CN115333553B - 一种全数字超宽带脉冲发射机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全数字超宽带脉冲发射机，其数字脉冲整形调制模块对基带数据锁存、采样，调制成数字脉冲数据；数字插值滤波模块对脉冲包络信号作插值滤波，使输出的脉冲波形越接近正弦波形或高斯波形，脉冲包络幅度越平滑；且能够抑制旁瓣谐波；功率放大器模块对数字脉冲滤波数据与射频载波时钟作混频，提高输出功率并输出到天线。本发明用数字处理的电路设计替代传统模拟电路设计，其优势是数字控制灵活可配，且时间精确度高，工艺或环境因素的不确定性影响小；可避免在中间级或后级模块中出现数据冗余，也可避免波形失真或效率低下；本发明的开发难度低，在功耗及面积上有明显优势。

Description

一种全数字超宽带脉冲发射机
技术领域
本发明主要涉及超宽带脉冲发射电路设计技术领域，尤其涉及一种全数字的超宽带脉冲发射机。
背景技术
超宽带（Ultra Wide Band，UWB）技术是一种短程无线通讯协定，具有定位精度高，穿透能力强等优点，但此脉冲信号必须满足IEEE 802.15.4 和 IEEE 802.15.4z（Institute of Electrical and Electronics Engineers）标准中规定的频域和时域要求。
传统的脉冲发射机设计，通常是通过对短方波脉冲进行滤波整形来发射脉冲波形。当应用频段高达6~9GHz时，其设计难度、功耗、面积大大增加，由于IEEE 802.15.4 和IEEE 802.15.4z协议对脉冲的时域信号及频域频谱有明确限定，导致传统的模拟电路方式需要根据协议要求设计相应滤波器，或设计延迟电路的方法来产生脉冲波形。同时，为了克服工艺偏差带来的不确定性，往往还需要设计复杂的校准补偿电路来保证产品的一致性。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
本发明的目的是在于解决传统的脉冲发射机设计，设计难度、功耗、面积大的技术问题。
为此，本发明提出一种全数字超宽带脉冲发射机，包括数字脉冲整形调制模块、数字插值滤波模块和功率放大器模块，其中：
数字脉冲整形调制模块用于对基带数据进行锁存、采样，并调制成包含脉冲包络信息的数字脉冲数据；
数字插值滤波模块用于对包含脉冲包络信息的数字脉冲数据作插值滤波，使脉冲发射机输出的脉冲波形在时域上越接近正弦波形或高斯波形，其脉冲包络幅度越平滑；并且能够在频域上抑制旁瓣谐波，提高发射效能；
在本发明的一些实施例中，所述数字脉冲整形调制模块通过寄存器可配的脉冲整形系数控制对数字脉冲数据的调制，其控制精度由锁相环或其他时钟电路保证。
在本发明的一些实施例中，所述数字脉冲整形调制模块能够对连续的基带数据作数字的脉冲叠加或抵消处理；其能够通过数字处理的方式，在对基带数据作脉冲包络整形调制的同时，对连续基带数据进行计算，将可能出现的脉冲叠加或抵消的情况通过数字处理的方式计算出其最终包络形状，并将计算后的结果直接输出至后级。
在本发明的一些实施例中，所述数字插值滤波模块的时钟信号是n相时钟，其与所述数字脉冲整形调制模块的工作时钟同源同向，其精度由锁相环或其他时钟电路保证，其中n≥2。
在本发明的一些实施例中，所述数字插值滤波模块的时钟信号，其频率为所述数字脉冲整形调制模块的工作时钟频率的n倍，其与所述数字脉冲整形调制模块的工作时钟同源同向，其精度由锁相环或其他时钟电路保证，其中n≥2。
在本发明的一些实施例中，所述数字插值滤波模块的输出数据为经过插值滤波平滑后的数字脉冲滤波数据，所述数字脉冲滤波数据直接控制功率放大器模块进行脉冲信号发射。
在本发明的一些实施例中，所述功率放大器模块为数字功率放大器，用于对插值滤波处理后的数字脉冲滤波数据与射频载波时钟作混频，提高其输出功率并输出到天线，其由时钟缓冲器、多个独立的差分子功率放大器和输出匹配网络组成，由数字脉冲滤波数据控制。
在本发明的一些实施例中，所述时钟缓冲器可以输出同相或者反相的射频时钟，由所述数字脉冲滤波数据的高位控制：如果所述高位=0，则时钟缓冲器将射频时钟缓冲后直接输出同相时钟；如果所述高位=1，则时钟缓冲器将射频时钟进行反相，再作缓冲后输出反相时钟；
每个所述差分子功率放大器都由数字脉冲滤波数据的原码控制，数字脉冲滤波数据的原码与时钟缓冲器输出的射频时钟作与门处理，即如果所述原码=0，则子功率放大器不输出；如果所述原码=1，则子功率放大器输出射频时钟，因此，同一时刻数字脉冲滤波数据原码=1的数量，等于子功率放大器打开并输出功率的数量。
在本发明的一些实施例中，所述功率放大器模块通过寄存器增益控制来控制功率放大器的输出功率，每个所述差分子功率放大器内有若干数量的放大器子电路，通过所述增益控制可以控制工作的放大器子电路的数量，从而控制数字功率放大器发射的脉冲信息幅度和输出功率。
在本发明的一些实施例中，所述输出匹配网络连接每个所述差分子功率放大器，对其作阻抗转换后输出至天线。
本发明还提供一种全数字超宽带脉冲发射方法。
本发明具有如下有益效果：
本发明用全数字处理的电路设计替代传统模拟电路设计，提出一种包含数字脉冲整形调制、数字插值滤波及数字功率放大的全数字超宽带脉冲发射机，生成能够满足IEEE802.15.4 和IEEE 802.15.4z协议要求的超宽带脉冲波形，不需要滤波器，延迟电路或校准电路。其时钟精确度由时钟电路保证，脉冲包络可通过数字寄存器来校准和调优，整体设计难度大幅度降低，从开发难度和功耗面积等角度，与传统模拟的方式相比，有明显优势。
在一些实施例中，通过寄存器可配的脉冲整形系数控制脉冲整形调制模块对数字脉冲数据的调制，相比于传统的延时策略，其优势是数字控制灵活可配，且时间精确度高，工艺或环境因素的不确定性影响很小，同时开发及设计难度很低，若搭配MCU或其他控制逻辑，可根据输出的脉冲质量作进一步的反馈及预处理。
在一些实施例中，在脉冲整形调制模块中通过数字处理的方式处理脉冲叠加或抵消的方法，可避免在中间级或后级模块中出现数据冗余，也可避免在后端功率放大器上作直接的脉冲叠加或抵消造成的波形失真或效率低下。
在一些实施例中，采用数字功率放大器，与传统的模拟功率放大器相比，数字功率放大器的设计开发难度较低，且不需要设计复杂的偏置或补偿电路来作工艺校准，配合前级的脉冲整形调制模块和数字插值滤波模块组合搭建的全数字脉冲发射机，其全数字系统的开发难度更低，在功耗及面积上有明显优势。
附图说明
图1是本发明实施例中全数字超宽带脉冲发射机的设计结构示意图；
图2是本发明实施例中脉冲整形调制过程的示意图；
图3是本发明实施例中脉冲整形调制过程中出现脉冲叠加或抵消时的示意图；
图4是本发明实施例中脉冲数字插值滤波过程的示意图；
图5是本发明实施例中脉冲数据混频及放大过程的示意图。
具体实施方式
下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，本实施例中的左、右、上、下、顶、底等方位用语，仅是互为相对概念，或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。
为了解决传统射频发射机的问题，本发明提出一种基于IEEE 802.15.4 和 IEEE802.15.4z协议规定，包含数字脉冲整形调制、数字插值滤波及数字功率放大的全数字超宽带脉冲发射机，用全数字处理的电路设计替代传统模拟电路设计，生成能够满足协议要求的超宽带脉冲波形，而且具有开发难度低、功耗面积低等优点。
图1示出上述全数字超宽带脉冲发射机的设计结构，所述电路结构包括：数字脉冲整形调制模块，数字插值滤波模块，功率放大器模块，其中功率放大器模块采用数字功率放大器。
数字脉冲整形调制模块的主要作用是对基带数据进行锁存，采样，并调制成包含脉冲包络信息的数字脉冲数据。
脉冲整形调制模块对数字脉冲数据的调制，是通过寄存器可配的脉冲整形系数pn<m:0>来控制的，其对数字脉冲数据的控制精度，由锁相环或其他时钟电路保证，工艺或者环境因素带来的不确定性可忽略，不需要另外设计校准电路作校准。相比于传统的延时策略，其优势是数字控制灵活可配，且时间精确度高，工艺或环境因素的不确定性影响很小，同时开发及设计难度很低。若搭配MCU或其他控制逻辑，可根据输出的脉冲质量作进一步的反馈及预处理。
脉冲整形调制模块可对连续的基带数据作数字的脉冲叠加或抵消处理。其可以通过数字处理的方式，在对基带数据作脉冲包络整形调制的同时，对连续基带数据进行计算，将可能出现的脉冲叠加或抵消的情况通过数字处理的方式计算出其最终包络形状，并将计算后的结果直接输出至后级。在脉冲整形调制模块中通过数字处理的方式处理脉冲叠加或抵消的方法，可避免在中间级或后级模块中出现数据冗余，也可避免在后端功率放大器上作直接的脉冲叠加或抵消造成的波形失真或效率低下。
脉冲整形调制模块的输入信号是从MCU发出的基带数据a<1:0>，其为2-bit的连续脉冲序列数据，其基带时钟为fBB。a<1:0>的高位a<1>为符号位，即数据00、01、11分别对应0、+1、-1 三种情况。
脉冲整形调制模块的工作时钟为fPS，其频率为基带时钟fBB的n倍（n≥2）。
脉冲整形调制模块的调制权重由寄存器可配的n组m-bit 脉冲整形系数p0<m:0>~pn<m:0>决定，其最高位pn<m>为符号位。脉冲整形系数代表每个时间周期内调制基带数据的包络幅度信息。
基带数据a<1:0>经过锁存，采样后，与脉冲整形系数p0<m:0>~pn<m:0>调制。图2示出脉冲整形调制的过程，将脉冲整形调制系数通过加法、乘法或卷积的方式对基带数据a<1:0>作脉冲包络幅度信息的调制，输出包含脉冲包络幅度信息的数字脉冲数据b< s:0>。
当基带数据有连续信号时，由于脉冲宽度超过基带数据周期，则有可能出现脉冲叠加或脉冲抵消。图3示出脉冲整形调制模块的调制过程中出现脉冲叠加和抵消的情况，脉冲整形调制模块在对基带数据调制过程中，将可能出现的脉冲叠加和抵消的情况，通过算法先计算出叠加后的脉冲包络幅度信息，再通过加法、乘法或卷积的方式对基带数据a<1:0>作脉冲包络幅度信息的调制，输出包含脉冲包络幅度信息的数字脉冲数据b< s:0>。
脉冲整形模块的输出数据为包含脉冲包络信息的数字脉冲数据b< s:0>，其最高位b<s>为符号位，由工作时钟fPS采样并输出。此输出数据将输入到数字插值滤波模块进行平滑滤波处理。
数字插值滤波模块的主要作用是对脉冲包络信号作插值滤波，使脉冲发射机输出的脉冲波形在时域上越接近正弦波形或高斯波形，其脉冲包络幅度越平滑；在频域上能有效抑制旁瓣谐波，提高发射效能。
数字插值滤波模块的输入信号是脉冲整形调制模块输出的数字脉冲数据b< s:0>，其采样时钟为fPS。
数字插值滤波模块的时钟信号是频率为fPS的n相时钟（n≥2）。此时钟与脉冲整形调制模块的工作时钟同源同向。此时钟的精度由锁相环或其他时钟电路保证，因此由于工艺或者环境因素带来的不确定性可忽略，不需要另外设计校准电路作校准。此多相时钟也可被fPS的n倍频率工作时钟（n*fPS，n≥2）所替代。
数字插值滤波模块的输出数据为经过插值滤波平滑后的数字脉冲滤波数据c< s:0>，其最高位c<s>为符号位。此输出数据将直接控制数字功率放大器模块进行脉冲信号发射。
图4示出脉冲数字插值滤波的过程。数字插值滤波的原理如下：
基带数据经过脉冲整形调制模块调制后，其输出的数字脉冲数据b< s:0>被时钟fPS采样。
在数字插值滤波模块，对数字脉冲数据b< s:0>作锁存、采样后，用多相时钟对数据分别采样，锁存数据按固定相位差（或延时）输出到后级数字功率放大器。则原本频率为fPS的数字脉冲数据b< s:0>，经过插值滤波后变成n倍数据抽样值（n≥2）的数字脉冲滤波数据c< s:0>，而其脉冲包络幅度信息经过插值滤波处理后，在时域上使脉冲的包络边沿变平滑，更接近正弦或高斯波形，在频谱上实现带通滤波的作用，滤掉主瓣以外fPS频率的谐波成分，进一步抑制频谱旁瓣。
数字功率放大器模块的主要作用是对插值滤波处理后的数字脉冲滤波数据c< s:0>与射频载波时钟frf作混频，提高其输出功率并输出到天线。与传统的模拟功率放大器相比，数字功率放大器的设计开发难度较低，且不需要设计复杂的偏置或补偿电路来作工艺校准。配合前级的脉冲整形调制模块和数字插值滤波模块组合搭建的全数字脉冲发射机，其全数字系统的开发难度更低，在功耗及面积上有明显优势。
现结合以下实施例，对本发明做进一步解释：
图5示出脉冲数据混频及放大的过程。数字功率放大器模块的输入信号为数字脉冲滤波数据c< s:0>，其高位c<s>为符号位。
数字功率放大器模块由时钟缓冲器buffer，s个独立的差分功率放大器PA_unit和输出匹配网络组成，分别由数字脉冲滤波数据的高位c<s>和s位原码c<(s-1):0>控制。
数字功率放大器模块的时钟缓冲器buffer由数字脉冲滤波数据的高位c<s>控制，如果c<s>=0，则时钟缓冲器buffer将射频时钟缓冲后直接输出；如果c<s>=1，则时钟缓冲器buffer将射频时钟进行反相，再作缓冲后输出。
数字功率放大器模块的每个独立的差分子功率放大器都由数字脉冲滤波数据的原码c<n>（n=0~s-1）控制。数字脉冲滤波数据的原码c<n>与时钟缓冲器buffer输出的射频时钟作与门AND处理，即如果c<n>=0，则子功率放大器不输出；如果c<n>=1，则子功率放大器输出射频时钟。因此，同一时刻数字脉冲滤波数据原码c<n>=1的数量，等于子功率放大器打开输出功率的数量。
数字功率放大器模块通过寄存器增益控制G来控制功率放大器的输出功率。每个子功率放大器内有若干数量的放大器子电路。通过增益控制G可以控制工作的放大器子电路的数量。由于每个子功率放大器都是由同一个寄存器增益控制G来控制增益，则脉冲数据所代表的脉冲包络信息不会受影响，而增益控制G可以通过控制工作的放大器子电路的数量来控制数字功率放大器发射的脉冲信息幅度和输出功率。
数字功率放大器模块的输出匹配网络连接每个差分子功率放大器，对功率放大器作阻抗转换后输出至天线。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种全数字超宽带脉冲发射机，其特征在于，包括数字脉冲整形调制模块、数字插值滤波模块和功率放大器模块，其中：
数字脉冲整形调制模块用于对基带数据进行锁存、采样，并调制成包含脉冲包络信息的数字脉冲数据；
所述数字脉冲整形调制模块能够对连续的基带数据作数字的脉冲叠加或抵消处理；其能够通过数字处理的方式，在对基带数据作脉冲包络整形调制的同时，对连续基带数据进行计算，将可能出现的脉冲叠加或抵消的情况通过数字处理的方式计算出其最终包络形状，并将计算后的结果直接输出至后级；
数字插值滤波模块用于对包含脉冲包络信息的数字脉冲数据作插值滤波，使脉冲发射机输出的脉冲波形在时域上越接近正弦波形或高斯波形，其脉冲包络幅度越平滑；并且能够在频域上抑制旁瓣谐波，提高发射效能。
2.根据权利要求1所述的全数字超宽带脉冲发射机，其特征在于，所述数字脉冲整形调制模块通过寄存器可配的脉冲整形系数控制对数字脉冲数据的调制，其控制精度由时钟电路保证。
3.根据权利要求1所述的全数字超宽带脉冲发射机，其特征在于，所述数字插值滤波模块的时钟信号是n相时钟，其与所述数字脉冲整形调制模块的工作时钟同源同向，其精度由锁相环或其他时钟电路保证，其中n≥2。
4.根据权利要求1所述的全数字超宽带脉冲发射机，其特征在于，所述数字插值滤波模块的时钟信号，其频率为所述数字脉冲整形调制模块的工作时钟频率的n倍，其与所述数字脉冲整形调制模块的工作时钟同源同向，其精度由锁相环或其他时钟电路保证，其中n≥2。
5.根据权利要求1所述的全数字超宽带脉冲发射机，其特征在于，所述数字插值滤波模块的输出数据为经过插值滤波平滑后的数字脉冲滤波数据，所述数字脉冲滤波数据直接控制功率放大器模块进行脉冲信号发射。
6.根据权利要求1所述的全数字超宽带脉冲发射机，其特征在于，所述功率放大器模块为数字功率放大器，用于对插值滤波处理后的数字脉冲滤波数据与射频载波时钟作混频，提高其输出功率并输出到天线，其由时钟缓冲器、多个独立的差分子功率放大器和输出匹配网络组成，由数字脉冲滤波数据控制。
7.根据权利要求6所述的全数字超宽带脉冲发射机，其特征在于，所述时钟缓冲器可以输出同相或者反相的射频时钟，由所述数字脉冲滤波数据的高位控制：如果所述高位=0，则时钟缓冲器将射频时钟缓冲后直接输出同相时钟；如果所述高位=1，则时钟缓冲器将射频时钟进行反相，再作缓冲后输出反相时钟；
每个所述差分子功率放大器都由数字脉冲滤波数据的原码控制，数字脉冲滤波数据的原码与时钟缓冲器输出的射频时钟作与门处理，即如果所述原码=0，则子功率放大器不输出；如果所述原码=1，则子功率放大器输出射频时钟，因此，同一时刻数字脉冲滤波数据原码=1的数量，等于子功率放大器打开并输出功率的数量；
所述功率放大器模块通过寄存器增益控制来控制功率放大器的输出功率，每个所述差分子功率放大器内有若干数量的放大器子电路，通过所述增益控制可以控制工作的放大器子电路的数量，从而控制数字功率放大器发射的脉冲信息幅度和输出功率。
8.根据权利要求6所述的全数字超宽带脉冲发射机，其特征在于，所述输出匹配网络连接每个所述差分子功率放大器，对其作阻抗转换后输出至天线。
9.一种全数字超宽带脉冲发射方法，其特征在于，采用如权利要求1-8中任一项所述的发射机。
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