專利名稱：超寬帶射頻發(fā)射端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種射頻通訊設(shè)備，尤其是一種超寬帶射頻發(fā)射端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，屬于射頻通訊領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
超寬帶(UWB)無線通訊近年來受到極大的關(guān)注，尤其在無線個域網(wǎng)(WPAN)領(lǐng)域，包括無線USB、下一代藍(lán)牙都將采用超寬帶技術(shù)；高數(shù)據(jù)傳輸率(480Mbps@2m，110Mbps@10m)、低功耗和低成本是其最大特點。它不同于傳統(tǒng)的基于載波的窄帶通訊方式，而是一種基于亞納秒窄脈沖的脈沖無線電或多載波正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)的寬帶通訊。2002年美國聯(lián)邦通訊委員會(FCC)對超寬帶的定義為分?jǐn)?shù)帶寬大于0．2(分?jǐn)?shù)帶寬FBW=2(fH-fL)fH+fL,]]>其中fH、fL是相對于最大頻譜密度-10dB頻率點)或絕對帶寬(-10dB帶寬)大于等于500MHz；同時規(guī)定了超寬帶的頻譜范圍為3.1G-10.6GHz，最大發(fā)射功率密度不超過-41.3dBm/MHz，頻譜掩蔽如圖1所示，其中，圖1(a)表示室內(nèi)超寬帶系統(tǒng)的頻譜掩蔽；圖1(b)表示室外超寬帶系統(tǒng)的頻譜掩蔽。
目前，美國電子與電氣工程師協(xié)會(IEEE)針對超寬帶技術(shù)存在兩大標(biāo)準(zhǔn)(IEEE Std.802.15.3a)一是以德州儀器(TI)和英特爾(Intel)公司為代表的采用多帶OFDM調(diào)制技術(shù)，將3.1G-10.6GHz頻帶范圍劃分為14個子帶，每個子帶528MHz帶寬，采用跳頻的方式一次至少占用三個子帶，從而實現(xiàn)超寬帶技術(shù)。文獻(xiàn)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報道了采用這種標(biāo)準(zhǔn)的超寬帶收發(fā)機(jī)，如圖2所示，為了達(dá)到一次占用三個子帶的目的，該收發(fā)機(jī)使用了三個共振網(wǎng)絡(luò)和三個鎖相環(huán)電路，因此大大增加了設(shè)計的復(fù)雜度和功耗。
二是以飛思卡爾(Freescale)公司為代表的采用基于脈沖的直接序列超寬帶技術(shù)，將3.1G-10.6GHz頻帶劃分為3.1G-5GHz低頻段與6G-10GHz高頻段，使用任一頻帶均可?，F(xiàn)有兩種基于脈沖的超寬帶射頻發(fā)射端(1)是利用一些延時單元直接產(chǎn)生可以調(diào)制的亞納秒窄脈沖，文獻(xiàn)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，F(xiàn)eb.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報道了采用此方法的發(fā)射端。該發(fā)射端產(chǎn)生的脈沖信號的寬度和幅度是不可控的，因此難以嚴(yán)格滿足頻譜規(guī)劃要求；(2)是利用混頻器將基帶產(chǎn)生的脈沖調(diào)制變頻到超寬帶頻帶范圍，文獻(xiàn)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報道了采用這種方法的發(fā)射端架構(gòu)，如圖3所示。首先，此架構(gòu)中為了產(chǎn)生滿足要求的脈沖，需要一個三角脈沖產(chǎn)生器，設(shè)計精確的三角脈沖發(fā)生器本身就是一個難點，而且此三角脈沖發(fā)生器需要調(diào)整三個外部控制參數(shù)幅度(A)、脈沖寬度(PW)和偏移量(Voff)，才能使混頻器輸出脈沖滿足要求其次，三角脈沖發(fā)生器為芯片外部元件，未能與混頻器、鎖相環(huán)、濾波器和功率放大器集成在同一個芯片，因此三角脈沖發(fā)生器增加了設(shè)計成本，同時也影響電路的可靠性；最后，此架構(gòu)在濾波器與超寬帶天線間需要一個功率放大器電路，從而增加了設(shè)計的難度及復(fù)雜度。

發(fā)明內(nèi)容
1.發(fā)明目的針對上述超寬帶發(fā)射端所存在的問題與不足，本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、脈沖信號易于控制、適于CMOS器件集成、低功耗與低成本的超寬帶射頻發(fā)射端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明適用于高數(shù)據(jù)傳輸率、近距離無線通訊應(yīng)用。
2.技術(shù)方案根據(jù)本發(fā)明，超寬帶射頻發(fā)射端的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)至少包括混頻器、信號調(diào)制開關(guān)、分頻器、鎖相環(huán)及半波整流器。通過合理選擇分頻器的分頻系數(shù)n與鎖相環(huán)的頻率f，該發(fā)射端可以應(yīng)用在3.1G-5GHz低頻段、6G-10G高頻段甚至擴(kuò)展到更高頻率范圍，原理框圖如圖4(a)、(b)所示。圖4(a)中信號調(diào)制開關(guān)在混頻器中頻(IF)輸入端，圖4(b)中信號調(diào)制開關(guān)在混頻器本振(LO)輸入端，兩者都是通過改變混頻器輸入信號的極性，即二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)達(dá)到數(shù)據(jù)調(diào)制的目的可以根據(jù)不同類型混頻器的結(jié)構(gòu)，來選擇相應(yīng)的發(fā)射端架構(gòu)(a)或者(b)，具有相同的效果，并且增加了設(shè)計的靈活度。
如圖4(a)所示，鎖相環(huán)模塊產(chǎn)生頻率為f的正弦信號，作為信號調(diào)制開關(guān)模塊的輸入端；信號調(diào)制開關(guān)模塊的兩路輸出端與混頻器模塊的差分本振信號輸入端相接。鎖相環(huán)模塊同時輸出另一路頻率為f的正弦信號，作為n分頻器模塊的輸入端，因此，n分頻器模塊的輸出端產(chǎn)生頻率為f/n的正弦信號；該輸出端與半波整流器模塊的輸入端相接，半波整流器模塊的輸出端與混頻器模塊的中頻輸入端相接；混頻器模塊的射頻輸出端與帶通濾波器模塊的輸入端相接，最后，帶通濾波器模塊的輸出端連接到超寬帶天線。
如圖4(b)所示，鎖相環(huán)模塊產(chǎn)生頻率為f的正弦信號，作為混頻器模塊的本振信號輸入端；鎖相環(huán)模塊同時輸出另一路頻率為f的正弦信號，作為n分頻器模塊的輸入端，因此，n分頻器模塊的輸出端產(chǎn)生頻率為f/n的正弦信號；該輸出端與半波整流器模塊的輸入端相接，半波整流器模塊的輸出端與信號調(diào)制開關(guān)模塊的輸入端相接；信號調(diào)制開關(guān)模塊的輸出端與混頻器模塊的差分中頻輸入端相接；混頻器模塊的射頻輸出端與帶通濾波器模塊的輸入端相接，最后，帶通濾波器模塊的輸出端連接到超寬帶天線。
其中，圖4(a)、(b)中的帶通濾波器模塊為可選模塊，可以將混頻器模塊的輸出端直接與超寬帶天線相接，也能實現(xiàn)本發(fā)明的目的。
3.發(fā)明原理在基于脈沖的超寬帶系統(tǒng)中，高斯脈沖及其各階導(dǎo)函數(shù)脈沖是應(yīng)用最為廣泛的，因為這樣的脈沖一方面能夠很好地滿足FCC的頻譜規(guī)劃要求，另一方面頻譜利用率高，從而不會對鄰近頻段(如5G頻帶WLAN，802.11a)的無線電系統(tǒng)造成干擾。高斯脈沖可以用下面的數(shù)學(xué)式表示P(t)=12πσ2e-(t22σ2)=2αe-2πt2α2]]>其中，表示σ2表示均方誤差；α2＝4πσ2，為一個參量；t表示時間。
圖6(a)為高斯脈沖的時域波形，頻譜如圖6(b)所示。高斯脈沖及其各階導(dǎo)函數(shù)具有如下兩點性質(zhì)(1)α值越小，對應(yīng)的時域脈沖越窄，從而頻域擴(kuò)展的頻譜越寬；(2)導(dǎo)函數(shù)的階數(shù)(k)越高，對應(yīng)頻譜密度的峰值越向更高頻率移動，可以用下式表示fpeak=k1απ]]>在本發(fā)明中，利用低頻(例如250MHz)半波整流器產(chǎn)生的脈沖信號與高斯脈沖信號的相似性(如圖8所示)，對半波整流器的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行控制、優(yōu)化，使其輸出脈沖逼近高斯脈沖，充分利用高斯脈沖的時頻域優(yōu)點。在現(xiàn)有技術(shù)中，分頻器與半波整流器級聯(lián)，一般是為了產(chǎn)生精確的半波正弦(或余弦)信號，波形邊沿變化陡峭。而在本發(fā)明中所應(yīng)用的半波整流器，是為了產(chǎn)生逼近高斯脈沖的信號，這也是區(qū)別于傳統(tǒng)的應(yīng)用。仍以250MHz信號為例，其半波輸出信號對應(yīng)的頻譜密度，基本上擴(kuò)展到1GHz就衰減到很低(相對峰值頻譜密度)，然后利用高頻本振(例如4GHz或8GHz)的混頻器將此脈沖信號上變頻到3G(4G-1G)至5G(4G+1G)頻段，產(chǎn)生滿足FCC頻譜規(guī)劃要求且頻譜利用率高的超寬帶脈沖信號。
如圖4(a)所示，脈沖信號的數(shù)據(jù)調(diào)制可以通過混頻器的差分本振(LO)輸入端的本振信號極性來控制；也可以通過混頻器的差分中頻(IF)輸入端的信號極性來控制，如圖4(b)所示。兩種方案都是采用二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)制，如圖5所示。
通過以上說明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)能理解，圖4所示的帶通濾波器是一個可選模塊，即可以移去該模塊也能夠滿足超寬帶射頻發(fā)射端的要求。帶通濾波器有兩個作用一是可以進(jìn)一步對混頻器輸出脈沖進(jìn)行整形，降低半波整流器、混頻器等模塊的設(shè)計指標(biāo)，易于實現(xiàn)；二是可以抑止帶外干擾信號，避免對其它無線電系統(tǒng)造成干擾，達(dá)到共存(Coexistence)的目的。
4.技術(shù)效果本發(fā)明提供了一種基于脈沖的超寬帶射頻發(fā)射端的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具有如下優(yōu)點(1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，2n(n為自然數(shù))分頻器與半波整流器，在電路上易于實現(xiàn)；(2)可以應(yīng)用于3.1G-5GHz低頻段、6G-10G高頻段甚至擴(kuò)展到更高頻率范圍，而且頻譜利用率高；(3)發(fā)射端的低功耗，這與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、采用低功耗電路設(shè)計技術(shù)相對應(yīng)；(4)易于CMOS集成，混頻器、分頻器、半波整流器與鎖相環(huán)均可利用CMOS電路實現(xiàn)。混頻器可以采用基于基爾伯特(Gilbert)單元的MOS有源混頻器結(jié)構(gòu)或無源混頻器；(5)脈沖信號可控性強(qiáng)；(6)數(shù)據(jù)傳輸率高。


下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述圖1表示FCC規(guī)定的超寬帶頻譜掩蔽，其中，圖1(a)是室內(nèi)超寬帶系統(tǒng)的頻譜掩蔽，圖1(b)是室外超寬帶系統(tǒng)的頻譜掩蔽；圖2表示現(xiàn)有技術(shù)之一的超寬帶發(fā)射端結(jié)構(gòu)示意圖；圖3表示現(xiàn)有技術(shù)的另一種超寬帶發(fā)射端結(jié)構(gòu)示意圖；圖4(a)、(b)表示本發(fā)明的超寬帶發(fā)射端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖5表示BPSK數(shù)據(jù)調(diào)制后脈沖波形；圖6(a)和圖6(b)分別表示高斯脈沖時域與頻域波形；圖7是本發(fā)明一較佳實施例的超寬帶發(fā)射端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖8表示半波整流后脈沖波形與高斯脈沖比較；圖9(a)和圖9(b)分別表示混頻器輸出脈沖時域與頻域波形；圖10(a)和圖10(b)分別表示帶通濾波器輸出脈沖時域與頻域波形。
具體實施例方式
本發(fā)明所述的超寬帶射頻發(fā)射端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有兩套具體實施方案一是如圖4(a)所示，頻率為f的鎖相環(huán)模塊的一個輸出端與信號調(diào)制開關(guān)模塊的輸入端相接；信號調(diào)制開關(guān)模塊的兩路輸出端與混頻器模塊的差分本振信號輸入端相接。鎖相環(huán)模塊同時輸出另一路頻率為f的信號，作為n分頻器模塊的輸入端，因此，n分頻器模塊的輸出端產(chǎn)生頻率為f/n的正弦信號；該輸出端與半波整流器模塊的輸入端相接，半波整流器模塊的輸出端與混頻器模塊的中頻輸入端相接；混頻器模塊的射頻輸出端與帶通濾波器模塊的輸入端相接，最后，帶通濾波器模塊的輸出端連接到超寬帶天線。其中，帶通濾波器模塊為可選模塊，可以將混頻器模塊的輸出端直接與超寬帶天線相接。
二是如圖4(b)所示，頻率為f的鎖相環(huán)模塊的一個輸出端作為混頻器模塊的本振信號輸入端；鎖相環(huán)模塊同時輸出另一路頻率為f的正弦信號，作為n分頻器模塊的輸入端，因此，n分頻器模塊的輸出端產(chǎn)生頻率為f/n的正弦信號；該輸出端與半波整流器模塊的輸入端相接，半波整流器模塊的輸出端與信號調(diào)制開關(guān)模塊的輸入端相接；信號調(diào)制開關(guān)模塊的輸出端與混頻器模塊的差分中頻輸入端相接；混頻器模塊的射頻輸出端與帶通濾波器模塊的輸入端相接，最后，帶通濾波器模塊的輸出端連接到超寬帶天線。其中，帶通濾波器模塊為可選模塊，可以將混頻器模塊的輸出端直接與超寬帶天線相接。
以第一種實施方案為例，其具體實現(xiàn)如圖7所示，該實例可應(yīng)用在3.1G-5GHz低頻段或6G-10GHz高頻段，并且能夠很好地滿足FCC頻譜規(guī)劃要求。
如圖7所示，鎖相環(huán)模塊產(chǎn)生頻率為8GHz的正弦信號，該正弦輸出信號通過一個由“使能信號”控制的2分頻器。當(dāng)使能信號為高電平“1”時，輸出頻率為4GHz的信號；當(dāng)使能信號為低電平“0”時，對輸入信號不進(jìn)行2分頻，輸出仍為8GHz的信號。以使能信號等于“1”為例，輸出兩路4GHz信號，一路作為信號調(diào)制開關(guān)的輸入，另一路作為16分頻器的輸入。因此在16分頻器的輸出端產(chǎn)生250MHz(4GHz/16)信號，該250MHz信號通過半波整流器，輸出圖8所示的半波信號；250MHz的半波信號與4GHz的本振信號經(jīng)過混頻器，輸出圖9(a)所示的脈沖信號，頻譜如圖9(b)所示；再經(jīng)過可選的帶通濾波器，輸出圖10(a)所示的脈沖信號，頻譜如圖10(b)最所示；最后，脈沖信號通過超寬帶天線發(fā)射到自由空間。由仿真結(jié)果可見，輸出的脈沖信號可控性強(qiáng)，能夠很好地滿足3.1G-5GHz低頻段的超寬帶FCC頻譜規(guī)劃要求。
同理，當(dāng)使能信號等于“0”時，輸出兩路8GHz信號，一路作為信號調(diào)制開關(guān)的輸入，另一路作為16分頻器的輸入，輸出500MHz(8GHz/16)的信號；該信號經(jīng)半波整流器后，產(chǎn)生的脈沖頻譜擴(kuò)展到2GHz，然后利用本振8GHz的混頻器將此脈沖上變頻到6G(8G-2G)至10G(8G+2G)頻段，產(chǎn)生高頻段的超寬帶脈沖信號。
權(quán)利要求
1.一種超寬帶射頻發(fā)射端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括鎖相環(huán)、分頻器、半波整流器、混頻器和信號調(diào)制開關(guān)，其中，所述的鎖相環(huán)同時輸出兩路信號，一路作為混頻器的本振輸入，另一路經(jīng)分頻器分頻并由半波整流器整流后作為混頻器的中頻輸入；所述的信號調(diào)制開關(guān)對數(shù)據(jù)進(jìn)行二進(jìn)制相移鍵控調(diào)制，接入在半波整流器和混頻器之間，或者接入在鎖相環(huán)和混頻器之間。
2.如權(quán)利要求1所述的超寬帶射頻發(fā)射端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括帶通濾波器，其輸入為所述混頻器的輸出，輸出為待發(fā)射的信號。
3.如權(quán)利要求1所述的超寬帶射頻發(fā)射端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括由使能信號控制的2分頻器，用于將所述鎖相環(huán)的輸出經(jīng)過2分頻控制后再分兩路輸出。
4.如權(quán)利要求1～3任一項所述的超寬帶射頻發(fā)射端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的信號調(diào)制開關(guān)采用二進(jìn)制相移鍵控進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)制。
5.如權(quán)利要求1～3任一項所述的超寬帶射頻發(fā)射端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的分頻器為2n分頻器，其中，n為自然數(shù)。
6.如權(quán)利要求1～3任一項所述的超寬帶射頻發(fā)射端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括超寬帶天線，用于發(fā)射所述的混頻器或帶通濾波器輸出的信號。
全文摘要
一種超寬帶射頻發(fā)射端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括鎖相環(huán)、分頻器、半波整流器、混頻器和信號調(diào)制開關(guān)，所述的鎖相環(huán)同時輸出兩路信號，一路作為混頻器的本振輸入，另一路經(jīng)分頻器分頻并由半波整流器整流后作為混頻器的中頻輸入；信號調(diào)制開關(guān)對數(shù)據(jù)進(jìn)行二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)調(diào)制，接入在半波整流器和混頻器之間，或接入在鎖相環(huán)和混頻器之間。本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，文檔編號H04L27/00GK1949680SQ20061011289
公開日2007年4月18日 申請日期2006年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月6日
發(fā)明者宋飛, 廖懷林, 黃如 申請人:北京大學(xué)