CN101924574B

CN101924574B - 幅度和频谱可调的脉冲式超宽带发射机

Info

Publication number: CN101924574B
Application number: CN 201010266075
Authority: CN
Inventors: 蒋俊; 洪志良
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2010-08-30
Filing date: 2010-08-30
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2030-08-30
Also published as: CN101924574A

Abstract

本发明属于超宽带通信技术领域，具体为幅度和频谱可调的脉冲式超宽带发射机。该发射机采用四级模块顺序连接组成，前两级产生BPSK调制的脉冲信号，中间RLC选频网络实现脉冲幅度、长度和频谱的调节，最后由超宽带的输出buffer输出脉冲。该发射机采用BPSK方式调制，RLC网络作为整个系统的核心模块，实现脉冲参数的调节和工艺偏差的补偿。利用IR-UWB传输信号低占空比的特点，无脉冲时关断输出buffer来降低功耗。该发射机具有脉冲参数可调的优点，使其可以满足不同国家UWB标准的频谱和发射功率要求。

Description

幅度和频谱可调的脉冲式超宽带发射机

技术领域

本发明属于超宽带通信技术领域，具体涉及一种脉冲式超宽带发射机。

背景技术

当今电子消费产品种类日益增多，电子消费产品之间的短距离高速无线通信越来越受到人们的关注。脉冲式超宽带（IR-UWB）是一种适用于短距离的高速无线通信技术，其源于军事雷达技术，直接利用亚纳秒级的窄脉冲传输数据，脉冲的频谱很宽，高达500MHz以上。具有许多独特的优势，如低截获率、抗多径、穿透性强、逻辑结构简单等；理论上可达到500MHz的传输速率，无需许可申请即可使用。随着微电子器件的高速发展，UWB技术可以应用于民用领域，IR-UWB发射机以其功率小、无载波调制的简单结构等优点，成为高速无线通信的低成本解决办法。

2002年美国联邦通信委员会（FCC）批准了民用UWB规范，对信号的频段和功率辐射掩蔽(emission mask)作了规定，欧盟、亚洲的日本、新加坡也相继出台了各自的民用标准，我国的超宽带标准也已经公布，各国UWB标准中对脉冲的频谱和发射功率的要求是有差别的。IR-UWB带宽极宽，通常为几个GHz，因此受到工艺偏差影响，其中心频率及宽带偏差较大，达到几百MHz甚至更大。

发明内容

针对当前IR-UWB发射机受不同UWB标准的限制和工艺偏差影响较大的问题，本发明提出了一种幅度和频谱连续可调的IR-UWB发射机。

本发明提出的IR-UWB发射机，可以通过调整脉冲幅度来控制发射机的发射功率，同时通过RLC选频网络来实现脉冲中心频率和带宽的调节。利用IR-UWB低占空比的特点，控制输出buffer的开启和关断来降低功耗。本IR-UWB发射机具有结构简单、功耗低、频谱和幅度可调的特点。

本发明提出的IR-UWB发射机，其系统架构如图1所示，具体包括：BPSK调制的脉冲发生器、幅度可调的脉冲合并器、RLC选频器、输出buffer、输出buffer控制器，共5个部分。其中前四部分，按顺序组成一条通路链。辅助电路“输出buffer控制器”选择“输出buffer”开启和关断，实现低功耗。其中：

所述BPSK调制的脉冲发生器，有两条互相独立的脉冲发生支路，两条支路分别只产生正脉冲和负脉冲，正脉冲和负脉冲分别对应于BPSK调制方式中基带数据“0”和“1”。BPSK调制速率由输入时钟控制，BPSK调制数据由基带数据输入端控制。两条支路的输出分别只包含正脉冲和负脉冲，输入下一级电路。

所述幅度可调的脉冲合并器，将前一级BPSK调制的脉冲发生器的两条支路输入的正脉冲和负脉冲合并成到一条支路上输出。同时对正、负脉冲的幅度加以控制，根据需要设计几组可选放大值，以便适应不同国家的UWB标准对发射功率的要求。

所述RLC选频器采用RLC网络，是整个系统的关键部分，具体由电阻R、电感L、电容C并联结构组成。RLC选频网络中心频率为

，将电容C设计为可变的，进而实现中心频率

可变，满足不同国家标准的频谱要求，同时也可以纠正工艺偏差引起的频偏。RCL网络的频率响应

与频率

的关系满足：

从上面的表达式可以看出，调节电容C可以改变电路的带宽，调节电阻R值也可以改变脉冲带宽但同时也改变了脉冲幅度。将R设计成一个连续可调的电阻，则达到幅度、带宽的连续可调。RLC选频器完成发射机的频谱、幅度调节。

输出buffer控制器，产生一个开关信号用以控制输出buffer是通路还是断路。IR-UWB脉冲时域上是亚纳秒级的，而脉冲发射速率是百MHz级的，因此占空比非常低。在脉冲到达时开启输出buffer电路，脉冲消失时关闭电路，这样可以大大降低输出buffer的功耗。

输出buffer，设计成一个超宽带的功率放大器。该功率放大器设有开关控制端，实现输出buffer的通断路状态可控。开关控制端由“输出buffer控制器”的输出信号控制。

该系统架构的优点：

1、本发明中，“输出buffer”利用IR-UWB低占空比的特点，采用“输出buffer”可关断的技术，当脉冲到来时，开启“输出buffer”通路；脉冲消失时，关断“输出buffer”通路，大大降低了“输出buffer”的功耗。

2、本发明中，“RLC选频器”采用RLC网络，电容C、电感L、电阻R并联结构，实现频谱、幅度可调。对RCL网络设计，采用多组不同的电容值C，实现不同的中心频率；电阻R设计为可变电阻，来完成对带宽的调节。RLC选频网络，实现对输出宽带和中心频率的控制，满足对不同国家UWB标准的频谱要求。对于工艺偏差引起的谱频偏差，也可以通过RLC调整来实现。

3、本发明中，“幅度可调的脉冲合并器”，针对不同的UWB标准发射功率要求，幅度的放大倍数设计成几组可选方案。另外，还可以根据不同的发射距离对功率的要求，外加几组放大倍数。

4、采用本发明的发射机，其幅度、频谱可调，具有低功耗、结构简单的特点。适用于不同的UWB标准，受工艺偏差引起的偏频较小。本发明电路实现方案简单，所有模块都可基于CMOS工艺集成，具有低成本、低功耗的优点。

附图说明

图1 脉冲式超宽带发射机结构。

图2 BPSK调制的脉冲产生器、幅度可调的脉冲合并器和RLC选频器。

图3 输出buffer控制器和输出buffer。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步说明。图1所示为整个发射机的系统基本构件组成，它包括：BPSK调制的脉冲产生器、幅度可调的脉冲合并器、RLC选频器、输出buffer控制器和输出buffer。采用本发明系统架构的发射机具有幅度、频谱可调的功能。

以下结合附图2和图3，详细介绍采用本发明系统架构的发射机CMOS电路实施例，整个发射机CMOS电路基于SMIC 0.13μm CMOS工艺：

1）BPSK调制的脉冲发生器

其电路如图2中左边框图“BPSK调制的脉冲发生器”所示，分为上、下两条支路。上支路由反相器inv1、或非门X2、与非门X3依次连接组成，下支路由反相器inv2、或非门X1、与非门X4依次连接组成；两支路前设有第一级反相器。上支路输出负脉冲，下支路输出正脉冲，正负脉冲分别对应于BPSK调制数据端口data的“1”和“0”。输入信号clk作为时钟输入端，其频率可设为100MHz，此频率也是BPSK的调制频率。输入信号clk经第一级反相器整形得clk_i，clk_i分为两路输入到上、下两条支路。上支路中：clk_i经过反相器inv1延时后的信号和信号clk_i一起输入或非门X2，产生（频率为100MHz的）负脉冲；下支路中：clk_i经过反相器inv2延时后的信号与clk_i一起输入与非门X1，产生（周期为100MHz的）正脉冲。进而，上支路中：或非门X2的输出与BPSK调制的基带信号data输入与非门X3，当data为0时，与非门X3输出负脉冲，当data为1时，与非门X3不输出脉冲；下支路中：与非门X1的输出与BPSK调制的基带信号data输入或非门X4，当data为1时，或非门X4输出正脉冲，当data为0时，或非门X4不输出脉冲。整个模块电路完成了BPSK调制，将正、负脉冲分为上、下两条支路输出到下一级。

2）幅度可调的脉冲合并器

其CMOS电路如图2中间框图“幅度可调的脉冲合并器”所示，此部分CMOS电路由PMOS管M1、 M2， NMOS管M5、 M6和PMOS管M3、 M4， NMOS管M7、 M8两条支路组成，单个支路均由两个PMOS管和两个NMOS管由上而下串联而成。两条支路后设有偏置电压VbisaA和电阻R1。两条支路中M1、 M2与M3 、M4是成比例的，M5 、M6与M7、M8也是成比例的；通过控制端口D0、 D1分别取“01”、“10”或“11”来实现不同的放大倍数。根据需要还可以增加几组支路来实现更多的放大倍数。此部分电路将上支路的负脉冲和下支路的正脉冲合并为一条输出，产生（频率为100MHz） BPSK调制的脉冲数据信号。由于存在工艺偏差，可能会导致MOS工作截止或饱合，引起正负脉冲幅度不对称。设置偏置电压VbisaA和R1就是为了解决这个问题，通过设节偏置电压VbiasA来调整工作点，使得输出的正负脉冲幅度对称。

3）RLC选频器

其CMOS电路如图2中右边框图“RLC选频器”所示，该模块是整个电路的核心，实现整个电路的频谱、幅度可调。该包括若干电容支路，各个电容支路的一端分别接一NMOS管，通过控制NMOS管的开关来决定电容的连通情况；这些电容支路的另一端与并联的PMOS管和电感连接。图2中，只给出了3个电容C2 、C3、 C4支路的例子，3个电容C2 、C3、 C4的一端分别接3个NMOS管M9、M10、M11，通过控制NMOS管M9、 M10 、M11的开关来决定电容C2 、C3、 C4的连通情况。根据需要还可以加入更多的电容支路，以实现更多的中心频率调节。增加一些由于工艺偏差引起的补偿电容，来消除频偏影响。3个电容C2 、C3、 C4的另一端与并联的PMOS管M12和电感L1连接。电感L1固定不变，设计PMOS管M12为电阻R，并且为连续可调电阻。根据需要，还可以设置更多的电阻支路。通过调整PMOS管M12的输入电压Res，来完成脉冲的带宽、幅度的连续变化。配合前一级“幅度可调的脉冲合并器”幅度放大，连续调整PMOS管M12管的输入电压Res，可以实现不同带宽和幅度要求。

4）输出buffer控制器

其CMOS电路如图3中左边框图“输出buffer控制器”所示，产生“输出buffer”的开关信号。具体由延时单delay1、反相器单元inv4 、inv3 、inv5 、inv6和与非门X5依次连接组成。该模块的输入时钟clk与“BPSK调制的脉冲发生器”的输入时钟clk是一样的100MHz的时钟。输入信号clk经过延时单delay1延时，分为两条支路，上条支路直接到达“与非门X5”，下条支路经过反相器单元inv4、 inv3、 inv5、 inv6到达“与非门X5”。其中反相器单元inv3采用“电流可控反相器”结构，如图上方的虚线框所示，具体由MOS管M18、 M19 、M20、 M21组成“电流可控反相器”，并由MOS管M13、 M15、 M16 、M17组成偏置电路。通过控制Vctrl可以调整支路电流的大小，进而实现延时可控，即X5输出的单峰脉冲开关信号宽度可调。

5）输出buffer

其CMOS电路如图3中右边框图“输出buffer”所示，NMOS管M22、电感L2、电容C5、电容C7组成一个超宽带的功率放大器，并设有片外负载电阻R3、开关控制管NMOS管M23以及与NMOS管M23并联的电容C6；NMOS管M23 ctrl输入端与电容C6之间接有电容C8。片外负载电阻R3的阻值可为50Ω。NMOS管M23为开关控制管，当NMOS管M23输入端ctrl为高电平时，“输出buffer”开启工作；ctrl为低电平时，“输出buffer”关闭；由于IR-UWB占空比极低，因此大大降低“输出buffer的”功耗。电容C8用于防止ctrl输入端的高频信号耦合到输出端电阻R3，将高频成份滤除掉。当输入端Vin有脉冲输入，且ctrl不能准确开启NMOS管M23时，电容C6可以解决NMOS管M23的开关信号与脉冲到达时间不匹配的问题。

Claims

1.一种幅度和频谱可调的脉冲式超宽带发射机，其特征在于：所述的发射机由BPSK调制的脉冲发生器、幅度可调的脉冲合并器、RLC选频器、输出buffer四个模块依次连接组成，此外还有辅助模块输出buffer控制器；其中：

所述BPSK调制的脉冲发生器，有两条互相独立的脉冲发生支路，两条支路分别只产生正脉冲和负脉冲，正脉冲和负脉冲分别对应于BPSK调制方式中基带数据“0”和“1”；BPSK调制速率由输入时钟控制，BPSK调制数据由基带数据输入端控制；两条支路的输出分别只包含正脉冲和负脉冲，输入下一级电路；

所述幅度可调的脉冲合并器，将前一级BPSK调制的脉冲发生器的两条支路输出的正脉冲和负脉冲合并成到一条支路上输出，并且对正、负脉冲的幅度进行放大，放大值设有几组供选择；

所述的RLC选频器具有若干电容支路，各个电容支路的一端分别接一NMOS管，通过控制NMOS管的开关来决定电容的连通情况；这些电容支路的另一端与并联的PMOS管和电感连接；

所述RLC选频器采用RLC网络，由电阻R、电感L、电容C并联结构组成；其中，电容C设计为可调的，实现中心频率

可调；将电阻R设计成可调的，即实现幅度、带宽的可调；

所述输出buffer控制器，产生一个开关信号用以控制输出buffer是通路还是断路，在输出buffer输入脉冲到达时开启输出buffer电路，脉冲消失时关闭电路，降低输出buffer的功耗；

所述输出buffer，设计成一个超宽带的功率放大器；该功率放大器设有开关控制端，实现输出buffer的通断路状态可控，开关控制端由“输出buffer控制器”的输出信号控制。

2.根据权利要求1所述的幅度和频谱可调的脉冲式超宽带发射机，其特征在于：所述的BPSK调制的脉冲发生器分为上、下两条支路；上支路由第一反相器（inv1）、第二或非门（X2）、第三与非门（X3）依次连接组成，下支路由第二反相器（inv2）、第一与非门（X1）、第四或非门X4依次连接组成；两支路前设有第一级反相器；输入信号（clk）经第一级反相器整形得信号（clk_i），信号（clk_i）分为两路输入到上、下两条支路；上支路中：信号（clk_i）经过第一反相器（inv1）延时后的信号和信号（clk_i）一起输入第二或非门（X2），产生负脉冲；下支路中：信号（clk_i）经过第二反相器（inv2）延时后的信号与信号（clk_i）一起输入第一与非门（X1），产生正脉冲；进而，上支路中：第二或非门（X2）的输出与BPSK调制的基带信号（data）输入第三与非门（X3）；下支路中：第一与非门（X1）的输出与BPSK调制的基带信号（data）输入第四或非门（X4）。

3.根据权利要求1所述的幅度和频谱可调的脉冲式超宽带发射机，其特征在于：所述的幅度可调的脉冲合并器的CMOS电路由第一PMOS管（M1）、第二PMOS管（M2），第五NMOS管（M5）、第六NMOS管（M6）和第三PMOS管（M3）、第四PMOS管（M4），第七NMOS管（M7）、第八NMOS管（M8）两条支路组成，单个支路均由两个PMOS管和两个NMOS管由上而下串联而成；两条支路后设有偏置电压（VbisaA）和第一电阻（R1）。

4.根据权利要求1所述的幅度和频谱可调的脉冲式超宽带发射机，其特征在于：所述的输出buffer控制器，用于产生输出buffer的开关信号，由延时单元（delay1）、第四反相器单元（inv4）、第三反相器单元（inv3）、第五反相器单元（inv5）、第六反相器单元（inv6）和第五与非门（X5）依次连接组成；其输入信号（clk）与BPSK调制的脉冲发生器的输入信号（clk）一样，输入信号（clk）经过延时单元（delay1）延时，分为两条支路，上条支路直接到达第五与非门（X5），下条支路经过第四反相器单元（inv4）、第三反相器单元（inv3）、第五反相器单元（inv5）、第六反相器单元（inv6）到达与第五非门（X5）；其中第三反相器单元（inv3）采用电流可控反相器结构，即由第十八MOS管（M18）、第十九MOS管（M19）、第二十MOS管（M20）、第二十一MOS管（M21）组成电流可控反相器，并由第十三MOS管（M13）、第十五MOS管（M15）、第十六MOS管（M16）、第十七MOS管（M17）组成偏置电路。

5.根据权利要求1所述的幅度和频谱可调的脉冲式超宽带发射机，其特征在于：

所述的输出buffer中，由第二十二NMOS管（M22）、第二电感（L2）、第五电容（C5）、第七电容（C7）组成一个超宽带的功率放大器，并设有片外负载第三电阻（R3）、开关控制管第二十三NMOS管（M23）以及与第二十三NMOS管（M23）并联的第六电容（C6），第二十三NMOS管（M23） ctrl输入端与第六电容（C6）之间接有第八电容（C8）；当第二十三NMOS管（M23）输入端ctrl为高电平时，输出buffer开启工作；ctrl为低电平时，输出buffer关闭；第八电容（C8）用于防止ctrl输入端的高频信号耦合到输出端第三电阻（R3），将高频成份滤除掉；当输入端Vin有脉冲输入，且ctrl不能准确开启第二十三NMOS管（M23）时，第六电容（C6）用于解决第二十三NMOS管（M23）的开关信号与脉冲到达时间不匹配的问题。