CN103036590A - 高摆幅冲激无线电超宽带发射机 - Google Patents
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Abstract
一种采用OOK调制的高摆幅冲激无线电超宽带发射机，它由三角脉冲发生电路，网络驱动器，脉冲整形网络三部分组成：输入数字脉冲信号经过三角脉冲发生电路产生一个亚纳秒级三角脉冲，脉冲的宽度和幅度可调，网络驱动器受三角脉冲驱动经过脉冲整形网络输出高斯脉冲。该发射机采用OOK调制方式，仅在每个输入方波信号的下降沿输出高斯脉冲，网络驱动器使用堆叠晶体管和较大的电感，并采用三阶贝塞尔带通滤波器结构的脉冲整形网络提高输出摆幅且保证功率谱密度满足FCC标准，同时考虑了和天线以及封装连接线产生的寄生参数的匹配设计，从而输出理想的高摆幅脉冲。该发射机具有结构简单、输出摆幅大、发射距离远、抗偏差性能好、功耗低的特点。
Description
技术领域
本发明属于超宽带通信技术领域，具体涉及一种高摆幅冲激无线电超宽带发射机
背景技术
无线技术在通信进程中扮演着越来越重要的角色，超宽带(UWB)技术是目前备受关注的一种新型短距离高速率无线通信技术。它凭借着高传输速率、低功率、低成本等优势给短距离无线接入市场注入了新的活力。UWB最早应用在军事领域，2002年FCC规定UWB技术进入民用领域，但是要求在3.1~10.6 GHz的范围内发射功率谱密度要在 -41.3dBm/MHz以下。UWB进入民用领域后越来越多的被应用在无线传感网络和射频识别方面。传统的射频识别标签采用窄带发射信号，比较容易产生干扰，多径衰减，多用户碰撞等问题，因此越来越多的射频识别标签选择采用UWB发射信号，并且UWB实现结构简单低功耗，便于应用在无源标签系统中，结合碰撞率低，定位特性好等优点在无线射频识别通信领域得到越来越广泛的应用。但是UWB脉冲的低摆幅导致识别距离较短成为限制其发展的主要因素。
传统的UWB信号采用冲激无线电（Impulse Radio）形式，冲击无线电是一种无载波通信技术，利用皮秒至亚纳秒级的非正弦窄脉冲传输数据，具有很高的时间分辨率和很强的抗多径性能，并可以获得极宽的带宽和很低的功率谱密度 。冲击无线电常见形式是高斯脉冲，高斯脉冲信号有陡峭的上升沿和下降沿，信号不含直流分量低频分量较少，比较容易符合UWB信号的诸多特点，并且高斯脉冲的各次微分都具有比较简单的形式，随着微分阶数增加频谱会向着高频端移动，脉冲幅度也会提高便于产生和分析。
发明内容
针对当前超宽带发射机输出脉冲摆幅较低导致识别距离受限的问题，本发明提出了一种能够产生高输出摆幅脉冲的超宽带发射机。
本发明提出的冲激无线电超宽带发射机，通过采用堆叠晶体管和Q值较大的电感结构的网络驱动器，结合改进的梯状三阶贝塞尔带通滤波器结构的脉冲整形网络，实现输出高斯脉冲幅度的大幅提高。本发射机具有结构简单、输出脉冲摆幅大、发射距离远、抗偏差性能好、功耗低的特点。
本发明提出的高摆幅冲击无线电超宽带发射机，其系统架构图如图1所示，由三角脉冲发生电路、网络驱动器电路、脉冲整形网络电路共三个部分依次连接组成，最后输出高摆幅高阶高斯脉冲。
本发明的三角脉冲发生电路将输入信号经过两级buffer缓冲，减小输入信号的上升下降延时对输出信号的影响，接着经过一个延时可控的反相器，经过缓冲的原始信号和它的反向逻辑共同输入到一个带有控制逻辑的或非门，产生宽度和幅度可调的三角脉冲，输入到下一级网络驱动器，输出宽度和幅度可调的三角脉冲是为了补偿工艺偏差以及寄生效应的影响，使输出信号更稳定，严格仿真结果表明该模块输出0.3ns左右（例如0.2ns～0.4ns）的三角脉冲，驱动后级的网络驱动器能产生理想的摆幅较大且满足FCC标准的高阶高斯脉冲。
具体来说，所述三角脉冲发生电路，其CMOS电路如图2中左边框图“三角脉冲发生器”所示，由缓冲buffer1，缓冲buffer2，反相器inverter，或非门nor，缓冲buffer3依次连接组成，反相器inverter由带栅极偏执电压vctr1的晶体管M1控制延时，或非门nor在PUN和PDN中分别设置带有栅极偏执电压vctr2、vctr3的晶体管M2、M3。输入信号data经过缓冲buffer1和缓冲buffer2，减少输入信号的上升下降延时对产生三角脉冲宽度的影响，由缓冲buffer2输出信号给延时可控的反相器inverter，该反相器inverter由带栅极偏执电压vctr1的晶体管M1控制延时，经反相器inverter延时后输出的信号和原信号一起输入或非门nor，产生三角脉冲，其中，或非门nor在PUN和PDN中分别设置带有栅极偏执电压vctr2、vctr3的晶体管M2、M3，用来调节输出三角脉冲的宽度和幅度，补偿不同工作条件下的工艺偏差和寄生效应，输出宽度为0.3ns左右（例如0.2ns～0.4ns）的脉冲驱动后级的网络驱动器，能得到高摆幅且频率在UWB范围内的高斯脉冲。
本发明的网络驱动器采用堆叠NMOS晶体管的结构，三角脉冲驱动其中一个NMOS晶体管，将输入的电压信号转换成电流，堆叠NMOS是为了避免漏极电压太大击穿晶体管，同时隔离输出节点对输入的影响，提高输出电阻给后级滤波网络提供较大的电流；在堆叠NMOS管与电源之间接一个Q值较大的电感，用于提高输出脉冲的摆幅，该电感与接在NMOS漏极和脉冲整形网路之间的电容共同决定输出脉冲的中心频率。
具体来说，所述网络驱动器，其CMOS电路如图2中间框图“网络驱动器”所示，它采用在放大晶体管M4上堆叠一个带栅极偏执电压vbias的NMOS管M5结构，并由电感L1和电容C1连接在NMOS管M5的漏极振荡输出脉冲，电感L1接M5的漏极，电容C1将晶体管M5和后级的振荡回路相连。采用这种堆叠的结构可以有效的避免无源网络振荡时的峰值电压过大可能引起的晶体管击穿效应，并且可以很好的隔离输出对输入的影响，堆叠晶体管的输出电阻较大可以为后级的振荡网络提供较大的电流；电感L1和电容C1连接在M5的漏极振荡输出脉冲，电感L1将DC功率输入晶体管的漏极，电容C1将晶体管和后级的振荡回路相连，防止在负载中有任何的DC功耗，电感L1和电容C1共同决定输出脉冲的中心频率，适当增大电感L1减小电容C1有利于增大输出脉冲幅度并且保证输出脉冲的中心频率在UWB范围内。
所述脉冲整形网络， 其CMOS电路如图2中右边框图“脉冲整形网络”所示，它采用三阶贝塞尔带通滤波器结构，它是一种改进的梯状结构，由电感L2和电容C2并联后与电感L3串联，再与由电容C3、电容C4、电容C5组成的电容阵列并联组成。该滤波器一方面对输出脉冲进行二级振荡大幅度提高输出脉冲的摆幅，同时有滤波作用可以平滑输出信号的频谱，减小信号功率谱密度中的低频分量，将输出脉冲的功率谱密度限制在FCC规定的标准范围内。
本发明的脉冲整形网络采用三阶贝塞尔带通滤波器结构，主要由电感的性能决定输出脉冲的性能，不同电感值对应不同的Q值和自振荡频率，较高的电感值导致Q值低于10，较低的电感值导致自振荡频率大于15GHZ，因为在UWB范围内FCC标准的相关带宽较大，要求使用较低的电感值和低阶滤波器，因此，用三阶贝塞尔滤波器的结构；这个滤波器网络将前级网络驱动器中的晶体管输出电容吸收进来，对信号再次振荡产生高阶高斯脉冲。因为高斯导函数产生的脉冲没有直流分量，随着导函数阶数的增加脉冲幅度增加频谱向高频端移动，可以满足FCC对UWB信号频谱的要求。因此通过这个滤波器滤除输出低频分量平滑输出脉冲的频谱使其满足FCC对功率谱密度的限制。同时考虑到芯片和测试版上的UWB天线连接时的寄生效应，在滤波网络的末端连接了可控的电容阵列，通过控制带栅极电压偏置的NMOS管M6、M7、M8的栅极电压的高低调节接入滤波网络中的电容值，补偿工艺偏差和寄生效应对输出信号的衰减从而提高输出信号的摆幅。
该系统架构的优点：
1、本发明中三角脉冲发生器电路产生的脉冲宽度是可以调节的，考虑到工艺偏差的和输入脉冲的上升下降延时的影响，产生0.3ns左右的三角脉冲驱动后级网络驱动器。
2、本发明中网络驱动器电路，采用堆叠NMOS管的结构，有效的避免了晶体管的击穿效应并且有效的隔离了输出对于输入的影响；采用较大的电感提高输出脉冲的幅度，同时适当的减小电容保证输出信号的中心频率在超宽带范围内。
3、本发明中脉冲整形网络采用三阶贝塞尔带通滤波器结构，根据FCC对UWB信号的规定以及不同电感值对Q值和自振荡频率的影响，同时考虑了和网络驱动器的晶体管输出电容以及连接线的寄生效应进行协同设计，设置了适当的电感电容参数值，有效的提高输出信号的幅度，限制了发射信号功率谱密度，并且针对工艺偏差和寄生效应有一定的可调节性。
4、采用本发明的超宽带发射机，其输出脉冲幅度很大可以达到电源电压的80%，克服了UWB信号输出幅度低识别距离短的缺点，同时对工艺偏差以及寄生参数效应具有一定的可调节性，并且较多的采用数字电路和无源器件因此具有结构简单功耗低的优点。
附图说明
图1 高摆幅冲激无线电超宽带发射机系统框图。
图2 高摆幅冲激无线电超宽带发射机结构原理图。
图3 高摆幅冲激无线电超宽带发射机输出信号版图后仿真结果。
图4 高摆幅冲激无线电超宽带发射机输出信号功率谱密度。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。图1为整个发射机系统基本组成框图，它包括三角脉冲发生电路、网络驱动器、脉冲整形网络。采用本发明系统架构的发射机具有高输出摆幅、结构简单、抗工艺偏差性能好、功耗低的特点。
以下结合附图2详细介绍采用本发明的系统架构的发射机CMOS电路实施实例，整个发射机CMOS电路基于SMIC 0.18um CMOS工艺：
（1）三角脉冲发生器
其CMOS电路如图2中左边框图“三角脉冲发生器”所示，输入信号data经过缓冲器buffer1和缓冲器buffer2，减少输入信号的上升下降延时对产生三角脉冲宽度的影响，由缓冲器buffer2输出信号给延时可控的反相器inverter，该反相器inverter由带栅极偏执电压vctr1的晶体管M1控制延时，经反相器inverter延时后输出的信号和原信号一起输入或非门nor，产生三角脉冲，其中或非门nor在PUN和PDN中分别设置带有栅极偏执电压vctr2、vctr3的晶体管M2、M3，用来调节输出三角脉冲的宽度和幅度，补偿不同工作条件下的工艺偏差和寄生效应，输出宽度约为0.3ns的脉冲驱动后级的网络驱动器，能得到高摆幅且频率在UWB范围内的高斯脉冲。
（2）网络驱动器
其CMOS电路如图2中中间框图“网络驱动器”所示，它采用在放大晶体管M4上堆叠一个带栅极偏执电压vbias的NMOS管M5，采用这种堆叠的结构可以有效的避免无源网络振荡时的峰值电压过大可能引起的晶体管击穿效应，并且可以很好的隔离输出对输入的影响，堆叠晶体管的输出电阻较大可以为后级的振荡网络提供较大的电流；电感L1和电容C1连接在M5的漏极振荡输出脉冲，L1接晶体管M5的漏极，C1将晶体管M5和后级的振荡回路相连防止在负载中有任何的DC功耗，L1和C1共同决定输出脉冲的中心频率，适当增大L1减小C1有利于增大输出脉冲幅度并且保证输出脉冲的中心频率在UWB范围内。
（3）脉冲整形网络
其CMOS电路如图2中右边框图“脉冲整形网络”所示，它采用三阶贝塞尔带通滤波器结构，它是一种改进的梯状结构，电感L2和电容C2并联后与电感L3串联，再与由电容C3、C4、C5组成的电容阵列并联，该滤波器一方面对输出脉冲进行二级振荡大幅度提高输出脉冲的摆幅，同时有滤波作用可以平滑输出信号的频谱，减小信号功率谱密度中的低频分量，将输出脉冲的功率谱密度限制在FCC规定的标准范围内。
对于该滤波网络参数的设置，不同电感值对应不同的Q值和自振荡频率，较大的电感值导致Q值低于10，较低的电感值导致自振荡频率大于15GHZ，因为在UWB范围内FCC标准的相关带宽较大，要求使用较低的电感值和低阶滤波器，因此选用三阶贝塞尔滤波器的结构；该结构的归一化低通滤波器参数分别是g1=1.225,g2=0.5528,g3=0.1922，中心频率f0=4.5GHZ,归一化相对带宽为b=0.75，将前级网络驱动器晶体管的输出电容吸收进该滤波网络，并且把芯片和测试版焊接时焊接线的寄生参数考虑在内，把该网络结构设置成改进的梯状结构并确定各个无源器件的参数。
这个滤波器网络和前面的网络驱动器中的电感电容相结合可以产生高阶高斯脉冲。基本高斯脉冲波形为：
k阶高斯脉冲导函数的频谱为：
可见高斯导函数产生的脉冲没有直流分量，随着导函数阶数的增加，高斯脉冲的频谱向着高频端移动，因此便于使用不同阶数高斯脉冲的组合产生符合FCC标准的UWB脉冲。通过该贝塞尔带通滤波器滤除高斯脉冲低频分量平滑输出脉冲的频谱使其满足FCC对功率谱密度的限制，同时该整形网络可以对输出脉冲再次振荡提高输出摆幅输出高阶高斯脉冲。
考虑到芯片和测试版上的UWB天线连接时的寄生效应，在仿真时将连接线的寄生参数导入仿真模型中仿真，在滤波网络的末端连接了可控的电容阵列，通过控制带栅极电压偏置的NMOS管M6、M7、M8的栅极电压的高低调节接入滤波网络中的电容值，补偿工艺偏差和寄生效应对输出信号的衰减从而输出高摆幅的脉冲信号。
如图3所示为本发明的高摆幅冲击无线电超宽带发射机的输出信号版图后仿真图，该仿真基于SMIC 0.18um CMOS工艺，在3.3v电源电压下工作，输出电压幅度可以达到2.85v，相对于传统结构输出脉冲摆幅得到了很大程度的提升。
如图4所示为本发明的高摆幅冲击无线电超宽带发射机的输出信号功率谱密度版图后仿真图，可以看到输出信号的功率谱集中在UWB范围内并且满足FCC规定的标准。
Claims (4)
1. 一种高摆幅冲激无线电超宽带发射机，其特征在于：由三角脉冲发生电路、网络驱动器电路、脉冲整形网络电路共三个部分依次连接组成，最后输出高摆幅高阶高斯脉冲；
所述三角脉冲发生电路，由缓冲器buffer1，缓冲器buffer2，反相器inverter，或非门nor，缓冲器buffer3依次连接组成，反相器inverter由带栅极偏执电压vctr1的晶体管M1控制延时，或非门nor在PUN和PDN中分别设置带有栅极偏执电压vctr2、vctr3的晶体管M2、晶体管M3；输入信号data经过缓冲器buffer1和缓冲器buffer2，减少输入信号的上升下降延时对产生三角脉冲宽度的影响，由缓冲器buffer2输出信号给延时可控的反相器inverter，该反相器inverter由带栅极偏执电压vctr1的晶体管M1控制延时，经反相器inverter延时后输出的信号和原信号一起输入或非门nor，产生三角脉冲；
所述网络驱动器，采用在放大晶体管M4上堆叠一个带栅极偏执电压vbias的NMOS管M5结构，由电感L1和电容C1连接在NMOS管M5的漏极，振荡输出脉冲，电感L1接NMOS管M5的漏极， 电容C1将NMOS管M5和后级的振荡回路相连；
所述脉冲整形网络，它采用三阶贝塞尔带通滤波器结构，由电感L2和电容C2并联后与电感L3串联，再与由电容C3、电容C4、电容C5组成的电容阵列并联组成。
2. 根据权利要求1所述的高摆幅冲激无线电超宽带发射机，其特征在于：所述三角脉冲发生电路，输出宽度为0.2ns～0.4ns的脉冲，驱动后级的网络驱动器，得到高摆幅且频率在UWB范围内的高斯脉冲。
3. 根据权利要求1所述的高摆幅冲激无线电超宽带发射机，其特征在于：所述网络驱动器中，由电感L1和电容C1共同决定输出脉冲的中心频率，适当增大电感L1减小电容C1，以增大输出脉冲幅度并且保证输出脉冲的中心频率在UWB范围内。
4. 根据权利要求1所述的高摆幅冲激无线电超宽带发射机，其特征在于：所述脉冲整形网络，一方面对输出脉冲进行二级振荡，大幅度提高输出脉冲的摆幅，同时通过滤波以平滑输出信号的频谱，减小信号功率谱密度中的低频分量，将输出脉冲的功率谱密度限制在FCC规定的标准范围内。
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