CN114826844A - 一种非对称脉冲超宽带发射机系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种非对称脉冲超宽带发射机系统包括：数字包络产生模块，用于产生非对称包络信号；开关键控调制模块，与数字包络产生模块连接，用于对非对称包络信号进行调制生成带有开关键控调制信息的非对称数字包络信号；本地振荡信号发生系统，用于产生本振信号；混频器和功率放大模块，分别与开关键控调制模块和本地振荡信号发生系统连接，用于将本振信号与非对称数字包络信号相乘生成非对称超宽带脉冲。本发明的非对称脉冲超宽带发射机系统不需要高速逻辑门等大功耗模块，具有结构简单，功耗低，性能强的特点。

Description

一种非对称脉冲超宽带发射机系统
技术领域
本发明涉及低功耗无线通信技术领域，具体而言，涉及一种非对称脉冲超宽带发射机系统。
背景技术
脉冲超宽带信号是依据时间-频率域变换原理，信号在时间域的脉冲越窄，则在频率域的带宽越宽，数据通过调制短脉冲的物理参数，如：幅度、相位、位置等产生脉冲超宽带射频信号。其优势在于电路可以通过间歇式工作来节省系统功耗，提高系统能量效率，适用于低功耗无线通信领域。
对于常规的脉冲超宽带发射机的脉冲整形主要基于三种方法。第一种方法使用模拟滤波器生成包络。但是现有的宽带模拟滤波器很难产生可调谐且准确的幅值；第二种是基于延时线的方法，但是这种方法的中心频率对工艺、电压和温度变化高度敏感且消耗大量功耗；第三种是用数字包络产生器代替宽带模拟滤波器或高速数字逻辑门，该方法被认为是一种产生超宽带脉冲的较低能耗的方式。然而，在传统的混合发射机中，通常使用三角包络脉冲，这使得在使用基于边缘检测的测距方法时难以实现精细的测距分辨率。尽管方波脉冲实现了比三角包络脉冲更精细的测距分辨率，但对于高数据速率通信，解调时会面对严重的码间串扰。
可见，现有的脉冲整形方法存在测距分辨率低，能耗高的问题。因此有必要研究一种用于高精度测距和高数据率通信，并且适用于低功耗应用场景的脉冲超宽带发射机。
发明内容
为解决上述问题，本发明实施例的目的在于提供一种非对称脉冲超宽带发射机系统。
一种非对称脉冲超宽带发射机系统，包括：
数字包络产生模块，用于产生非对称包络信号；
开关键控调制模块，与所述数字包络产生模块连接，用于对所述非对称包络信号进行调制生成带有开关键控调制信息的非对称数字包络信号；
本地振荡信号发生系统，用于产生本振信号；
混频器和功率放大模块，分别与所述开关键控调制模块和所述本地振荡信号发生系统连接，用于将所述本振信号与所述非对称数字包络信号相乘生成非对称超宽带脉冲。
优选的，本地振荡信号发生系统，包括：
频率产生模块，用于产生原始射频本地振荡信号；
二进制相移键控调制模块，与所述频率产生模块连接，用于消除所述原始射频本地振荡信号的频率杂散得到本振信号。
优选的，还包括：
跳频调制器，与所述频率产生模块连接，用于控制所述频率产生模块生成原始射频本地振荡信号。
优选的，所述频率产生模块为数控振荡器。
优选的，所述数字包络产生模块包括：多相延迟锁定环、多路选择器和JK触发器；所述多路选择器分别与所述多相延迟锁定环和所述JK触发器连接；所述多相延时锁定环用于产生多相位信号，多路选择器用于选择不同数据率时所需的相位，JK触发器用于产生固定宽度的包络。
优选的，所述混频器和功率放大模块为功率放大器阵列。
优选的，所述开关键控调制模块采用与门实现开关键控调制。
优选的，所述非对称包络信号台阶数为8。
本发明提供的一种非对称脉冲超宽带发射机系统的有益效果在于：与现有技术相比，本发明通过利用混频器和功率放大模块，将本振信号与非对称数字包络信号相乘生成非对称超宽带脉冲，可用于高精度测距和高数据率通信，同时不需要高速逻辑门等大功耗模块，具有结构简单，功耗低，性能强的特点。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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示出了本发明实施例所提供的常规的基于模拟滤波器的发射机系统结构示意图；
图2示出了本发明实施例所提供的常规的基于延时链的发射机系统结构示意图；
图3示出了本发明实施例所提供的常规的混合型的发射机系统结构示意图；
图4示出了本发明实施例所提供的一种非对称脉冲超宽带发射机系统的原理图；
图5示出了本发明实施例所提供的基于非对称脉冲超宽带发射机系统的信号产生方法的流程图；
图6示出了本发明实施例所提供的数字包络产生模块原理图；其中，REF：参考时钟，CLK_DAT：数据速率的时钟，PD/CP：鉴相器/电荷泵，LPF：环路滤波器，SW:选择信号；
图7示出了本发明实施例所提供的JK触发器产生的数字脉冲DPE<0>-DPE<7>原理图；
图8示出了本发明实施例所提供的一种非对称脉冲超宽带发射机系统的电路原理图；其中，FH MOD：跳频调制器，FCW：频率控制字，PRBS：随机数发生器。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在介绍本发明实施例提出的一种非对称脉冲超宽带发射机系统之前，本发明先介绍常见的实现脉冲超宽带发射机系统的方案。
图1为常规的基于模拟滤波器的发射机系统结构示意图。如图1所示，模拟滤波器产生的包络与本振信号相乘，信号通过功率放大器发射。但是由于现有的模拟滤波器很难产生可调谐且准确的幅值，因此图1产生的超宽带脉冲并不稳定。
图2为常规的基于延时链的发射机系统结构示意图。如图2所示，触发信号依次经过延时链模块和逻辑合成电路模块合成所需要的超宽带脉冲，并通过功率放大器模块发射信号。由于图2产生超宽带脉冲的中心频率与延时链模块的延时紧密相关，因此对延时链模块的电源电压和温度变化非常敏感，而且还需要逻辑合成电路模块合成超宽带脉冲信号，大幅度增加了系统功耗，难以适用于低功耗的应用场景。
图3为常规的混合型的发射机系统结构示意图，如图3所示，数字包络产生模块代替宽带模拟滤波器或高速数字逻辑门与频率产生模块生成的本振信号混频生成超宽带脉冲，该方法被认为是一种较低能耗的产生超宽带信号的方法。然而，在传统的混合发射机中，通常使用三角包络脉冲，这就使得在使用基于边缘检测的测距方法时难以实现较高的测距分辨率。尽管方波脉冲实现了比三角包络脉冲更精细的测距分辨率，但对于高数据速率通信，解调时仍会面对严重的码间串扰。
本发明正是基于上述问题，而提出了一种非对称脉冲超宽带发射机系统。
下面参照附图描述本发明实施例提出的非对称脉冲超宽带发射机系统。如图4所示，本发明的非对称脉冲超宽带发射机系统，包括：数字包络产生模块100、开关键控调制模块200、本地振荡信号发生系统和混频器和功率放大模块600。
数字包络产生模块100，用于产生非对称包络信号；开关键控调制模块200，与数字包络产生模块100连接，用于对非对称包络信号进行调制生成带有开关键控调制信息的非对称数字包络信号；本地振荡信号发生系统，用于产生本振信号；混频器和功率放大模块600，分别与开关键控调制模块和本地振荡信号发生系统连接，用于将本振信号与非对称数字包络信号相乘生成非对称超宽带脉冲。
请参阅图6-8，在本发明的一个实施例中，数字包络产生模块100由多相锁定环、多路选择器和JK触发器组成。多路选择器分别与多相延迟锁定环和JK触发器连接；多相锁定环工作在50MHz，用于产生80个相位的信号。压控延迟线与延时锁定环共享控制电压，以实现不同数据速率(例如5Mb/s和500Mb/s)所需的时间分辨率。从压控延迟线中选择9个相位信号来生成8个台阶的非对称包络。一组JK触发器产生一系列脉冲宽度逐次增加的数字脉冲DPE<0>-DPE<7>，加起来即为图6中产生的数字包络(类似不断下降的斜坡)，且脉冲宽度增加时间等于相邻相位上升沿之间的时间间隔。需要说明的是，数字包络产生模块100的由多相锁定环和多路选择器组成，多相延时锁定环使得多相位的延时锁定环产生许多相位phase，给到JK触发器(Pulse generator)输入，JK触发器输出为DPE<0-7>。
进一步的，本发明实施例中的本地振荡信号发生系统，包括：频率产生模块400、二进制相移键控调制模块500和跳频调制器300。
频率产生模块400，用于产生原始射频本地振荡信号；本发明的频率产生模块400为多比特的数控振荡器。数控振振荡器采用电感-电容结构，可以为混频器提供稳定的射频本地振荡信号。数控振荡器中的谐振腔可以获得6.5－8.5GHz的宽带频率调谐范围，分辨率为10MHz/LSB。在相同功耗下，使用NMOS和PMOS对的交叉耦合的数控振荡器比仅使用NMOS或PMOS对具有更高的幅度。且由于数控振荡器的偏置电流由尾电流控制，对工艺、电压和温度变化不敏感。
二进制相移键控调制模块500，与频率产生模块400连接，用于消除原始射频本地振荡信号的频率杂散得到本振信号。进一步的，二进制相移键控调制模块500随机地选择数控振荡器的差分输出，用于消除频率杂散。
跳频调制器300，与频率产生模块400连接，用于控制频率产生模块生成原始射频本地振荡信号。具体的，跳频调制器模块300，用于控制数控震荡器工作在12个子频段，每个子频段占据80MHz带宽，每个子频段重叠50％，跳频调制器扫频速率为5MHz，从而使得超宽带信号总的带宽超过500MHz。
开关键控调制模块200包括：PRBS伪随机数发生器和与门，当PRBS的输出信号OOK是1时，DPE的输出通过与门，当PRBS输出信号OOK是0时，DPE的输出不通过与门，即本发明中的开关键控调制模块200采用与门实现开关键控调制。
进一步的，混频器和功率放大模块600，由8个单端功率放大器单元组成。这个模块起到混频和功率放大器的作用。对于每个包络台阶，数字包络信号打开和关闭一部分功率放大器单元。开启的功率放大器单元数量越多，输出信号的幅度更高。通过动态调整开启的功率放大器单元的数量，实现了脉冲整形。对于非对称脉冲信号，当数据为“1”时，所有功率放大器单元同时开启并逐步关闭。当数据为“0”时，所有功率放大器单元都关闭。
图5为根据本发明实施例的基于非对称脉冲超宽带发射机系统的信号产生方法的流程图。
如图5所示，基于非对称脉冲超宽带发射机系统的信号产生方法包括以下步骤：S101，数控振荡器产生宽带可调谐射频信号；S102，跳频调制器按固定速率控制数控振荡器扫频；S103，非对称包络信号与本振信号相乘；S104，非对称脉冲超宽带信号通过功率放大器阵列发射出去。
本发明通过数字包络产生模块产生8个台阶的非对称的数字包络，经过开关键控调制模块，传递给混频器和功率放大模块，跳频调制器模块调节数控振荡器以一定速率扫频，经过二进制相移键控调制器传递给混频器和功率放大模块，混频器和功率放大模块通过改变导通的功率放大器单元数量产生非对称超宽带脉冲，与现有技术相比，本发明通过利用混频器和功率放大模块，将本振信号与非对称数字包络信号相乘生成非对称超宽带脉冲，可用于高精度测距和高数据率通信，同时不需要高速逻辑门等大功耗模块，具有结构简单，功耗低，性能强的特点。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换的技术方案，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种非对称脉冲超宽带发射机系统，其特征在于，包括：
数字包络产生模块，用于产生非对称包络信号；
开关键控调制模块，与所述数字包络产生模块连接，用于对所述非对称包络信号进行调制生成带有开关键控调制信息的非对称数字包络信号；
本地振荡信号发生系统，用于产生本振信号；
混频器和功率放大模块，分别与所述开关键控调制模块和所述本地振荡信号发生系统连接，用于将所述本振信号与所述非对称数字包络信号相乘生成非对称超宽带脉冲。
2.根据权利要求1所述的一种非对称脉冲超宽带发射机系统，其特征在于，本地振荡信号发生系统，包括：
频率产生模块，用于产生原始射频本地振荡信号；
二进制相移键控调制模块，与所述频率产生模块连接，用于消除所述原始射频本地振荡信号的频率杂散得到本振信号。
3.根据权利要求2所述的一种非对称脉冲超宽带发射机系统，其特征在于，还包括：
跳频调制器，与所述频率产生模块连接，用于控制所述频率产生模块生成原始射频本地振荡信号。
4.根据权利要求2所述的一种非对称脉冲超宽带发射机系统，其特征在于，所述频率产生模块为数控振荡器。
5.根据权利要求1所述的一种非对称脉冲超宽带发射机系统，其特征在于，所述数字包络产生模块包括：多相延迟锁定环、多路选择器和JK触发器；所述多路选择器分别与所述多相延迟锁定环和所述JK触发器连接；所述多相延时锁定环用于产生多相位信号，多路选择器用于选择不同数据率时所需的相位，JK触发器用于产生固定宽度的包络。
6.根据权利要求1所述的一种非对称脉冲超宽带发射机系统，其特征在于，所述混频器和功率放大模块为功率放大器阵列。
7.根据权利要求1所述的一种非对称脉冲超宽带发射机系统，其特征在于，所述开关键控调制模块采用与门实现开关键控调制。
8.根据权利要求1所述的一种非对称脉冲超宽带发射机系统，其特征在于，所述非对称包络信号台阶数为8。
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