CN1492597A - 超宽带直接序列二相相移键控窄脉冲发生器 - Google Patents

Abstract

超宽带直接序列二相相移键控窄脉冲发生器是一种应用于超高速近距离无线个域网(WPAN)，以及用于近距离高速无线通信以取代有线通信的装置，该发生器上支路的反向整形器2、宽带滤波器4、宽带放大器6、控制开关8顺序串联连接，下支路的正向整形器3、宽带滤波器5、宽带放大器7、控制开关9顺序串联连接，中支路的数据源12、伪随机序列发生器14的输出端接模2加法器13，模2加法器13的输出端分别接传输门10、反相器11，传输门10、反相器11的输出端接控制开关8、9，控制开关8、9的输出端接叠加器15的输入端，叠加器15的输出端接宽带放大器16的输入端，基准源1的输出端分别接反向整形器2和正向整形器3的输入端。

Description

超宽带直接序列二相相移键控窄脉冲发生器

一、技术领域

本发明是一种应用于超高速近距离无线个域网(WPAN)，以及用于近距离高速无线通信以取代有线通信的装置，属于超宽带无线通信设备的技术领域。

二、背景技术

超宽带无线通信技术最早可以追溯到1887年赫兹利用火花放电发送机的实验，而七年后马可尼就利用了赫兹实验方案开始了人类最初的无线电通信的探索，但随后这种以脉冲形式传送信息的方式逐渐被连续波通信所取代。连续波通信最常用的技术是将一条或多条信息叠加到一个高频正弦或余弦载波上，然后通过媒质(有线或无线)传送到接收端并解调，恢复发送内容。信息信号的原始形式可能是音频信号，数据脉冲，视频信号，或者其他信号。高频载波通过的传输媒介可能是空气(无线电传输)，双绞电缆，光缆，或是其他媒介。而超宽带(UltraWide Band，故又称UWB)通信通过对具有很陡上升和下降时间的冲激脉冲进行调制，当脉冲窄到亚纳秒级时，UWB信号将具有GHz量级的带宽，因此可以称为超宽带(UWB信号一种是指相对带宽大于0.25的信号，所谓相对带宽，是指 $\mathrm{\η}=\frac{f_H-f_L}{f_H+f_L},$ f_H和f_L表示信号的最高和最低频率；另一种含义是指带宽超过500MHz的信号)。超宽带通信相对于连续波通信系统，有它独特和独到之处，在很多领域有它的应用，如雷达、通信、探测。UWB的特点有：应用中，发射信号功率谱密度较低(数+mW范围)，强抗截获能力；系统复杂度低；数厘米的定位精度等优点。但是这些性能的获得都需要依赖于现有技术和工艺的可行性，特别是集成电路的工艺。

超宽带无线通信有多种调制方式，如跳时脉冲位置调制、直接序列二相相移键控、脉冲幅度调制、波形调制等，每种调制方式均有它们的优点和缺点。相对而言直接序列二相相移键控的实现比较简单，接收端相对容易，性能较好，本发明就是针对如何实现直接序列二相相移键控而设计的。跳时脉冲位置调制可简写为TH-PPM，跳时是指其多址方式，脉冲位置调制是信息加载方式，有相当部分的文献涉及这种调制方式，包括性能分析、定时同步等，此外在提到超宽带通信的时候，人们更习惯的认为它的调制方式是PPM，这是由于单个脉冲的出现更易于与信息的出现联系在一起，还与超宽带的窄脉冲产生方式有关。直接序列二相相移键控调制是指直接序列扩频二进制相位调制，多址方式是用直接序列实现，相位用正负极性的超宽带脉冲表示，又称脉冲极性调制。

三、技术内容

1、技术问题

本发明的目的是提供一种适于集成的、高重复频率的、适于目前和未来小型、高速、近距离无线超宽带通信应用实现方式的超宽带直接序列二相相移键控窄脉冲发生器。

2、技术方案

本发明的超宽带直接序列二相相移键控窄脉冲发生器由基准源、反向整形器、正向整形器、宽带滤波器、宽带放大器、控制开关、数据源、伪随机序列发生器、模2加法器、传输门、反相器、叠加器组合而成；其中，上支路的反向整形器、宽带滤波器、宽带放大器、控制开关顺序串联连接，下支路的正向整形器、宽带滤波器、宽带放大器、控制开关顺序串联连接，中支路的数据源、伪随机序列发生器的输出端接模2加法器的输入端，模2加法器的输出端分别接传输门、反相器的输入端，传输门的输出端接控制开关的输入端，反相器的输出端接控制开关的输入端，控制开关和控制开关的输出端接叠加器的输入端，叠加器的输出端接宽带放大器的输入端，基准源的输出端分别接反向整形器和正向整形器的输入端。控制开关、传输门、反相器、叠加器可以由微波开关来替代。还可以进一步简化，即去掉宽带滤波器。

本发明可以分成两路，上支路产生负极性的近似高斯微分型波形，而下支路产生正极性的近似高斯微分型波形。上支路由反向整形器、宽带滤波器、宽带放大器得到负极性的高斯微分型窄脉冲。在下支路则由正向整形器、宽带滤波器、宽带放大器得到正极性的高斯微分型窄脉冲。与此同时，数据源来的基带数据与伪随机序列发生器产生的PN码模2加以实现多址功能，这时得到的速率为基带速率乘以扩频码的长度。传输门的时延要和反相器的时延一样，因此在传输门和反相器的输出端得到的是两组相位相反的数据信号，分别作为开关信号输出到控制开关。从模2加法器的输出看，它的电平为高电平时，上支路控制开关打开，输出负极性超宽带窄脉冲；低电平时，下支路控制开关打开，输出正极性超宽带窄脉冲。叠加器将正负极性的脉冲累加起来，最后通过宽带放大器放大正负极性的超宽带窄脉冲信号以满足功率受限的要求。

其工作过程为：由基准源产生方波信号输入，上支路经反向整形器、宽带滤波器、宽带放大器得到负极性超宽带窄脉冲，下支路经正向整形器、宽带滤波器、宽带放大器得到正极性超宽带窄脉冲，同时从数据源来的数据信号与伪随机序列发生器产生的伪随机序列模2加后，分别经过传输门和反相器加到上下支路控制开关的控制端，实现对正负极性超宽带窄脉冲的输出或是短路。

3、技术效果

为了适于目前和未来小型、高速、近距离无线超宽带通信的应用，本发明设计了直接序列二相相移键控(DSSS-BPSK)实现电路，从而在增加射频的基础上，可构成超宽带通信的发送端。在此基础上，采用先进的集成电路技术或者微波单片集成电路就构成一个廉价的超宽带射频前端。

四、附图说明

图1是本发明的原理框图；其中有基准源1；反向整形器2；正向整形器3；宽带滤波器4、5；宽带放大器6、7、16；控制开关8、9；数据源12；伪随机序列发生器14；模2加法器13；传输门10；反相器11；叠加器15。

图2是本发明的另外一种用微波开关17取代了控制开关、传输门、反相器、叠加器等部分的原理框图。

图3是本发明根据图2进一步简化实现方案，即去掉宽带放大器6、7的一种简化原理框图。

图4是本发明的一种电路实现方式；

图5是本发明电路实现方式的输出波形。

图6是本发明输出波形的展宽视图。

五、具体实施方案

本发明的超宽带直接序列二相相移键控窄脉冲发生器由基准源1、反向整形器2、正向整形器3、宽带滤波器4、5、宽带放大器6、7、16、控制开关8、9、数据源12、伪随机序列发生器14、模2加法器13、传输门10、反相器11、叠加器15组合而成；其中，上支路的反向整形器2、宽带滤波器4、宽带放大器6、控制开关8顺序串联连接，下支路的正向整形器3、宽带滤波器5、宽带放大器7、控制开关9顺序串联连接，中支路的数据源12、伪随机序列发生器14的输出端接模2加法器13的输入端，模2加法器13的输出端分别接传输门10、反相器11的输入端，传输门10的输出端接控制开关8的输入端，反相器11的输出端接控制开关9的输入端，控制开关8和控制开关9的输出端接叠加器15的输入端，叠加器15的输出端接宽带放大器16的输入端，基准源1的输出端分别接反向整形器2和正向整形器3的输入端。在控制开关8、9、传输门10、反相器11、叠加器1 5可以由微波开关17来替代。

该发明首先需要一个TTL电平的基准源以触发产生正负极性的两种超宽带窄脉冲，为整个超宽带通信提供通信的“载体”。该基准源的重复频率可以从15兆到1000兆赫兹变化，当输出的超宽带窄脉冲低于一个纳秒时，重复频率还可以更高。同时该重复频率等于系统的数据速率和扩频因子的乘积，因此在相同的扩频码长度下，基准源速率越高，系统的数据速率也越高。

该电路可以分成两路，上支路产生负极性的近似高斯微分型波形，而下支路产生正极性的近似高斯微分型波形。在下支路由正向整形器、宽带滤波器、宽带放大器得到正极性的高斯微分型窄脉冲。其中正向整形电路由微分电路和零偏置放大电路组成，微分电路取出基准源的上升和下降沿，得到正负极性的占空比很小的窄脉冲序列，基极零偏置放大电路抑制负极性脉冲，并放大正极性脉冲，调节微分器的电阻和电容参数使得正极性脉冲足够窄，从而可以近似的认为是冲激信号序列，接着该冲激序列激励由R、L、C组成的宽带滤波器产生持续时间为亚纳秒级窄脉冲，然后经过宽带低噪声放大器放大该窄脉冲。同理，在上支路则由反向整形器、宽带滤波器、宽带放大器得到负极性的高斯微分型窄脉冲。与此同时，数据源来的基带数据与伪随机序列发生器产生的PN码模2加以实现多址功能，这时得到的速率为基带速率乘以扩频码的长度。传输门的时延要和反相器的时延一样，因此在传输门和反相器的输出端得到的是两组相位相反的数据信号，分别作为开关信号输出到控制开关。控制开关的功能是当加在其上的电压为高电平时，开关导通；低电平时，开关截止。从模2加法器的输出看，它的电平为高电平时，上支路控制开关打开，输出负极性超宽带窄脉冲；低电平时，下支路控制开关打开，输出正极性超宽带窄脉冲。叠加器将正负极性的脉冲累加起来，最后通过宽带放大器放大正负极性的超宽带窄脉冲信号以满足功率受限的要求。

在图2中用微波开关取代了传输门、反相器、控制开关、叠加器，经过模2加法器携带了多址信息的数据源信号作为微波开关的选通信号，在高电平时让上支路的负极性超宽带窄脉冲通过；低电平时让下支路的正极性超宽带窄脉冲通过，或者反之。这样，系统在实现上大大的简化。

在图2的基础上可进一步简化，如图3所示，从而射频前端的实现就更简单了。

本发明是针对于直接序列扩频BPSK调制超宽带通信系统的，系统的仿真速率可以很高，达几百兆比特以上，但是要实现这个速率需要将电路集成或者采用MMIC(微波单片集成电路)。

超宽带窄脉冲序列对数据进行直接序列扩频编码，多个编码脉冲表示一个比特，编码增益能提高抗多径干扰的能力，所以在短距离范围内，直接序列二相相移键控能提供极高的数据率。直接序列二相相移键控发射波形如下：

$S_k\left(t\right)=\sqrt{P_k}\underset{i=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{N_r-1}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i^k{a}_n^{k}z(t-i{T}_r-n{T}_c)$

这里，z(t)是发射脉冲波形，

是第k个用户的调制数据符号，即用户码，Tr是比特周期，Tc是chip周期，N_r＝T_r/T_c为扩频增益，P_k是发射功率。为了简化，假设波形z(t)在0≤t≤T_m(注意，假定T_m＜T_c)的部分为非零部分，而在这个时间间隔之外部分为零。同时，发射波形按以下方式归一化。

$B_s\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}{z}^2\left(t\right)\mathrm{dt}=1=B_s\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}{\left|Z\left(f\right)\right|}^2\mathrm{df}$

这里，B_s是波形占用的带宽，Z(f)是z(t)的傅里叶变换。用户期望的发射功率为

$P_{\mathrm{av}}=\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T_c}{\∫}}E\left[s_0^2\left(t\right)\right]\mathrm{dt}=\frac{B_c}{B_s}{P}_0{B}_s\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}{z}^2\left(t\right)\mathrm{dt}=\frac{B_c}{B_s}{P}_0$

这里，B_c＝1/T_c是chip码率，调制符号归一化为 $E\left[{\left|b_i^k\right|}^2\right]=1.$ 这就产生下面的等式P＝B_s/B_cP_ave＝N_sP_ave，其中，N_s＝B_s/B_c可以认为是脉冲处理增益。根据美国联邦通信委员会FCC的规定，平均发射功率可能受到平均发射功率谱密度的限制，因为要防止信号干扰同频段的其它系统。如果平均功率谱密度限制为P_sd，那么平均发射功率将限制为P_ave＝B_sP_sd。

根据上面的理论分析，图4给出了一种典型电路图以实现图1所示的功能，同样根据图2、图3也可以设计相应的电路图。在图4中，C1、R1、Q1、R2、Q2、R3完成反向整形功能，D1起隔离作用，R6、C3、L1、R8、C5对整形后的脉冲再进行宽带滤波，R10、R11、Q4、R14、C7、R15构成宽带放大器，R18起隔离作用，Q6基极的控制信号是经过传输门的，来自V2；而V2的信号可以看出是数据源的信号和伪随机序列发生器经模2加后的信号，当它的电平为高电平Q6导通，窄脉冲输出到地；低电平Q6截止，窄脉冲输出到下一级。同样下支路也要经过同样的过程，不同的是整形正向的，另外Q7基极的控制信号是经过V2反相后的，因此Q7的输出情况刚好和Q6相反，最后两路输出叠加一同送到Q8的基极。图5测得是V2的波形和Q8集电极输出。通过图6展宽视图可以更清楚的看到电路所完成的功能：高电平输出正极性脉冲，低电平输出负极性脉冲。

Claims (2)

1、一种超宽带直接序列二相相移键控窄脉冲发生器，其特征在于该发生器由基准源(1)、反向整形器(2)、正向整形器(3)、宽带滤波器(4、5)、宽带放大器(6、7、16)、控制开关(8、9)、数据源(12)、伪随机序列发生器(14)、模2加法器(13)、传输门(10)、反相器(11)、叠加器(15)组合而成；其中，上支路的反向整形器(2)、宽带滤波器(4)、宽带放大器(6)、控制开关(8)顺序串联连接，下支路的正向整形器(3)、宽带滤波器(5)、宽带放大器(7)、控制开关(9)顺序串联连接，中支路的数据源(12)、伪随机序列发生器(14)的输出端接模2加法器(13)的输入端，模2加法器(13)的输出端分别接传输门(10)、反相器(11)的输入端，传输门(10)的输出端接控制开关(8)的输入端，反相器(11)的输出端接控制开关(9)的输入端，控制开关(8)和控制开关(9)的输出端接叠加器(15)的输入端，叠加器(15)的输出端接宽带放大器(16)的输入端，基准源(1)的输出端分别接反向整形器(2)和正向整形器(3)的输入端。

2、根据权利要求1所述的超宽带直接序列二相相移键控窄脉冲发生器，其特征在于控制开关(8、9)、传输门(10)、反相器(11)、叠加器(15)可以由微波开关(17)来替代。

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