專利名稱：幅度和頻譜可調(diào)的脈沖式超寬帶發(fā)射機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于超寬帶通信技術領域，具體涉及一種脈沖式超寬帶發(fā)射機。
背景技術：
當今電子消費產(chǎn)品種類日益增多，電子消費產(chǎn)品之間的短距離高速無線通信越來 越受到人們的關注。脈沖式超寬帶(IR-UWB)是一種適用于短距離的高速無線通信技術， 其源于軍事雷達技術，直接利用亞納秒級的窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，脈沖的頻譜很寬，高達500MHz 以上。具有許多獨特的優(yōu)勢，如低截獲率、抗多徑、穿透性強、邏輯結構簡單等；理論上可達 到500MHz的傳輸速率，無需許可申請即可使用。隨著微電子器件的高速發(fā)展，UffB技術可 以應用于民用領域，IR-UWB發(fā)射機以其功率小、無載波調(diào)制的簡單結構等優(yōu)點，成為高速無 線通信的低成本解決辦法。2002年美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)批準了民用UWB規(guī)范，對信號的頻段和功率輻 射掩蔽(emission mask)作了規(guī)定，歐盟、亞洲的日本、新加坡也相繼出臺了各自的民用標 準，我國的超寬帶標準也已經(jīng)公布，各國UWB標準中對脈沖的頻譜和發(fā)射功率的要求是有 差別的。IR-UWB帶寬極寬，通常為幾個GHz，因此受到工藝偏差影響，其中心頻率及寬帶偏 差較大，達到幾百MHz甚至更大。

發(fā)明內(nèi)容
針對當前IR-UWB發(fā)射機受不同UWB標準的限制和工藝偏差影響較大的問題，本發(fā) 明提出了一種幅度和頻譜連續(xù)可調(diào)的IR-UWB發(fā)射機。本發(fā)明提出的IR-UWB發(fā)射機，可以通過調(diào)整脈沖幅度來控制發(fā)射機的發(fā)射功率， 同時通過RLC選頻網(wǎng)絡來實現(xiàn)脈沖中心頻率和帶寬的調(diào)節(jié)。利用IR-UWB低占空比的特點， 控制輸出buffer的開啟和關斷來降低功耗。本IR-UWB發(fā)射機具有結構簡單、功耗低、頻譜 和幅度可調(diào)的特點。本發(fā)明提出的IR-UWB發(fā)射機，其系統(tǒng)架構如圖1所示，具體包括BPSK調(diào)制的脈 沖發(fā)生器、幅度可調(diào)的脈沖合并器、RLC選頻器、輸出buffer、輸出buffer控制器，共5個 部分。其中前四部分，按順序組成一條通路鏈。輔助電路“輸出buffer控制器”選擇“輸出 buffer”開啟和關斷，實現(xiàn)低功耗。其中
所述BPSK調(diào)制的脈沖發(fā)生器，有兩條互相獨立的脈沖發(fā)生支路，兩條支路分別只產(chǎn)生 正脈沖和負脈沖，正脈沖和負脈沖分別對應于BPSK調(diào)制方式中基帶數(shù)據(jù)“0”和“ 1 ”。BPSK 調(diào)制速率由輸入時鐘控制，BPSK調(diào)制數(shù)據(jù)由基帶數(shù)據(jù)輸入端控制。兩條支路的輸出分別只 包含正脈沖和負脈沖，輸入下一級電路。所述幅度可調(diào)的脈沖合并器，將前一級BPSK調(diào)制的脈沖發(fā)生器的兩條支路輸入 的正脈沖和負脈沖合并成到一條支路上輸出。同時對正、負脈沖的幅度加以控制，根據(jù)需要 設計幾組可選放大值，以便適應不同國家的UWB標準對發(fā)射功率的要求。所述RLC選頻器采用RLC網(wǎng)絡，是整個系統(tǒng)的關鍵部分，具體由電阻R、電感L、電容C并聯(lián)結構組成。RLC選頻網(wǎng)絡中心頻率為 =l/·^，將電容C設計為可變的，進而實現(xiàn)中心頻率@可變，滿足不同國家標準的
頻譜要求，同時也可以糾正工藝偏差引起的頻偏。RCL網(wǎng)絡的頻率響應與頻率β 的關系 兩足
從上面的表達式可以看出，調(diào)節(jié)電容C可以改變電路的帶寬，調(diào)節(jié)電阻R值也可以改變 脈沖帶寬但同時也改變了脈沖幅度。將R設計成一個連續(xù)可調(diào)的電阻，則達到幅度、帶寬的 連續(xù)可調(diào)。RLC選頻器完成發(fā)射機的頻譜、幅度調(diào)節(jié)。輸出buffer控制器，產(chǎn)生一個開關信號用以控制輸出buffer是通路還是斷路。 IR-UWB脈沖時域上是亞納秒級的，而脈沖發(fā)射速率是百MHz級的，因此占空比非常低。在脈 沖到達時開啟輸出buffer電路，脈沖消失時關閉電路，這樣可以大大降低輸出buffer的功
^^ ο輸出buffer，設計成一個超寬帶的功率放大器。該功率放大器設有開關控制端，實 現(xiàn)輸出buffer的通斷路狀態(tài)可控。開關控制端由“輸出buffer控制器”的輸出信號控制。該系統(tǒng)架構的優(yōu)點
1、本發(fā)明中，“輸出buffer”利用IR-UWB低占空比的特點，采用“輸出buffer”可關斷 的技術，當脈沖到來時，開啟“輸出buffer”通路；脈沖消失時，關斷“輸出buffer”通路，大 大降低了 “輸出buffer”的功耗。2、本發(fā)明中，“RLC選頻器”采用RLC網(wǎng)絡，電容C、電感L、電阻R并聯(lián)結構，實現(xiàn)頻 譜、幅度可調(diào)。對RCL網(wǎng)絡設計，采用多組不同的電容值C，實現(xiàn)不同的中心頻率；電阻R設 計為可變電阻，來完成對帶寬的調(diào)節(jié)。RLC選頻網(wǎng)絡，實現(xiàn)對輸出寬帶和中心頻率的控制，滿 足對不同國家UWB標準的頻譜要求。對于工藝偏差引起的譜頻偏差，也可以通過RLC調(diào)整 來實現(xiàn)。3、本發(fā)明中，“幅度可調(diào)的脈沖合并器”，針對不同的UWB標準發(fā)射功率要求，幅度 的放大倍數(shù)設計成幾組可選方案。另外，還可以根據(jù)不同的發(fā)射距離對功率的要求，外加幾 組放大倍數(shù)。4、采用本發(fā)明的發(fā)射機，其幅度、頻譜可調(diào)，具有低功耗、結構簡單的特點。適用于 不同的UWB標準，受工藝偏差引起的偏頻較小。本發(fā)明電路實現(xiàn)方案簡單，所有模塊都可基 于CMOS工藝集成，具有低成本、低功耗的優(yōu)點。


圖1脈沖式超寬帶發(fā)射機結構。圖2 BPSK調(diào)制的脈沖產(chǎn)生器、幅度可調(diào)的脈沖合并器和RLC選頻器。圖3輸出buffer控制器和輸出buffer。
具體實施例方式下面通過實施例并結合附圖，對本發(fā)明的技術方案作進一步說明。圖1所示為整 個發(fā)射機的系統(tǒng)基本構件組成，它包括BPSK調(diào)制的脈沖產(chǎn)生器、幅度可調(diào)的脈沖合并器、 RLC選頻器、輸出buffer控制器和輸出buffer。采用本發(fā)明系統(tǒng)架構的發(fā)射機具有幅度、 頻譜可調(diào)的功能。以下結合附圖2和圖3，詳細介紹采用本發(fā)明系統(tǒng)架構的發(fā)射機CMOS電路實施例， 整個發(fā)射機CMOS電路基于SMIC 0. 13 μ m CMOS工藝
1)BPSK調(diào)制的脈沖發(fā)生器
其電路如圖2中左邊框圖“BPSK調(diào)制的脈沖發(fā)生器”所示，分為上、下兩條支路。上支 路由反相器irwl、或非門X2、與非門X3依次連接組成，下支路由反相器irw2、或非門XI、與 非門X4依次連接組成；兩支路前設有第一級反相器。上支路輸出負脈沖，下支路輸出正脈 沖，正負脈沖分別對應于BPSK調(diào)制數(shù)據(jù)端口 data的“1”和“0”。輸入信號elk作為時鐘輸 入端，其頻率可設為100MHz，此頻率也是BPSK的調(diào)制頻率。輸入信號elk經(jīng)第一級反相器 整形得clk_i，clk_i分為兩路輸入到上、下兩條支路。上支路中clk_i經(jīng)過反相器invl延 時后的信號和信號clk_i 一起輸入或非門X2，產(chǎn)生(頻率為100MHz的)負脈沖；下支路中 clk_i經(jīng)過反相器irw2延時后的信號與clk_i 一起輸入與非門XI，產(chǎn)生(周期為100MHz的) 正脈沖。進而，上支路中或非門X2的輸出與BPSK調(diào)制的基帶信號data輸入與非門X3，當 data為0時，與非門X3輸出負脈沖，當data為1時，與非門X3不輸出脈沖；下支路中與 非門Xl的輸出與BPSK調(diào)制的基帶信號data輸入或非門X4，當data為1時，或非門X4輸 出正脈沖，當data為0時，或非門X4不輸出脈沖。整個模塊電路完成了 BPSK調(diào)制，將正、 負脈沖分為上、下兩條支路輸出到下一級。2 )幅度可調(diào)的脈沖合并器
其CMOS電路如圖2中間框圖“幅度可調(diào)的脈沖合并器”所示，此部分CMOS電路由PMOS 管Ml、M2, NMOS管M5、M6禾口 PMOS管M3、M4, NMOS管M7、M8兩條支路組成，單個支路均 由兩個PMOS管和兩個NMOS管由上而下串聯(lián)而成。兩條支路后設有偏置電壓VbisaA和電 阻R1。兩條支路中Ml、M2與M3、M4是成比例的，M5、M6與M7、M8也是成比例的；通過控 制端口 DO、Dl分別取“01”、“10”或“11”來實現(xiàn)不同的放大倍數(shù)。根據(jù)需要還可以增加幾 組支路來實現(xiàn)更多的放大倍數(shù)。此部分電路將上支路的負脈沖和下支路的正脈沖合并為一 條輸出，產(chǎn)生(頻率為100MHz) BPSK調(diào)制的脈沖數(shù)據(jù)信號。由于存在工藝偏差，可能會導致 MOS工作截止或飽合，引起正負脈沖幅度不對稱。設置偏置電壓VbisaA和Rl就是為了解決 這個問題，通過設節(jié)偏置電壓VbiasA來調(diào)整工作點，使得輸出的正負脈沖幅度對稱。3) RLC 選頻器
其CMOS電路如圖2中右邊框圖“RLC選頻器”所示，該模塊是整個電路的核心，實現(xiàn)整 個電路的頻譜、幅度可調(diào)。該包括若干電容支路，各個電容支路的一端分別接一 NMOS管，通 過控制NMOS管的開關來決定電容的連通情況；這些電容支路的另一端與并聯(lián)的PMOS管和 電感連接。圖2中，只給出了 3個電容C2、C3、C4支路的例子，3個電容C2、C3、C4的一 端分別接3個NMOS管M9、MlO、Mll，通過控制NMOS管M9、MlO、Mll的開關來決定電容C2 、C3、C4的連通情況。根據(jù)需要還可以加入更多的電容支路，以實現(xiàn)更多的中心頻率調(diào)節(jié)。 增加一些由于工藝偏差引起的補償電容，來消除頻偏影響。3個電容C2、C3、C4的另一端
6與并聯(lián)的PMOS管M12和電感Ll連接。電感Ll固定不變，設計PMOS管M12為電阻R，并且 為連續(xù)可調(diào)電阻。根據(jù)需要，還可以設置更多的電阻支路。通過調(diào)整PMOS管M12的輸入電 壓Res，來完成脈沖的帶寬、幅度的連續(xù)變化。配合前一級“幅度可調(diào)的脈沖合并器”幅度放 大，連續(xù)調(diào)整PMOS管M12管的輸入電壓Res，可以實現(xiàn)不同帶寬和幅度要求。4)輸出buffer控制器
其CMOS電路如圖3中左邊框圖“輸出buffer控制器”所示，產(chǎn)生“輸出buffer”的開 關信號。具體由延時單delayl、反相器單元inv4、inv3、inv5、inv6和與非門X5依次 連接組成。該模塊的輸入時鐘elk與“BPSK調(diào)制的脈沖發(fā)生器”的輸入時鐘elk是一樣的 IOOMHz的時鐘。輸入信號elk經(jīng)過延時單delayl延時，分為兩條支路，上條支路直接到達 “與非門X5”，下條支路經(jīng)過反相器單元irw4、inv3、inv5、irw6到達“與非門X5”。其中 反相器單元inv3采用“電流可控反相器”結構，如圖上方的虛線框所示，具體由MOS管M18、 M19、M20、M21組成“電流可控反相器”，并由MOS管M13、M15、M16、M17組成偏置電路。 通過控制Vctrl可以調(diào)整支路電流的大小，進而實現(xiàn)延時可控，即X5輸出的單峰脈沖開關 信號寬度可調(diào)。5)輸出 buffer
其CMOS電路如圖3中右邊框圖“輸出buffer”所示，NMOS管M22、電感L2、電容C5、 電容C7組成一個超寬帶的功率放大器，并設有片外負載電阻R3、開關控制管NMOS管M23以 及與NMOS管M23并聯(lián)的電容C6 ;NM0S管M23 ctrl輸入端與電容C6之間接有電容C8。片 外負載電阻R3的阻值可為50 Ω。NMOS管Μ23為開關控制管，當NMOS管Μ23輸入端ctrl 為高電平時，“輸出buffer”開啟工作；ctrl為低電平時，“輸出buffer”關閉；由于IR-UWB 占空比極低，因此大大降低“輸出buffer的”功耗。電容C8用于防止ctrl輸入端的高頻 信號耦合到輸出端電阻R3，將高頻成份濾除掉。當輸入端Vin有脈沖輸入，且ctrl不能準 確開啟NMOS管M23時，電容C6可以解決NMOS管M23的開關信號與脈沖到達時間不匹配的 問題。
權利要求
一種幅度和頻譜可調(diào)的脈沖式超寬帶接收機，其特征在于所述的發(fā)射機由BPSK調(diào)制的脈沖發(fā)生器、幅度可調(diào)的脈沖合并器、RLC選頻器、輸出buffer四個模塊依次連接組成，此外還有輔助模塊輸出buffer控制器；其中所述BPSK調(diào)制的脈沖發(fā)生器，有兩條互相獨立的脈沖發(fā)生支路，兩條支路分別只產(chǎn)生正脈沖和負脈沖，正脈沖和負脈沖分別對應于BPSK調(diào)制方式中基帶數(shù)據(jù)“0”和“1”；BPSK調(diào)制速率由輸入時鐘控制，BPSK調(diào)制數(shù)據(jù)由基帶數(shù)據(jù)輸入端控制；兩條支路的輸出分別只包含正脈沖和負脈沖，輸入下一級電路；所述幅度可調(diào)的脈沖合并器，將前一級BPSK調(diào)制的脈沖發(fā)生器的兩條支路輸出的正脈沖和負脈沖合并成到一條支路上輸出，并且對正、負脈沖的幅度進行放大，放大值設有幾組供選擇；所述RLC選頻器采用RLC網(wǎng)絡，由電阻R、電感L、電容C并聯(lián)結構組成；其中，電容C設計為可調(diào)的，實現(xiàn)中心頻率可調(diào)；將電阻R設計成可調(diào)的，即實現(xiàn)幅度、帶寬的可調(diào)；所述輸出buffer控制器，產(chǎn)生一個開關信號用以控制輸出buffer是通路還是斷路，在輸出buffer輸入脈沖到達時開啟輸出buffer電路，脈沖消失時關閉電路，降低輸出buffer的功耗；所述輸出buffer，設計成一個超寬帶的功率放大器；該功率放大器設有開關控制端，實現(xiàn)輸出buffer的通斷路狀態(tài)可控，開關控制端由“輸出buffer控制器”的輸出信號控制。627087dest_path_image001.jpg
2.根據(jù)權利要求1所述的幅度和頻譜可調(diào)的脈沖式超寬帶接收機，其特征在于所述 的BPSK調(diào)制的脈沖發(fā)生器分為上、下兩條支路；上支路由反相器invl、或非門X2、與非門 X3依次連接組成，下支路由反相器irw2、或非門XI、與非門X4依次連接組成；兩支路前設 有第一級反相器；輸入信號elk經(jīng)第一級反相器整形得信號clk_i，信號clk_i分為兩路輸 入到上、下兩條支路；上支路中信號clk_i經(jīng)過反相器invl延時后的信號和信號clk_i 一 起輸入或非門X2，產(chǎn)生負脈沖；下支路中信號clk_i經(jīng)過反相器inv2延時后的信號與信 號clk_i 一起輸入與非門XI，產(chǎn)生正脈沖；進而，上支路中或非門X2的輸出與BPSK調(diào)制 的基帶信號data輸入與非門X3 ；下支路中或非門Xl的輸出與BPSK調(diào)制的基帶信號data 輸入或非門X4。
3.根據(jù)權利要求1所述的幅度和頻譜可調(diào)的脈沖式超寬帶接收機，其特征在于所述 的幅度可調(diào)的脈沖合并器的CMOS電路由PMOS管Ml、M2, NMOS管M5、M6禾口 PMOS管M3、 M4，NMOS管M7、M8兩條支路組成，單個支路均由兩個PMOS管和兩個NMOS管由上而下串聯(lián) 而成；兩條支路后設有偏置電壓VbisaA和電阻Rl。
4.根據(jù)權利要求1所述的幅度和頻譜可調(diào)的脈沖式超寬帶接收機，其特征在于所述 的RLC選頻器具有若干電容支路，各個電容支路的一端分別接一 PMOS管，通過控制NMOS管 的開關來決定電容的連通情況；這些電容支路的另一端與并聯(lián)的PMOS管和電感連接。
5.根據(jù)權利要求1所述的幅度和頻譜可調(diào)的脈沖式超寬帶接收機，其特征在于所述 的輸出buffer控制器，用于產(chǎn)生輸出buffer的開關信號，由延時單delayl、反相器單元 inv4、inv3、inv5、inv6和與非門X5依次連接組成；其輸入時鐘elk與BPSK調(diào)制的脈沖 發(fā)生器的輸入時鐘elk 一樣，輸入信號elk經(jīng)過延時單delayl延時，分為兩條支路，上條支路直接到達與非門X5，下條支路經(jīng)過反相器單元inv4、inv3、inv5、inv6到達與非門X5; 其中反相器單元inv3采用電流可控反相器結構，即由MOS管M18、M19、M20、M21組成電 流可控反相器，并由MOS管M13、M15、M16、M17組成偏置電路。
6.根據(jù)權利要求1所述的幅度和頻譜可調(diào)的脈沖式超寬帶接收機，其特征在于 所述的輸出buffer中，由NMOS管M22、電感L2、電容C5、電容C7組成一個超寬帶 的功率放大器，并設有片外負載電阻R3、開關控制管NMOS管M23以及與NMOS管M23并聯(lián)的 電容C6，NM0S管M23 ctrl輸入端與電容C6之間接有電容C8 ；當NMOS管M23輸入端ctrl 為高電平時，輸出buffer開啟工作；ctrl為低電平時，輸出buffer關閉；電容C8用于防止 ctrl輸入端的高頻信號耦合到輸出端電阻R3，將高頻成份濾除掉；當輸入端Vin有脈沖輸 入，且ctrl不能準確開啟NMOS管M23時，電容C6用于解決NMOS管M23的開關信號與脈沖 到達時間不匹配的問題。
全文摘要
本發(fā)明屬于超寬帶通信技術領域，具體為幅度和頻譜可調(diào)的脈沖式超寬帶發(fā)收機。該發(fā)射機采用四級模塊順序連接組成，前兩級產(chǎn)生BPSK調(diào)制的脈沖信號，中間RLC選頻網(wǎng)絡實現(xiàn)脈沖幅度、長度和頻譜的調(diào)節(jié)，最后由超寬帶的輸出buffer輸出脈沖。該發(fā)射機采用BPSK方式調(diào)制，RLC網(wǎng)絡作為整個系統(tǒng)的核心模塊，實現(xiàn)脈沖參數(shù)的調(diào)節(jié)和工藝偏差的補償。利用IR-UWB傳輸信號低占空比的特點，無脈沖時關斷輸出buffer來降低功耗。該發(fā)射機具有脈沖參數(shù)可調(diào)的優(yōu)點，使其可以滿足不同國家UWB標準的頻譜和發(fā)射功率要求。
文檔編號H04B1/69GK101924574SQ20101026607
公開日2010年12月22日 申請日期2010年8月30日 優(yōu)先權日2010年8月30日
發(fā)明者洪志良, 蔣俊 申請人:復旦大學