TW200527836A - Method of generating uwb pulses - Google Patents

Description

200527836 九、發明說明： L ^^明戶斤屬貝3 發明領域 本發明係關於超寬頻(UWB)信號之領域。 5 【MtT ^SL 】 發明背景 用於無線通訊之超寬頻技術，不同於其他的無線通訊 技術，其使用短波（同時於一些刊物中也被稱為小波)作為攜 帶資訊信號並且實際上是無載波的。換言之，將被發送之 10 資訊存在於脈波中並且不被調變而以任何載波頻率運送。 因為當發送時短波被散置於長的“安靜”區間，這技術是具 能源效益且具有非常低的平均信號功率頻譜密度。 超寬頻技術不僅僅是被應用於無線通訊系統中。如 2002年2月14日之“超寬頻公告與法規新聞發表，，中所述，其 15 於成像、地面雷達、壁面成像、穿牆成像、醫療系統、監 視、汽車雷達以及量測系統中具有潛能。 於超寬頻資料發送範例中，資料具特徵於超寬頻脈波 之間的位置或區間（亦即，脈波位置調變）。在被接收脈波之 間的週期被使用以重建該資料。於另一方法中，超寬頻脈 2〇 波被成形以代表資料。於另一方法中，不同的脈波振幅被 使用以代表二元的資訊。無論哪個方法被使用，脈波產生 步驟對於任何超寬頻系統之操作是重要的。 多數基本的超寬頻脈波是單週期。圖形la和ib分別地 展示具有1_奈秒寬度以及其頻域中等效者之單週期脈波。 5 200527836 其他型式之超寬頻脈波包含步階信號、高斯脈波、多迴圈 信號以及視窗式正弦波。 當脈波是非常短的信號叢發時，超寬頻系統是固有之 寬頻。超寬頻因此可能會干擾現存之通訊系統，並且被其 5所干擾。這起因於影響允許超寬頻技術商業化和私有化之 管理當局之猶豫。 但是’於2002年2月，聯邦通訊委員會(FCC)採用第一 公告與法規而允許超寬頻技術之上市和操作。一年後，於 2〇〇3年3月13日，FCC修正第15部份和子部份，其中詳細 10說明上述未經許可的超寬頻發送系統之構成。FCC不指定 超覓頻脈波產生和形狀之任何規定，但是其指定經由各種 EIRP遮罩而用於不同超寬頻系統之被允許的頻寬。依據文 件中被扎定之程序，EIRp是有關於來自超寬頻裝置之任何 方向和任何頻率被檢測的最高信號強度。FCC定義一超寬 15頻發达為作為一輻射器，其在任何時間點，具有等於或較 大於0.20之分量頻寬或而無視於其分量頻寬而具有等於或 車父大於5〇〇MHz之超寬頻頻寬。 第至if圖展〒FCC認可之不同超寬頻系統的概要圖 不第1c圖展不被使用於室内系統之超寬頻頻寬，第1(1圖 20展不被使用於戶外手持系統之超寬頻頻寬，第關展示被 使用於GPR、壁面成像以及醫療成像系統之超寬頻頻寬， 展示被使用於穿牆成像以及監視系統之超寬頻頻 =超見頻信號-般可具特徵於其之峰值振幅、時間衰減 韦數以及脈波寬度。如第“圖所展示之代表時域的基本超 6 200527836 見頻單週期之方程式為： y(t)^A^te^ τ 其中Α是頻域之峰值振幅且Τ是時間衰減常數，該峰值 振巾田係關於平均信號功率，時間衰減常數係關於脈波之中 5心頻率且脈波寬度係關於信號頻率寬度。代表如第化圖展 示之頻域的基本超寬頻單週期之方程式是： _ \ν2τ2 Y( w)=Awr2 ^2nee 2 其中A是峰值振幅，且τ是時間衰減常數。 於案號WO 02/31986，McCorkle，John之’’用以產生超寬 1〇頻脈波之系統及方法，，之案中，揭示一種超寬頻信號產生之 方法。於該方法中，一個八分相位波形時脈信號首先被分 割成為兩個訊流。一訊流接著被饋送至一串列緩衝器，而 另一訊流則僅被饋送至一緩衝器。該兩串列之緩衝器導致 在兩訊流之間的相位延遲(w〇 〇2/31986文案中，第28頁第i 15段’第6圖）。該訊流接著被饋送進入到互斥OR閘或AND閘 以產生一被組合之單一訊流，其具有原始時脈輸出之兩倍 頻率。這被組合之信號流接著被饋送進入另外之二組串列 之緩衝器’其導致在它們之間具有相位延遲之另外二個形 成的方波訊流。領先的脈波訊流接著被饋送進入乘法器之 2 0 一非反相微分LO輸入，同時滯後之訊流被饋送進入相同乘 法器之一反相微分L〇輸入。微分資料信號之第三輸入同時 也被饋送進入相同乘法器。結果是來自於非反相領先脈 波、反相之滯後脈波以及該資料信號之組合單週期訊流。 200527836 該合成的訊流包含代表之接地-正-負-接地脈波以及代表 ’〇’之接地-負-正-接地脈波的超寬頻小波(WO 02/31986文 案，第25頁24-25行，第5a圖和第5b圖）。 本說明之第2a和2b圖展示麥肯（McCorkle)方法之圖 5示。二方波訊流被饋送進入具有反相及非反相輸入之LOW 產生A+ 21a、21b(其是一系列之次奈秒(subnan〇sec〇nd)正脈 波），以及A- 22a、22b(其是一系列之次奈秒負脈波）。a-相 對於A+而精確切地被延遲A+脈波之時間寬度。ab 23、 23b是微分資料信號並且利用乘法器中之信號a+和a-而 10 被調變以產生一微分、雙相位、調變單週期之24、24b。 McCorkle方法同時也可被使用以產生其他形狀之超寬頻脈 波0 但是，利用McCorkle方法被產生之超寬頻信號具有限 之輸出功率和低電壓擺幅，並且因此不易於匹配天線，亦 15即，因此被產生之超寬頻信號，在它們可被饋送至發送天 線之前，很可能需要被傳送經過寬頻放大器。 第3圖展示，如美國專利序號6026125案，賴瑞克 (Larrick)之“波形適應超寬頻發送器，，所述之超寬頻信號產 生方法。脈衝產生器31激勵一脈波整形濾波器32，其輸出 20被使用以直接地利用切換混合器34而閘限振盪器33之輸 出。這被進行以交互地通過或不通過振盪器信號至頻通濾 波态35之輸入。產生的信號36接著在經由天線38被輸出之 前被饋送進入一放大器/衰減器37。Larrick之方法具有信號 從LO滲漏進入該輸出之問題，其破壞超寬頻輸出。 8 200527836 弟4圖展不產生超見頻彳g號之方法，如發表於ieee期 刊，2001年6月序號6之Μ·Τ·Τ·第49卷第1126頁，由jeong SooLee、Cam Nguyen以及Tom Scullion等人著作，其標題 為“用於時域微波應用之新型單極次奈秒單週期脈波產生 5器和變換器”，以及Jeongwoo Han和Cam Nguyen等人著作之 IEEE期刊，2〇02年6月序號6之Μ·Τ·丁·第12卷第1126頁文 案，其標題為“具減弱震鈐之新式超寬頻、超短單週期脈波 產生為。這方法中’觸發信號41驅動步進恢復二極體 42(SRD)以輸出尖銳彳吕號邊緣。這信號邊緣經由短路殘段傳 10 輸線43被傳送。由於信號自殘段端43之短路電路反射，一 具有相反極性之延遲邊緣與原始信號邊緣被組合以形成高 斯般脈波。脈波信號經由一隔離電路44，並且接著至另一 短路殘段傳輸線45 ’其轉換脈波成為一單週期。這單週期 被饋送進入天線46(利用一負載電阻被表示）。這超寬頻作號 15產生方法能夠充分地產生高功率單週期並且是目前主要的 超頻產生方法。但是，其不一定是符合S夕1C設計。 為使之符合矽1C設計，於電路中被使用之構件必須遵 循鑄造構件文庫。SRD是一種專門的構件而不是鑄造構件 文庫之部件。鑄造廠不製造SRD，因發展特定SRD的技術 20 和模子是特別地昂貴。 更進一步地，SRD需要大的輸入信號功率以激勵它為 正確狀態而產生所需的輸出。一般，輸入信號功率是在已 是夠大之20dBm的位準。SRD因此不進一步地放大輸入信 號。實際上，SRD基本上是一種導致信號功率損失之被動 9 200527836 裝置。二個SRD性能之範例可摘錄自HP應用註記920之“使 用步進恢復二極體和SRD模組之諧波產生”一文中，以證實 這論點·· “對於S-頻帶阻尼波形產生器，輸入信號功率是 2W(33dBm)且輸出功率是l.〇5W(30dBm)，，，以及“對於脈衝 5 形成網路，輸入功率是lW(30dBm)且輸出功率是 0.532W(27dBm)”。換句話說，SRD輸入信號之功率必須是 大的，並且其輸出信號功率不能具有較大於輸入信號之功 率。

10 15

JeongwooHan和CamNguyen同時也揭示，單週期肊、皮 可利用一種簡單被動式RC微分器之RC電路(例如，# 第26圖 展示之電路）中’试分南斯似之脈波而被產生。蕾 %路之頻域 分析導致下面方程式： κ

^ /jwC^ U^RC 被使用於該方程式中之近似是有效的，如果 jwRC 1. 因此， 不可 因此，輸出彳3 5虎無視於R和C數值而較少於1 能具有來自此RC電路之大的輸出信號。 此外，輸出脈波之形狀是不良的。於時域中，。 階電壓信號可利用第27圖之電路而被模式化 别入步 。在時間tn 時，兩個開關將從實線位置移動至虛線位置。假机⑴〜 步階函數被產生而在t=tO=〇秒時，具有一無限j ^ 間。該輸入可被表示為 的上升時 10 20 200527836 u(0=\ .

[0^>t<0s 接著在t>0時， v=m+%=R 堂在

/c dt C 啟始地，當t〜0秒時，步階電壓開始啟動以積聚電荷於電容 5 器左方平板上，因此迫使電流i向下流至電阻器R。但是， 因為需要時間以積聚電荷，V0Ut.initiai=u(t)，因為u(t)是瞬間 步階：

VminalZ=IR = R^-=U(0· at

dQ_u(t) dt~ R

隨時間增加時，電容器電荷上升並且 10 Q = CV 其中V是跨越電容器之電壓。在t» 0時，沒有更多電流通過 電阻器，亦即i = 〇且Vo，final = 0V。電路之啟始和最後狀態建 議：

I=dQe-Kt = ^le-Kt dt R

Vo=u ⑴ e—K丨 15 因此，如從上面之方程式所見，無視於輸入步進上升時間， 輸出將具有一指數衰減。因為小振幅之緩慢指數衰減，這 導致輸出脈波的不良形狀對稱性。 一主動微分電路範例，如相對於上述之被動RC電路， 其是使用具有如第28圖展示之負回授電路的運算放大器 11 200527836 (op amp)。Sergio Franco著作之“運算放大器和類比積體電 路之設計”，就其迴路增益而分析這電路。進行直接分析 時，其假設自第28圖微分運算放大器電路之電容器C之電流 輸出是大約地相等於進入電阻器R之電流。這表示： cdVcJt-V〇

dt R

Vc=K~Vi dV^t) dt

K(t)=-RC

如所述，輸出電壓是輸入電壓之導數。 接著，進行負回授分析，總頻率響應是 Αι ab 通常於具有運算放大器電路之實例中，迴路增益是充 10 分地大於1 (ab > > 1)，而近似·· idea!' A=A, 於第28圖電路之實例中：

Twru\J〇) 其中人° 15 如上面頻域分析所展示，其接近於微分電路，此是其 目的。但是，一微分運算放大器不滿足申請人本發明目的， 如下面之詳細說明。

第5圖展示一種超寬頻信號產生方法，其詳述於WO 12 200527836 99/53616案中由 Stevens，Roderick，Leonard以及Wallace所 發表之“單脈波產生器，，。於這方法中，高頻率振盪器產生 連續的正弦波信號A，其被饋送進入一視窗脈波產生器52 以及延遲區塊53。該延遲區塊之輸出，信號B，其是信號a 之被延遲形式。視窗脈波產生器產生視窗脈波c，其導通及 切斷開關54以在適當的時刻傳遞信號B。形成的信號D，是 一個週期之視窗正弦脈波，其近乎於一單週期。這超寬頻 信號產生方法具有LO信號被洩漏至輸出之問題，而破壞該 超寬頻信號。 第6圖展示一超寬頻信號產生方法，其是Juriant〇 1〇^專 士於2003年2月25日在新加坡資訊通訊發展局所發表之“超 寬頻研討會之Cell()nks表現”。於這方法中，短波寬度㈣ 15

20 =达進人-非線性祕之通道二極體&，其導致在脈波視 自内之振1響應。這響應同時也是—種超寬頻信號63。這 超員L唬產生方法也不符合如通道二極體之矽ic設計， =疋相似於SRD，-種非常專門的構件。引述自被整合出 " 程系列（參看網址：www.tpub.com/content 人b0〇k7/26a.htm) ’ “於一通道二極體上，被使用於形成 接口之半導體材料被摻雜至於1G百萬個半導體原子中1000 们雜貝原子之限度”。但是，標準二極體是每1G百萬個半導 ^原子輕微地被摻雜-雜質原子。因此，通道二極體是非 、彳的構件’其是昂貴的且於多數製造廠是不供應的。 j何上面δ兄明之方法無符合1C設計製作且無LO信號 A險且提供用於天線發送之足夠功率擺幅之功能。 13 200527836 L發明内容3 發明概要 «=二種新的方法，其使用電晶體以產生及,或 形成脈波見度小於1〇〇微奈秒（兆八一 該被提狀超❻錢產生方〉ς本—；：)之«頻脈波。 之方法並且具有克服許多先前技術限制:内不=_ 10 15 =議：法能夠產生大的信號輸出擺幅以產生大 =Γ同時也不具有L〇信物進入超寬頻 該方法料地提供-種高脈波錄率並且在 :皮產^之超寬頻脈波之上提供有效的㈣（亦即，脈波振 幅、脈波寬度、脈波形狀以及脈波重覆性可被控制）。更進 :步地’财法可㈣產生各_式之超寬_號，例如 早週期、多週期或雙相位信號。本發明之裝置具有小的電 路尺寸並且可被設計且被製作於Ic中。 η依據本發明第_論點，用以產生超寬頻信號之方法被 提出’ 4方法包含微分—時脈信號—次以得到超寬頻脈波 之步驟。 依據本發明第二論點，一種系統被提議，該系統包含 放大裝置、負回授裝置、低通濾波裝置、DC去耦合裝置， 2〇並且該放大裝置提供被饋送至低通濾波裝置之系統輸出， 該放大器之低通濾波輸出被負回授至放大器之輸入裝置， 該DC去耦裝置移除放大器輸出中任何之dc成分，其中來自 該系統之輪出是至該系統之輸入信號之被放大微分，並且 因此產生具有足夠功率以供匹配發送天線之超寬頻脈波。 14 200527836 依據本發明第三論點所提議之方法，其包含之步驟有: 使用步階改變信號作為第一輸入，微分該第一輸入以得到 第一脈波信號，混和該第一脈波信號與一第二輸入（第二輸 入是為資料信號），以產生第二脈波信號，並且微分該第二 5脈波^號以產生第三脈波信號，其中該第三脈波信號是_ 超寬頻脈波信號。 圖式簡單說明 從各種實施例的詳細說明以及附圖，本發明將更完全 地被了解，但是，此特定實施例僅作為說明和了解之用， 10本發明不應受此限制。 第la圖展示於時域中一組i_ns脈波寬度之高斯單週期。 第lb圖展示於頻域中第ia圖一組l-ns脈波寬度之高斯 單週期。 弟lc圖展示依據FCC被認可供室内系統使用之超寬頻 15頻寬。 第Id圖展示依據FCC被認可供用於戶外手持系統使用 之超寬頻頻寬。 第1 e圖展示依據FCC被認可供用於GPR、壁面成像以及 醫療成像系統中使用之超寬頻頻寬。 20 第If圖展示依據FCC被認可供用於“透壁”成像和監視 系統使用之超寬頻頻寬。 第2a圖展示依據WO02/31986案之UBW脈波產生方法。 第2b圖進一步地展示第2a圖之UBW脈波產生方法。 第3圖展示依據美國專利6026125案之超寬頻脈波產生 15 200527836 方法。 第4圖展示依據s〇〇 Lee，Nguyen和Scullion以及依據 Jeonawc Han和Nguyen之超寬頻脈波產生方法。 第5圖展示依據w〇 99/53616案之超寬頻脈波產生方 5 法。 第6圖展示超寬頻脈波產生方法，其被揭示於由

Jiirianto J0e博士於2003年2月25日在新加坡資訊通訊發展 局之’’超寬頻研討會之Cellonics表現”。 ® 第7圖展示本發明實施例之效應。 10 第8圖是展示本發明實施例之轉移函數圖形。 第9圖是展示利用一階高通濾波器近似之第8圖轉移函 數圖形。 第10圖展示低通濾波負回授之電路圖。 第11圖展示表示於頻率函數塊之第10圖電路之等效 15 圖。 鲁 第丨2圖展示等效於第11圖方塊圖之電流電壓（串聯-串 聯）回授拓樸架構圖形。 ，第13圖是進一步地展示第12圖電流電壓（串聯_串聯）回 长相樸架構之圖形。 2〇 ^ 1 弟14圖展示混合-π小信號電路的圖形。 如圖展示第12®實施例之簡單測試電路之分解圖。 第16a-f圖是展示第12圖電路之時域響應的圖形。 第圖形是展示第12圖電路之頻域響應的圖形。 第18圖展示等效於第12圖之超寬頻信號產生器電路的 16 200527836 實施例。 第19a-e圖展示超寬頻產生器實施例之微分函數圖形。 第20-23圖展示使用本發明超寬頻產生器實施例之各 種脈衝調變技術圖形。 5 第24a-d圖展示依據本發明實施例之信號群集向量表 示圖形。 第25圖是超寬頻信號/資料如何被發送、被接收且被檢 測之簡單表示圖形。 • 第26圖展示簡單被動RC微分器圖形。 10 第27圖模式化用以輸進入第26圖被動RC微分器中之 輸入步階電壓信號的產生圖形。 第28圖展示使用具有負回授電路之運算放大器的主動 微分電路圖形。 I：實施方式3 15 較佳實施例之詳細說明 第7圖展示本發明之超寬頻產生器實施例的基本功 ® 能。正脈波71(高斯-相似者)被饋送進入超寬頻信號產生器 72之實施例並且被轉換成為單週期脈波73。相對地，負脈 波74被轉換成為單週期脈波75，其是單週期脈波73之反 20 向。超寬頻信號產生器72之基本操作是輸入信號之超寬頻 微分和放大。超寬頻信號產生器中之電路取得一系列之寬 頻次奈秒脈波，微分且放大它們以輸出一系列之超寬頻信 號。輸出單脈波具有比輸入脈波稍微地較長之時間寬度。 下面方程式說明時域中之電路的微分函數。 17 200527836 y(t)=K^l dt 其中， x⑺是輸入至區塊之信號；並且 3^0是所需的輸出信號。 電路景彡響頻率選擇之放大和抑制， 件非線性之較高|皆波的產生。因此，不 週期操作。

其是不同於使用構 限制電路在高責務 ▲為合成上面函數，方程式被傅立葉轉換成為頻域並且 该轉移函數如下所示地被導出。

\Η(/)\=2πΚ/ 10 頻域方程式展示，如果具有轉移函數Ρ「力|之電路，如 第7圖所展示，可被合成時，則一輸入信號可於時域中被微 分。該轉移函數|//「/)|圖示地被展示於第8圖中。 嚴格地說，轉移函數|//「/)|之電路不能被合成。但是， 15可使用一階高通濾波器以近似它。第9圖展示被近似之轉移 函數的實例。 本發明超寬頻信號產生器實施例具有一主動一階高通 濾波器，該一階高通濾波器具有零直流傳輸，超寬轉移頻 帶以及通帶在接近被使用於電路中之電晶體（亦即，電晶體 20 工作於它們飽和限定内）傳送頻率之頻率。因具有零直流傳 18 200527836 輸和超寬轉移頻帶使超寬頻信號產生器能夠產生非常短之 脈波(接近次奈秒等級），而短路輸入信號中任何穩定狀態之 直流成分。 被使用之濾波器是一組主動濾波器，因整體濾波器響 5 應要求放大以達到足夠的信號功率輸出。 高通濾波器轉移頻帶受限制於製作它之主動裝置的整 體頻率響應。因此，必要地選擇具有非常高轉移頻帶之主 動裝置。如第9圖之展示，’A’是轉移頻帶，fB’展示利用類比 濾波器之電容器而使轉移函數相關地逐漸減小，而’C’展示 10 在高頻率之電晶體性能的逐漸衰退。 上述頻域函數利用在標準放大電路上一負回授通道被 製作，如第10圖之展示。放大器13之輸出信號14通過(在15) 低通濾波器16並且被負回授饋送17回至放大器13之輸入 11。以此方式，在包含較高頻率的其餘信號12被放大器13 15 接收之前，輸入信號11較低頻率成分被消除。當輸出信號 15被負回授饋送17回至輸入11時，整個構件區塊之轉移函 數有效地被改變，而形成微分函數。 如上所述，電晶體放大器13具有一頻帶受限制之轉移 函數。電路區塊僅可微分至電晶體轉移頻率之下的頻率之 20 信號。適當的電晶體被選擇而具有適當的輸出信號功率、 放大以及操作頻率。 第10圖也可以頻率相關函數區塊被表示，如第11圖之 展示，其中 19 200527836

A 0〇

B〇 1+丄 s F(s)= H(s)= Y(s)_ A(s) X(s)~UF(s)A(s)

A H(s)二

f \ Λ S 1+—— v ， A^B s 1 1 ’ 2 1 ——+—— +5 在下面條件下 1«--A.q Bq w.f 第11圖之回授迴路的轉移函數可被近似為 ⑴

( H(s)三

第10圖展示之電路看起來相似於使用背景部分所述之 10 第28圖的運算放大器之微分電路。但是，應注意到，本發 明核心構件並非是運算放大器，而於一較佳實施例中，應 是BJT電晶體。考慮到運算放大器是於MHz範圍中操作的類 比電路構件，此差異特別地被表明。本發明，相對地，產 生足夠供用於R F發射器之功率的次奈秒脈波且利用一組完 15 全不同的參數操作。 更進一步地，本發明之構件定位是不同於運算放大器 20 200527836 微分電路。於運算放大器微分器中，輸入信號電壓被轉換 成為其獨有的微分電流信號。做為該輸入，進入運算放大 器負端點之電流是微不足道的，並且電流信號通過電阻器 R，其轉換該電流信號成為相反極性之輸出電壓信號。因 5 此，該微分運算放大器具有不同於本發明之操作原理，反 而是更相似於被動的RC微分網路。 另外地，該運算放大器微分電路被使用以微分緩慢的 類比信號，並且其不欲作為形成網路之次奈秒脈波的使用。 ® 電流電壓（串聯-串聯）回授拓樸架構，如第12圖所展 10 示，展示第11圖方塊圖之實現範例，其中 G( s)= R(s)~- Λ: -G〇 -(2) 1+丄 w, A -(3) h 1+丄 可證實：

OUT -G(s)Rl νίΝ UG(s)R(s) -(4) 15 替代(2)及(3)式進入區塊轉移函數(4)中，則得到 / ~G0 H(s): ουτ . ( \ Λ S 1+—— V Rf fi 〇 2 r i ] ——+— + 5 在下面條件時： 21 200527836 GQR〇wl U^~^G〇R〇 wf 第12圖電流電壓（串聯-串聯）的回授拓樸架構之頻域轉 移函數可被近似為· H(s)= wfR〇 •⑺ 方程式（5)是方程式（1)之等效式。

其他回授拓樸架構，例如，電壓-電壓、電壓-電流以及 電流-電流可使用相似區塊和相同概念被設計。 上面回授拓樸架構電路可被製作於一積體電路（丨C) 10 第13圖展示製作第12圖電流-電壓（串聯-串聯）回授拓 樸架構之電路實施例。第13圖之佈局是一種雙極性接合電 晶體131的共射極組態，其製作提供負回授132之一放大器 和一射極回授網路。該回授網路包含一個一階低通濾波器 133。虛線方塊強調功能區塊並且在該區塊内之組件展示其 15中該回授被減去之方式。於該圖形中，低通濾波器133對應 至第10圖之低通濾波器16。同樣地，該BJT組態131對應至 第10圖之放大器13並且負回授132對應至第10圖之負回授 迴路17。 第14圖展示等效於上述之雙極性接合電晶體131的混 20 合1小信號電路。該回授網路被連接在射極側。Rchu是集 極電阻器和輸出阻抗之一併連。Vin是至電晶體之輸入電 22 200527836 壓脈波信號。vbe和§〇1是加偏壓相關之電晶體參數。 解出在某種某些節點和迴路上之Kirchoff電流和電壓 法則，可得到下面以小信號操作之電路轉移函數： snAJ^j^RfCf) V (w) Rf ^gmRf^j^Rfcf

K 5 取代在射極側使用大數值的Rf電阻器，一電流鏡組態 被使用，以便提供DC固定供應電流，並且提供在AC/RF情 況下的大阻抗。 ® 被給予： Κπ jC^ 1 T( w)=-jw

Sm^-oiu R j C f Λ

R

-jwK 10 則一微分轉移函數可被導出

上面討論之電路已使用IBM BJCM0S6HP處理構件於 Cadence上被模擬。 第15圖展示實施例之電路分解圖。於這圖形中，t是 提供#號增盈並且描述電路輸入和輸出之放大電晶體。^ 15 &供固疋直流偏壓電流以及在交流電操作之大的回授電 阻。丁3配合丁2而完成電流鏡組態。Rbias設定一固定電壓以供 用於偏壓電流。Cf是第14圖之回授電容器141。丁2，如果適 當地被加偏壓，則在飽和區域操作，並且提供大的心數值 以供用於弟14圖之回授電阻器140。C2是直流去|馬合電容 23 200527836 器。輸入脈波移動進入電晶體乃之基極。輸出單脈波自電 晶體T!之集極電壓擺幅產生。這測試電路被模擬於電容器 Cf數值之範圍而展示實施例之頻域和時域響應。第16a-f圖 展示該模擬之時域響應。 5 第16a圖展示以2.2V被加偏壓而具有〇·IV峰值之輸入 脈波信號，其被饋送進入第15圖之電路。第igb-f圖展示對 於不同電容器數值範圍之電路的時域響應。輸出單脈波形 狀和時間持續可隨不同的電容數值而改變。可發現具有最 小振動之非常高功率、對稱的形狀單脈波可被產生。該等 H)電容數值是對應於第16b、c、d、e以及£之〇 lpF、〇 2pF、 0.6pF、lpF及2pF值。 第17a-f圖展示測試電路之頻域響應。第⑺圖展示對於 頻率從0Hz至12GHz之0.1V的於λ 制入知射正弦曲線電壓數 值。第17b領展示對於電”數值範圍之_電路的頻域 15 20 響應。該電容數值是對應於第l7h、 〇 c、d、e、以及f圖之01pF、 0.2pF、〇.6pF、lpF以及2pF值。士 Ρ很如所見，被模擬之結果對應 於上面討論之數學式導出結果：秘丄+ 曰加電容則縮短高通濾波 器之通帶，僅微分某一範圍之> ，J化號頻率而放大其他頻 率。因此，低電容是較好的，闵 — 為其確保微分器電路在一 大頻率乾圍之上操作。這對應於灸 Α： λ/c^ t： 4- ^ ih ^ 、$考弟9圖在超寬頻信號產 生為的刼作頻率和輸出信號放去 人之間的妥協之討論。分析 和模擬因此展示第13圖所展示夕+ 刀祈 、丁之電路是能夠微分一寛頻輸 入信號，其受支配於電晶體131以议 艾刀見夕請 从及虹和Cf 133、140、141 之時間常數的已知頻率性能。 24 200527836 如第18圖所展示之超寬頻信號產生器的微分電路實施 例利用BiCMOS 1C被製造，並且展示！〇〇-奈微秒脈波輸出 是可行的。 第19a-e圖展示一些第18圖電路之使用的範例。第以圖 電路可以取代第19a-e圖之超寬頻信號產生器區塊。如可見 於圖形中，資汛發送超寬頻信號之產生是申聯所提電路與 其他構件並且提供適當性質的時脈信號之事件。

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20 咖圖展不利用實施例電路之鑛齒信號的微分。第圖展 古利用實施例電路之具有正的和負的振幅之高斯信號（或 斤相似脈波)的微分。第19dgJ展示利用實施例電路之具 :同振‘之-系列高斯或高斯·相似脈波的微分。第⑼ 讀取、_ 早週功和反向早週期的微分。當 面第19a-e圖之屏+ τ η入 變化。 展不不疋全部且可有進一步地 其使用第純脈衝形物_脈衝形成器）， 乂月汽％例之超寬并首行 號。脈信號和資料信號被使用、=產生器以產生超寬頻信 其輪出信號至發送天線。=至脈衝形之輸入， 形成器之效率。處、、立 員化號產生器直接影響脈衝 應注意到，單锎 曰 之振幅調變是振幅波形 形成器之效率 編碼形2 · σι1 ，早週期之脈波位 式’·軍週期之雙相位調變是對^變是—正交波形編碼形 组信號調變早τ 波形編碼形式；而單週期4 疋正交和對立波形編/ 领馬之間早組合，其導致頻 25 200527836 道帶寬之最佳使用。 第20圖展示資料信號可以如何藉由產生一組振幅調變 單週期系列而被轉換為超寬頻脈波以供發送。 从分時脈信號’A’ 205被饋送進入本發明實施例之超寬 號產生器2〇1以被微分。所形成的輸出,β’是由於時脈信 號205之梯度而具有正的和負的振幅2〇6之一系列高斯脈 波。彳s就Β接著被饋送進入一微分混合器2〇2而將之平方成 為70全正的信號，C，207，因而變換負脈波成為正脈波207。 k號1C’ 207接著在調變器/混合器2〇3中被調變為資料信號 10 ，以2〇8，並且所形成的振幅調變波形Έ，2〇9被產生。該輸出 汜209被饋送進入實施例之另一微分超寬頻信號產生器 204並且振幅調變超寬頻單週期系列，f，2〇ι〇被產生以供發 X、/ 达0 第21圖提供產生雙相位單週期系列2U0之範例。微分 15時脈信號，A, 215被饋送進入本發明實施例2Π之超寬頻信 號產生器。輸出，B，216接著被饋送進人―微分混合器212而 將之平方成為信號，C，217。信號，〇217接著在調變器213被 調變為資料信號，D，218,並且所形成的波形Έ，21·產生。 (注意到，，d，218具有正的和負的振鴨，不同於第2〇圖之信 號，D，施）。波形，E，219被饋送進入本發明實施例214之另一 超寬頻信號產生Μ供另-回合之微分並且雙相位超寬頻 單週期系列2110被產生。 於第22圖範例中，展示脈波位置調變單週期系列. 之產生。時脈信號，Α，223和資料信號，Β，224被饋送進入-脈 26 200527836 波位置調變器221。其輸出，脈波-位置-調變脈波’C’ 225， 被饋送進入本發明實施例222之超寬頻信號產生器，以產生 ’D’之超寬頻單週期226。於此技術中，脈波-位置-調變之方 法是習知的並且不需要進一步地說明。 5 於第23圖範例中，展示4個信號調變單週期系列239之 產生。時脈信號’A1 234和資料信號’Bf 235被饋送進入脈波位 置調變器231中。脈波位置調變脈波’C’236接著在另一調變 器232中被調變為第二資料信號D 237以輸出一雙相位、時 間延遲脈波系列Έ’ 238。Έ’接著被饋送進入本發明實施例 10 233之超寬頻信號產生器以產生4個超寬頻單週期信號239。 進一步地於給予之範例中，進入這實施例之超寬頻產 生器的輸入信號可以是時脈信號、方形波信號、鋸齒形信 號、脈波、高斯-相似或高斯脈波、單週期脈波、多週期、 正弦曲線信號等等。 15 第24a-d圖分別地展示上述信號群集之向量表示。第 24a圖對應至用於無線通訊之脈波振幅調變(PAM)機構。第 24c圖對應至一正交信號調變機構。第24b圖對應至雙相位 信號密鍵(BPSK)調變機構。第24d圖對應至一正交相位信號 密鍵(QPSK)調變機構。這些是代表本發明所提供之不同脈 20 波形狀而論之二元T和’0’的無線通訊信號調變機構，因此 當接收器接收此等信號時，能夠識別’Γ和’〇’。 在上面範例中，時脈信號利用本發明實施例之超寬頻 產生器被微分一次以得到脈波。該脈波是’’高斯狀’’尖而長 脈波並且並不完全地是高斯脈波。當微分第二次時，一單 27 200527836 週期脈波被得到。於本發明的另外實施例中，其可以是二 個連續地配置之超寬頻產生器，而用以在資料信號調變之 兩微分一時脈信號兩次。另外地，製作二階微分函數之電 路可以替代地被使用。但是，在以資料調變超寬頻信號輸 5出之鈾’微分該時脈信號兩次是更不易的，因為形成的單 週期具有非常高頻率的頻譜内容，並且因此容易失真。 更進一步地，於一積體電路中，有一些攜帶電源線、 接地線、接地平面以及許多其他重要信號線之軌跡，其不 應該與高功率、單週期脈波相抵觸。於一線至另一線中被 1〇產生之超寬頻信號漏損限度取決於信號功率和頻率，以及 該等線路之尺度和位置。因一超寬頻單週期具有寬頻、具 有南功率以及高頻率，在圯中，其非常容易地被洩漏至其 他線路’而導致干擾那些線路並且導致它本身釋放功率且 遭受失真。此外，在以資料調變超寬頻信號輸出之前，微 15刀犄脈#號兩次將導致一單週期具有.非常高的頻譜内容而 增加至其他軌跡的漏損。因此，最好是，僅在信號直接地 被饋送至天線以供發送之電路最後步驟中產生大功率的單 週期。 因此，最好是，在提供形成信號至另一微分步驟之前， 20時脈信號被微分一次且以資料被調變。 更進一步地，第二級微分器提供產生一非常大的輸出 信號（依據1C處理程序）之添加優點，並且比較於被動微分 為’因此以較高的功率產生單週期。饋送信號至天線所需 的大功率因此被產生而不需要另外的放大器。 28 200527836 ¥ Θ展示關於超I頻信號/資料如何被發送、被接收 且被檢測之一非常簡單之表示。時脈信號251被使用以產生 用於调變貪料252之適當脈衝。時脈信號和資料信號皆被饋 达進入一脈衝形成器（例如，第2〇_23圖展示之機構），而依 5據上述方法以產生超寬頻信號。該超寬頻信號接著被發送 至接收天線。因信號可能遭受褪化和失真，並且在發送254 時積聚雜訊時’該信號被饋送進入一低雜訊放大器 (LNA)255以及一交互相關檢測器256(相關方法是習知的技 術，例如，匹配濾波、部份地匹配濾波等等）。該交互相關 10檢測器256取得2個信號-經由LNA 255被放大的接收信號 x(t)，以及出自樣板產生器257之一樣板信號y(t)。該樣板信 號y(t)依據發送信號被產生之晶片序列而被產生，如第 20-23圖之揭示。該晶片序列通常在實際的資料被發送之 前，在一般被稱為’報頭，之週期的先前週期時，在特定發送 15器和接收器之間被通訊。其中部份被接收之超寬頻信號和 該相關樣板則夺發生並且該交互相關檢測器給予展示該信 5虎相關之-最大輸出，封套檢測器將在適當的區間取樣相 關器輸出作為資料並且決定該被接收之信號屬於圖示 24a-24d上之哪個點並且因而依序地重建該資料。 2〇目此，至封套檢測器及決定模組说之交互相關器輸出 是代表將經由超寬頻傳輸被接收之資料。如果由於在被發 送之資料和該接收之資料之間的任何差異而有錯誤，則解 碼模組(在258之後，不被展示）能夠檢測某種程度之錯誤。 應該注意到，所給予之1C製作超寬頻產生電路、測試 29 200527836 黾路產生單脈波和不同配置圖式之轉於 ，舰波的輪入信號之實施例和範例生: 習本技術者在閱讀這揭示後將領悟 』贗泛地有等效於 料同電路，並且可μ衫的其他機構使 用超：齡號產生器以產生不同種類之超寬頻脈波(例 如，除了僅單週期之外）。 【圖式簡單說明】 竭展示於時域中一組丨，脈波寬度之高斯單週期。 第lb圖展示於頻域中第la圖一組^脈波寬度之高斯 10 單週期。 第1c圖展示依據FCC被認可供室㈣統制之超寬頻 頻寬。 、 第1 d圖展示依據F c c被認可供用於戶外手持系統使用 之超寬頻頻寬。 第1 e圖展示依據F c C被認可供用於G P R、壁面成像以及 醫療成像系統中使用之超寬頻頻寬。 第If圖展示依據FCC被認可供用於“透壁，，成像和監視 系統使用之超寬頻頻寬。 第2a圖展示依據WO02/31986案之UBW脈波產生方法。 第2b圖進一步地展示第2a圖之UBW脈波產生方法。 第3圖展示依據美國專利6026125案之超寬頻脈波產生 方法。 第4圖展示依據s〇〇 Lee，Nguyen和Scullion以及依據 Jeonawc Han和Nguyen之超寬頻脈波產生方法。 30 200527836 第5圖展示依據WO 99/53616案之超寬頻脈波產生方 法。 第6圖展示超寬頻脈波產生方法，其被揭示於由 Jurianto Joe博士於2003年2月25日在新加坡資訊通訊發展 5 局之’’超寬頻研討會之Cellonics表現’’。 第7圖展示本發明實施例之效應。 第8圖是展示本發明實施例之轉移函數圖形。 第9圖是展示利用一階高通濾波器近似之第8圖轉移函 數圖形。 10 第10圖展示低通濾波負回授之電路圖。 第11圖展示表示於頻率函數塊之第10圖電路之等效 圖。 第12圖展示等效於第11圖方塊圖之電流電壓（串聯-串 聯）回授拓樸架構圖形。 15 第13圖是進一步地展示第12圖電流電壓（串聯-串聯）回 授拓樸架構之圖形。 第14圖展示混合-7Γ小信號電路的圖形。 第15圖展示第12圖實施例之簡單測試電路之分解圖。 第16a-f圖是展示第12圖電路之時域響應的圖形。 20 第17a-f圖形是展示第12圖電路之頻域響應的圖形。 第18圖展示等效於第12圖之超寬頻信號產生器電路的 實施例。 第19a-e圖展示超寬頻產生器實施例之微分函數圖形。 第20-23圖展示使用本發明超寬頻產生器實施例之各 31 200527836 種脈衝調變技術圖形。 第24a-d圖展示依據本發明實施例之信號群集向量表 示圖形。 第25圖是超寬頻信號/資料如何被發送、被接收且被檢 5 測之簡單表示圖形。 第26圖展示簡單被動RC微分器圖形。 第27圖模式化用以輸進入第26圖被動RC微分器中之 輸入步階電壓信號的產生圖形。 •第28圖展示使用具有負回授電路之運算放大器的主動 10 微分電路圖形。 【主要元件符號說明】 11…輸入 41…觸發信號 12…其餘信號 42…步進恢復二極體 13…放大器 43···殘段端點 14…輸出信號 44···絕緣器電路 15···通過 45…短路殘段傳輸線 16…低通濾波器 46···天線 17…饋送 51…振盪器 31…脈衝產生器 52···視窗脈波產生器 32…脈波整形濾波器 53…延遲區塊 33…振盪器 54…開關 34…混合器 61…短波寬度 35…通頻濾波器 62…通道二極體 36…信號 63…超寬頻信號 37…放大器/衰減器 71…正脈波 38…天線 71…正脈波 32 200527836 72·· 超寬頻信號產生器 219…形成的波形 73·· 單週期脈波 221···脈波位置調變器 74·· 負脈波 222…超寬頻信號產生器 75·· 單週期脈波 223…時脈信號 131 ••雙極性接合電晶體 224…資料信號 132 ••負回授 225…脈波-位置-調變脈波 133 ••一階低通濾波器 226…超寬頻單週期 140 ••回授電阻器 231…脈波位置調變器 141 ••回授電容器 232···調變器 201 ••超寬頻信號產生器 233…超寬頻信號產生器 202 ••微分混合裝置 234…時脈信號 203 ••調變器/混合裝置 235…資料信號 204 ••超寬頻信號產生器 236···脈波位置調變脈波 205 ••時脈信號 237…第二資料信號 206 ••高斯脈波 238···雙相位、時間延遲脈波系列 207 ••正的信號 239···4組超寬頻單週期信號 208 ••資料信號 251…時脈信號 209 ••輸出 252…調變資料 211 ••超寬頻信號產生器 253···脈衝形成器 212 ••微分混合裝置 254…無線通道 213 ••調變器 255···低雜訊放大器 214 ••超寬頻信號產生器 256···檢測器 215 ••微分時脈信號 257…樣板產生器 216 ••輸出 258···決定模組 217 ••信號 2010···振幅調變超寬頻單週期系列 218 ••資料信號 2110…雙相位超寬頻單週期系列 33

Claims (1)

1. 200527836 十、申請專利範圍： 1· 一種用以產生一超官 料八u 之方法’其包含將-時脈信 纽刀-切得_超寬頻錢之步驟。 2·依據申請專利範圍第丨項之 ^ ^ _ . 、 / ，其進一步地包含將該 超見頻# 5虎微分至少_々 超寬頻信號之步驟。產生—單週期或一多週期 3. =1請專鄕圍第1項之方法，其進-步地包含利用 该超i頻信號將一資料作铗 +j 口#“周變以得到一被調變超寬 頻信號之步驟。 10 15 20 4·依據申請專利範圍第3項 、 、万去’其進一步地包含將該 被調變超寬頻信號微分至少一- 夕次以產生一單週期或一 多週期超寬頻信號步驟。 5·依據申請專利範圍第3項之方 、’其中該被調變脈波被 振幅調變。 6.依據申請專利範圍第3項之方、、表 、万，套’其中該被調變脈波被 脈波位置調變。 7· —種系統，其包含： 一放大器，其具有一輸入和—輪出； 負回授裝置； 一低通濾波裝置； 一直流去耦合裝置； 該放大器提供該系統之—輪出至該低通滤波裝置 以產生一被低通濾波之輪出； 回授該放大器之低通遽波輪出的負回授裝置被負 34 200527836 回授至該放大器之輸入裝置； 該直流去_合裝置從該放大器輪出移除直流成 分；其中 該系統之輸出是至該系統之輸入信號之被放大微 分；並且 因而一超寬頻脈波被產生以供發送。 8. 依據巾請專利範圍第7項之系統，其中該放大器裝置包 含一被偏壓電晶體。 9. 依射請專雜圍第7或8項之系統，其巾該輸入信號是 一時脈信號。 H).依據申請專鄕圍第7或8項之系統，其中該輸入信號是 一鋸齒狀信號。 11.依據中請專利範圍第7或8項之系統，其中該輸入信號是 一脈波信號。 15

   20 12.依據中請專利_第7綱之緒，其巾該系統被製作 於積體電路。 13·依射料利範圍第7至12項之线，其中 電流-電壓拓樸架構。 依射請專利範圍第7至12項之系統，❹該系統包含 電壓_電壓拓樸架構。 其中該系統包含 其中該系統包含 15·依據申請專利範圍第7至12項之系統 電壓-電流拓樸架構。 16·依據申請專利範圍第7至12項之系統 電流-電流拓樸架構。 35