专利名称：超宽带脉冲信号接收装置及超宽带脉冲雷达系统的制作方法
技术领域：
本申请涉及通信技术领域，特别是涉及超宽带脉冲信号接收装置及超宽带脉冲雷达系统。
背景技术：
近几年，随着对雷达应用领域的广泛，对雷达的体积、成本、性能等方面的要求也越来越高。以探测雷达系统为例说明雷达的基本工作原理，探测雷达系统主要包括发射装置和接收装置，发射装置产生电磁波信号，并发射至外界，所述接收装置用于接收所述发射装置发射的电磁波的散射回波信号进行相应的处理，得到探测目标的相关信息。由于脉冲超宽带(Impulse Radio-Ultra Wide Band，IR-UWB)技术在穿透能力、精细分辨、精确测距、高速传输、抗多径和抗干扰等方面具有独特的优势，并且，应用超宽带脉冲的系统在工程实现上具有低复杂度、低功耗和低成本的潜力，然而，现有技术中采用超宽带脉冲信号的雷达系统，虽然利用了超宽带脉冲信号作为工作波形，但是，工程实现时，接近于传统的雷达系统，接收装置仍采用复杂的高速采样器、增益控制模块、复杂的时间灵敏度控制，导致整个雷达系统的复杂度高、功耗大、成本高。此外，现有的超宽带脉冲雷达系统的发射装置采用了正交发射与接收器件，增加了所述雷达系统的复杂度和成本。
发明内容
为解决上述技术问题，本申请实施例提供一种超宽带脉冲信号接收装置及超宽带脉冲雷达系统，以解决现有的超宽带脉冲信号接收装置及超宽带脉冲雷达系统的结构复杂、功耗高及成本高的问题，技术方案如下—种超宽带脉冲信号接收装置，包括射频接收通道、自适应双门限取样模块、接收模块，其中所述射频接收通道，用于接收超宽带脉冲回波信号，并提供给所述自适应双门限取样模块；所述自适应双门限取样模块，用于对接收到的所述超宽带脉冲回波信号进行异步直接采样，得到采样信号，并将该采样信号分配成多路采样信号，提供给所述接收模块；所述接收模块，用于将接收到的所述多路采样信号，进行同步交替重采样、低位宽数据恢复，得到恢复后的超宽带脉冲回波信号。优选的，上述超宽带脉冲信号接收装置还包括与所述接收模块相连的雷达探测模块，用于根据接收到的所述接收模块提供的恢复后的超宽带脉冲回波信号，计算得到探测结果。优选的，所述自适应双门限取样模块包括单路转双路数据模块、第一高速比较器、第二高速比较器、第一差分分配器，以及第二差分分配器，其中
所述单路转双路数据模块，接收所述射频接收通道接收到的回波信号转换成同相回波信号和反相回波信号；与所述单路转双路数据模块相连的第一高速比较器，用于接收所述同相回波信号，进行高速异步直接采样，得到同相采样信号；与所述单路转双路数据模块相连的第二高速比较器，用于接收所述反相回波信号，进行高速异步直接采样，得到反相采样信号；与所述第一高速比较器相连的第一差分分配器，用于将所述同相采样信号分配成多路采样信号，提供给所述接收模块；与所述第二高速比较器相连的第二差分分配器，用于将所述反相采样信号分配成多路采样信号，提供给所述接收模块。优选的，所述接收模块包括交替接收模块，用于将所述多路采样信号分别进行不同的延时后，进行交替重采样后，转换为多路并行低速数据，提供给所述低位宽数据恢复模块；低位宽数据恢复模块，用于将接收到的所述多路并行低速数据进行累加处理后， 再转换为串行数据，利用该串行数据估算出恢复后的超宽带脉冲回波信号。优选的，所述交替接收模块包括第一延时接收模块、第二延时接收模块和低压差分接收模块，其中所述第一延时接收模块，用于对所述第一差分分配器得到的多路采样信号进行各不相同的时间延时接收后，提供给所述低压差分接收模块；所述第二延时接收模块，用于对所述第二差分分配器得到的多路采样信号进行各不相同的时间延时接收后，提供给所述低压差分接收模块；所述低压差分接收模块，用于对所述延时接收模块提供的信号利用低压差分传输方式进行传输，输出以多路并行低速数据。优选的，所述低位宽数据恢复模块包括累加模块、并转串模块、信号恢复模块，其中所述累加模块，用于将所述多路并行低速数据进行周期性累加处理后，提供给所述并转串模块；所述并转串模块，用于将所述累加模块提供的并行数据转换为串行数据提供给所述信号恢复模块；所述信号恢复模块，利用所述将所述并转串模块提供的串行数据估算得到恢复后的超宽带脉冲回波信号。优选的，所述雷达探测模块包括平滑窗处理模块、雷达门限检测模块，其中所述平滑窗处理模块，用于将所述恢复后的超宽带脉冲回波信号进行平滑滤波， 得到平滑滤噪后的超宽带脉冲信号；所述雷达门限检测模块，用于利用所述平滑滤噪后的超宽带脉冲回波信号计算得到目标判决结果。优选的，上述超宽带脉冲信号接收装置，还包括与所述第一高速比较器及第二高速比较器相连的采样门限自适应控制模块，用于根据所述恢复后的超宽带脉冲回波信号计算得到最优的采样门限值，提供给所述第一高速比较器和所述第二高速比较器。
优选的，上述超宽带脉冲信号接收装置，还包括与所述接收模块相连的通信模块，用于根据所述接收模块提供的恢复后的超宽带脉冲回波信号进行通信，或者，与所述接收模块相连的测距模块，用于根据所述接收模块提供的恢复后的超宽带脉冲回波信号计算得到目标的距离信息。一种超宽带脉冲雷达系统，包括超宽带脉冲信号发射装置，以及权利要求上述的超宽带脉冲信号接收装置，其中所述超宽带脉冲信号发射装置包括脉冲生成模块、合路器、第一带通滤波器、第一放大器、高速开关、天线、低噪声放大模块、第二带通滤波模块及第二放大器；所述脉冲生成模块产生的正负极性的超宽带脉冲信号经过所述合路器合并成一路超宽带脉冲信号，该超宽带脉冲信号经过所述第一带通滤波器过滤得到所需要的带宽内的超宽带脉冲信号后，所述第一放大器对得到的带宽内的超宽带脉冲信号进行放大后，放大后的所述超宽带脉冲信号经过所述高速开关后，通过所述天线向自由空间辐射；所述高速开关打至接收状态，接收发射出的所述超宽带脉冲信号的回波信号，接收到的所述回波信号通过所述低噪声放大模块进行低噪声放大后再经过第二带通滤波器进行带通滤波处理后，再经过所述第二放大器进行放大后提供给所述射频接收通道。由以上本申请实施例提供的技术方案可见，该超宽带脉冲信号接收装置通过自适应双门限取样模块对所述超宽带脉冲信号进行异步直接取样，并将采样得到的信号分配成多路采样信号，实现了对高速数据的采样，从而避免使用传统的高功耗的模数转换器，由于采用异步采样，故不需要使用高速锁相环和高速串转并器件。而且在接收侧对所述多路采样信号中的每一路高速数据进行低速重采样，再将采样得到的合并，进行低位宽数据恢复， 得到恢复后的超宽带脉冲信号，最后根据该恢复后的超宽带脉冲信号计算得到探测结果。 由于本申请提供的超宽带脉冲信号接收装置，不需要采用传统的高功耗的高速模数转换器、高速锁相环和高速串转并器，因此结构简单、功耗低、成本低充分发挥了超宽带脉冲信号在短距高速通信与高精度测量时的优势，且发挥了超宽带脉冲信号的应用系统的低复杂度的潜力。
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下， 还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本申请实施例一种超宽带脉冲信号接收装置的结构示意图；图加为本申请实施例一种自适应双门限取样模块的结构示意图；图2b为一种恢复后的超宽带脉冲回波信号的波形图；图3为本申请实施例一种接收模块和雷达探测模块的结构示意图；图4为雷达探测结果波形图；图5为本申请实施例超宽带脉冲信号发射装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。请参见图1，示出了本申请实施例一种超宽带脉冲信号接收装置的结构示意图，主要包括射频接收通道100、自适应双门限取样模块200、接收模块300，其中所述射频接收通道100，用于接收超宽带脉冲回波信号，并提供给所述自适应双门限取样模块200 ；所述自适应双门限取样模块200，用于对接收到的所述超宽带脉冲回波信号，进行异步直接采样，并对得到的采样信号分配成多路采样信号，提供给所述接收模块300 ；具体实施时，所述自适应双门限取样模块200，将接收到的超宽带脉冲回波信号转换为两路回波信号，其中一路与所述超宽带脉冲回波信号的相位相同，另一路与所述超宽带脉冲回波信号的相位相反，再对这两路回波信号通过两个使用同一个采样门限的高速比较器，进行异步采样，使用同一个采样门限，大大简化了电路结构。再将两个高速比较器的输出通过差分分配器，分配成多路信号，然后将分配后的多路信号提供给所述接收模块 300。异步采样方式，由于不受同步时钟速率与串转并器件的限制，转换速率直接取决于高速比较器的最小脉冲宽度，通常可达IOOps左右，本实施例中，高速比较器的最小脉冲宽度与发射装置所发射的基带脉冲的最小宽度相同，具体为125ps，即可以实现高达8GSPS 的采样速率。所述接收模块300，用于将接收到的所述多路采样信号，进行同步交替重采样、低位宽数据恢复，得到恢复后的超宽带脉冲回波信号。所述雷达探测模块400，用于根据接收到的所述恢复后信号进行计算得到探测结^ ο具体实施时，接收模块300可以通过FPGA(Field-Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列)芯片实现。为了使用较低的时钟频率500MHz来采集8(ibpS的数据，本发明实施例利用FPGA 芯片内可变并行度双倍速率交替重采样的方法，即使用FPGA芯片内500MHz时钟，且使FPGA 芯片工作于双倍速率模式下这样可以采样Kibps的信号，而所述自适应双门限取样模块 200采样得到的是8(ibpS的采样信号，因此需要利用的差分分配器，将每路采样信号分配成 8路相同的采样信号，两组回波信号一共16路。这样，使用FPGA芯片内的延时接收模块分别对每一组回波信号中的8路信号， 分别进行(η/8)纳秒，其中，η = 1、2、3、4、5、6、7、8，每一组回波信号有8路经过不同延时的相同信号，然后再使用FPGA芯片内的低压差分接收模块(Low-Voltage Differential Signaling, LVDS)进行接收处理，对每一路采样信号采样出Kibps的数据率，将每一组的8 路数据合并后相当于采样得到了 8(ibpS的数据率，利用所述低压差分接收模块输出的串转并功能，将每组8路数据转换为多路低速数据进行并行处理，从而降低了数据的速率。为了提高信噪比，通常在接收端采用积累方式，即数字域中的累加处理，而且，由于本发明实施例的采样位宽较低，为了从采样得到的离散值中获得原始回波信号，需要多个脉冲周期，将得到的多路并行数据进行多周的实时累加处理，得到的并行数据的速度进一步大大降低，然后这些数据通过并转串模块，按原始时间的关系拼接成原始双路数据。优选的，参见图1，上述实施例提供的超宽带脉冲接收装置，还包括与所述接收模块相连的雷达探测模块400，根据接收到的所述接收模块300提供的恢复后的超宽带脉冲信号计算得到探测结果。具体的，将接收到的所述接收模块300提供的恢复后的超宽带脉冲信号进行滑窗操作、雷达门限检测，最后将检测后的结果进行判断并输出。优选的，上述实施例提供的超宽带脉冲信号接收装置，还可以包括与所述接收模块相连的通信模块，利用超宽带脉冲回波信号进行通信。优选的，上述实施例提供的超宽带脉冲信号接收装置，还可以包括测距模块，利用所述超宽带脉冲回波信号计算得到目标的距离。请参见图及图3-4，图加示出了本申请实施例自适应双门限取样模块的结构示意图，图2b示出了一种恢复后的超宽带脉冲回波信号的波形，图3示出了本申请实施例的接收模块和雷达探测模块的结构示意图，图4示出了一种雷达检测结果波形图。与图1所对应的实施例相比，本实施例更具体的说明了该超宽带脉冲信号接收装置的结构组成和工作过程。该超宽带脉冲信号接收装置包括射频接收通道100、自适应双门限取样模块 200、接收模块300、雷达探测模块400，其中具体的，所述接收模块300和雷达探测模块400可以通过FPGA芯片实现。参见图加，所述自适应双门限取样模块200包括单路转双路数据模块201、第一高速比较器202、第二高速比较器203、第一差分分配器204、第二差分分配器205，其中单路转双路数据模块201，将所述射频接收通道100接收到的超宽带脉冲回波信号，转换为两路相位相反的回波信号，其中的一路回波信号是与所述超宽带脉冲回波信号同相的同相回波信号，另一路回波信号是与所述超宽带脉冲回波信号反相的反相回波信号。所述第一高速比较器202，用于对所述同相回波信号进行异步采样，得到同相采样
信号；所述第二高速比较器203，用于对所述反相回波信号进行异步采样，得到反相采样信号；具体的，所述第一高速比较器202和第二高速比较器203的最小脉冲宽度设定为与发射装置所发射的基带脉冲的最小宽度相同的值，具体为125ps，即可以实现8GSPS的采样速率，远远高于同步采样所能达到的最大采样速率。而且，两个高速比较器使用同一个采样门限即可实现对正、负电平的检测，因为单路转双路数据模块201的存在可以避免使用负门限电平，单路转双路数据模块201，将单路回波信号分配成两路回波信号，且将其中的一路进行反相后，即反相回波信号。对该反相回波信号使用与同相回波信号相同的正门限能够检测到负电平信号的目的，且仅使用了单路转双路数据模块201这样一个无源器件，实现了使用同一个采样门限，简化了电路结构。采样的表达式为
,,J1' r{rTs+kT)>e d \X 姚勢θ 咖
+
信号恢复模块324，利用所述将所述并转串模块提供的串行数据估算得到恢复后的超宽带脉冲回波信号。由于本申请实施例采用了双采样门限，将整个幅度空间分成了三份，即量化位数为3，因此，需要将两路Ibit数据(d+，d_)转化为单路的3电平数据，该电平数据定义为^ ο其中，< =1表示第i个脉冲周期中的第k个采样点的幅度位于第η个幅度区间内，其中η为量化位数，在本发明实施例中η具体为3。因此，Λ^代表正部分幅度空间，6 =忑·忑代表0值附近幅度空间，=忑代表负值附近幅度空间。假设总共存
在Nt个探测周期，定义对=2二<代表将所有周期进行积累后第k个采样点的幅度位于第η个幅度区间内。 原始超宽带脉冲回波信号值为Si,k，噪声方差为σ，则超宽带脉冲回波信号位于量化区间In的概率为/ _ ..= Pirhk =1 ；σ) ,η = 1，2，3。根据得到的Nt个周期的采样值可以将此概率近似写成
权利要求
1.一种超宽带脉冲信号接收装置，其特征在于，包括射频接收通道、自适应双门限取样模块、接收模块，其中所述射频接收通道，用于接收超宽带脉冲回波信号，并提供给所述自适应双门限取样模块；所述自适应双门限取样模块，用于对接收到的所述超宽带脉冲回波信号进行异步直接采样，得到采样信号，并将该采样信号分配成多路采样信号，提供给所述接收模块；所述接收模块，用于将接收到的所述多路采样信号，进行同步交替重采样、低位宽数据恢复，得到恢复后的超宽带脉冲回波信号。
2.根据权利要求1所述的超宽带脉冲信号接收装置，其特征在于，还包括与所述接收模块相连的雷达探测模块，用于根据接收到的所述接收模块提供的恢复后的超宽带脉冲回波信号，计算得到探测结果。
3.根据权利要求2所述的超宽带脉冲信号接收装置，其特征在于，所述自适应双门限取样模块包括单路转双路数据模块、第一高速比较器、第二高速比较器、第一差分分配器， 以及第二差分分配器，其中所述单路转双路数据模块，接收所述射频接收通道接收到的回波信号转换成同相回波信号和反相回波信号；与所述单路转双路数据模块相连的第一高速比较器，用于接收所述同相回波信号，进行高速异步直接采样，得到同相采样信号；与所述单路转双路数据模块相连的第二高速比较器，用于接收所述反相回波信号，进行高速异步直接采样，得到反相采样信号；与所述第一高速比较器相连的第一差分分配器，用于将所述同相采样信号分配成多路采样信号，提供给所述接收模块；与所述第二高速比较器相连的第二差分分配器，用于将所述反相采样信号分配成多路采样信号，提供给所述接收模块。
4.根据权利要求3所述的超宽带脉冲信号接收装置，其特征在于，所述接收模块包括 交替接收模块，用于将所述多路采样信号分别进行不同的延时后，进行交替重采样后，转换为多路并行低速数据，提供给所述低位宽数据恢复模块；低位宽数据恢复模块，用于将接收到的所述多路并行低速数据进行累加处理后，再转换为串行数据，利用该串行数据估算出恢复后的超宽带脉冲回波信号。
5.根据权利要求4所述的超宽带脉冲信号接收装置，其特征在于，所述交替接收模块包括第一延时接收模块、第二延时接收模块和低压差分接收模块，其中所述第一延时接收模块，用于对所述第一差分分配器得到的多路采样信号进行各不相同的时间延时接收后，提供给所述低压差分接收模块；所述第二延时接收模块，用于对所述第二差分分配器得到的多路采样信号进行各不相同的时间延时接收后，提供给所述低压差分接收模块；所述低压差分接收模块，用于对所述延时接收模块提供的信号利用低压差分传输方式进行传输，输出以多路并行低速数据。
6.根据权利要求5所述的超宽带脉冲信号接收装置，其特征在于，所述低位宽数据恢复模块包括累加模块、并转串模块、信号恢复模块，其中所述累加模块，用于将所述多路并行低速数据进行周期性累加处理后，提供给所述并转串模块；所述并转串模块，用于将所述累加模块提供的并行数据转换为串行数据提供给所述信号恢复模块；所述信号恢复模块，利用所述将所述并转串模块提供的串行数据估算得到恢复后的超宽带脉冲回波信号。
7.根据权利要求6所述的超宽带脉冲信号接收装置，其特征在于，所述雷达探测模块包括平滑窗处理模块、雷达门限检测模块，其中所述平滑窗处理模块，用于将所述恢复后的超宽带脉冲回波信号进行平滑滤波，得到平滑滤噪后的超宽带脉冲信号；所述雷达门限检测模块，用于利用所述平滑滤噪后的超宽带脉冲回波信号计算得到目标判决结果。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括与所述第一高速比较器及第二高速比较器相连的采样门限自适应控制模块，用于根据所述恢复后的超宽带脉冲回波信号计算得到最优的采样门限值，提供给所述第一高速比较器和所述第二高速比较器。
9.根据权利要求1-8任一项所述的超宽带脉冲信号接收装置，其特征在于，还包括与所述接收模块相连的通信模块，用于根据所述接收模块提供的恢复后的超宽带脉冲回波信号进行通信，或者，与所述接收模块相连的测距模块，用于根据所述接收模块提供的恢复后的超宽带脉冲回波信号计算得到目标的距离信息。
10.一种超宽带脉冲雷达系统，其特征在于，包括超宽带脉冲信号发射装置，以及权利要求1-8任一项所述的超宽带脉冲信号接收装置，其中所述超宽带脉冲信号发射装置包括脉冲生成模块、合路器、第一带通滤波器、第一放大器、高速开关、天线、低噪声放大模块、第二带通滤波模块及第二放大器；所述脉冲生成模块产生的正负极性的超宽带脉冲信号经过所述合路器合并成一路超宽带脉冲信号，该超宽带脉冲信号经过所述第一带通滤波器过滤得到所需要的带宽内的超宽带脉冲信号后，所述第一放大器对得到的带宽内的超宽带脉冲信号进行放大后，放大后的所述超宽带脉冲信号经过所述高速开关后，通过所述天线向自由空间辐射；所述高速开关打至接收状态，接收发射出的所述超宽带脉冲信号的回波信号，接收到的所述回波信号通过所述低噪声放大模块进行低噪声放大后再经过第二带通滤波器进行带通滤波处理后，再经过所述第二放大器进行放大后提供给所述射频接收通道。
全文摘要
本申请公开了一种超宽带脉冲信号接收装置及超宽带脉冲雷达系统，超宽带脉冲信号接收装置包括射频接收通道、自适应双门限取样模块、接收模块，其中超宽带脉冲回波信号由射频接收通道接收后，经过自适应双门限取样模块进行异步直接取样，并将得到的采样信号分配成多路采样信号输送给接收模块，接收模块将接收到的多路采样信号进行同步交替重采样、低位宽数据恢复，得到恢复后的超宽带脉冲回波信号。由于超宽带脉冲信号接收装置无需采用传统的高功耗的高速模数转换器、高速锁相环和高速串转并器，故结构简单、功耗低、成本低，可以充分发挥超宽带脉冲信号在短距高速互联与高精度测量中的优势，同时发挥超宽带脉冲信号应用系统低复杂度的潜力。
文档编号H04B1/717GK102360070SQ20111015730
公开日2012年2月22日 申请日期2011年6月10日 优先权日2011年6月10日
发明者刘凯凯, 尹华锐, 常安, 陈卫东, 陈曦 申请人:中国科学技术大学