CN1954509B - 超宽带射频信号发生器 - Google Patents

Abstract

通过用窗口函数整形具有所选频率的载波信号产生超宽带射频脉冲。选通整形的载波，以产生超宽带脉冲。在另外的实施例中，窗口函数包括正弦函数，以及通过混频器和CMOS射频开关形成超宽带脉冲。

Description

超宽带射频信号发生器

技术领域

本发明的各个实施例通常涉及超宽带通信，更尤其涉及在超宽带通信系统中使用的脉冲整形的有限持续时间的信号。

背景技术

用于无线通信的电信号通常包括不依赖于所传送的数据而存在的载波信号和施加给载波信号以将传送的数据嵌入载波中的调制信号。然后将调制的载波信号作为射频电磁波传送给接收器，其从载波频率中提取调制信号数据，并因此恢复数据。

通常将载波信号设计成具有一个或者多个狭窄的、仔细控制的频率，保证辐射的功率被控制在规定的指标内，并用于传输装置的最大利益。但是，一些系统已经适应了具有表面上矛盾的方案的无线通信方法，其用于将信号频率在非常宽的范围内传播，在任意一个特定频率产生总传送功率的很小一部分。这些信号通常被称为超宽带信号，并被用于研究短范围通信系统，例如无线网络，以及用于一些特殊功能，例如雷达，其中带宽使得这种信号难于拥挤。但是，超宽带信号的产生不是普通的工作，并需要不同于传统上用于产生狭窄载波信号的那些的方法和电路。

因此期望一种用于产生超宽带信号的系统。

附图说明

图1示出了根据本发明的多个实施例的多个正弦窗口函数。

图2A示出了将窗口函数p(t)施加到正弦载波信号的调制乘积。

图2B示出了根据本发明的实施例的图2的放大部分。

图3示出了根据本发明的实施例的窗口函数p(t)和正弦载波信号s(t)的乘积的频谱。

图4示出了根据本发明的一个实施例的单平衡混频器和CMOS RF开关。

图5示出了根据本发明的实施例的级联双平衡混频器和CMOS RF 开关。

图6示出了根据本发明的实施例的可变跨导电路和CMOS RF开关。

图7示出了根据本发明的实施例的固定的互导放大器(gmamplifier)和CMOS RF开关的组合。

图8是电路图，示出根据本发明的实施例用于选通窗口整形载波函数的RF开关的结构。

图9示出了根据本发明的实施例，使用CMOS的图8的电路结构的一个实施例。

图10示出了根据本发明的实施例的超宽带数据通信系统。

具体实施方式

在本发明的示例实施例的下述具体说明中，参考构成其一部分的附图，其中借助于可以实施本发明的说明性特定示例实施例来示出。充分具体地描述这些实施例，以使本领域技术人员能够实施本发明，并且应当理解的是，可以使用其它的实施例，并且在不脱离本发明的精神或者范围的情况下可以作出逻辑的、机械的、电的以及其它的变化。因此，下述的具体描述不认为是限制的意义，并且仅由所附权利要求来限定本发明的范围。

本发明在多个实施例中提供了用于产生超宽带射频脉冲的系统。产生具有所选频率的载波信号，并用窗口函数整形以产生超宽带脉冲。在一些实施例中通过RF开关选通产生的脉冲，其提供了载波信号和作为它的输出的正弦整形信号的切换混合。在多个实施例中使用的整形信号或者窗口函数是正弦函数，例如Hamming、Hanning或者Blackman窗口，其传统上在用频谱分析中的离散时间采样数字数据工作时使用或者用于制造有限的脉冲响应滤波器。

图1示出了根据本发明的多个实施例的多个正弦窗口函数。这里示出的多个函数是表示施加到本发明的多个实施例中的载波信号以产生超宽带射频(RF)乘积信号的函数。所示的三个函数的每一个都得自正弦函数，并在它们各自的周期“M”之外具有零值。尽管通常将这些函数用于数字滤波方法，但是为了这里描述的本发明的实例实施例的目的，它们被实施为连续的模拟函数，并因此还在这里示为连续函 数而不是一系列离散点。将这里示出的窗口函数p(t)周期地施加到载波信号s(t)函数，产生例如通常在图2a中所示的调制信号。

载波和调制方法随应用到应用而不同，并包括公知的方法，例如在AM收音机中使用的载波的模拟振幅调制，和在FM收音机中使用的载波的模拟频率调制。对数字信号存在类似的调制方法，包括幅移键控，其中在离散的值之间调制振幅，和频移键控，其中在离散的值之间调制频率。在数字系统中另外的方法也是有用的，例如相移键控，其中转换载波的相位来表示数字符号。更多的高级系统采用多个方法，例如通常使用的正交振幅调制方法，其使用四个不同的相位和两个不同的振幅来对数据编码。

载波本身是关心的另一个问题，并通常通过应用和通过联邦通信委员会(FCC)规则来规定。仔细地调节射频频谱，以保证只有特定被批准的产品以特定频率传送射频信号，一般在被小心地限制以最小化其它产品的干扰的功率水平下。因此，在载波频率和功率选择方面RF通信系统的设计者是受规则的限制的，并必须保证产品不在限制的或者非计划的频率以及载波频率下传送过多的功率。

因此，通常将载波信号设计成具有一个或者多个狭窄的小心控制的频率，保证辐射功率被控制在规定的指标内，并用来产生传输装置的最大利益。但是，一些系统已经适应了具有表面上矛盾的方案的无线通信方法，其在非常宽的范围内传播信号频率，在任意一个特定频率产生传送功率的很小一部分。这些信号通常被称为超宽带信号，其特征在于具有大于中心频率的20％的带宽，或者可替换地具有500MHz或以上的带宽。

在任意给定的频率，通过只发射少量的功率，这些信号保持符合FCC规则，并依赖于接收器，其接收全超宽带宽信号以提供足够强的信号来克服RF噪声和其它的问题。因此正在研究这些系统，用于短程通信系统，例如无线网络，以及用于一些特殊功能，例如雷达，其中带宽使得这种信号难以拥挤。但是，超宽带的产生不是普通的工作，并需要不同于传统上用于产生狭窄载波信号的那些的方法和电路。这里示出的本发明的实例实施例描述了产生这种超宽带信号的多种方法。

图2b示出了图2a的一部分的放大图，表明了组合窗口信号p(t)和载波信号s(t)以产生调制乘积p(t)*s(t)的结果。这里示出的窗口 函数p(t)在持续时间Tm内被周期性地施加到载波信号s(t)，并且是确定性的相位，产生例如在图2a和2b中所示的调制信号。组合乘积的频谱依赖于载波频率和施加的窗口函数，其在图3中示出。3.5 GHz的中心频率是载波信号s(t)的频率，同时初级波瓣301的频谱宽度依赖于窗口函数p(t)的周期。另外，次级波瓣302和303的振幅主要由选择的窗口函数p(t)来决定。

可以通过知道使用的窗口函数p(t)的类型来估计峰值次级节点振幅，例如，将期望简单的矩形窗口产生从主波瓣峰值振幅下降仅仅13dB的峰值侧波瓣振幅。由于在本发明的一些实施例中期望的是限制侧波瓣的振幅，以增加在预期的主波瓣301内辐射的能量的比例，在多个实施例中采用图1的函数。期望的是，Hanning窗口的侧波瓣峰值振幅将是从主波瓣峰值振幅在振幅上下降大约31分贝，而Hamming窗口侧波瓣将在下降大约41dB处是峰值，以及Blackman窗口侧波瓣将下降大约57dB是峰值。

主波瓣的宽度也随不同的函数变化，并且当选择施加到载波的窗口函数时必须被考虑。例如，矩形窗口产生宽度为4pi/(m+1)的主波瓣，其中m是窗口的周期。类似地，Hanning和Hamming函数产生宽度为8pi/m的主频谱波瓣，而Blackman窗口产生稍微较大的12pi/m的主波瓣。尽管对于给出主波瓣宽度的超宽带信号产生来说Blackman窗口再次呈现为良好的选择，但是这些仅是本发明的不同实施例中使用的宽范围的窗口函数中的几个例子。

在本发明的一些实施例中，通过选通函数G(t)，例如通过RF开关，进一步选通窗口函数p(t)和载波信号s(t)的乘积。选通函数RF开关控制乘积信号的持续时间和频谱占用情况，产生输出信号G(t)*p(t)*s(t)。在本发明的一些实施例中进一步确定选通函数，以保证产生的超宽带脉冲满足可应用的标准或者频谱轮廓遮蔽符合性。

图4-9示出了根据本发明的多个实施例，用于实现RF乘积信号p(t)*s(t)的RF开关选通的多个电路布局。图4示出了具有RF开关401的单平衡混频器，用于选通在402所示的输出信号x(t)。混频器403的输入包括载波信号404、具有频率f(m)的正弦信号、和实施为具有频率f(c)的正弦信号的Hanning窗口函数405。尽管窗口函数405是正弦函数且不是用于限定图1中的Hanning窗口的时间限制的余弦 函数，但是RF开关选通用于限制x(t)的输出，使得输出信号只存在于在405处的施加到混频器的正弦函数的Hanning窗口周期M内。对于在图1中显示的窗口函数的窗口限定的再次检查揭示出，可以使用例如图4-9的电路，利用单个正弦曲线源和最小的另外处理例如偏移或定标来实施Hanning窗口。在本发明的多个其它实施例中使用RF开关，以选通正弦信号的乘积来实施具有其它正弦函数的窗口载波信号，例如图1的Hamming和Blackman窗口，但是对于Blackman窗口应用第二正弦曲线源，并进行另外的电压偏移的校准和定标，以产生限定的窗口函数。

图5示出了具有级联双混频器501和502的实施例，每个混频器混合窗口函数正弦曲线503和载波信号504。混频器501的输入包括载波信号501以及窗口函数正弦曲线503和载波正弦曲线504的乘积。MOSFET混频器501和502的差分响应导致消除了共模输入成分，使得输出是sin²(fm)*sin(fc)，而不是图4的混频器403的更复杂的sin(fc)+sin(fm)+sin(fc)*sin(fm)乘积。通过RF开关505再次选通所得到的乘积，以产生输出信号x(t)。

图6示出了使用RF选通开关601的超宽带产生电路的另一个例子。偏置晶体管M0以工作在恒定电流区，并偏置晶体管M1以工作在三极管区。可以根据输入载波信号RF和整形信号LO的函数改变M1的跨导，其被另外提供给第二互补电路，使得RF是180度异相，而LO保持相同。在604的输出Vout和来自第二互补电路的相应Vout形成差分输出，其是输入载波信号RF的整形函数。如果输入信号RF是sin(fm)，且输入整形信号LO是sin(fc)，则差分输出是sin²(fm)*sin(fc)，如在图5的级联双平衡混频器电路中。在该实施例中，耦合到602处的M0的栅极的RF信号对应于在图5的504所示的sin(fm)信号，且耦合到603处的M1的栅极的输入整形信号LO对应于在503所示的窗口函数正弦曲线。图6的电路和它的互补电路形成如图5的501和512所示的级联双平衡混频器。

图7示出了采用固定的互导放大器，实现用于产生超宽带脉冲的混合和RF切换函数的另一电路。图7的电路通过在它们的恒定电流区偏置的输入金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET晶体管)700组合了独立的输入载波信号，以产生与输入的加权总和成比例的尾电 流。输入的MOSFET器件的物理尺寸决定了在总输出中呈现的每个器件的输入信号的增益或者加权，其通过RF输出开关701选通，并且组合的MOSFET 703的尺寸再次设置它的增益。因此，组合的晶体管增益和通过电流源704汲取的电流结合输入MOSFET的特性决定了输出信号水平。输入1，2和3的每一个是载波信号或者窗口函数整形信号成分，并被组合和选通以产生RF输出信号702。耦接到每个输入的电容器充当直流阻挡滤波器，使得在输入信号上的任何直流偏置不影响图7的电路中的晶体管的偏置。通过耦接到每个输入的电阻器网络控制对每个输入晶体管的偏置。

图8是示出了RF开关的结构的电路图，该RF开关用于选通图4-7中的窗口整形载波函数，且图9示出了这种电路的结构的一个实施例。尽管在一些实施例中可以使用单个FRT或者其它器件作为RF开关，但是图8的电路提供用于增益，和对输出信号的更好控制，这将在下面更具体地解释。将RF信号输入给p型MOSFET M0的栅极，其还在晶体管M0的源极耦接到电压源以及在晶体管M0的漏极耦接到n型MOSFET M2的栅极和n型晶体管M1的漏极。选通信号802耦合到晶体管M1的栅极，且晶体管M1的源极连接到晶体管M2的漏极和输出端子803。晶体管M3的源极连接到地或者参考电势。通过控制在802输入的选通脉冲的宽度，该CMOS RF开关可操作用于控制持续时间以及由此的输出信号的频谱带宽，其允许电流从晶体管M0流到M2。

在图9中，以截面形式示出图8的RF开关电路的实施方式，其用作如何以集成电路的形式有效地实现这种电路的例子。RF输入信号801耦合到p型MOSFET M0的栅极，且将选通信号802施加给n型MOSFETM1的栅极。从M1的被耦合的源极和n型MOSFET M2的漏极提供选通输出信号。通过将M2的源极接地施加电力，同时将功率信号Vcc提供给M0的源极。M2的栅极还耦接到M1的漏极和M0的漏极。在操作中，当选通信号802处于逻辑高电平时，RF输入信号801的状态控制输出803的状态，因为所有的晶体管工作在饱和模式。通过选通信号802控制输出信号803的持续时间以及由此的带宽。在本发明的另一实施例中，选通信号802是时钟信号，并且采用时钟信号的占空比来控制输出信号803的持续时间和带宽。

图10示出了根据本发明的实施例的超宽带数据通信系统。第一信 号源1001产生窗口信号，在一些实施例中其得自如结合图1所示出和讨论的一个或者多个正弦信号。载波信号通过第二信号源例如第二信号发生器1002产生，并在混频器1003中和窗口信号混合在一起以产生例如图2A和2B的乘积信号。在一些实施例中，在耦接到天线1005之前，还通过射频(RF)开关1004选通混频器的输出，然而在其它的实施例中，省略了RF开关，并将混频器的输出耦合到其间没有RF开关的天线。天线1005可操作用于传送或者辐射它接收的信号，并在本发明的多个实施例中将采用多种形式，例如被配置用于在相对宽频率范围内工作的Yagi天线。

在本发明的另外的实施例中，将利用数据信号例如通过被耦接用以接收数据信号并连接到数据通信系统的一个或者多个元件的混频器或者开关来调制提供给天线1005的输出信号。例如，数据信号可以耦合到开关1004，使得使用开关1004来利用该数据信号调制混频器1003的输出。其它的实施例包括在1001产生的窗口信号的调制、在1002产生的载波信号的调制、或者混频器1003的调制。可以实施对这些部件中的任一个的调制，以产生发送给天线1005的输出信号的调制，并由此利用数据信号调制从天线辐射或者发送的信号。

本发明的这些实例实施例示出了多个电路元件如何被构造并用于产生超宽带信号。这里作为例子给出的将多个窗口函数例如正弦函数施加到载波信号产生了可控制的频率和频谱宽度的超宽带脉冲，使得本发明适用于产生用于通信应用的超宽带脉冲。本发明在多个实施例中设法将模拟窗口函数施加到模拟载波信号以产生超宽带信号，以及使用模拟信号和处理产生窗口函数，如在这些例子中说明的。

已经在这里示出和描述了特定的实施例，但是本领域技术人员应当理解的是，可以用被认为能实现相同目的的任何装置代替所示的特定实施例。本申请旨在覆盖本发明的任何修改或变化。本发明旨在仅仅通过权利要求和其等价物的全部范围来限定。

Claims (5)

1.一种超宽带射频信号发生器，包括：

可操作用于产生正弦窗口函数的第一信号发生器；

可操作用于产生载波信号的第二信号发生器；和

混频器，其可操作用于产生作为所述正弦窗口函数和所述载波信号的乘积的超宽带射频乘积信号；和

CMOS射频开关，其可操作用于选通所述超宽带射频乘积信号；

其中所述CMOS射频开关包括P型场效应晶体管、第一N型场效应晶体管和第二N型场效应晶体管；

所述P型场效应晶体管的源极耦接到所述第一电压源，所述P型场效应晶体管的栅极被耦接用以接收所述超宽带射频乘积信号，以及所述P型场效应晶体管的漏极耦接到所述第一N型场效应晶体管的漏极和所述第二N型场效应晶体管的栅极；

所述第一N型场效应晶体管的栅极被耦接用以接收所述栅极控制信号，且所述第一N型场效应晶体管的源极耦接到所述第二N型场效应晶体管的漏极；

所述第二N型场效应晶体管的源极耦接到所述电压参考。

2.如权利要求1的超宽带射频信号发生器，其中所述电压参考包括地电压电平。

3.如权利要求1的超宽带射频信号发生器，其中所述混频器包括单平衡混频器。

4.如权利要求1的超宽带射频信号发生器，其中所述混频器包括双平衡混频器。

5.如权利要求1的超宽带射频信号发生器，其中所述混频器包括两个或者更多个固定的跨导放大器的级联。

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