CN1949680A

CN1949680A - 超宽带射频发射端系统结构

Info

Publication number: CN1949680A
Application number: CNA2006101128968A
Authority: CN
Inventors: 宋飞; 廖怀林; 黄如
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2006-09-06
Filing date: 2006-09-06
Publication date: 2007-04-18
Anticipated expiration: 2026-09-06
Also published as: CN100505582C

Abstract

一种超宽带射频发射端系统结构，包括锁相环、分频器、半波整流器、混频器和信号调制开关，所述的锁相环同时输出两路信号，一路作为混频器的本振输入，另一路经分频器分频并由半波整流器整流后作为混频器的中频输入；信号调制开关对数据进行二进制相移键控(BPSK)调制，接入在半波整流器和混频器之间，或接入在锁相环和混频器之间。本发明系统结构简单，2ⁿ分频器与半波整流器在电路上易于实现；可以应用于3.1G－5GHz低频段、6G－10G高频段甚至扩展到更高频率范围，而且频谱利用率高；发射端的低功耗；易于CMOS集成，混频器、分频器、半波整流器与锁相环均可利用CMOS电路实现；脉冲信号可控性强；数据传输率高。

Description

超宽带射频发射端系统结构

技术领域

本发明涉及一种射频通讯设备，尤其是一种超宽带射频发射端系统结构，属于射频通讯领域。

背景技术

超宽带(UWB)无线通讯近年来受到极大的关注，尤其在无线个域网(WPAN)领域，包括无线USB、下一代蓝牙都将采用超宽带技术；高数据传输率(480Mbps@2m，110Mbps@10m)、低功耗和低成本是其最大特点。它不同于传统的基于载波的窄带通讯方式，而是一种基于亚纳秒窄脉冲的脉冲无线电或多载波正交频分复用(OFDM)技术的宽带通讯。2002年美国联邦通讯委员会(FCC)对超宽带的定义为：分数带宽大于0．2(分数带宽

FBW = \frac{2 (f_{H} - f_{L})}{f_{H} + f_{L}},

其中f_H、f_L是相对于最大频谱密度-10dB频率点)或绝对带宽(-10dB带宽)大于等于500MHz；同时规定了超宽带的频谱范围为3.1G-10.6GHz，最大发射功率密度不超过-41.3dBm/MHz，频谱掩蔽如图1所示，其中，图1(a)表示室内超宽带系统的频谱掩蔽；图1(b)表示室外超宽带系统的频谱掩蔽。

目前，美国电子与电气工程师协会(IEEE)针对超宽带技术存在两大标准(IEEE Std.802.15.3a)：一是以德州仪器(TI)和英特尔(Intel)公司为代表的采用多带OFDM调制技术，将3.1G-10.6GHz频带范围划分为14个子带，每个子带528MHz带宽，采用跳频的方式一次至少占用三个子带，从而实现超宽带技术。文献B.Razavi，T.Aytur，C.Lam etal.，“A UWB CMOS Transceiver”，IEEE J.of Solid-State Circuits，vol.40，no.12，pp.2555-2562，Dec.2005报道了采用这种标准的超宽带收发机，如图2所示，为了达到一次占用三个子带的目的，该收发机使用了三个共振网络和三个锁相环电路，因此大大增加了设计的复杂度和功耗。

二是以飞思卡尔(Freescale)公司为代表的采用基于脉冲的直接序列超宽带技术，将3.1G-10.6GHz频带划分为3.1G-5GHz低频段与6G-10GHz高频段，使用任一频带均可。现有两种基于脉冲的超宽带射频发射端：

(1)是利用一些延时单元直接产生可以调制的亚纳秒窄脉冲，文献Y.J.Zheng，Y.Tong，C.W.Ang et al.，“A CMOS Carrier-less UWB Transceiver for WPAN Applications”，ISSCC Dig.Tech.Papers，pp.116-117，Feb.2006和H.Kim，D.Park，Y.Joo，“All-Digital Low-Power CMOS Pulse Generator”，Electron.Lett.，vol.40，no.24，pp.1534-1535，Nov.2004报道了采用此方法的发射端。该发射端产生的脉冲信号的宽度和幅度是不可控的，因此难以严格满足频谱规划要求；

(2)是利用混频器将基带产生的脉冲调制变频到超宽带频带范围，文献D.D.Wentzloff，A.P.Chandrakasan，“Gaussian Pulse Generator for SubbandedUltra-Wideband Transmitters”，IEEE Trans.Microwave Theory Tech.，vol.54，issue4，part 2，pp.1647-1655，Jun.2006报道了采用这种方法的发射端架构，如图3所示。首先，此架构中为了产生满足要求的脉冲，需要一个三角脉冲产生器，设计精确的三角脉冲发生器本身就是一个难点，而且此三角脉冲发生器需要调整三个外部控制参数：幅度(A)、脉冲宽度(PW)和偏移量(V_off)，才能使混频器输出脉冲满足要求：其次，三角脉冲发生器为芯片外部元件，未能与混频器、锁相环、滤波器和功率放大器集成在同一个芯片，因此三角脉冲发生器增加了设计成本，同时也影响电路的可靠性；最后，此架构在滤波器与超宽带天线间需要一个功率放大器电路，从而增加了设计的难度及复杂度。

发明内容

1.发明目的

针对上述超宽带发射端所存在的问题与不足，本发明的目的是提供一种结构简单、脉冲信号易于控制、适于CMOS器件集成、低功耗与低成本的超宽带射频发射端系统结构。本发明适用于高数据传输率、近距离无线通讯应用。

2.技术方案

根据本发明，超宽带射频发射端的系统结构至少包括：混频器、信号调制开关、分频器、锁相环及半波整流器。通过合理选择分频器的分频系数n与锁相环的频率f，该发射端可以应用在3.1G-5GHz低频段、6G-10G高频段甚至扩展到更高频率范围，原理框图如图4(a)、(b)所示。图4(a)中信号调制开关在混频器中频(IF)输入端，图4(b)中信号调制开关在混频器本振(LO)输入端，两者都是通过改变混频器输入信号的极性，即二进制相移键控(BPSK)达到数据调制的目的：可以根据不同类型混频器的结构，来选择相应的发射端架构(a)或者(b)，具有相同的效果，并且增加了设计的灵活度。

如图4(a)所示，锁相环模块产生频率为f的正弦信号，作为信号调制开关模块的输入端；信号调制开关模块的两路输出端与混频器模块的差分本振信号输入端相接。锁相环模块同时输出另一路频率为f的正弦信号，作为n分频器模块的输入端，因此，n分频器模块的输出端产生频率为f/n的正弦信号；该输出端与半波整流器模块的输入端相接，半波整流器模块的输出端与混频器模块的中频输入端相接；混频器模块的射频输出端与带通滤波器模块的输入端相接，最后，带通滤波器模块的输出端连接到超宽带天线。

如图4(b)所示，锁相环模块产生频率为f的正弦信号，作为混频器模块的本振信号输入端；锁相环模块同时输出另一路频率为f的正弦信号，作为n分频器模块的输入端，因此，n分频器模块的输出端产生频率为f/n的正弦信号；该输出端与半波整流器模块的输入端相接，半波整流器模块的输出端与信号调制开关模块的输入端相接；信号调制开关模块的输出端与混频器模块的差分中频输入端相接；混频器模块的射频输出端与带通滤波器模块的输入端相接，最后，带通滤波器模块的输出端连接到超宽带天线。

其中，图4(a)、(b)中的带通滤波器模块为可选模块，可以将混频器模块的输出端直接与超宽带天线相接，也能实现本发明的目的。

3.发明原理

在基于脉冲的超宽带系统中，高斯脉冲及其各阶导函数脉冲是应用最为广泛的，因为这样的脉冲一方面能够很好地满足FCC的频谱规划要求，另一方面频谱利用率高，从而不会对邻近频段(如：5G频带WLAN，802.11a)的无线电系统造成干扰。高斯脉冲可以用下面的数学式表示：

P (t) = \frac{1}{\sqrt{{2 πσ}^{2}}} e^{- (\frac{t^{2}}{2 σ^{2}})} = \frac{\sqrt{2}}{α} e^{- \frac{{2 πt}^{2}}{α^{2}}}

其中，表示σ²表示均方误差；α²＝4πσ²，为一个参量；t表示时间。

图6(a)为高斯脉冲的时域波形，频谱如图6(b)所示。高斯脉冲及其各阶导函数具有如下两点性质：(1)α值越小，对应的时域脉冲越窄，从而频域扩展的频谱越宽；(2)导函数的阶数(k)越高，对应频谱密度的峰值越向更高频率移动，可以用下式表示：

f_{peak} = \sqrt{k} \frac{1}{α \sqrt{π}}

在本发明中，利用低频(例如250MHz)半波整流器产生的脉冲信号与高斯脉冲信号的相似性(如图8所示)，对半波整流器的设计参数进行控制、优化，使其输出脉冲逼近高斯脉冲，充分利用高斯脉冲的时频域优点。在现有技术中，分频器与半波整流器级联，一般是为了产生精确的半波正弦(或余弦)信号，波形边沿变化陡峭。而在本发明中所应用的半波整流器，是为了产生逼近高斯脉冲的信号，这也是区别于传统的应用。仍以250MHz信号为例，其半波输出信号对应的频谱密度，基本上扩展到1GHz就衰减到很低(相对峰值频谱密度)，然后利用高频本振(例如4GHz或8GHz)的混频器将此脉冲信号上变频到3G(4G-1G)至5G(4G+1G)频段，产生满足FCC频谱规划要求且频谱利用率高的超宽带脉冲信号。

如图4(a)所示，脉冲信号的数据调制可以通过混频器的差分本振(LO)输入端的本振信号极性来控制；也可以通过混频器的差分中频(IF)输入端的信号极性来控制，如图4(b)所示。两种方案都是采用二进制相移键控(BPSK)进行数据调制，如图5所示。

通过以上说明，本领域的技术人员应能理解，图4所示的带通滤波器是一个可选模块，即可以移去该模块也能够满足超宽带射频发射端的要求。带通滤波器有两个作用：一是可以进一步对混频器输出脉冲进行整形，降低半波整流器、混频器等模块的设计指标，易于实现；二是可以抑止带外干扰信号，避免对其它无线电系统造成干扰，达到共存(Coexistence)的目的。

4.技术效果

本发明提供了一种基于脉冲的超宽带射频发射端的系统结构，具有如下优点：(1)系统结构简单，2ⁿ(n为自然数)分频器与半波整流器，在电路上易于实现；(2)可以应用于3.1G-5GHz低频段、6G-10G高频段甚至扩展到更高频率范围，而且频谱利用率高；(3)发射端的低功耗，这与系统结构简单、采用低功耗电路设计技术相对应；(4)易于CMOS集成，混频器、分频器、半波整流器与锁相环均可利用CMOS电路实现。混频器可以采用基于基尔伯特(Gilbert)单元的MOS有源混频器结构或无源混频器；(5)脉冲信号可控性强；(6)数据传输率高。

附图说明

下面结合附图，对本发明进行详细描述

图1表示FCC规定的超宽带频谱掩蔽，其中，图1(a)是室内超宽带系统的频谱掩蔽，图1(b)是室外超宽带系统的频谱掩蔽；

图2表示现有技术之一的超宽带发射端结构示意图；

图3表示现有技术的另一种超宽带发射端结构示意图；

图4(a)、(b)表示本发明的超宽带发射端系统结构示意图；

图5表示BPSK数据调制后脉冲波形；

图6(a)和图6(b)分别表示高斯脉冲时域与频域波形；

图7是本发明一较佳实施例的超宽带发射端系统结构示意图；

图8表示半波整流后脉冲波形与高斯脉冲比较；

图9(a)和图9(b)分别表示混频器输出脉冲时域与频域波形；

图10(a)和图10(b)分别表示带通滤波器输出脉冲时域与频域波形。

具体实施方式

本发明所述的超宽带射频发射端系统结构具有两套具体实施方案：

一是如图4(a)所示，频率为f的锁相环模块的一个输出端与信号调制开关模块的输入端相接；信号调制开关模块的两路输出端与混频器模块的差分本振信号输入端相接。锁相环模块同时输出另一路频率为f的信号，作为n分频器模块的输入端，因此，n分频器模块的输出端产生频率为f/n的正弦信号；该输出端与半波整流器模块的输入端相接，半波整流器模块的输出端与混频器模块的中频输入端相接；混频器模块的射频输出端与带通滤波器模块的输入端相接，最后，带通滤波器模块的输出端连接到超宽带天线。其中，带通滤波器模块为可选模块，可以将混频器模块的输出端直接与超宽带天线相接。

二是如图4(b)所示，频率为f的锁相环模块的一个输出端作为混频器模块的本振信号输入端；锁相环模块同时输出另一路频率为f的正弦信号，作为n分频器模块的输入端，因此，n分频器模块的输出端产生频率为f/n的正弦信号；该输出端与半波整流器模块的输入端相接，半波整流器模块的输出端与信号调制开关模块的输入端相接；信号调制开关模块的输出端与混频器模块的差分中频输入端相接；混频器模块的射频输出端与带通滤波器模块的输入端相接，最后，带通滤波器模块的输出端连接到超宽带天线。其中，带通滤波器模块为可选模块，可以将混频器模块的输出端直接与超宽带天线相接。

以第一种实施方案为例，其具体实现如图7所示，该实例可应用在3.1G-5GHz低频段或6G-10GHz高频段，并且能够很好地满足FCC频谱规划要求。

如图7所示，锁相环模块产生频率为8GHz的正弦信号，该正弦输出信号通过一个由“使能信号”控制的2分频器。当使能信号为高电平“1”时，输出频率为4GHz的信号；当使能信号为低电平“0”时，对输入信号不进行2分频，输出仍为8GHz的信号。以使能信号等于“1”为例，输出两路4GHz信号，一路作为信号调制开关的输入，另一路作为16分频器的输入。因此在16分频器的输出端产生250MHz(4GHz/16)信号，该250MHz信号通过半波整流器，输出图8所示的半波信号；250MHz的半波信号与4GHz的本振信号经过混频器，输出图9(a)所示的脉冲信号，频谱如图9(b)所示；再经过可选的带通滤波器，输出图10(a)所示的脉冲信号，频谱如图10(b)最所示；最后，脉冲信号通过超宽带天线发射到自由空间。由仿真结果可见，输出的脉冲信号可控性强，能够很好地满足3.1G-5GHz低频段的超宽带FCC频谱规划要求。

同理，当使能信号等于“0”时，输出两路8GHz信号，一路作为信号调制开关的输入，另一路作为16分频器的输入，输出500MHz(8GHz/16)的信号；该信号经半波整流器后，产生的脉冲频谱扩展到2GHz，然后利用本振8GHz的混频器将此脉冲上变频到6G(8G-2G)至10G(8G+2G)频段，产生高频段的超宽带脉冲信号。

Claims

1.一种超宽带射频发射端系统结构，包括锁相环、分频器、半波整流器、混频器和信号调制开关，其中，

所述的锁相环同时输出两路信号，一路作为混频器的本振输入，另一路经分频器分频并由半波整流器整流后作为混频器的中频输入；

所述的信号调制开关对数据进行二进制相移键控调制，接入在半波整流器和混频器之间，或者接入在锁相环和混频器之间。

2.如权利要求1所述的超宽带射频发射端系统结构，其特征在于，还包括带通滤波器，其输入为所述混频器的输出，输出为待发射的信号。

3.如权利要求1所述的超宽带射频发射端系统结构，其特征在于，还包括由使能信号控制的2分频器，用于将所述锁相环的输出经过2分频控制后再分两路输出。

4.如权利要求1～3任一项所述的超宽带射频发射端系统结构，其特征在于，所述的信号调制开关采用二进制相移键控进行数据调制。

5.如权利要求1～3任一项所述的超宽带射频发射端系统结构，其特征在于，所述的分频器为2n分频器，其中，n为自然数。

6.如权利要求1～3任一项所述的超宽带射频发射端系统结构，其特征在于，还包括超宽带天线，用于发射所述的混频器或带通滤波器输出的信号。