幅度和频谱可调的脉冲式超宽带发射机的制作方法

专利名称：幅度和频谱可调的脉冲式超宽带发射机的制作方法
技术领域：
本发明属于超宽带通信技术领域，具体涉及一种脉冲式超宽带发射机。
背景技术：
当今电子消费产品种类日益增多，电子消费产品之间的短距离高速无线通信越来 越受到人们的关注。脉冲式超宽带(IR-UWB)是一种适用于短距离的高速无线通信技术， 其源于军事雷达技术，直接利用亚纳秒级的窄脉冲传输数据，脉冲的频谱很宽，高达500MHz 以上。具有许多独特的优势，如低截获率、抗多径、穿透性强、逻辑结构简单等；理论上可达 到500MHz的传输速率，无需许可申请即可使用。随着微电子器件的高速发展，UffB技术可 以应用于民用领域，IR-UWB发射机以其功率小、无载波调制的简单结构等优点，成为高速无 线通信的低成本解决办法。2002年美国联邦通信委员会(FCC)批准了民用UWB规范，对信号的频段和功率辐 射掩蔽(emission mask)作了规定，欧盟、亚洲的日本、新加坡也相继出台了各自的民用标 准，我国的超宽带标准也已经公布，各国UWB标准中对脉冲的频谱和发射功率的要求是有 差别的。IR-UWB带宽极宽，通常为几个GHz，因此受到工艺偏差影响，其中心频率及宽带偏 差较大，达到几百MHz甚至更大。

发明内容
针对当前IR-UWB发射机受不同UWB标准的限制和工艺偏差影响较大的问题，本发 明提出了一种幅度和频谱连续可调的IR-UWB发射机。本发明提出的IR-UWB发射机，可以通过调整脉冲幅度来控制发射机的发射功率， 同时通过RLC选频网络来实现脉冲中心频率和带宽的调节。利用IR-UWB低占空比的特点， 控制输出buffer的开启和关断来降低功耗。本IR-UWB发射机具有结构简单、功耗低、频谱 和幅度可调的特点。本发明提出的IR-UWB发射机，其系统架构如图1所示，具体包括BPSK调制的脉 冲发生器、幅度可调的脉冲合并器、RLC选频器、输出buffer、输出buffer控制器，共5个 部分。其中前四部分，按顺序组成一条通路链。辅助电路“输出buffer控制器”选择“输出 buffer”开启和关断，实现低功耗。其中
所述BPSK调制的脉冲发生器，有两条互相独立的脉冲发生支路，两条支路分别只产生 正脉冲和负脉冲，正脉冲和负脉冲分别对应于BPSK调制方式中基带数据“0”和“ 1 ”。BPSK 调制速率由输入时钟控制，BPSK调制数据由基带数据输入端控制。两条支路的输出分别只 包含正脉冲和负脉冲，输入下一级电路。所述幅度可调的脉冲合并器，将前一级BPSK调制的脉冲发生器的两条支路输入 的正脉冲和负脉冲合并成到一条支路上输出。同时对正、负脉冲的幅度加以控制，根据需要 设计几组可选放大值，以便适应不同国家的UWB标准对发射功率的要求。所述RLC选频器采用RLC网络，是整个系统的关键部分，具体由电阻R、电感L、电容C并联结构组成。RLC选频网络中心频率为 =l/·^，将电容C设计为可变的，进而实现中心频率@可变，满足不同国家标准的
频谱要求，同时也可以纠正工艺偏差引起的频偏。RCL网络的频率响应与频率β 的关系 两足
从上面的表达式可以看出，调节电容C可以改变电路的带宽，调节电阻R值也可以改变 脉冲带宽但同时也改变了脉冲幅度。将R设计成一个连续可调的电阻，则达到幅度、带宽的 连续可调。RLC选频器完成发射机的频谱、幅度调节。输出buffer控制器，产生一个开关信号用以控制输出buffer是通路还是断路。 IR-UWB脉冲时域上是亚纳秒级的，而脉冲发射速率是百MHz级的，因此占空比非常低。在脉 冲到达时开启输出buffer电路，脉冲消失时关闭电路，这样可以大大降低输出buffer的功
^^ ο输出buffer，设计成一个超宽带的功率放大器。该功率放大器设有开关控制端，实 现输出buffer的通断路状态可控。开关控制端由“输出buffer控制器”的输出信号控制。该系统架构的优点
1、本发明中，“输出buffer”利用IR-UWB低占空比的特点，采用“输出buffer”可关断 的技术，当脉冲到来时，开启“输出buffer”通路；脉冲消失时，关断“输出buffer”通路，大 大降低了 “输出buffer”的功耗。2、本发明中，“RLC选频器”采用RLC网络，电容C、电感L、电阻R并联结构，实现频 谱、幅度可调。对RCL网络设计，采用多组不同的电容值C，实现不同的中心频率；电阻R设 计为可变电阻，来完成对带宽的调节。RLC选频网络，实现对输出宽带和中心频率的控制，满 足对不同国家UWB标准的频谱要求。对于工艺偏差引起的谱频偏差，也可以通过RLC调整 来实现。3、本发明中，“幅度可调的脉冲合并器”，针对不同的UWB标准发射功率要求，幅度 的放大倍数设计成几组可选方案。另外，还可以根据不同的发射距离对功率的要求，外加几 组放大倍数。4、采用本发明的发射机，其幅度、频谱可调，具有低功耗、结构简单的特点。适用于 不同的UWB标准，受工艺偏差引起的偏频较小。本发明电路实现方案简单，所有模块都可基 于CMOS工艺集成，具有低成本、低功耗的优点。


图1脉冲式超宽带发射机结构。图2 BPSK调制的脉冲产生器、幅度可调的脉冲合并器和RLC选频器。图3输出buffer控制器和输出buffer。
具体实施例方式下面通过实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步说明。图1所示为整 个发射机的系统基本构件组成，它包括BPSK调制的脉冲产生器、幅度可调的脉冲合并器、 RLC选频器、输出buffer控制器和输出buffer。采用本发明系统架构的发射机具有幅度、 频谱可调的功能。以下结合附图2和图3，详细介绍采用本发明系统架构的发射机CMOS电路实施例， 整个发射机CMOS电路基于SMIC 0. 13 μ m CMOS工艺
1)BPSK调制的脉冲发生器
其电路如图2中左边框图“BPSK调制的脉冲发生器”所示，分为上、下两条支路。上支 路由反相器irwl、或非门X2、与非门X3依次连接组成，下支路由反相器irw2、或非门XI、与 非门X4依次连接组成；两支路前设有第一级反相器。上支路输出负脉冲，下支路输出正脉 冲，正负脉冲分别对应于BPSK调制数据端口 data的“1”和“0”。输入信号elk作为时钟输 入端，其频率可设为100MHz，此频率也是BPSK的调制频率。输入信号elk经第一级反相器 整形得clk_i，clk_i分为两路输入到上、下两条支路。上支路中clk_i经过反相器invl延 时后的信号和信号clk_i 一起输入或非门X2，产生(频率为100MHz的)负脉冲；下支路中 clk_i经过反相器irw2延时后的信号与clk_i 一起输入与非门XI，产生(周期为100MHz的) 正脉冲。进而，上支路中或非门X2的输出与BPSK调制的基带信号data输入与非门X3，当 data为0时，与非门X3输出负脉冲，当data为1时，与非门X3不输出脉冲；下支路中与 非门Xl的输出与BPSK调制的基带信号data输入或非门X4，当data为1时，或非门X4输 出正脉冲，当data为0时，或非门X4不输出脉冲。整个模块电路完成了 BPSK调制，将正、 负脉冲分为上、下两条支路输出到下一级。2 )幅度可调的脉冲合并器
其CMOS电路如图2中间框图“幅度可调的脉冲合并器”所示，此部分CMOS电路由PMOS 管Ml、M2, NMOS管M5、M6禾口 PMOS管M3、M4, NMOS管M7、M8两条支路组成，单个支路均 由两个PMOS管和两个NMOS管由上而下串联而成。两条支路后设有偏置电压VbisaA和电 阻R1。两条支路中Ml、M2与M3、M4是成比例的，M5、M6与M7、M8也是成比例的；通过控 制端口 DO、Dl分别取“01”、“10”或“11”来实现不同的放大倍数。根据需要还可以增加几 组支路来实现更多的放大倍数。此部分电路将上支路的负脉冲和下支路的正脉冲合并为一 条输出，产生(频率为100MHz) BPSK调制的脉冲数据信号。由于存在工艺偏差，可能会导致 MOS工作截止或饱合，引起正负脉冲幅度不对称。设置偏置电压VbisaA和Rl就是为了解决 这个问题，通过设节偏置电压VbiasA来调整工作点，使得输出的正负脉冲幅度对称。3) RLC 选频器
其CMOS电路如图2中右边框图“RLC选频器”所示，该模块是整个电路的核心，实现整 个电路的频谱、幅度可调。该包括若干电容支路，各个电容支路的一端分别接一 NMOS管，通 过控制NMOS管的开关来决定电容的连通情况；这些电容支路的另一端与并联的PMOS管和 电感连接。图2中，只给出了 3个电容C2、C3、C4支路的例子，3个电容C2、C3、C4的一 端分别接3个NMOS管M9、MlO、Mll，通过控制NMOS管M9、MlO、Mll的开关来决定电容C2 、C3、C4的连通情况。根据需要还可以加入更多的电容支路，以实现更多的中心频率调节。 增加一些由于工艺偏差引起的补偿电容，来消除频偏影响。3个电容C2、C3、C4的另一端
6与并联的PMOS管M12和电感Ll连接。电感Ll固定不变，设计PMOS管M12为电阻R，并且 为连续可调电阻。根据需要，还可以设置更多的电阻支路。通过调整PMOS管M12的输入电 压Res，来完成脉冲的带宽、幅度的连续变化。配合前一级“幅度可调的脉冲合并器”幅度放 大，连续调整PMOS管M12管的输入电压Res，可以实现不同带宽和幅度要求。4)输出buffer控制器
其CMOS电路如图3中左边框图“输出buffer控制器”所示，产生“输出buffer”的开 关信号。具体由延时单delayl、反相器单元inv4、inv3、inv5、inv6和与非门X5依次 连接组成。该模块的输入时钟elk与“BPSK调制的脉冲发生器”的输入时钟elk是一样的 IOOMHz的时钟。输入信号elk经过延时单delayl延时，分为两条支路，上条支路直接到达 “与非门X5”，下条支路经过反相器单元irw4、inv3、inv5、irw6到达“与非门X5”。其中 反相器单元inv3采用“电流可控反相器”结构，如图上方的虚线框所示，具体由MOS管M18、 M19、M20、M21组成“电流可控反相器”，并由MOS管M13、M15、M16、M17组成偏置电路。 通过控制Vctrl可以调整支路电流的大小，进而实现延时可控，即X5输出的单峰脉冲开关 信号宽度可调。5)输出 buffer
其CMOS电路如图3中右边框图“输出buffer”所示，NMOS管M22、电感L2、电容C5、 电容C7组成一个超宽带的功率放大器，并设有片外负载电阻R3、开关控制管NMOS管M23以 及与NMOS管M23并联的电容C6 ;NM0S管M23 ctrl输入端与电容C6之间接有电容C8。片 外负载电阻R3的阻值可为50 Ω。NMOS管Μ23为开关控制管，当NMOS管Μ23输入端ctrl 为高电平时，“输出buffer”开启工作；ctrl为低电平时，“输出buffer”关闭；由于IR-UWB 占空比极低，因此大大降低“输出buffer的”功耗。电容C8用于防止ctrl输入端的高频 信号耦合到输出端电阻R3，将高频成份滤除掉。当输入端Vin有脉冲输入，且ctrl不能准 确开启NMOS管M23时，电容C6可以解决NMOS管M23的开关信号与脉冲到达时间不匹配的 问题。
权利要求
一种幅度和频谱可调的脉冲式超宽带接收机，其特征在于所述的发射机由BPSK调制的脉冲发生器、幅度可调的脉冲合并器、RLC选频器、输出buffer四个模块依次连接组成，此外还有辅助模块输出buffer控制器；其中所述BPSK调制的脉冲发生器，有两条互相独立的脉冲发生支路，两条支路分别只产生正脉冲和负脉冲，正脉冲和负脉冲分别对应于BPSK调制方式中基带数据“0”和“1”；BPSK调制速率由输入时钟控制，BPSK调制数据由基带数据输入端控制；两条支路的输出分别只包含正脉冲和负脉冲，输入下一级电路；所述幅度可调的脉冲合并器，将前一级BPSK调制的脉冲发生器的两条支路输出的正脉冲和负脉冲合并成到一条支路上输出，并且对正、负脉冲的幅度进行放大，放大值设有几组供选择；所述RLC选频器采用RLC网络，由电阻R、电感L、电容C并联结构组成；其中，电容C设计为可调的，实现中心频率可调；将电阻R设计成可调的，即实现幅度、带宽的可调；所述输出buffer控制器，产生一个开关信号用以控制输出buffer是通路还是断路，在输出buffer输入脉冲到达时开启输出buffer电路，脉冲消失时关闭电路，降低输出buffer的功耗；所述输出buffer，设计成一个超宽带的功率放大器；该功率放大器设有开关控制端，实现输出buffer的通断路状态可控，开关控制端由“输出buffer控制器”的输出信号控制。627087dest_path_image001.jpg
2.根据权利要求1所述的幅度和频谱可调的脉冲式超宽带接收机，其特征在于所述 的BPSK调制的脉冲发生器分为上、下两条支路；上支路由反相器invl、或非门X2、与非门 X3依次连接组成，下支路由反相器irw2、或非门XI、与非门X4依次连接组成；两支路前设 有第一级反相器；输入信号elk经第一级反相器整形得信号clk_i，信号clk_i分为两路输 入到上、下两条支路；上支路中信号clk_i经过反相器invl延时后的信号和信号clk_i 一 起输入或非门X2，产生负脉冲；下支路中信号clk_i经过反相器inv2延时后的信号与信 号clk_i 一起输入与非门XI，产生正脉冲；进而，上支路中或非门X2的输出与BPSK调制 的基带信号data输入与非门X3 ；下支路中或非门Xl的输出与BPSK调制的基带信号data 输入或非门X4。
3.根据权利要求1所述的幅度和频谱可调的脉冲式超宽带接收机，其特征在于所述 的幅度可调的脉冲合并器的CMOS电路由PMOS管Ml、M2, NMOS管M5、M6禾口 PMOS管M3、 M4，NMOS管M7、M8两条支路组成，单个支路均由两个PMOS管和两个NMOS管由上而下串联 而成；两条支路后设有偏置电压VbisaA和电阻Rl。
4.根据权利要求1所述的幅度和频谱可调的脉冲式超宽带接收机，其特征在于所述 的RLC选频器具有若干电容支路，各个电容支路的一端分别接一 PMOS管，通过控制NMOS管 的开关来决定电容的连通情况；这些电容支路的另一端与并联的PMOS管和电感连接。
5.根据权利要求1所述的幅度和频谱可调的脉冲式超宽带接收机，其特征在于所述 的输出buffer控制器，用于产生输出buffer的开关信号，由延时单delayl、反相器单元 inv4、inv3、inv5、inv6和与非门X5依次连接组成；其输入时钟elk与BPSK调制的脉冲 发生器的输入时钟elk 一样，输入信号elk经过延时单delayl延时，分为两条支路，上条支路直接到达与非门X5，下条支路经过反相器单元inv4、inv3、inv5、inv6到达与非门X5; 其中反相器单元inv3采用电流可控反相器结构，即由MOS管M18、M19、M20、M21组成电 流可控反相器，并由MOS管M13、M15、M16、M17组成偏置电路。
6.根据权利要求1所述的幅度和频谱可调的脉冲式超宽带接收机，其特征在于 所述的输出buffer中，由NMOS管M22、电感L2、电容C5、电容C7组成一个超宽带 的功率放大器，并设有片外负载电阻R3、开关控制管NMOS管M23以及与NMOS管M23并联的 电容C6，NM0S管M23 ctrl输入端与电容C6之间接有电容C8 ；当NMOS管M23输入端ctrl 为高电平时，输出buffer开启工作；ctrl为低电平时，输出buffer关闭；电容C8用于防止 ctrl输入端的高频信号耦合到输出端电阻R3，将高频成份滤除掉；当输入端Vin有脉冲输 入，且ctrl不能准确开启NMOS管M23时，电容C6用于解决NMOS管M23的开关信号与脉冲 到达时间不匹配的问题。
全文摘要
本发明属于超宽带通信技术领域，具体为幅度和频谱可调的脉冲式超宽带发收机。该发射机采用四级模块顺序连接组成，前两级产生BPSK调制的脉冲信号，中间RLC选频网络实现脉冲幅度、长度和频谱的调节，最后由超宽带的输出buffer输出脉冲。该发射机采用BPSK方式调制，RLC网络作为整个系统的核心模块，实现脉冲参数的调节和工艺偏差的补偿。利用IR-UWB传输信号低占空比的特点，无脉冲时关断输出buffer来降低功耗。该发射机具有脉冲参数可调的优点，使其可以满足不同国家UWB标准的频谱和发射功率要求。
文档编号H04B1/69GK101924574SQ20101026607
公开日2010年12月22日 申请日期2010年8月30日 优先权日2010年8月30日
发明者洪志良, 蒋俊 申请人:复旦大学