CN101127746A - 用于产生混沌信号的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于产生混沌信号的装置，该装置包括：PN信号发生器，其由数字逻辑电路形成，并且产生具有预定频率的数字伪随机信号；电压控制振荡器，产生具有预定频率的时钟信号；混频器，用于将伪随机信号和时钟信号进行混频，以产生混沌信号来输出；以及带通滤波器，用于将从混频器输出的混沌信号滤波成所需频带的混沌信号，然后输出经过滤波的信号。

Description

用于产生混沌信号的装置和方法

相关申请的交叉参考

本申请要求于2006年8月14日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2006-0076593号的优先权，其内容结合于此作为参考。

技术领域

本发明设计涉及一种用于产生混沌信号的装置和方法，应用于使用通断键控(OOK)机制的超带宽(后文称为‘UWB’)通信。在该装置和方法中，数字型PN信号发生器稳定地产生混沌信号而不论工程是否改变。

背景技术

通常，UWB被称为频率带宽占有25％以上的中心频率或大于500MHz的频带。

当在时间轴观察UWB时，能够发现UWB具有非常小的信号宽度。因此，UWB可以防止由多个传播路径所带来的信号扩展或叠加，并且对于噪声干扰，具有很强的特性。因此，UWB广泛用于需要高速通信和精确距离计算的位置感知通信中。

对于作为使用UWB的通信系统而被广泛研究的系统，提供了一种混沌通信系统。混沌通信系统使用具有噪声特性的混沌信号。

一般，方波信号具有根据时间的规则相位。因此，当增加了具有逆相位的干扰信号时，信号可能会失真或偏移。然而，由于混沌信号具有类似噪声的非周期特性，所以混沌信号并不具有清晰的相位。因此，虽然增加了逆相位信号或近似干扰信号，但是不会出现干扰。

另外，由于混沌信号具有如上所述的非周期特性，所以混沌信号在与周期无关的宽频带范围内具有恒定幅度，当在频率轴上进行分析时，这意味着混沌信号具有很高的能量效率。

此外，混沌通信系统使用通断键控(OOK)机制，其中，使用调制解调器的连续信息包信息信号来直接调制在微波频带内的混沌信号。

图1是示出了使用混沌信号的OOK调制器的基本结构的框图。如图1所示，普通的OOK调制机制是，生成混沌信号来将脉冲施加至单刀双掷(SPDT)开关。在OOK调制机制中，将要传输的信息分成呈出脉冲的信息(‘1’)和不呈出脉冲的信息(‘0’)。另外，根据能量的存在和消失，接收被分为“1”和“0”。

因此，使用为直接调制机制的OOK机制的混沌通信系统具有几个峰值。从而，在调制解调器中并不分别需要诸如跳时等的编码机制，并且不需要诸如锁相回路(PLL)、混频器等用于中频转换的电路，这样就能够简单地实现发送和接收装置。

图2是用于产生混沌信号的传统装置的电路图。如图2所示，用于产生混沌信号的传统装置包括振荡器21、宽带混沌信号发生器22、放大器23、和带通滤波器24。

在图2的电路中，宽带混沌信号发生器22通过使用从振荡器21产生的信号来产生宽带混沌信号。放大器23放大所产生的混沌信号，并且带通滤波器24仅提取在3.1GHz到5.15GHz范围内的UWB信号。

图3是图2的仿真结果的曲线图，其中，在输出节点的电压波形被转换为频谱。

如图3所示，可以发现用于产生混沌信号的传统装置产生对应于该UWB的在3.1GHz到5.15GHz范围内的混沌信号。

然而，用于产生图2所示的混沌信号的传统装置对用于产生混沌信号的无源元件A的值和存在于用作振荡器21的晶体管的集电极和发射极中的寄生元件敏感。因此，装置难以产生稳定的混沌信号。

这就是说，当图2中所示的无源元件A的值随着工程的改变而改变到一定程度时，可能不会产生混沌信号。图4A至图4C是用于对此进行解释的曲线图，示出了当图2中所示的无源元件的值随着工程改变而改变时的仿真结果。

图4A示出了当图2中所示的无源元件A的电阻R随着工程的改变而改变10％时的仿真结果。图4B示出了当图2中所示的无源元件A的电感L随着工程的改变而改变10％时的仿真结果。图4C示出了当图2中所示的无源元件A的电容C随着工程的改变而改变10％时的仿真结果。

如图4A至图4C所示，当无源元件A的值随着工程改变而改变到一定程度时，用于生成混沌信号的传统装置不能产生3.1GHz到5.15GHz范围内的混沌信号。因此，不能稳定地产生混沌信号，这意味着装置对工程改变敏感。

发明内容

本发明的优点在于提供了一种用于产生混沌信号的装置和方法，其中，数字型PN信号发生器用于稳定地产生混沌信号而不论工程是否改变。

本发明的总发明构思的其它方面和优点将部分地在随后的描述中阐述，并且部分地将通过描述而变得显而易见，或者可以通过总发明构思的实践而了解。

根据本发明的一个方面，用于产生混沌信号的装置包括：PN信号发生器，其包括数字逻辑电路，并产生具有预定频率的数字伪随机信号；电压控制振荡器，产生具有预定频率的时钟信号；混频器，将伪随机信号和时钟信号混合，以产生混沌信号来输出；以及带通滤波器，将从混频器输出的混沌信号滤波成所需频带的混沌信号，然后输出经过滤波的信号。

优选地，PN信号发生器包括数字逻辑电路，该数字逻辑电路包括N(N是正数)个D触发器和门单元，并产生预定位数(2^N-1)的伪随机信号。

优选地，每个D触发器包括偶数个反相器和开关，并且，根据所施加的正弦波信号来输出未反相的输入信号。

优选地，门单元接收第(N-1)个D触发器的输出和第N个D触发器的输出，以产生用于第一个D触发器的输入的信号。另外，门单元包括异或门(X-OR gate)。

优选地，开关由连接至反相器的第一和第二MOSFET形成，第一和第二MOSFET的栅极分别接收时钟信号和时钟信号的反相信号，第一MOSFET的体端(body terminal)连接至电源，以及第二MOSFET的体端接地。

优选地，第一MOSFET是p型MOSFET，以及第二MOSFET是n型MOSFET。

根据本发明的另一个方面，用于产生混沌信号的方法包括：(a)产生具有预定频率的数字伪随机信号；(b)产生具有预定频率的时钟信号；(c)混合在步骤(a)产生的数字伪随机信号和在步骤(b)产生的时钟信号，以产生混沌信号来输出；以及(d)将从步骤(c)输出的混沌信号滤波成预定频带的混沌信号，然后输出经过滤波的信号。

优选地，在步骤(a)，N(N是正数)个D触发器和门单元用于产生预定位数(2^N-1)的伪随机信号。

优选地，每个D触发器包括偶数个反相器和开关，并且，根据所施加的正弦波信号来输出未反相的输入信号。

优选地，门单元接收第(N-1)个D触发器的输出和第N个D触发器的输出，以产生用于第一个D触发器的输入的信号。另外，门单元包括异或门。

优选地，开关由连接至反相器的第一和第二MOSFET形成，第一和第二MOSFET的栅极分别接收时钟信号和时钟信号的反相信号，第一MOSFET的体端连接至电源，以及第二MOSFET的体端接地。

优选地，第一MOSFET是p型MOSFET，以及第二MOSFET是n型MOSFET。

附图说明

通过以下结合附图对实施例的描述，本发明的总发明构思的这些和/或其它方面和优点将变得显而易见，并更易于理解，附图中：

图1是示出了使用混沌信号的OOK调制器的基本结构的框图；

图2是用于产生混沌信号的传统装置的电路图；

图3是示出了图2的仿真结果的曲线图；

图4A到图4C是示出了当图2中的无源元件的值随着工程改变而改变时的仿真结果的曲线图；

图5是根据本发明实施例的用于产生混沌信号的装置的框图；

图6是示出了包括在本发明中的PN信号发生器的结构的示意图；

图7A是示出了根据本实施例的D触发器的结构的示意图；

图7B是示出了D触发器的开关结构的示意图；

图7C是示出了施加至开关的出于反相关系的时钟信号的曲线图；

图8是根据该实施例的异或门的框图；

图9A到图9F是示出了在本发明中所产生的输出电压波形和频谱的仿真结果的曲线图；以及

图10示出了根据本发明实施例的用于产生混沌信号的方法的流程图。

具体实施方式

现在将详细参考本发明总的发明构思的具体实施方式，在附图中示出了其实例，其中，在全文中相同的附图标号表示相同的元件。以下通过参考附图描述实施例来解释本发明总的发明构思。

在下文中，将参考附图对本发明的优选实施例进行详细描述。

图5是根据本发明实施例的用于产生混沌信号的装置的框图。如图5所示，用于产生混沌信号的装置包括PN信号发生器51、电压控制振荡器52、混频器53、和带通滤波器54。

由数字逻辑电路构成的PN信号发生器51产生具有预定频率的数字伪随机信号。

图6是示出了包括在本发明中的PN信号发生器51的结构的示意图。如图6所示，PN信号发生器51由包括N(N是正数)个D触发器61和门单元62的数字逻辑电路形成，并且通过使用N个D触发器61和门单元62来产生预定位数(2^N-1)的伪随机信号。

如上所述，用于产生混沌信号的装置使用对工程改变不敏感的数字逻辑型PN信号发生器51。因此，用于产生混沌信号的装置可以稳定地产生混沌信号而不论工程是否改变。

在这个实施例中，使用包括15个D触发器的PN信号发生器51，并且以下将集中对此进行描述。

每个D触发器61包括偶数个反相器和开关。根据所施加的正弦信号(时钟)，D触发器输出未反相的输入信号D。在这个实施例中，D触发器由两个反相器和两个开关形成，并且以下将集中对此进行描述。

图7A是示出了根据本实施例的D触发器的结构的示意图。如图7A所示，D触发器包括彼此连接的两个反相器71和两个开关72。

由于这个实施例的D触发器使用两个反相器71，所以所施加的输入信号D的相位不改变。因此，D触发器可以未反相地将输入信号D传送到反相器71的输出级。

以下将参考图7A描述D触发器的操作。当施加输入信号D时，前级上的反相器71使信号反相，并保持反相信号。然后，当两个开关72导通时，反相信号被传送到后级上的反相器71。此时，通过所施加的处于反相关系的信号clk和clkb，两个开关72彼此异相操作。

图7B是示出了D触发器的开关结构的示意图。如图7B所示，这个实施例的开关由两个有源元件72a和72b形成，每个有源元件包括栅极、源极、和漏极。

在有源元件72a和72b中，从漏极流到源极或从源极流到漏极的电流的幅度和方向是由施加在栅极和源极之间的电压的幅度和极性确定的。

对于晶体管，提供有双极结晶体管(BJT)、结型场效应晶体管(JFET)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、金属半导体场效应晶体管(MESFET)等。

除了栅极、源极、和漏极之外，确定的有源元件进一步包括体端。通过在栅极和体端之间所施加的电压的幅度和极性来确定从漏极流到源极或从源极流到漏极的电流的幅度、数量和方向。对于有源元件，提供有金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)等。

以下描述集中在MOSFET。然而，本发明可以应用于具有以上特征的所有有源元件以及MOSFET。因此，虽然本发明的描述集中在MOSFET上，但是本发明的范围并不限于MOSFET。

如上所述，这个实施例的开关由第一和第二MOSFET 72a和72b形成，这两个MOSFET的栅极分别接收时钟信号clk和时钟信号clk的反相信号clkb。为了稳定操作第一和第二MOSFET 72a和72b，第一MOSFET 72a的体端连接至电源VDD，以及第二MOSFET72b的体端接地。

在这个实施例中，p型MOSFET用作第一MOSFET 72a，以及n型MOSFET用作第二MOSFET 72b。然而，这仅是为了便于描述。本发明并不限于MOSFET的特定组合，而是可以使用其他类型的MOSFET或MOSFET的另一种组合，以大体上执行相同的操作。

图7C是示出了施加至开关的处于反相关系的时钟信号的曲线图。如图7C所示，可以发现施加至开关的两个信号clk和clkb具有180度的相差。当时钟信号低(0V)时，作为n型MOSFET的第二MOSFET 72b截止。当时钟信号高(1.8V)时，第二MOSFET72b导通，以将施加至输入级IN的信号传送至输出级OUT。

同时，图6的门单元62接收第14个D触发器的输出和第15个D触发器的输出，以产生用于第一个D触发器的输入的信号D。在这个实施例中，门单元62由异或门构成。

图8是根据这个实施例的异或门的框图。异或门包括由缓冲器实现的四个与非(NAND)门和一个非(NOT)门。异或门的真值表基于表1。

[表1]

A	B	A异或B(C)
			0	0	1
0	1	0
			1	0	0
1	1	1

图5的电压控制振荡器52产生具有预定频率的时钟信号，以使由图5的PN信号发生器51产生的伪随机信号的频率偏移。图5的混频器53将由PN信号发生器51产生的伪随机信号以及时钟信号进行混频，以产生混沌信号来输出。

另外，图5的带通滤波器54将从混频器53输出的混沌信号滤波成所需频带的混沌信号来输出。由于这个实施例主要应用于使用UWB的通信系统，所以带通滤波器54将混沌信号滤波成具有3GHz到5GHz频率的混沌信号。

图9A到图9F是示出了在本发明中所产生的输出电压波形和频谱的仿真结果的曲线图。执行仿真以使由图5的PN信号发生器51所产生的伪随机信号的频率对应于1GHz，以及使由图5的电压控制振荡器52所产生的时钟信号的频率对应于4GHz。

图9A和图9B示出了在D触发器中的输出电压波形和频谱。如图9A所示，可以发现由D触发器所产生的电压波形是不规则波形，其中，随着时间，0(0V电压)和1(1.8V电压)是混合的。另外，如图9B所示，可以发现频谱分布在1GHz的范围。

通过这样仿真结果，可以发现每个D触发器产生随机数据。

图9C和图9D示出了在异或门中的输出电压波形和频谱。可以发现异或门还像上述D触发器一样产生随机数据。施加该数据作为图5的混频器5的输入。

图9E示出了由图5的电压控制振荡器产生的时钟信号的频谱。可以发现电压控制振荡器产生4GHz的本振频率。

图9F示出了在本发明中最终产生的混沌信号的频谱。如图9F所示，可以发现产生了在UWB通信系统中所要求的在3GHz到5GHz范围内的混沌信号。

同时，图10示出了根据本发明实施例的用于产生混沌信号的方法的流程图。如图10所示，用于产生混沌信号的方法粗略地分为四个步骤。

首先，产生具有预定频率的数字伪随机信号(S101)。

接下来，产生具有预定频率的时钟信号(S102)。

然后，将在步骤S101所产生的伪随机信号和在步骤S102所产生的时钟信号进行混频，以产生混沌信号来输出(S103)。

最后，将在步骤S103所产生的混沌信号滤波成所需频带(3GHz到5GHz)的混沌信号，然后将其输出(S104)。

根据用于产生混沌信号的装置和方法，由于使用了数字型PN信号发生器，所以可以稳定地产生混沌信号而不论工程是否改变。

尽管已经示出和描述了本发明总的发明构思的一些实施例，但是本领域的技术人员应该理解，在不背离本发明总的发明构思的原则和精神的条件下可以对这些实施例作出改变，本发明的范围由所附的权利要求及其等同物限定。

Claims (14)

1.一种用于产生混沌信号的装置，包括：

PN信号发生器，由数字逻辑电路构成，并产生具有预定频率的数字伪随机信号；

电压控制振荡器，用于产生具有预定频率的时钟信号；

混频器，用于将所述伪随机信号和所述时钟信号进行混频，以产生混沌信号来输出；以及

带通滤波器，用于将从所述混频器输出的所述混沌信号滤波成所需频带的混沌信号，然后输出经过滤波的信号。

2.根据权利要求1所述的装置，

其中，所述PN信号发生器由数字逻辑电路形成，所述数字逻辑电路包括N个D触发器和门单元，并且产生预定位数(2^N-1)的伪随机信号，其中N是正数。

3.根据权利要求2所述的装置，

其中，每个所述D触发器均包括偶数个反相器和开关，并且根据所施加的正弦波信号，输出未反相的输入信号。

4.根据权利要求2所述的装置，

其中，所述门单元接收第(N-1)个D触发器的输出和第N个D触发器的输出，以产生用于第一个D触发器的输入的信号。

5.根据权利要求3所述的装置，

其中，所述开关由连接至所述反相器的第一MOSFET和第二MOSFET形成，所述第一MOSFET和所述第二MOSFET的栅极分别接收时钟信号和所述时钟信号的反相信号，所述第一MOSFET的体端连接至电源，以及所述第二MOSFET的体端接地。

6.根据权利要求5所述的装置，

其中，所述第一MOSFET是p型MOSFET，以及所述第二MOSFET是n型MOSFET。

7.根据权利要求4所述的装置，

其中，所述门单元由异或门构成。

8.一种用于产生混沌信号的方法，包括：

(a)产生具有预定频率的数字伪随机信号；

(b)产生具有预定频率的时钟信号；

(c)将在步骤(a)产生的所述数字伪随机信号和在步骤

(b)产生的所述时钟信号进行混频，以产生混沌信号来输出；

以及

(d)将从步骤(c)输出的所述混沌信号滤波成所需频带的混沌信号，然后输出经过滤波的信号。

9.根据权利要求8所述的方法，

其中，在步骤(a)，N个D触发器和门单元用于产生预定位数(2^N-1)的伪随机信号，其中，N是正数。

10.根据权利要求9所述的方法，

其中，每个所述D触发器均包括偶数个反相器和开关，并且根据所施加的正弦波信号，输出未反相的输入信号。

11.根据权利要求9所述的方法，

其中，所述门单元接收第(N-1)个D触发器的输出和第N个D触发器的输出，以产生用于第一个D触发器的输入的信号。

12.根据权利要求10所述的方法，

其中，所述开关由连接至所述反相器的第一MOSFET和第二MOSFET形成，所述第一MOSFET和所述第二MOSFET的栅极分别接收时钟信号和所述时钟信号的反相信号，所述第一MOSFET的体端连接至电源，以及所述第二MOSFET的体端接地。

13.根据权利要求12所述的方法，

其中，所述第一MOSFET是p型MOSFET，以及所述第二MOSFET是n型MOSFET。

14.根据权利要求11所述的方法，

其中，所述门单元由异或门构成。

Images