第6章 特殊器件在扩频系统中的应用

第6章特殊器件在扩频系统中的应用第6章特殊器件在扩频系统中的应用6.1声表面波器件6.2声表面波抽头延迟线6.3声表面波相关/卷积器6.4声表面波延迟线6.5专用集成芯片思考与练习题第6章特殊器件在扩频系统中的应用6.1声表面波器件6.1.1声表面波器件声表面波是沿物体表面传播的一种弹性波,在一百多年前,人们就对这种波进行了研究。1885年,瑞利根据对地震波的研究,从理论上阐明了在各向同性固体表面上弹性波的特性。第6章特殊器件在扩频系统中的应用1.SAW器件的结构声表面波是一种只在固体表面传播的弹性波——瑞利波(弹性波是机械振动在弹性媒质中传播的一种波)。图6-1为SAW器件的结构图。SAW器件的基片是压电材料,表6-1给出了制作声面波器件基片材料的主要指标。第6章特殊器件在扩频系统中的应用图6-1SAW器件结构图吸声材料输入换能器输出换能器第6章特殊器件在扩频系统中的应用表6-1几种压电晶体材料的主要性能第6章特殊器件在扩频系统中的应用2.叉指换能器声表面波叉指换能器是由沉积在压电材料基片上形如人的手指交叉状的金属图案构成。它是激发和检测声表面波的一种声-电换能器，由于它的声-电转换损耗低,设计灵活并容易制作,因而得到了广泛的应用,成为各种声表面波器件的重要组成部分。图6-2为叉指换能器的结构图。第6章特殊器件在扩频系统中的应用图6-2IDT结构图ab汇流条W第6章特殊器件在扩频系统中的应用由图6-2可以看出,叉指换能器是一电极交错、相互联接的两端器件。图中互相交叉的金属条称为叉指电极,简称“指”,a代表指宽。指与指之间的空隙叫做指间隔或指间,b表示指间。两条指与两个指间隔组成一对指,这是叉指换能器中最小的组成单元。图中的叉指换能器通常称为单叉指换能器,因为这里的一对指的宽度正好对应于声表面波的一个波长,即λ=2a+2b(6-1)第6章特殊器件在扩频系统中的应用通常情况下,指宽等于指间(a=b),因而λ=4a(6-2)由此可得叉指换能器的中心频率或工作频率(声同步频率)f0为afss40(6-3)式中vs为声波传播速度。第6章特殊器件在扩频系统中的应用叉指换能器的以下基本特性:(1)叉指换能器的输出是频率的函数,幅频特性为抽样函数Sa(NπΔω/ω0),如图6-3所示,称为等指长叉指换能器的频率响应。(2)叉指换能器激发声表面波的强度与它包含的叉指电极周期数N成正比,N越大,激发越强。(3)叉指换能器激发的声表面波的相位随频率呈线性关系。第6章特殊器件在扩频系统中的应用图6-3叉指换能器的频率特性相对振幅N3N2N1oN1N2N30第6章特殊器件在扩频系统中的应用3.叉指换能器的冲激响应在信号分析中已知,一个系统或者一个网络可用它的冲激响应h(t)或频率响应H(ω)来描述。对叉指换能器或者声表面波器件也可用这两种冲激响应来描述。用冲激响应来描述、分析和设计声表面波叉指换能器,这是因为叉指换能器的冲激响应的形状和它的几何结构之间有特别简单的关系,即知道了叉指换能器的冲激响应就可以完全决定此叉指换能器的结构参数。第6章特殊器件在扩频系统中的应用图6-4IDT的冲激响应(a)(b)h(t)h(t)第6章特殊器件在扩频系统中的应用图6-5几种IDT(a)辛格函数加权;(b)海明函数加权;(c)色散换能器ooofff(a)(b)(c)第6章特殊器件在扩频系统中的应用4.声表面波器件的制作过程声表面波器件的制作过程大致可分为基片准备、叉指图形制作和器件复制三大部分,如图6-6所示。第6章特殊器件在扩频系统中的应用图6-6SAW器件的主要制作过程定向切割研磨抛光渡膜光刻封装测试成品基片准备制图制板第6章特殊器件在扩频系统中的应用6.1.2声表面波器件的特点由前已知,声表面波器件的工作原理是:基片的输入换能器通过逆压电效应将输入的电信号转变成声信号,此声信号沿基片表面传播,最终由基片右边的输出换能器将声信号变成电信号输出。整个声表面波器件的功能是通过对在压电基片上传播的声信号进行各种处理,并利用声-电换能器的特性来实现的。声表面波器件有如下特点:(1)声表面波具有极低的传播速度和极短的波长,比相应的电磁波的传播速度和波长约小五个数量级。第6章特殊器件在扩频系统中的应用(2)由于声表面波沿固体表面传播,传播速度极慢,这使得时变信号在给定瞬时完全呈现在晶体基片表面上。(3)由于声表面波器件是在单晶材料上用半导体平面工艺制作的,所以它具有很好的一致性和重复性,易于大量生产,而且当使用某些单晶材料或复合材料时,声表面波器件具有极高的温度稳定性,例如用石英晶体时。(4)声表面波器件的抗辐射能力强,动态范围大,可达100dB。这是因为它利用的是晶体表面的弹性波而不涉及电子的迁移过程。第6章特殊器件在扩频系统中的应用6.1.3声表面波技术的应用声表面波技术发展很快,到目前已研制出了许多声表面波器件,如SAW滤波器、延迟线、匹配滤波器、振荡器、色散延迟线、相关／卷积器、抽头延迟线等。第6章特殊器件在扩频系统中的应用声表面波技术的影响遍及许多领域,其中包括:(1)日益趋于集成化和积木式的系统设计;(2)没有SAW技术,从电视接收机到电子战接收机的一切设备就不可能获得高性能的技术指标;(3)SAW技术和数字信号处理技术的结合;(4)民用高保真电视以及军用信道化电子战接收机、脉冲雷达和火箭自导导弹的多信道系统趋向;第6章特殊器件在扩频系统中的应用(5)较高中频的采用,它能大幅度降低图像和其它混频装置的假响应，此“高中频”趋向最终将淘汰变容调谐的高频滤波器或消除它们附带的调谐和跟踪问题;(6)SAW射频混合电路,如采用频率稳定的小型SAW滤波器的振荡器和发射机;(7)便携式设备如小型呼叫联络机和汽车电话的市场需求的增长等。第6章特殊器件在扩频系统中的应用6.2声表面波抽头延迟线6.2.1声表面波抽头延迟线声表面波抽头延迟线的基本结构如图6-7所示。声表面波抽头延迟线由两个叉指换能器构成,左边的为输入换能器,根据不同的功能,可以设计出不同的输入叉指换能器,常见的有等指长和变指长叉指换能器。第6章特殊器件在扩频系统中的应用图6-7SAWTDL的基本结构dl第6章特殊器件在扩频系统中的应用叉指对的指宽与指间与输入换能器相同,两叉指对的间距d表示了对应编码序列的码元宽度。若码元宽度为Tc,则d与Tc的关系为scTd(6-9)第6章特殊器件在扩频系统中的应用式中υs为声表面波的传播速度。l对应整个码字的持续时间,若码字由N个码元组成,则l为scNTNdl(6-10)第6章特殊器件在扩频系统中的应用图6–8SAWTDL的冲激响应(t)h(t)第6章特殊器件在扩频系统中的应用6.2.2扩频调制器1.直扩信号的产生图6-9为产生直扩信号的原理框图。窄脉冲产生器产生双极窄脉冲,脉冲速率与信息流的速率相同,一般窄脉冲的宽度在毫微秒的数量级。第6章特殊器件在扩频系统中的应用图6-9直扩信号产生的原理图窄脉冲发生器SAWTDLs(t)信息流{an}第6章特殊器件在扩频系统中的应用若信息a(t)为)()(0anannTtgata(6-11)式中an为信息码,aaTttg001)(其它由此可得输出的扩频调制信号为)()()(10aannnTtgthats(6-12)第6章特殊器件在扩频系统中的应用若调制方式为PSK,则h1(t)为tiTtgcthcNici0101cos)()((6-13)第6章特殊器件在扩频系统中的应用图6-10PSK和MSKSAWTDL的输入IDT(a)PSK;(b)MSK2Ta(a)(b)第6章特殊器件在扩频系统中的应用2.软扩频在第2章已介绍了软扩频技术,实际上是(N,k)的一种编码,即用2k条长为N的伪随机码去对应k位信息的2k个状态。产生软扩频信号的方法是先进行(N,k)编码,然后再用已扩展的信号去调制载波,获得扩频已调信号。若采用声表面波抽头延迟线,就可将扩频和调制功能合二为一,一次完成,如图6-11所示。第6章特殊器件在扩频系统中的应用图6-11SAWTDL扩频调制器SAW0SAW112SAWkk位移位寄存器窄脉冲产生器合路器{ai}s(t)第6章特殊器件在扩频系统中的应用窄脉冲产生器产生单极性窄脉冲,重复周期T＝kTa＝NTc。由于采用(N,k)的编码,需2k条长为N的伪随机码,这些伪随机码应满足一定的相关特性要求。2k条长为N的伪随机码对应2k个声表面波抽头延迟线。k位信息码确定开关电路的动作,使之把窄脉冲产生器与对应的声表面波抽头延迟线的输入端相连接,这样一个窄脉冲去触发该声表面波抽头延迟线,其冲激响应就是所需的已扩已调信号。不同的k位信息码,对应的声表面波抽头延迟线有不同的输出,第6章特殊器件在扩频系统中的应用将不同时刻的输出信号用合路器合并起来,就得到了连续的经过扩频和调制的输出信号,从而完成了扩频调制任务。设输入信号a(t)为)()(0anannTtgata(6-14)第6章特殊器件在扩频系统中的应用式中:an为信码;ga(t)为门函数。令n=jk+l,这里j:0~+∞,l=0,1,…,k-1,代入上式,得)()()()()()(0010010jTtgtajTtglTtgalTjkTtgatajjjklaaljkaajklaljk(6-15)第6章特殊器件在扩频系统中的应用式中10102)()(kllljkcaklaaljkjamNTkTTjTtgata(6-16)(6-17)第6章特殊器件在扩频系统中的应用则此时的m即为aj(t)所确定的把窄脉冲连接到对应的声表面波抽头延迟线的编号。如果第m个声表面波抽头延迟线对窄脉冲的响应为sm(t),则总的输出信号为TttgjTtgjTtstsjm001)()()()(0其它(6-18)第6章特殊器件在扩频系统中的应用6.2.3解扩解调器由最佳接收理论可知,接收滤波器的冲激响应与发送信号之间的关系为h(t)=s(T0-t)(6-19)式中T0为发送信号的持续时间。因此,对扩频调制信号的解扩和解调可用声表面波匹配滤波器的方法来完成。要实现匹配滤波器功能,用声表面波抽头延迟线是很容易实现的。第6章特殊器件在扩频系统中的应用若接收信号s(t)为s(t)=c(t)cosω0t(6-20)由式(6-19)有h(t)=c(T-t)cosω0(T-t)=c(T-t)cosω0t(6-21)式中:c(t)为伪随机码;T为伪随机码的周期。由此可见,用于解扩解调的声表面波抽头延迟线的编码应为c(T-t),即是发端扩频用的伪随机码的镜像码。第6章特殊器件在扩频系统中的应用图6-12为声表面波抽头延迟线作为匹配滤波器的原理图。图6-12(b)为作为解扩解调用的抽头延迟线,为输入信号s(t)(图6-12(a))的匹配滤波器。由于编码完全相同,不同的是解扩解调用的抽头(编码)与扩频调制的抽头(编码)的时序正好相反。在图6-12中,s(t)的编码为110100(参见图6-8),声表面波抽头延迟线的编码为001011,故又可称图6-12(b)的声表面波抽头延迟线是图6-8的声表面波抽头延迟线的反时器。第6章特殊器件在扩频系统中的应用图6-12SAWTDL匹配滤波器s(t)(a)(b)(c)y(x)第6章特殊器件在扩频系统中的应用图6-13两种SAWTDL的制作第6章特殊器件在扩频系统中的应用1.相干检测对图6-9所示的直扩信号产生器产生的信号,可用图6-14所示的电路完成对直扩信号的解扩解调。接收到的扩频调制信号经放大后,送到解扩解调用的声表面波抽头延迟线。声表面波抽头延迟线是一种无源器件,处于等待状态,一旦与输入信号相匹配,就会产生一个相关峰,如图6-12(c)所示。采用相干检测的方法,把相关峰检测出来,通过积分、抽样判决,就可将传输的信号恢复出来。第6章特殊器件在扩频系统中的应用图6-14直扩信号的相干检测中放