,jjjbi aiai? ? ?? ?? ，最后 ()jbi經(jīng)過(guò)并／串變換得到發(fā)送數(shù)據(jù) kb 的估計(jì)量 kb 仿真與結(jié)果 取 m=10,即并行傳輸 10路超寬帶混沌載波，可以通過(guò)對(duì)電路中的元件賦 10個(gè)不同的初值，每個(gè)不同的初值可以產(chǎn)生一路超寬帶混沌信號(hào)作為載波． 不考慮多址