（通信与信息系统专业论文）超宽带脉冲发生器设计及优化.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 自从美国联邦通信委员会为超宽带技术分配了7 5 g h z 的通信带宽以来，学 术界和产业界都对这种短距离、高速无线传输技术的研究与开发产生了浓厚的兴 趣。超宽带技术的发展潜力在于它能与现有的无线技术共存而不相互发生干扰， 又能够实现高速率、低功耗的无线通信。在超宽带通信系统中，依靠极窄的时域 脉冲来传送信息，脉冲的时域持续时间与波形会对系统的性能产生直接的影响。 研究超宽带脉冲发生器的设计，目的是为了以c m o s 工艺为基础，设计能产生 时域超短脉冲的电路。因此在设计前，脉冲波形的选择是至关重要的。本文的主 要研究内容是设计了一种应用于冲激无线电超宽带通信系统的c m o s 脉冲发生 器。电路的结构主要包括三个部分，即延时单元，脉冲产生单元和脉冲成形单元。 采用本文提出的脉冲发生器结构，能够产生短时高阶高斯双周期脉冲信号作为超 宽带系统的信息传输载体，同时脉冲信号具有中心频率可调的优点。与传统脉冲 产生电路相比，本文的设计除了考虑波形的时域持续时间外，还考虑了波形的微 分次数对脉冲性能的影响。而且由于设计中使用了差分结构，使同时产生差分输 出脉冲信号成为了可能。电路使用纯c m o s 工艺实现，电路结构简单，易于集 成。另外，本文还提出了一种新的超宽带脉冲发生器电路的设计准则，即系统有 效噪声系数最小化准则。当调整脉冲信号能量分布使之与超宽带接收电路的点噪 声系数相匹配时，就能实现系统有效噪声系数最小化。由于电路具有中心频率可 调性，所以调整脉冲能量分布很容易能够实现。最后，本文还采用t s m c 0 1 8 p , m 标准c m o s 模型，使用1 8 v 标准电源电压，对设计的电路性能进行了仿真。仿 真结果表明本文的方法能够产生时域宽度约为5 0 0 p s 的高斯双周期脉冲信号。而 且通过脉冲有效噪声系数最小化，本文的设计在提高电路噪声性能方面比现有的 脉冲生成方法有更好的表现。相信本文提出的c m o s 脉冲发生器作为超宽带发 射机结构中必不可少的一部分，一定能满足未来无线通信应用的各种要求。 关键词：超宽带，脉冲发生器，高斯双周期脉冲，有效噪声系数，差分结 构 v i 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t e v e rs i n c et h ef c ca l l o c a t e d7 5g h z ( f r o m3 1g h zt o10 6g h z ) f o ru l t r a w i d e b a n d ( u w b ) t e c h n o l o g y , i n t e r e s t sh a v eb e e na r i s e ni nb o t ha c a d e m i ca n d i n d u s t r i a lf i e l d st oe x p l o i tt h i sw i d es p e c t r u mf o rs h o r tr a n g e ，h i g hd a t ar a t ew i r e l e s s s o l u t i o n s t h eg r e a tp o t e n t i a lo fu w bl i e s i nt h ef a c tt h a ti tc a nc o - e x i s tw i t ht h e a l r e a d ye x i t i n gs p e c t r u ma p p l i c a t i o n sa n da tt h es a m et i m ea c h i e v ea l le x t r e m e l yh i g h d a t ar a t e ，l o wp o w e rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m i nu w bc o m m u n i c a t i o n s ， i n f o r m a t i o ni sc o n t a i n e di nn a r r o wp u l s e s t h ed u r a t i o na n ds h a p eo ft h ep u l s ew i l l a f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e md i r e c t l y t h ea i mo ft h ep u l s eg e n e r a t i o nc i r c u i t d e s i g ni st oa c h i e v eap r o p e rp u l s ew h i l eu s i n gal o wc o s tc m o st e c h n o l o g y t h e s e l e c t i o no ft h ep u l s et y p e si so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o n s i d e r a t i o n si nu w b c i r c u i td e s i g n i nt h i st h e s i s ，w ed e s c r i b et h ed e s i g no fac m o sp u l s eg e n e r a t o rf o r i m p u l s eb a s e du w bs y s t e m s ，w h i c hi st h ef i r s tt a po fu w b t r a n s c e i v e rs t r u c t u r e t h e s t r u c t u r eo fo u rp u l s eg e n e r a t o rm a i n l yr e l i e so nt h r e eb a s i cc e l l s ：t h ed e l a yc e l l s ，t h e p u l s eg e n e r a t o rc e l la n dt h ep u l s es h a p e rc e l l b ya d o p t i n gt h ec i r c u i t sp r o p o s e di nt h i s t h e s i s ，i ti sc a p a b l eo fp r o d u c i n gs h o r td u r a t i o na n dh i g ho r d e rg a u s s i a nd o u b l e t p u l s e sw i t had y n a m i cc e n t e rf r e q u e n c y c o m p a r e dw i t he x i s t i n gm e t h o d ，o u rd e s i g n n o to n l yc o n s i d e r st h ed u r a t i o nt i m eo fp u l s ei nt i m ed o m a i nb u ta l s oc o n s i d e r st h e e f f e c to fd i f f e r e n t i a lo r d e r st ot h ep u l s ep e r f o r m a n c e a n dt h ed e s i g na l s oa d o p t st h e d i f f e r e n t i a ls t r u c t u r e ，w h i c hm a k e st h ed i f f e r e n t i a lo u t p u t sr e a l i z e d t h ec i r c u i ti s d e s i g n e do np u r ec m o st e c h n o l o g ya n dh a ss i m p l es t r u c t u r ea n dc o u l db ei n t e g r a t e d e a s i l y a d d i t i o n a l l y , w ed e v e l o p e d ad e s i g ng u i d a n c et o i m p r o v et h en o i s e p e r f o r m a n c eo ft h ew h o l es y s t e m s b ya d j u s t i n gt h ep u l s e se n e r g yd i s t r i b u t i o na n d m a t c hi tt ot h es p o tn o i s ef i g u r eo fu w bl n a ，t h em i n i m u me f f e c t i v en o i s ef i g u r e c o u l db eo b t a i n e d t h ev e r s a t i l i t yo fo u rd e s i g nl i e si nt h ea b i l i t yt os u p p o r tv a r y i n g c e n t e rf r e q u e n c i e s t h ep e r f o r m a n c eo fo u rp u l s eg e n e r a t o r si se s t i m a t e dt h r o u g h s i m u l a t i o nw i t hat a r g e tt e c h n o l o g yo ft s m co 18 “mc m o sa tas u p p l i e dv o l t a g eo f v 上海大学硕士学位论文 1 8vt h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a to u rp u l s eg e n e r a t o rp r o d u c e sh i g hf i d e l i t y g a u s s i a nd o u b l e tp u l s ew i t hap u l s ew i d t ho fa p p r o x i m a t e l y5 0 0p s a n db ya c h i e v i n g t h ee f f e c t i v en fm i n i m u m ，o u rd e s i g ni sm o r es u p e r i o ri ni m p r o v i n gt h e s i g n a l d e g r a d a t i o np r o b l e m w eb e l i e v et h a to u rd e s i g no fac m o sp u l s eg e n e r a t o rc o u l db e an e c e s s a r yp a r to fu w bt r a n s c e i v e ra n dp r o v i d eaf e a s i b l eo p t i o nf o rm a n y a p p l i c a t i o n si nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n k e y w o r d s ：u w b ，p u l s eg e n e r a t o r , g a u s s i a nd o u b l e tp u l s e ，e f f e c t i v en f , d i f f e r e n t i a ls t r u c t u r e 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：赂、弗导师 i l i 2 即i 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 近年来，无线通信技术得到了长足的发展，然而现代社会对各种无线通信业 务的需求增长迅猛，超宽带( u l t r a - w i d e b a n d ，u w b ) 无线传输技术作为世界最前端 的无线通信技术，为高速无线数据传输提供了一种可能的解决方案。现有的无线 局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ，w l a n ) 解决方案只能提供最高5 4m b p s 的 数据传输速率，无法满足诸如数字高清晰电视( h i g hd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ，h d t v ) 高数据传输速率的应用要求。自从2 0 0 2 年2 月美国联邦通信委员会( f c c ) 首次 批准了u w b 技术用于民用，并且发布民用u w b 设备7 s g h z ( 从3 1g h z 到1 0 6 g h z ) 的工作频段以及功率限制等规范以来，无论是学术界还是产业界都对这种 超宽带、短距离、高速无线传输技术的研究与开发产生了浓厚的兴趣。u w b 无 线传输技术具有诸如高传输速率、低辐射功率、抗多径干扰能力强和硬件结构简 单等特点，而这些特点都与u w b 的超宽传输带宽有关。对u w b 超宽带通信硬 件实现的研究，对无线通信技术的发展有着极其重要的意义。 1 1 u w b 的定义 超宽带的定义来源于雷达通信系统，在给出超宽带无线通信的定义之前，有 必要对其中涉及到的信号频率和带宽的基本概念进行一下简单的介绍。 在超宽带通信中，信号的上限频率矗和下限频率五分别被定义为信号的功 率谱密度衰减为一1 0 d b 时的辐射频率；信号的能量带宽( e n e r g yb a n d w i d t h ) 定义 为上、下限频率之差；信号的中心频率定义为上、下限频率的平均值。信号的相 对带宽( f r a c t i o n a lb a n d w i d t h ) 定义为信号的能量带宽与信号的中心频率的比值， 即： f b = 糕 ( 1 1 ) 2 任何无线通信技术，只要满足信号的相对带宽f b 大于o 2 0 0 2 5 ，或者信号 的能量带宽大于5 0 0 m h z ，就可以被认为满足超宽带通信的要求。 上海大学硕士学位论文 由5 0 0 m h z 能量带宽的下限频率我们可以得到一个大小为2 5 g h z 的阈值。 中心频率在阈值以下的信号，当其相对带宽超过o 2 时是超宽带信号；而中一t l , 频 率在阈值以上的信号，当其带宽超过5 0 0 m h z 时可以认为是超宽带信号。例如， 中心频率为1 g h z 能量带宽为2 5 0 m h z 的射频信号或者中心频率为6 g h z 能量带 宽为5 0 0 m h z 的射频信号都可以被视为u w b 信号。而传统的窄带信号，能量带 宽通常只占中心频率的1 0 不到。例如8 0 2 1 l b 无线局域网技术，它的能量带宽 为2 2 m h z ，中心频率为2 4 g h z 。图1 1 给出了超宽带信号与窄带信号在信号带 宽和辐射功率上的差异示意图。关于超宽带信号在的辐射功率方面的限制将在第 2 章中作详细介绍。 空 錾 占 一 呈 u 乏 爹 1 n a r r o v , b a n ds i g n a l l r w b $ i a - n a i 一一一一一一一一一一一一 荔 1 2 u w b 特点与应用 相对传统的窄带通信，u w b 具有许多无法比拟的优势。u w b 的特点可以 归纳如下： ( 1 ) 安全性高 u w b 是一种通过在时域传输超短，低功率脉冲以实现通信目的的无线通信 技术。由于u w b 信号一般把信号能量弥散在极宽的频带范围内，系统的发射功 2 上海大学硕士学位论文 率谱密度非常低，有用信息完全淹没在噪声中，被截获概率很小，被检测的概率 也很低。 ( 2 ) 多径分辨能力强 由于u w b 发射的是持续时间极短的脉冲信号且占空比极低，多径信号在时 间上是可分离的。假如多径脉冲要在时间上发生交叠，其多径传输路径差异应小 于脉冲宽度与传播速度的乘积。由于u w b 脉冲多径信号在时间上不重叠，很容 易分离出多径分量以充分利用发射信号的能量。 ( 3 ) 高速的数据传输 u w b 以非常宽的频率带宽来换取高速的数据传输，目前已有的u w b 产品 中，传输速率已经可达5 0 0 m b p 。作为实现个人通信和无线局域网的一种理想调 制技术，在短距离通信的情况下，u w b 的数据传输速率有望达到1 g b p s 1 1 。 ( 4 ) 功耗低 u w b 系统使用脉冲持续时间为皮秒级的间歇脉冲来发送数据，有很低的占 空比，系统耗电可以做到很低。u w b 设备功率一般是传统移动电话所需功率 的1 1 0 0 左右，是蓝牙设备所需功率的1 2 0 左右。因此，u w b 设备在电池寿 命和电磁辐射上，相对于传统无线设备有着很大的优越性。 ( 5 ) 系统结构简单 u w b 通信不需要使用载波，直接用脉冲激励天线，不需要传统收发器所需 要的变频，从而不需要功率放大器与混频器，同时在接收端，u w b 接收机也有 别于传统的接收机，不需要中频处理。又由于不需要载波，也不需要复杂的同步 电路，因此，u w b 系统结构的实现比较简单，造价低廉【2 】【3 】。 尽管u w b 有上述这些优点，但是在f c c 允许u w b 技术民用以前，这种高 速、低功耗的传输技术仅仅在军事领域中得到应用。在u w b 技术投入到民用后， 一个主要的商业应用领域就是家庭数字娱乐中心。u w b 高速无线个人局域网 ( w p a n ) 技术为全无线通信的实现提供了一种可能【4 1 。它可以将住宅中的p c 、娱 乐设备、智能家电和i n t e m e t 自由连接在一起，这样就可以在任何地方使用它们。 另外一个重要的应用领域是射频识另l j ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，r f i d ) 领域。 采用u w b 技术的r f i d 追踪装置可以被安装在办公室、实验室、医院、超市等 上海大学硕士学位论文 等任何地方的任何物品上，用于定位与跟踪，或者被用来制作身份识别的电子身 份证，并且持续工作时间久，制造成本低【5 1 。另外一项有趣的应用是将r f i d 芯 片与食品放在一起，微波炉在加热食品的同时可以读取r f i d 中记录的信息，用 以控制加热的时间【6 】。 此外u w b 在地质勘探与汽车防冲撞传感器等领域中也有广泛应用。 u w b 技术在无线通信方面的技术优势和潜在商业价值己引起了全球业界的 关注。u w b 的时代才刚刚来临。在商业市场的推动下，l r w b 技术将会进一步 发展和成熟起来。 1 3 研究动态 尽管目前对u w b 的研究正如火如荼，但是超宽带技术的产生却可以一直追 溯到1 0 0 年前。对于u w b 技术研究的第一轮热潮开始于1 9 世纪末麦克斯威尔 对电磁理论的研究。麦克斯威尔方程组的提出为现代电磁学的应用开辟了一片崭 新的领域。从那以后，有关u w b 的研究取得了长足的进步。几年后，麦克斯威 尔发表了他的理论，赫兹在实验室成功演示了电磁波在空间中的传播。1 9 8 5 年， 马可尼实现了利用火花隙( s p a r kg a p ) 发射机传输莫尔斯电码。由于传输的射频信 号具有很宽的频带，电子火花隙发射机被认为是世界上第一个超宽带信号发生 器。直到2 0 世纪初期，窄带信号被证明对于语音信号的传输更有效之前，火花 隙技术在无线通信领域一直保持着其主导地位。到了1 9 2 4 年，由于其没有规范 的射频功率限制，干扰了窄带无线通信，火花隙技术在大多数的应用中被禁止【_ n 。 对于u w b 研究的第二轮热潮开始于2 0 世纪6 0 年代。在1 9 6 2 年诞生了世 界上第一台高频采样示波器，因此射频脉冲响应可以直接被观察和测量。这一观 察和测量使人们逐渐认识到使用宽带信号进行无线传输的巨大潜力。1 9 7 3 年， 佩里研究中，t 1 , ( s p e r r yr e s e a r c hc e n t e r ) 获得了首个超宽带研究方面的专利，使超 宽带技术又有了复苏的迹象。在1 9 6 0 年到1 9 9 9 年的将近4 0 年间，在超宽带研 究领域，大约发表了2 0 0 多篇论文并且取得了1 0 0 多个专利【8 1 。 到了2 0 世纪8 0 年代，u w b 技术已经被定位成种基带无载波传输的脉冲 无线电技术。1 9 8 9 年，美国国防部将u w b 超宽带技术用于军用领域。从那个时 4 上海大学硕士学位论文 候一直到现在，关于超宽带技术的研究就没有被中断过。u w b 研究的第三轮热 潮开始与2 0 世纪9 0 年代，r a s c h o l z 等发表了一系列关于超宽带方面的论文， 引起了学术界和产业界对于u w b 这种高速无线传输技术的浓厚兴趣。在这一阶 段中，关于超宽带的研究更注重于其通信方法和商业应用诸如无线局域网，家庭 数字娱乐中心方面的研究【9 】。 u w b 无线通信史上最具里程碑意义的事情发生在2 0 0 2 年4 月，美国f c c 批准了第一个指南，允许在制定的功率辐射掩蔽( e m i s s i o nm a s k ) 下的u w b 信号 的有意识发射。然而，根据f c c 的规定，u w b 概念并不局限于脉冲传输，而是 可以扩展为类似连续的传输技术，只要发射信号的带宽大于5 0 0 m h z 。f c c 规定 的发布产生了双重影响。一方面，f c c 关于u w b 的辐射规定，提高了主要芯片 厂商诸如t e x a si n s t r u m e n t 、m o t o r o l a 、i b m 和i n t e l 等的兴趣；而另一方面，引 发了围绕i r ( i m p u l s er a d i o ) 方式与传统的基于连续载波传输技术的优势问题的 争论。争论一直没有达成一致，这一点可以从当前在u w b 标准问题上的分歧上 看出。到目前为止，对基于u w b 的物理层提出了两种仍然在考虑中的标准：一 种是将调频于正交频分复用( o f d m ) 结合起来的m b u w b ( m u l t i b a n du w b ) 方 案 1 0 】，另一种是保存了原始u w b 脉冲属性的d s u w b ( d i r e c t s e q u e n c eu w b ) 方案【1 1 】。对于m b u w b 方案来说，尽管许多用于窄带信号中的成熟技术可以得 到同样的运用，但其系统的功率消耗要比d s u w b 方案高。对于原始的d s u w b 方案来说，由于会受到无线通信中远近效应的影响，接收机的结构要比m b u w b 方案复杂。目前，这两个阵营均表示将单独推动各自的技术。 u w b 的研究涉及u w b 信号的产生、调制、辐射、传播、检测等诸多方面。 目前国外已研制出产品。例如英特尔公司在2 0 0 2 年就宣布成功试制出了超宽带 无线技术的u w b 芯片，系统的最大数据速率为1 0 0 m b p s ，通信距离为2 m ；同 时，该公司还首次展示多家公司联合支持的、采用u w b 芯片的、应用范围超过 1 0 m 的4 8 0 m b p s 无线u s b 技术；2 0 0 3 年初，美国x 仃e m e s p e c t r u m 公司展示了 使用u w b 芯片组“t r i n i t y 的无线传输系统，芯片组由m a c 、l n a 、r f 、b a s e b a n d 所组成，耗电量为2 0 0 m w ，使用3 1 g 至7 5 g h z 频段，利用u w b 发送双路h d t v 信号。美国t z e r ot e c h n o l o g i e s 公司和q u a l c o m m 公司在2 0 0 7 年的6 月1 7 日 5 上海大学硕士学位论文 和6 月2 1 日公布了其开发的u w b 收发机芯片产品，这也是目前为止业界最新 的u w b 研究成果。我国在2 0 0 1 年9 月初发布的”十五”国家8 6 3 计划通信技术 主题研究项目中，首次将”超宽带无线通信关键技术及其共存与兼容技术”作为无 线通信共性技术与创新技术的研究内容，鼓励国内学者加强这方面的研究工作。 超宽带无线通信的研究必将越来越受到国内外通信业界的关注。 1 4u w b 与现有无线通信技术的比较 u w b 与传统的窄带无线通信技术相比有着巨大的优势。而之所以具有这样 的优势，其中一个重要原因就是超宽带通信的信道容量大。这里的信道指的是信 息传递所用的无线射频频谱。由香农定理，随着带宽b w 的增加信道容量的增长 速度要比随着信噪比s n r 的增加而使信道容量的增长速度快得多。 c = b w l 0 9 2 【1 + s n r )( 1 2 ) 式中c 为信道容量，单位是b p s ；b w 为传输带宽，单位为h z ；s n r 为信号与噪 声的功率比： s n r = 尸w x n o )( 1 3 ) p 为接收信号功率，单位为w ；n o 为噪声功率谱密度，单位为w h z 。 式( 1 2 ) 表明，在高斯信道中当传输系统的信噪比s n r 下降时，可用增加系 统传输带宽b w 的办法来保持信道容量c 不变，以实现信道内无差错通信。而信 道容量的增加与传输带宽b w 的增加为线性关系，与信噪比仅是对数关系。因此 和传统的窄带通信中信道容量受到有限的信道带宽和信噪比的限制有所不同，在 u w b 系统中即使发射信号的功率与噪声的功率相当，由于u w b 的超宽带特性， 仍能保证系统有很高的数据传输速率。香农定理指出了增加相同的信道容量只需 要线性地增加信道带宽，但是却需要信号能量以指数的速度增长。这也是u w b 技术能够以非常低的功率消耗传输高速信号的原因。图1 2 比较了u w b 与其他 无线通信技术在信道容量上的差异，由图中可以看出在短距离通信上u w b 的优 势非常明显。 6 上海大学硕士学位论文 h l _ l i 1，ii l l j 【 + 。 l 【| | 1 】l 】i i | l 1 i | 【f l 。 i 【l 【 矗立芷 】i _ _ 上u 土u 上l 0 0 01 0 0 0 2 0 0 03 00 0 4 0 0 05 0o o6 0 0 07 0 0 0 d i m t a 一( m l 图i2 u w b 与其它无线通信技术在信道容量上的比较”2 1 尽管u w b 技术可以保证很高的信道容量，但是必须是在短距离通信的前提 下。主要的原因是由于u w b 是宽带信号为了防止其对其它频带的无线信号造 成干扰，对其发射功率作了非常严格的限制。通常认为u w b 的有效通信距离只 有1 0 米。图l3 给出了不同的无线传输技术在传输速率与传输距离上的比较示 意图。 k 一1 0 0 e 1 0 。 s 1 m 1 0 m1 0 0 m1 g10 g p e a kd a t a r a t e m p s i 圈i3u w b 与其它无线通信技术在传输距离与数据传输速度的比较【1 2 由图中可以看出蓝牙、u w b 等无线通信技术属于个人局域n c p e r s o n a l a r e a n e t w o r k ) 的范畴，有效通信距离一般只有1 0 米：8 0 21 1 无线网络技术属于本地局 一&口=一iol 上海大学硕士学位论文 域曝 ( l o c a l a r e a n e t w o r k ) 技术，有效通信距离在5 0 1 0 0 米之间；g p r s ，c d m a 等属于广域网( w i d e a r e an e t w o r k ) 技术，通信距离可达数公里。 我们拿常见的短距离无线技术8 0 2 1 1 a 以及蓝牙与u w b 作一对比。 i e e e 8 0 2 1 1 a 是由i e e e 制定的无线局域网标准之一，物理层速率在5 4 m b p s ，传 输层速率在2 5 m b p s ，它的通信距离可能达到1 0 0 m ，而u w b 的通信距离在1 0 m 左右。在短距离的范围( 如1 0 m 以内) ，i e e e 8 0 2 1 1 a 的通信速率与u w b 相比却 相差太大，u w b 可以达到上千兆，是i e e e 8 0 2 1 1 a 的几十倍。另外与u w b 相 比，8 0 2 1 1 a 的功耗也相当大。蓝牙的传输距离为1 0 c m - - 一1 0 m 。它采用2 4 g h zi s m 频段和调频、跳频技术，速率为1 m b p s 。从技术参数上来看，u w b 的优越性是 比较明显的，有效距离差不多，功耗也差不多，但u w b 的速度却快得多，是蓝 牙速度的几百倍。毫无疑问，u w b 技术已被定位成一种短距离、低功耗、高传 输速率的新一代无线通信技术。 1 5 论文的主要研究内容及编排 由于u w b 传输具有非常高的带宽，要求u w b 使用时域超窄脉冲来传输数 据，这就给u w b 技术的电路实现带来了巨大的挑战。对于u w b 技术的两大标 准之一，冲激无线电u w b 来说，通常要求传输信号为几百皮秒的窄脉冲。这其 中，很多方案都是通过改变u w b 输出信号波形和信号持续时间来控制信号所占 的频带范围。另外通过改变这些脉冲的重复频率来控制整个系统的信息传输速 率。对于电路设计者来说，如何能够产生一种合适的波形，其频带能够跨越数个 g h z ，使信号能满足超宽带信号的要求；同时又能够满足f c c 对于u w b 信号辐 射功率的限制，将是一个相当大的挑战。现有的u w b 脉冲产生方法中，大部分 都只注重于如何能够在时域上产生满足要求的超短时脉冲。事实上，不仅仅是脉 冲在时域上的持续时间，脉冲的形状也会对其频谱造成很大的影响。 基于上述的分析，本文提出了一种用于冲激无线电u w b 标准的脉冲产生器 设计方法。设计的目标是希望能够使用c m o s 工艺产生满足超宽带无线通信要 求的脉冲信号。与传统的脉冲生成方法相比，本文在考虑产生超窄脉冲信号的同 时，通过采用对脉冲进行时域微分并叠加多个脉冲的方法，以达到控制最终输出 上海大学硕士学位论文 脉冲信号波形的目的。仿真结果表明，最终生成的脉冲信号与已有其它的方法相 比，性能更好。另外，针对无线通信中噪声性能优化的问题，本文提出了一种新 的超宽带脉冲产生器设计的指导原则，并且在该原则的指导下，对原有的脉冲产 生电路进行了优化设计，改进了系统的噪声性能。 论文各章节具体安排如下： 第一章为绪论，简要介绍超宽带信号的定义及其发展历史，讨论超宽带技术 的特点及其具体应用，并与其他无线通信技术作对比，最后对论文的研究内容和 结构进行概括。 第二章对超宽带脉冲产生进行概述，介绍脉冲设计时的一般指导原则，即辐 射掩蔽标准，回顾和总结常用的超宽带脉冲类型，介绍几种典型的超宽带脉冲产 生电路。 第三章、第四章是本文的重点。 第三章详细叙述本文提出的超宽带脉冲产生方法。对脉冲产生的原理，脉冲 产生器的各个电路单元进行深入分析，并给出电路的仿真结果。 第四章提出一种新的脉冲发生器设计指导原则，根据点噪声系数和有效噪声 系数的概念提出优化设计的方法，并给出具体的电路实现。最后给出优化设计的 电路仿真结果。 第五章对论文进行总结，并对未来需进一步研究的工作予以展望。 9 上海大学硕士学位论文 第二章u w b 脉冲形成理论概述 u w b 超宽带信号是一系列持续时间极短( 时域) 、频谱极宽( 频域) 的脉冲 串，系统通过高速发送和接收超宽带脉冲信号，以实现通信的目的。本章首先阐 述u w b 脉冲设计时的一项重要指导原则，即辐射掩蔽标准。然后扼要介绍冲激 无线电u w b 中经常使用的脉冲类型。最后简要回顾几种典型的超宽带脉冲产生 原理，并对具体电路进行分析。 2 1u w b 辐射掩蔽标准 通常来说，超宽带无线电信号是与其它的无线电信号同时存在的，因此它对 其它通信系统可能造成的干扰必须要限定在某一范围内，这就意味着在任一给定 频率上的空中接口都必须有一个最大允许功率，这一功率的值就是由辐射掩蔽 ( e m i s s i o nm a s k ) 来确定的。 2 0 0 2 年2 月1 4 日对u w b 技术的发展而言是一个值得纪念的日子，因为就 在这天f c c 为u w b 无线通信技术定义了7 5 g h z 的频带利用范围，同时对于 u w b 设备在3 1 g h z 到1 0 6 g h z 这一频带范围内的辐射功率作了严格的限制。 根据f c c 的定义，u w b 系统的辐射掩蔽是由有效全向辐射功率( e f f e c t i v e i s o t r o p i cr a d i a t e dp o w e r , e i r p ) 来度量的。辐射功率的具体计算可以由下式给出： p ：e 2 4 g r r 2( 2 1 ) 7 7 其中岛表示电场强度，单位为w m ； r 表示辐射半径，单位为m ； r 表示发 射机的特征输出阻抗，在真空中叩为3 7 7 欧姆。例如在辐射功率为 一4 1 3 d b m m h z 的情况下，相当于在辐射半径3 米处，测得的电场强度为 5 0 0 v g m 。 图2 1 显示了f c c 制定的室内u w b 设备的辐射掩蔽标准【1 3 】【1 4 】。 l o 上海大学硕士学位论文 13 11 0 6 g h z 图2 1 室内u w b 设备辐射掩蔽 对于室内u w b 通信，掩蔽限制是针对3 1 g h z 到1 0 6 g h z 范围内的一1 0 d b 带宽，对于带外的辐射掩蔽也有严格的限制。辐射掩蔽的具体值如表2 1 所示。 表2 1 室内u w b 设各的有效全向辐射功率( e i r p ) 的极限值 频率( m h z )e i r p ( d b m ) o 9 6 0 4 1 3 9 6 0 一- 1 6 1 0 - 7 5 3 1 6 1 0 , - - - 1 9 9 0 - 5 3 3 1 9 9 0 3 1 0 05 1 3 31 0 0 - 1 0 6 0 0- 4 1 3 1 0 6 0 0 5 1 3 同样对于室外u w b 通信，f c c 对于辐射掩蔽也有严格的限制1 4 1 。室外辐射 掩蔽的具体值如图2 2 和表2 2 所示。 ， r ：二o m d o 珥u 而- j = ：? 9 腿k 蜘囊 图2 2 室外u w b 设备辐射掩蔽 上海大学硕上学位论文 表2 2 室外u w b 设备的有效全向辐射功率( e i r p ) 的极限值 频率( m h z )e i r p ( d b m ) 0 - - 一9 6 0 _ 4 1 3 9 6 0 - 1 6 1 0- 7 5 3 1 6 1 0 1 9 9 0 - 6 3 3 1 9 9 0 - 3 l o o6 1 3 31 0 0 - - 一1 0 6 0 0 4 1 3 1 0 6 0 0 6 1 3 从上面的数据可以看出，u w b 室外辐射掩蔽与室内辐射掩蔽的主要不同之 处在于对从0 9 6 g h z 到1 9 9 g h z 的功率衰减要求。严格限制在这一频带中室外 u w b 通信的辐射功率是为了保证u w b 对g p s 无线通信不会造成干扰，因为 g p s 的中心工作频率为1 6 g h z 1 4 1 。 自从f c c 公布了u w b 辐射掩蔽规范以来，世界各大芯片厂商都对u w b 的 电路实现产生了浓厚的兴趣。辐射掩蔽限制了u w b 系统的发射功率的上限，也 为u w b 技术的硬件设计提供了一个设计准则。从脉冲发生器设计的角度来说， 只要产生的脉冲信号满足超宽带信号的定义要求，同时信号的辐射功率又在辐射 掩蔽规定的范围之内，那样的脉冲发生器就可以被认为能满足超宽带技术的要 求。 2 2 超宽带无线通信的基本脉冲类型 由于本文的主要目的是讨论用于冲激无线电标准的u w b 脉冲发生器的设 计，因此有必要在本节中对经常被使用的基本脉冲类型作一简要介绍。在冲激无 线电技术里，信息通过脉冲信号来传递。对于常用的脉冲类型有两种，即高斯脉 冲( g a u s s i a np u l s e ) 和高斯单周期脉冲( g a u s s i a nm o n o c y c l ep u l s e ) 。需要指出的是 高斯脉冲经过任何线性系统之后所得的信号仍然满足高斯分布。 在u w b 系统中，在产生传递信息的超短脉冲之前，需要首先确定这些脉冲 信号的形状。对于脉冲产生器而言，由于高斯脉冲类似于一个钟形，一般极易产 生，因此最常见的脉冲信号就是高斯脉冲信号。高斯脉冲的波形由高斯函数定义， 其时域波形如图2 3 ( a ) 所示。 1 2 上海大学硕士学位论文 p o ) ：下乓p 一告：- 压- = - e 一等 ( 2 2 ) v 2 t o - 一 式( 2 2 ) 给出了高斯脉冲的时域表达式，其中t 为时间变量，单位为秒；盯为高斯 函数的标准差，单位为秒：为高斯函数的平均值，单位为秒；倪被定义为高斯 脉冲的形状因子，单位为秒，且： 口2 = 4 a c r 2 ( 2 3 ) t i m ed o m a i nf r e q u e n c yd o m 萄n f r e q u e n c y m h z 图2 3 高斯脉冲 ( a ) 高斯脉冲的时域波形( b ) 高斯脉冲的功率谱密度 需要说明的是高斯脉冲的f o u r i e r 变换也是高斯的。上图中高斯脉冲功率谱 密度高频端的起伏是由于计算误差造成的。本文后面内容中出现的高斯脉冲频谱 的高频部分幅度起伏也由相同原因造成。 在图2 3 ( a ) 中，脉冲形状因子a 的取值为0 7 1 4 n s ，脉冲最大幅度为1 v 。图2 3 ( b ) 给出了相应高斯脉冲的功率谱密度( p o w e rs p e c t r u md e n s i t y , p s d ) ，可以看出，时 域持续时间为纳秒级的高斯脉冲，其对应的信号能量将被散播到非常广的频带范 围，而功率谱密度的值将非常低。这个特性使超宽带信号具有不易被检测以及不 上海大学硕士学位论文 会对其它窄带无线通信技术造成干扰的优点。正是因为这个原因，超宽带信号即 使占有很宽的频带，但仍被认为可以和现有的无线通信技术共存。但是对于无线 信号而言，为了有效辐射，产生的脉冲应该具备一个基本条件，即无直流分量， 高斯脉冲在这一点上并不满足要求。 对式( 2 2 ) 的高斯脉冲进行一次时域的微分，我们可以得到高斯单周期脉冲的 时域表达式，如式( 2 4 ) 所示： p ( 0 - - 争等( 等 仁4 ， 口口。 t i m ed o m a j l f r e q u e n c yd o m a i n f r e q u e n c y m h z 图2 4 高斯单脉冲 ( a ) 高斯单脉冲的时域波形( b ) 高斯单脉冲的功率谱密度 高斯单周期脉冲的时域波形如图2 4 ( a ) 所示。脉冲的形状因子的取值为 0 7 1 4 n s ，脉冲最大幅度为1 v 。由图2 4 ( a ) 可知，高斯单周期脉冲有一个过零点。 相应的脉冲功率谱密度如图2 4 ( b ) 所示。高斯单周期脉冲信号的中心频率可以由 ( 兀c o ) 1 h z 计算得到，而尢t o 被定义为高斯单周期脉冲最大值与最小值之间持续的 总时间【1 5 】。由图2 4 ( b ) 可知，高斯单周期脉冲相对高斯脉冲而言，功率谱密度略 微往高频方向移动，而且不存在高斯脉冲中的直流频谱分量。 1 4 上海大学硕士学位论文 2 3 已有超宽带脉冲发生器电路 在超宽带通信的各项关键技术中，窄脉冲信号的形成电路一直是射频电路研 究领域的备受关注的技术问题。从目前的研究现状来看，用于超宽带通信的窄脉 冲信号生成的方法主要是使用特殊工艺条件下的半导体器件。为了产生u w b 无 线通信所需的时域超短脉冲，一般可以使用两类器件。一类是由g e r a l df r o s s 提 出的使用隧道二极管( t u n n e ld i o d e ) 来产生u w b 脉冲的方法【1 6 1 。在早期的u w b 发 射机设计中经常采用这种方法。由于隧道二极管存在负阻特性的工作区，因此经 常被应用于高速开关电路中。图2 5 给出了隧道二极管伏安特性曲线。由于采用 了特殊的渗杂工艺，只需很小的偏置电压，大量电子就能穿越p n 结，产生大量 电流，这也是“隧道效应名字的由来【1 7 】。当偏置电压大于图中所示的弱点( w e a k p o i n t ) 之后，由于原子价和传导带的重叠，电流会逐渐减小直到到达谷点( v a l l y p o i n t ) 。由于电压的增加导致电流的减少，使隧道二极管工作在负阻区。工作在 负阻区的隧道二极管，其工作点是不稳定的，会很快转移至图中的前点( f o r w a r d p o i n t ) 。工作点在短时间由谷点转移至前点，就会产生一个皮秒级的电压阶跃信 号。将该信号通过短路传输线( s h o r tc i r c u i t e ds t u b ) 进行滤波，就