CN1926774A

CN1926774A - 产生uwb脉冲的方法

Info

Publication number: CN1926774A
Application number: CNA2004800423049A
Authority: CN
Inventors: 陈永俊; 谢润华
Original assignee: Agency for Science Technology and Research Singapore
Current assignee: Agency for Science Technology and Research Singapore
Priority date: 2004-01-06
Filing date: 2004-01-06
Publication date: 2007-03-07
Also published as: US20070190953A1; WO2005067160A1; TW200527836A

Abstract

一种产生UWB脉冲(73，75)的方法，该方法将时钟信号微分以用作脉冲输入(71，72)，并且用数据信号来调制该脉冲输入。然后，混合信号被第二次微分以便产生高频宽带UWB信号。一个微分系统，其包括晶体管、晶体管输出处的低通滤波器、负反馈到该晶体管输入的低通滤波器的输出，由此系统的输出具有能够与天线相匹配的高压摆动而不需要进一步放大，并且该系统能够在IC上实施。

Description

产生UWB脉冲的方法

发明领域

本发明涉及超宽带(UWB)信号领域。

发明背景

不同于其它的无线通信技术，用于无线通信的UWB技术把短脉冲(在某些公开文件中也被称作子波)用作信息承载信号并且实际上是无载波的。换言之，将被发射的信息存在于脉冲中，没有被调制且不在任何载频上。这个技术是能量有效的并且具有很低的平均信号功率谱密度，因为短脉冲在发射时与长‘静默’间隔相交替。

UWB技术不是只被应用于无线通信系统。如2002年2月14日发表的“UWB Report and Order news release”中所述，它在成像、探地雷达、壁成像、穿壁成像、医疗系统、空情监测、车载雷达和测量系统中具有潜在性。

在UWB数据传输的例子中，数据由UWB脉冲之间的位置或间隔来表征(即脉冲位置调制)。接收到的脉冲之间的周期被用来重建数据。在另方法中，UWB脉冲是以它们被成形来表示数据。还在另方法中，不同的脉冲振幅被用来表示二进制信息。无论使用哪方法，脉冲生成步骤对于任何UWB系统的操作都是决定性的。

大多数的基本UWB脉冲是单周期脉冲。图1a和1b分别示出了宽度为1纳秒的单周期脉冲及其在频域中的等效体。其它类型的UWB脉冲包括阶跃信号、高斯脉冲、多周期信号和窗口正弦波。

因为脉冲是很短的信号突发，所以UWB系统是固有宽频带的。因此，UWB可能与现有的通信系统冲突并且被现有的通信系统干扰。这是为什么主管当局对于允许UWB技术的商业化和私有化犹豫不决的原因。

然而，在2002年2月，美国联邦通信委员会(FCC)采纳了允许UWB技术的市场化和操作的第一份报告和命令。一年后，在2003年3月13日，FCC修改了第15部分和子部分F，其中详细描述了什么构成无执照的超宽带传输系统。FCC没有对UWB脉冲生成和成形的任何要求做出规定，但是它规定了经由不同的EIRP掩蔽被允许用于不同UWB系统的带宽。根据文档中所规定的程序，EIRP指的是在任何方向中并且以任何频率从UWB装置检测到的最高信号强度。FCC把UWB发射机定义为辐射器，其在任意时间点都具有等于或大于0.20的部分带宽(fractionalbandwidth)或者与该部分带宽无关地具有等于或大于500MHz的UWB带宽。

图1c到1f中的图表示出了不同的FCC批准的UWB系统的图示摘要。图1c示出了室内系统中使用的UWB带宽，图1d示出了室外手持系统中使用的UWB带宽，图1e示出了GPR、壁成像和医疗系统中使用的UWB带宽，图1f示出了‘穿壁成像’和监测系统中使用的UWB带宽。

通常，UWB信号可以由它的峰值振幅、时间衰减常数和脉冲宽度来表征。在图1a所示的时域中表示基本UWB单周期脉冲的等式是：

y (t) = A \frac{\sqrt{2 e}}{τ} {te}^{- {(\frac{t}{τ})}^{2}}

其中，A是峰值振幅，而τ是时间衰减常数。

在频域中，峰值振幅与平均信号功率有关，时间衰减常数与脉冲的中心频率有关，而脉冲宽度与信号频率扩展有关。在图1b所示的频域中表示基本UWB单周期的等式是：

Y (w) = Aw τ^{2} \sqrt{2 πe} e^{- \frac{w^{2} τ^{2}}{2}}

其中，A是峰值振幅，而r是时间衰减常数。

McCorkle，John申请的WO 02/31986“System and Method forGenerating Ultra Wideband Pulses”公开了一种UWB信号生成方法。用那些方法，半方波时钟信号首先被拆分成两个流。然后，流被提供给缓冲器系列，而另流只被提供给缓冲器。这两个缓冲器系列引起两个流之间的相位滞后(图6，WO 02/31986第28页第一段)。然后，那些流被送入异或门或者与门来产生被合并的单一流，其具有原始时钟输出的两倍频率。然后，合并信号流被送入缓冲器的另外两个缓冲器系列，其使得另外两个合成方波流在它们之间具有相位延迟。然后，脉冲导引流被送入乘法器的非反相差分(differential)LO输入端，而滞后流被送入同一乘法器的反相差分LO输入端。差分数据信号的第三输入也被送入同一乘法器。结果是来自于非反相导引脉冲、反相滞后脉冲和数据信号的结合的单周期流。合成流包括地-正-负-地脉冲表示‘1’和地-负-正-地脉冲表示‘0’的UWB子波(图5a和图5b，WO02/31986第25页第24-25行)。

本说明书的图2a和2b示出了McCorkle方法的图解。方波的两个流被送入具有反相和非反相输入端LO以便产生A+21a、21b和A-22a、22b，它们分别是一串亚纳秒正脉冲和一串亚纳秒负脉冲。A-相对于A+正好被延迟A+脉冲的时间宽度。ΔB 23、23b是差分数据信号并且在乘法器25中用信号A+和A-来调制产生差分、双相的调制单周期ΔC 24、24b。McCorkle的方法还可以被用来生成其它形状的UWB脉冲。

然而，由McCorkle的方法生成的UWB信号具有受限输出功率和低电压摆幅，并且因此难以与天线匹配，即这样生成的UWB信号可能需要在被送到发射天线之前被传递通过宽带放大器。

如Larrick申请的美国专利No.6,026,125“Waveform AdaptiveUltra Wideband Transmitter”所述，图3例示了UWB信号的生成方法。脉冲发生器31激励脉冲整形滤波器32，脉冲整形滤波器32的输出被用来通过交换混合器34直接地门控振荡器33的输出。这样处理以交替地向带通滤波器35的输入端传递或不传递振荡信号。然后，结果信号36在经由天线38输出之前被送入衰减器(增益控制器，attenuator)37。Larrick的方法具有问题，即信号从LO从LO泄漏到输出中从而劣化了UWB输出。

图4例示了生成UWB信号的方法，其在Jeong Soo Lee、Cam Nguyen和Tom Scullion在2001年6月IEEE学报关于M.T.T.第49卷、第6号、第1126页上发表的“New Unipolar Subnanosecond MonocyclePulse Generator and Transformer for Time Domain MicrowaveApplication”和Jeongwoo Han和Cam Nguyen在2002年6月的IEEE学报关于M.T.T.的第12卷、第6号、第206页上发表的“A New UltraWideband，Ultra Short Monocycle Pulse Generator with ReducedRinging”中被描述。用这种方法，触发信号41驱动阶跃恢复二极管42(SRD)来输出锐利的信号边缘。这个信号边缘被传递通过被缩短的存根传输线路43。由于在存根端43由短路引起的信号反射，具有反向极性的被延迟边缘与原始信号边缘结合形成高斯型(Gaussian-like)脉冲。脉冲信号通过隔离器电路44，并且然后传向另被缩短的存根传输线路45，这样把脉冲转换成单周期。这个单周期被送入天线46(由负载电阻表示)。UWB信号的这种生成方法能够生成性能足够高的单周期并且是当前主要的UWB生成方法。然而，它经不起硅集成电路设计的检验。

为了经得起硅集成电路设计的检验，电路中使用的元件必须遵循制造商的元件库。SRD是不属于制造商的元件库的专门化元件。制造商不制造SRD，因为特别地发展一种技术并且为特殊的SRD建模的成本很高。

而且，SRD需要用很大的输入信号功率将其激励到正确状态来产生所需的输出。典型地，输入信号功率的水平大约在20dBm，这个功率水平已经很大了。SRD因此不会进一步放大输入信号。事实上，SRD本质上是导致信号功率损失的无源装置。SRD性能的两个例子可以从HP关于“Harmonic Generation using step recovery diodes and SRDmodules”的应用注释920中被取出来证实这一点：“对于S频带的阻尼波形发生器，输入信号功率是2W(33dBm)，并且输出功率是1.05W(30dBm)”和“对于脉冲整形网络，输入功率是1W(30dBm)和输出是0.532W(27dBm)”。换言之，SRD的输入信号功率必须是很大的，而输出信号功率可能不大于输入信号功率。

Jeongwoo Han和Cam Nguyen还公开了单周期脉冲可以通过在诸如图26中所示的电路之类的阻容电路中微分高斯型脉冲而生成，其是简单的无源RC微分电路。电路的频域分析产生等式：

\frac{V_{o}}{V_{i}} = \frac{R}{1 / jwC + R} = \frac{jwRC}{1 + jwRC} \approx jwRC

等式中使用的近似值是有效的，如果：

jwRC < < 1 .

因此，与R和C的值无关，输出信号比1小得多。从而，从这样的阻容(RC)电路中产生很大的输出信号是可能的。

另外，输出脉冲的形状较差。在时域中，输入阶跃电压信号可以通过图27的电路来建模。在时间t0，两个开关将从实线位置移动到虚线位置。让t0＝0秒。产生了阶跃函数，其在t＝t0＝0秒的时候具有无穷小的上升时间。该输入可以被表示为：

u (t) = \{\begin{matrix} 1 &DoubleRightArrow; t \leq 0 s \\ 0 &DoubleRightArrow; t \leq 0 s \end{matrix} .

然后在t＞0的时候，

V = IR + Q / C = R \frac{dQ}{dt} + \frac{Q}{C} .

最初，在t～0s的时候，阶跃电压开始在电容器的左板累积电荷，从而迫使电流i向下流至电阻器R。然而，因为电荷累积要花费时间，Vout，initial＝u(t)，因为u(t)是即时阶段：

V_{ininal} = IR = R \frac{dQ}{dt} = u (t)

&DoubleRightArrow; \frac{dQ}{dt} = \frac{u (t)}{R}

随着时间的过去，电容器充电并且：

Q＝CV

其中，V是电容器两端的电压。在t＞＞0的时候，不存在流经电阻器的更多电流，即i＝0并且V_o，final＝0V。电路的初始和最终状态表示：

I = \frac{dQ}{dt} e^{- Kt} = \frac{u (t)}{R} e^{- Kt} .

Vo＝u(t)e^-Kt

因此，从最后的等式可以看出，与输入阶段的上升时间无关，输出将具有指数式衰减。因为在小振幅处的缓慢的指数式衰减，这导致了输出脉冲的较差形状对称。

与上述的无源阻容电路相对比，有源微分(differentiating)电路的例子使用了具有如图28中所示的负反馈电路的运算放大器(opamp)。Sergio Franco发表的“Design with Operational Amplifiersand Analog Integrated Circuits”按照这个电路的环路增益对其做出了分析。执行直接分析，假定来自于图28的微分op amp电路的电容器C的输出电流近似等于到电阻器R中的电流。这是指：

C \frac{d V_{C}}{dt} = \frac{V_{n} - V_{o}}{R}

V_C＝V_n-V_i

V_{o} (t) = - RC \frac{{dV}_{i} (t)}{dt} .

可以看出，输出电压是输入电压的导数。

现在，执行负反馈分析，累频响应是：

A &equiv; \frac{V_{o}}{V_{i}} = \frac{1}{b} \cdot \frac{1}{1 + 1 ab} .

其往往是具有op amp电路的情况，环路增益十分大(ab＞＞1)到大约为：

A &cong; A_{ideal} = \frac{1}{b} .

在图28的电路的情况下：

\frac{1}{b} = \frac{1}{b (jf)} = 1 + j (\frac{f}{f_{o}})

其中：

f_o＝πRC.

如上述频域分析中所示，其接近差分电路，这是它的目的。然而，差分运算放大器没有实现申请者的发明目的，这将在详细说明中被解释。

图5示出了Stevens、Roderick、Leonard和Wallace在WO 99/53616“Monopulse Generator”中描述的UWB信号的生成方法。用这个方法，高频振荡器生成连续正弦信号A，其被送入窗口脉冲发生器52和延迟块53。延迟块输出的信号B是信号A的延迟型式。窗口脉冲发生器产生窗口脉冲C，其打开并关闭开关54以便在合适的时候传递信号B。合成信号D是大约为单周期的周期的窗口正弦波脉冲。这种生成UWB信号的方法具有LO信号被泄漏到输出端的问题，从而劣化了UWB信号。

图6示出了Dr.Jurianto Joe于2003年2月25日在新加坡InfocommDevelopment Authority发表的“Cellonics Presentation at Ultra-Wideband Seminar”中描述的UWB信号生成方法。用这个方法，短脉冲宽度61被送入基于隧道二极管62的非线性电路，其在脉冲窗口内产生振动响应。这个响应也是一种UWB信号63。UWB信号的这种生成方法也经不起硅集成电路设计的检验，因为隧道二极管如SRD一样是非常专门化的元件。通过结合发表从电气工程训练系列引用(参见网站：www.tpub.com/contenUneets/book7/26a.htm)，“在隧道二极管中，用于形成接合的半导体材料对于一千万个半导体原子来说被掺杂到1000个杂质原子的程度”。然而，对于普通的二极管，每一千万个半导体原子被稍微地掺杂杂质。因此，隧道二极管是昂贵并且大多数制造商都不提供的非常专门化的元件。

上述方法中没有能单独地经受在IC设计中被执行的检验而没有LO信号漏泄的风险并且为天线传输提供充足的功率摆动。

发明内容

本发明描述了一种使用晶体管来生成和/或形成脉冲宽度＜100微微秒的UWB脉冲的新方法。所提出的UWB信号生成方法根本上不同于现有技术且具有克服现有技术中许多限制的固有的优点。

所提出的方法能够生成一个大信号输出摆动来产生大输出功率。该方法也没有LO信号漏入UWB信号的问题。该方法另外还提供了高脉冲重复率并且提供了对所产生的UWB脉冲的重要的控制(即脉冲振幅、脉冲宽度、脉冲波形和脉冲重复可以被控制)。而且，该方法可以用来产生诸如单周期、多周期或双相信号之类的不同类型的UWB信号。本发明的装置的电路体积小并且可以被设计到IC中并且可以在其中被执行。

根据本发明的第一方面提出的一种用于产生UWB信号的方法，包括只要获得UWB脉冲就微分时钟信号的步骤。

根据本发明的第二方面提出的系统，包括放大装置、负反馈装置、低通滤波器装置、DC去耦装置，以及放大装置，其将系统输出提供至低通滤波器装置，放大器的低通滤波器输出被负反馈到放大器的输入装置，DC去耦装置除去放大器输出中的任何直流分量，其中，来自于系统的输出是到该系统的输入信号的放大的微分，并且由此产生了具有充分功率以用于匹配发射天线的UWB脉冲。

根据本发明的第三方面提出的方法，包括下列步骤：把实质上的阶跃改变信号用作第一输入，微分第一输入以便获得第一脉冲信号，将第一脉冲信号与是数据信号的第二输入混合以便产生第二脉冲信号，并且微分第二脉冲信号以便产生第三脉冲信号，其中，第三脉冲信号是UWB脉冲信号。

附图说明

本发明将通过下文的详细说明以及本发明的不同实施例的附图而更加充分地了解，但是，这不会将本发明限制到具体的实施例，而是只用于解释和理解。

图1a示出了时域中的脉冲宽度为1ns的高斯型单周期。

图1b示出了频域中的图1a的脉冲宽度为1ns的高斯型单周期。

图1c示出了准允根据FCC的室内系统的UWB的带宽。

图1d示出了准允根据FCC的室外手持系统的UWB带宽。

图1e示出了准允根据FCCGPR、壁成像和医学成像系统的UWB带宽。

图1f示出了准允根据FCC的穿壁成像和监测系统的UWB带宽。

图2a例示了根据WO 02/31986的UBW脉冲生成方法。

图2b进一步例示了图2a的UBW脉冲生成方法。

图3例示了根据美国专利6026125的UWB脉冲生成方法。

图4例示了根据Jeong Soo Lee、Nguyen和Scullion的UWB脉冲生成方法和根据Jeongwoo Han和Nguyen的UWB脉冲生成方法。

图5例示了根据WO 99/53616的UBW脉冲生成方法。

图6例示了Dr.Jurianto Joe于2003年2月25日在Singapore，Infocomm Development Authority的超宽带讲座中的Cellonics介绍中公开的UBW脉冲生成方法。

图7例示了本发明的实施例的作用。

图8是示出了本发明实施例的传递函数的图表。

图9是示出了通过一级高通滤波器估计的图8的传递函数的图表。

图10示出了对负反馈进行低通滤波的电路。

图11示出了用频率函数块表示的图10的电路的等效图。

图12示出了相当于图11框图的安-伏(串联-串联)反馈拓扑。

图13是图12的安-伏(串联-串联，series-series)反馈拓扑的进一步图解。

图14示出了混合π小信号电路。

图15示出了图12的实施例的简单测试电路的示意图。

图16a-f示出图12的电路时域响应的图表。

图17a-f示出图12的电路时域响应的图表。

图18示出了等效于图12的UWB信号发生器电路的实施例。

图19a-e例示了UWB发生器的实施例的微分功能。

图20-23示出了使用本发明的UWB发生器的实施例的不同的脉冲调制技术。

图24a-d示出了根据本发明实施例的信号星座图的矢量表示。

图25是UWB信号/数据怎样被发射、接收和检测的简单表示图。

图26例示了简单的无源RC微分电路。

图27建模用于输入图26的无源RC微分电路的输入阶跃电压信号的生成。

图28例示了使用具有负反馈电路的运算放大器的有源微分电路。

具体实施方式

图7例示了本发明的UWB产生器的实施例的基本功能。正脉冲71(高斯型)被送入UWB信号发生器72的实施例并且被转换成单周期脉冲73。相反地，负脉冲74被转换成是单周期脉冲73的反相的单周期75。UWB信号发生器72的基本运算是超宽波段的微分以及输入信号的放大。UWB信号发生器中的电路接受一串宽带子纳秒脉冲，将它们微分并放大以便输出一串UWB信号。输出的单脉冲具有比输入脉冲稍长的时间宽度。

下列等式描述了时域中的电路的微分函数。

y (t) = K \frac{dx (t)}{dt}

其中，

x(t)是到块的输入信号；而

y(t)是期望的输出信号。

电路影响频率选择的放大并且抑制，其不同于使用元件非线性的高次谐波生成。因此，在大型周期数处不存在对电路操作的限制。

为了合成上述功能，等式被傅立叶转换到频域中并且传递函数如下所示被导出。

Y (w) = {&Integral;}_{- \infty}^{\infty} K \frac{dx (t)}{dt} e^{- iwt} dt = iKwX (w)

H (w) = \frac{Y (w)}{X (w)} = iKw

|H(f)|＝2πKf

频域等式示出：如果具有如图7中所示的传递函数|H(f)|可以被合成，则输入信号可以在时域中被微分。传递函数|H(f))在图8中被图形地示出。

严格来说，传递函数|H(f)|的电路不能被合成。然而，我们可以使用一阶高通滤波器来估计它。图9示出了近似传递函数的图解。

UWB信号发生器的当前实施例具有有源一阶高通滤波器，它在DC具有传输零点、在接近该电路中使用的晶体管的转换频率的频率具有超宽过渡带和通带，即晶体管在它们的饱和极限内工作。在DC具有传输零点和超宽过渡带使得UWB信号发生器能够产生很短的脉冲(大约亚纳秒级)，同时短路输入信号中的任何稳态直流分量。

所使用的滤波器是有源滤波器，因为放大被要求用于总的滤波器响应以便取得充分的信号功率输出。

高通滤波器过渡带被执行它的(或多个)有源装置的总频率响应限制。因此，它对于选择具有很高的转换频率的有源装置是必不可少的。如图9中所示，‘A’是过渡带，‘B’通过模拟滤波器的电容器示出了传递函数有关的锥形，而‘C’示出了高频率时的晶体管性能的逐渐劣化。

上述的频域功能用图10如中所示的普通放大电路上的负反馈路径来执行。放大器13的输出信号14(在15)传递通过低通滤波器16并且被负反馈17到放大器13的输入11。这样，在包括较高频率的剩余信号12被放大器13接收之前，输入信号11的低频分量被除去。当输出信号15被负17反馈到输入11时，整个块分量的传递函数被有效地变更，从而形成了微分函数。

如上所述，晶体管放大器13具有频带受限的传递函数。该电路块只可以把信号微分及至到晶体管转换频率之下的频率。选择具有适当的输出信号功率、放大和工作频率的适当的晶体管。

图10还可以用图11中所示的频率决定的块来表示，其中：

A (s) = \frac{A_{0}}{1 + \frac{s}{w_{t}}}

F (s) = \frac{β_{0}}{1 + \frac{s}{w_{f}}}

H (s) = \frac{Y (s)}{X (s)} = \frac{A (s)}{1 + F (s) A (s)}

H (s) = \frac{A_{0} (1 + \frac{s}{w_{f}})}{1 + A_{0} β_{0} + s (\frac{1}{w_{t}} + \frac{1}{w_{f}}) + s^{2} (\frac{1}{w_{t} w_{f}})}

在上面的条件下：

A_{0} β_{0} > > 1

1 < < \frac{s}{w_{f}} < < A_{0} β_{0}

w_t～w_f

图11的反馈环路的传递函数可以被估计为：

H (s) &cong; (\frac{1}{β_{0} w_{f}}) s - - - (1)

图10中所示的电路看上去类似于使用上文背景部分中所述的图28的运算放大器的微分电路。然而，应当指出，本发明的核心元件不是运算放大器，而是优选实施例中的BJT晶体管。这个差别被特别地标记，因为运算放大器是在MHz范围中操作的模拟电路元件。相反地，本发明产生足以用于RF发射机的功率的亚纳秒脉冲并且通过完全不同的参数组来操作。

而且，本发明的元件方向性不同于运算放大器微分电路(differentiating circuit)。在运算放大器微分电路中，输入信号电压被转换成其自身的微分电流信号。因为该输入，到运算放大器负端子中的电流可以忽略，并且电流信号经过电阻器R，电阻器R把该电流信号转换成反向极性的输出电压信号。因此，微分运算放大器具有不同于本发明的工作原理，更类似于替代的无源RC微分网络。

另外，运算放大器微分电路被用来求慢模拟信号的导数，并且其不是意在用作亚纳秒脉冲形成的网络。

图12中所示的安-伏(串联-串联)反馈拓扑示出了图11的框图的实现例子，其中

G (s) = \frac{I_{X}}{V_{E}} = \frac{G_{0}}{1 + \frac{s}{w_{t}}} - - - (2)

R (s) = \frac{V_{F}}{I_{X}} = \frac{R_{0}}{1 + \frac{s}{w_{f}}} - - - (3)

可以表明：

\frac{V_{OUT}}{V_{IN}} = \frac{- G (s) R_{L}}{1 + G (s) R (s)} - - - (4)

在块传输函数(4)中代入(2)和(3)给出

H (s) = \frac{V_{OUT}}{V_{IN}} = \frac{- G_{0} (1 + \frac{s}{w_{f}}) R_{L}}{1 + G_{0} R_{0} + s (\frac{1}{w_{t}} + \frac{1}{w_{f}}) + s^{2} (\frac{1}{w_{t} w_{f}})}

在下面的条件下：

G_{0} R_{0} > > 1

1 < < \frac{s}{w_{f}} < < G_{0} R_{0}

w_t～w_f

图12的安-伏(串联-串联)反馈拓扑的频域传递函数可以被估计为：

H (s) &cong; - (\frac{R_{L}}{w_{f} R_{0}}) s - - - (5)

等式(5)是等式(1)的等效表示式。

例如，伏-伏、伏-安和安-安的其它反馈拓扑可以用类似的块和相同的概念来设计。

上述的反馈拓扑的电路可以在集成电路(IC)中执行。

执行图12的安-伏(串联-串联)反馈拓扑的电路的实施例在图13中被示出。图13的布局是双极结晶体管131的共发射极配置，其执行放大器和提供负反馈132的发射极反馈网络。反馈网络包括一阶低通滤波器133。虚框高亮度显示了功能块并且块内的元件示出了反馈被减去的方式。在该图中，低通滤波器133相当于图10的低通滤波器16。类似地，BJT配置131对应于图10中的放大器13并且负反馈132对应于图10中的负反馈环路17。

图14示出了等效于上述的双极结晶体管131的混合π小信号电路。反馈网络在发射极侧被连接。R_out是集电极电阻以及输出阻抗的并联连接。V_in是到晶体管Rπ的输入电压脉冲信号。V_be并且g_m是偏置相关的晶体管参数。

通过Solving Kirchoff在特定的节点和环路处的电流和电压定律，我们可以在小信号工作的时候获得下列传递函数：

T (w) = \frac{V_{out} (w)}{V_{in} (w)} = - \frac{g_{m} R_{out} (1 + jw R_{f} C_{f})}{1 + g_{m} R_{f} + \frac{R_{f}}{R_{π}} + jw R_{f} C_{f}}

替代于在发射极侧使用的大值Rf电阻器，使用了电流反射镜配置，从而在DC处提供恒定的电源电流并且在AC/RF条件下提供了大阻抗。

给出：

1 + g_{m} R_{f} + \frac{R_{f}}{R_{π}} > > jw R_{f} C_{f}

w R_{f} C_{f} > > 1

T (w) &cong; - jw (\frac{g_{m} R_{out} R_{f} C_{f}}{1 + g_{m} R_{f} + \frac{R_{f}}{R_{π}}}) = - jwK

可以导出微分传递函数。

上述电路已经用IBM BiCMOS6HP处理元件在Cadence中模拟。

图15示出了用于该实施例的电路的示意图。在这个图中，T1是提供信号增益的放大晶体管并且描绘了电路的输入输出。T2提供了恒定的直流偏置电流和在AC操作时的大反馈电阻。T3用T2完成了电流反射镜配置。R_bias设置了用于偏置电流的恒定电压。C_f是图14的反馈电容器141。如果被适当地偏置，则T2在饱和区操作，并且为图14的反馈电阻器140提供大的R_f值。C2是直流去耦电容器。输入脉冲进入晶体管T1的基极。该输出单脉冲由晶体管T1的集电极电压摆动引起。这个测试电路被模拟为电容器C_f值的范围以便例示实施例的频域和时域响应。图16a-f示出了该模拟的时域响应。

图16a示出了0.1V峰值，偏置为2.2v的输入脉冲信号，其被送入图15的电路。图16b-f示出了不同的电容器值范围的电路时域响应。输出单脉冲成形和持续时间可能随着不同的电容值而变化。可以看出，具有最小环的很高功率的、对称剖面的单脉冲可以被产生。对应于图16b、c、d、e和f，电容值是0.1pF、0.2pF、0.6pF、1pF和2pF。

图17a-f示出了该测试电路的频域响应。图17a示出了从0Hz到12GHz的频率的在0.1V时的输入扫描正弦电压值。图17b-f示出了测试电路在电容器值范围内的频域响应。对应于图17b、c、d、e和f，电容值是0.1pF、0.2pF、0.6pF、1pF和2pF。可以看出，模拟结果符合来自于上述数学推导的结果：增加电容缩短了高通滤波器的通带，只微分某个范围的输入信号频率，同时放大另频率。因此，低电容是更可取的，因为其确保了微分器电路在大频率范围上的操作。这对应于参考图9关于UWB信号发生器的工作频率和输出信号放大之间的折衷的讨论。因此，分析和模拟示出，只要已知晶体管131的频率性能和Rf和Cf 133、140、141的时间常数，图13中例示的电路能够微分宽带输入信号。

图18中所示的UWB信号发生器的差分电路的实施例已经在BiCMOSIC中被制造，和其已经示出100微微秒的脉冲输出是可行的。

图19a-e示出了图18的电路使用的几个例子。图18的电路可以被图19a-e中的UWB信号发生器块代替。在图中可以看出，信息发射UWB信号的生成关系是级联所提出的具有其它元件的电路和输入正确的时钟信号的情况。

图19a例示了时钟信号被该实施例的电路的微分。图19b例示了被该实施例的电路微分的锯齿形信号。图19c例示了由该实施例的电路微分的具有正负振幅的高斯型(或高斯型脉冲)。图19d例示了由该实施例的电路微分的具有不同振幅的一串高斯型或高斯型脉冲。图19e例示了由该实施例的电路微分的单周期和反向单周期。图19a-e中的上述图解是非详尽的，并且本领域的技术人员只要读取了本公开就会知道可以进行进一步的变化来产生其它的UWB信号形式。

图20-23示出了不同的脉冲成形实施方案(脉冲成形器)，它们用UWB信号发生器的当前实施例来产生UWB信号。时钟信号和数据信号被用作该脉冲模型的输入，脉冲模型把信号输出给传输天线。UWB信号发生器直接地影响了该脉冲模型的效率。应当指出，单周期的调幅是一种振幅波形编码形式；单周期的脉冲位置调制是一种正交波形编码形式；单周期的二相调制是一种对跖(antipodal)波形编码形式；而单周期的4元信号调制是正交和对跖波形编码的简单结合，从而产生信道带宽的最佳使用。

图20例示了数据信号可以怎样通过产生调幅单周期串被转换成UWB脉冲以用于传输。微分时钟信号‘A’205被送入当前实施例的UWB信号发生器201来被微分。由于时钟信号205的坡度，合成的输出‘B’是一串具有正负振幅206的高斯脉冲。然后，信号B被送入微分混合器202被平方变成只为正的信号‘C’207，从而把负脉冲转换成正脉冲207。然后，信号‘C’207在调制器/混合器203由数据信号‘D’208调制，并且合成的振幅调制波形‘E’209被产生。输出‘E’209被送入该实施例的另微分UWB信号发生器204，并且调幅的UWB单周期串‘F’2010被产生以用于传输。

图21提供了产生双相单周期串2110的例子。微分时钟信号‘A’215被送入当前实施例211的UWB信号发生器。然后，输出‘B’216被送入微分混合器212以便被平方成信号‘C’217。然后，‘C’217在调制器213用数据信号‘D’218来调制，并且合成的波形‘E’219被产生。(请注意：不同于图20的信号‘D’208，‘D’218具有正负振幅)。‘E’219被送入当前实施例214的另UWB信号发生器以用于另一轮微分，并且双相UWB单周期串2110被产生。

在图22的例子中，例示了脉冲位置调制的单周期串226的生成。时钟信号‘A’223和数据信号‘B’224被送入脉冲位置调制器221。输出的脉冲-位置-调制的脉冲‘C’225被送入当前实施例222的UWB信号发生器以便产生UWB单周期226‘D’。脉冲位置调制的方法在本技术领域中为大家所熟知并且不需要进一步说明。

在图23的例子中，例示了4元信令调制单周期串239的生成。时钟信号‘A’234和数据信号‘B’235被送入脉冲位置调制器231。然后，脉冲位置调制的脉冲‘C’236在另调制器232用第二数据信号D 237来调制以便输出双相、时延的脉冲串‘E’238。然后，‘E’被送入当前实施例233的UWB信号发生器以便产生4元的UWB单周期信号239。

正如给出的例子所述，到这个实施例的UWB发生器中的输入信号可以是时钟信号、方波信号、锯齿形信号、脉冲、高斯型或高斯脉冲、单周期脉冲、多周期、正弦信号等等。

上述的信号分布的矢量表示分别在图24a-d中被示出。图24a对应于用于无线通信的脉幅调制(PAM)方案。图24c对应于正交信号调制方案。图24b对应于二相相移键控(BPSK)调制方案。图24d对应于四相相移键控(QPSK)调制方案。这些是无线通信信号调制方案，它们按照本发明提供不同的脉冲波形而表示二进制的‘1’和‘0’，因此接收机能够在其接收这类信号的时候区别‘1’和‘0’。

在上述的例子中，时钟信号由当前实施例的UWB发生器微分一次以便获得脉冲。脉冲是″高斯型″尖峰脉冲而可能正好不是高斯脉冲。在微分第二次时，获得单周期。本发明的替换实施例可以是两个接连安排的UWB发生器的连续以用于在用数据信号进行调制之前对时钟信号微分两次。替换地，执行二阶微分函数的电路可以被替代地使用。然而，在用数据来调制UWB信号输出之前微分时钟信号两次是更困难的，因为合成的单周期具有非常高的频谱内容，并且从而容易失真。

而且，在集成电路中，存在着承载电力线、接地线、地平面以及许多其它重要的信号线的轨道，这些信号线不会被大功率、单周期的脉冲干扰。在一条线路到另一条线路中产生的UWB信号的漏耗程度取决于信号功率以及频率、以及该线路的尺度和位置。因为UWB单周期是宽带，具有大功率和高频率，所以在对那些线路产生干扰并且导致自己功率损耗和严重失真的IC中非常容易泄漏到其它线路。另外，在用数据来调制UWB信号输出之前对时钟信号进行两次微分，产生具有增加了对其它轨道的漏耗的很高的频谱内容的单周期。因此，只在电路的最后阶段产生大功率的单周期是优选的，其中，信号被直接送入用于传输的天线。

因此，时钟信号优选地在让合成信号经受微分另一阶段之前被微分以及用数据调制一次。

而且，二阶微分器提供了附加的优点，即产生很大的输出信号(IC处理相关)并且因此相对于无源微分器较高在功率时产生单周期。从而，把信号送入天线所需的大功率从而不需要附加放大器就可以被产生。

图25示出了关于UWB信号/数据怎样被发射、接收以及检测的很简单的表示。时钟信号251被用来产生适当的脉冲以用于调制数据252。时钟信号和数据信号都被送入脉冲成形器(例如图20-23中所示的方案)，从而根据所述的方法来产生UWB信号。然后，UWB信号被发射到接收天线。因为信号在传输254期间可能受到衰减和失真以及累积噪声，所以信号被送入低噪声放大器(LNA)255和互相关检波器256(相关法在本技术领域中已知，例如匹配滤波、部分匹配滤波等等)。互相关检波器256接受信号-通过LNA 255放大的信号，和来自于模板发生器257的模板信号y(t)。如图20-23中所示，模板信号y(t)基于产生传输信号的码片序列(chip sequence)被产生。在实际数据被发射之前的先前期间中，在通常被称为’前同步码的期间中，码片序列通常在特殊的发射机和接收机之间传递。

在被接收的UWB信号部分和相关模板同步以及互相关检波器给出示出信号相关性的最大输出的情况下，包络检波器将以适当的数据间隔来抽样相关器输出并且决定接收到的信号属于图表24a-24d中的哪些点，并且因此随后重建数据。

因此，到包络检波器和判定模块258的互相关输出是将经由UWB传输被接收的数据。如果由于被发射数据和被接收数据之间的任何差别而存在差错，则解码模块(在258后面，未示出)能够在某种程度上检测到该差错。

应当指出，迄今为止给出的IC能实现的UWB产生电路、测试电路、产生单脉冲的传递函数和不同布置的示意图以及产生UWB数据脉冲的输入信号的实施例和例子不是详尽的。在读取本公开文件的时候，本领域的技术人员将被教授广泛的可能性，即等效于本公开中所描述的替换电路以及用UWB信号发生器来(例如除了只是单周期之外)产生不同的UWB脉冲种类。

Claims

1.一种用于产生UWB信号的方法，包括对时钟信号微分以获得UWB信号的步骤。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括对该UWB信号至少微分一次以产生单周期或多周期UWB信号的步骤。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括用UWB信号来调制数据信号以便获得调制过的UWB信号的步骤。

4.根据权利要求3所述的方法，还包括对该UWB信号至少微分一次以产生单周期或多周期UWB信号的步骤。

5.根据权利要求3所述的方法，其中所述调制脉冲被调幅。

6.根据权利要求3所述的方法，其中所述已调制脉冲被脉冲位置调制。

7.一个系统，包括：

具有输入和输出的放大器；

负反馈装置；

低通滤波器装置；

直流去耦装置；

放大器向所述低通滤波器装置提供系统输出以产生低通滤波输出；

将放大器的低通滤波输出反馈的负反馈装置负反馈到放大器的输入装置；

直流去耦装置，从所述放大器输出中除去直流分量；其中

系统输出是系统输入信号放大的微分；以及

由此产生了UWB脉冲以用于传输。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述放大器装置包括偏置的晶体管。

9.根据权利要求7或8所述的系统，其中，所述输入信号是时钟信号。

10.根据权利要求7或8所述的系统，其中，所述输入信号是锯齿形信号。

11.根据权利要求7或8所述的系统，其中，所述输入信号是脉冲信号。

12.根据权利要求7或8所述的系统，其中，所述系统在集成电路中执行。

13.根据权利要求7到12所述的系统，其中，所述系统包括安-伏拓扑。

14.根据权利要求7到12所述的系统，其中，所述系统包括伏-伏拓扑。

15.根据权利要求7到12所述的系统，其中，所述系统包括伏-安拓扑。

16.根据权利要求7到12所述的系统，其中，所述系统包括安-安拓扑。