專利名稱：超寬帶直接序列二相相移鍵控窄脈沖發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種應(yīng)用于超高速近距離無線個(gè)域網(wǎng)(WPAN)，以及用于近距離高速無線通信以取代有線通信的裝置，屬于超寬帶無線通信設(shè)備的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
超寬帶無線通信技術(shù)最早可以追溯到1887年赫茲利用火花放電發(fā)送機(jī)的實(shí)驗(yàn)，而七年后馬可尼就利用了赫茲實(shí)驗(yàn)方案開始了人類最初的無線電通信的探索，但隨后這種以脈沖形式傳送信息的方式逐漸被連續(xù)波通信所取代。連續(xù)波通信最常用的技術(shù)是將一條或多條信息疊加到一個(gè)高頻正弦或余弦載波上，然后通過媒質(zhì)(有線或無線)傳送到接收端并解調(diào)，恢復(fù)發(fā)送內(nèi)容。信息信號(hào)的原始形式可能是音頻信號(hào)，數(shù)據(jù)脈沖，視頻信號(hào)，或者其他信號(hào)。高頻載波通過的傳輸媒介可能是空氣(無線電傳輸)，雙絞電纜，光纜，或是其他媒介。而超寬帶(UltraWide Band，故又稱UWB)通信通過對(duì)具有很陡上升和下降時(shí)間的沖激脈沖進(jìn)行調(diào)制，當(dāng)脈沖窄到亞納秒級(jí)時(shí)，UWB信號(hào)將具有GHz量級(jí)的帶寬，因此可以稱為超寬帶(UWB信號(hào)一種是指相對(duì)帶寬大于0.25的信號(hào)，所謂相對(duì)帶寬，是指η=fH-fLfH+fL,]]>fH和fL表示信號(hào)的最高和最低頻率；另一種含義是指帶寬超過500MHz的信號(hào))。超寬帶通信相對(duì)于連續(xù)波通信系統(tǒng)，有它獨(dú)特和獨(dú)到之處，在很多領(lǐng)域有它的應(yīng)用，如雷達(dá)、通信、探測。UWB的特點(diǎn)有應(yīng)用中，發(fā)射信號(hào)功率譜密度較低(數(shù)+mW范圍)，強(qiáng)抗截獲能力；系統(tǒng)復(fù)雜度低；數(shù)厘米的定位精度等優(yōu)點(diǎn)。但是這些性能的獲得都需要依賴于現(xiàn)有技術(shù)和工藝的可行性，特別是集成電路的工藝。
超寬帶無線通信有多種調(diào)制方式，如跳時(shí)脈沖位置調(diào)制、直接序列二相相移鍵控、脈沖幅度調(diào)制、波形調(diào)制等，每種調(diào)制方式均有它們的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。相對(duì)而言直接序列二相相移鍵控的實(shí)現(xiàn)比較簡單，接收端相對(duì)容易，性能較好，本發(fā)明就是針對(duì)如何實(shí)現(xiàn)直接序列二相相移鍵控而設(shè)計(jì)的。跳時(shí)脈沖位置調(diào)制可簡寫為TH-PPM，跳時(shí)是指其多址方式，脈沖位置調(diào)制是信息加載方式，有相當(dāng)部分的文獻(xiàn)涉及這種調(diào)制方式，包括性能分析、定時(shí)同步等，此外在提到超寬帶通信的時(shí)候，人們更習(xí)慣的認(rèn)為它的調(diào)制方式是PPM，這是由于單個(gè)脈沖的出現(xiàn)更易于與信息的出現(xiàn)聯(lián)系在一起，還與超寬帶的窄脈沖產(chǎn)生方式有關(guān)。直接序列二相相移鍵控調(diào)制是指直接序列擴(kuò)頻二進(jìn)制相位調(diào)制，多址方式是用直接序列實(shí)現(xiàn)，相位用正負(fù)極性的超寬帶脈沖表示，又稱脈沖極性調(diào)制。
三、技術(shù)內(nèi)容1、技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種適于集成的、高重復(fù)頻率的、適于目前和未來小型、高速、近距離無線超寬帶通信應(yīng)用實(shí)現(xiàn)方式的超寬帶直接序列二相相移鍵控窄脈沖發(fā)生器。
2、技術(shù)方案本發(fā)明的超寬帶直接序列二相相移鍵控窄脈沖發(fā)生器由基準(zhǔn)源、反向整形器、正向整形器、寬帶濾波器、寬帶放大器、控制開關(guān)、數(shù)據(jù)源、偽隨機(jī)序列發(fā)生器、模2加法器、傳輸門、反相器、疊加器組合而成；其中，上支路的反向整形器、寬帶濾波器、寬帶放大器、控制開關(guān)順序串聯(lián)連接，下支路的正向整形器、寬帶濾波器、寬帶放大器、控制開關(guān)順序串聯(lián)連接，中支路的數(shù)據(jù)源、偽隨機(jī)序列發(fā)生器的輸出端接模2加法器的輸入端，模2加法器的輸出端分別接傳輸門、反相器的輸入端，傳輸門的輸出端接控制開關(guān)的輸入端，反相器的輸出端接控制開關(guān)的輸入端，控制開關(guān)和控制開關(guān)的輸出端接疊加器的輸入端，疊加器的輸出端接寬帶放大器的輸入端，基準(zhǔn)源的輸出端分別接反向整形器和正向整形器的輸入端?？刂崎_關(guān)、傳輸門、反相器、疊加器可以由微波開關(guān)來替代。還可以進(jìn)一步簡化，即去掉寬帶濾波器。
本發(fā)明可以分成兩路，上支路產(chǎn)生負(fù)極性的近似高斯微分型波形，而下支路產(chǎn)生正極性的近似高斯微分型波形。上支路由反向整形器、寬帶濾波器、寬帶放大器得到負(fù)極性的高斯微分型窄脈沖。在下支路則由正向整形器、寬帶濾波器、寬帶放大器得到正極性的高斯微分型窄脈沖。與此同時(shí)，數(shù)據(jù)源來的基帶數(shù)據(jù)與偽隨機(jī)序列發(fā)生器產(chǎn)生的PN碼模2加以實(shí)現(xiàn)多址功能，這時(shí)得到的速率為基帶速率乘以擴(kuò)頻碼的長度。傳輸門的時(shí)延要和反相器的時(shí)延一樣，因此在傳輸門和反相器的輸出端得到的是兩組相位相反的數(shù)據(jù)信號(hào)，分別作為開關(guān)信號(hào)輸出到控制開關(guān)。從模2加法器的輸出看，它的電平為高電平時(shí)，上支路控制開關(guān)打開，輸出負(fù)極性超寬帶窄脈沖；低電平時(shí)，下支路控制開關(guān)打開，輸出正極性超寬帶窄脈沖。疊加器將正負(fù)極性的脈沖累加起來，最后通過寬帶放大器放大正負(fù)極性的超寬帶窄脈沖信號(hào)以滿足功率受限的要求。
其工作過程為由基準(zhǔn)源產(chǎn)生方波信號(hào)輸入，上支路經(jīng)反向整形器、寬帶濾波器、寬帶放大器得到負(fù)極性超寬帶窄脈沖，下支路經(jīng)正向整形器、寬帶濾波器、寬帶放大器得到正極性超寬帶窄脈沖，同時(shí)從數(shù)據(jù)源來的數(shù)據(jù)信號(hào)與偽隨機(jī)序列發(fā)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列模2加后，分別經(jīng)過傳輸門和反相器加到上下支路控制開關(guān)的控制端，實(shí)現(xiàn)對(duì)正負(fù)極性超寬帶窄脈沖的輸出或是短路。
3、技術(shù)效果為了適于目前和未來小型、高速、近距離無線超寬帶通信的應(yīng)用，本發(fā)明設(shè)計(jì)了直接序列二相相移鍵控(DSSS-BPSK)實(shí)現(xiàn)電路，從而在增加射頻的基礎(chǔ)上，可構(gòu)成超寬帶通信的發(fā)送端。在此基礎(chǔ)上，采用先進(jìn)的集成電路技術(shù)或者微波單片集成電路就構(gòu)成一個(gè)廉價(jià)的超寬帶射頻前端。
四

圖1是本發(fā)明的原理框圖；其中有基準(zhǔn)源1；反向整形器2；正向整形器3；寬帶濾波器4、5；寬帶放大器6、7、16；控制開關(guān)8、9；數(shù)據(jù)源12；偽隨機(jī)序列發(fā)生器14；模2加法器13；傳輸門10；反相器11；疊加器15。
圖2是本發(fā)明的另外一種用微波開關(guān)17取代了控制開關(guān)、傳輸門、反相器、疊加器等部分的原理框圖。
圖3是本發(fā)明根據(jù)圖2進(jìn)一步簡化實(shí)現(xiàn)方案，即去掉寬帶放大器6、7的一種簡化原理框圖。
圖4是本發(fā)明的一種電路實(shí)現(xiàn)方式；圖5是本發(fā)明電路實(shí)現(xiàn)方式的輸出波形。
圖6是本發(fā)明輸出波形的展寬視圖。
五、具體實(shí)施方案本發(fā)明的超寬帶直接序列二相相移鍵控窄脈沖發(fā)生器由基準(zhǔn)源1、反向整形器2、正向整形器3、寬帶濾波器4、5、寬帶放大器6、7、16、控制開關(guān)8、9、數(shù)據(jù)源12、偽隨機(jī)序列發(fā)生器14、模2加法器13、傳輸門10、反相器11、疊加器15組合而成；其中，上支路的反向整形器2、寬帶濾波器4、寬帶放大器6、控制開關(guān)8順序串聯(lián)連接，下支路的正向整形器3、寬帶濾波器5、寬帶放大器7、控制開關(guān)9順序串聯(lián)連接，中支路的數(shù)據(jù)源12、偽隨機(jī)序列發(fā)生器14的輸出端接模2加法器13的輸入端，模2加法器13的輸出端分別接傳輸門10、反相器11的輸入端，傳輸門10的輸出端接控制開關(guān)8的輸入端，反相器11的輸出端接控制開關(guān)9的輸入端，控制開關(guān)8和控制開關(guān)9的輸出端接疊加器15的輸入端，疊加器15的輸出端接寬帶放大器16的輸入端，基準(zhǔn)源1的輸出端分別接反向整形器2和正向整形器3的輸入端。在控制開關(guān)8、9、傳輸門10、反相器11、疊加器1 5可以由微波開關(guān)17來替代。
該發(fā)明首先需要一個(gè)TTL電平的基準(zhǔn)源以觸發(fā)產(chǎn)生正負(fù)極性的兩種超寬帶窄脈沖，為整個(gè)超寬帶通信提供通信的“載體”。該基準(zhǔn)源的重復(fù)頻率可以從15兆到1000兆赫茲變化，當(dāng)輸出的超寬帶窄脈沖低于一個(gè)納秒時(shí)，重復(fù)頻率還可以更高。同時(shí)該重復(fù)頻率等于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率和擴(kuò)頻因子的乘積，因此在相同的擴(kuò)頻碼長度下，基準(zhǔn)源速率越高，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率也越高。
該電路可以分成兩路，上支路產(chǎn)生負(fù)極性的近似高斯微分型波形，而下支路產(chǎn)生正極性的近似高斯微分型波形。在下支路由正向整形器、寬帶濾波器、寬帶放大器得到正極性的高斯微分型窄脈沖。其中正向整形電路由微分電路和零偏置放大電路組成，微分電路取出基準(zhǔn)源的上升和下降沿，得到正負(fù)極性的占空比很小的窄脈沖序列，基極零偏置放大電路抑制負(fù)極性脈沖，并放大正極性脈沖，調(diào)節(jié)微分器的電阻和電容參數(shù)使得正極性脈沖足夠窄，從而可以近似的認(rèn)為是沖激信號(hào)序列，接著該沖激序列激勵(lì)由R、L、C組成的寬帶濾波器產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間為亞納秒級(jí)窄脈沖，然后經(jīng)過寬帶低噪聲放大器放大該窄脈沖。同理，在上支路則由反向整形器、寬帶濾波器、寬帶放大器得到負(fù)極性的高斯微分型窄脈沖。與此同時(shí)，數(shù)據(jù)源來的基帶數(shù)據(jù)與偽隨機(jī)序列發(fā)生器產(chǎn)生的PN碼模2加以實(shí)現(xiàn)多址功能，這時(shí)得到的速率為基帶速率乘以擴(kuò)頻碼的長度。傳輸門的時(shí)延要和反相器的時(shí)延一樣，因此在傳輸門和反相器的輸出端得到的是兩組相位相反的數(shù)據(jù)信號(hào)，分別作為開關(guān)信號(hào)輸出到控制開關(guān)?？刂崎_關(guān)的功能是當(dāng)加在其上的電壓為高電平時(shí)，開關(guān)導(dǎo)通；低電平時(shí)，開關(guān)截止。從模2加法器的輸出看，它的電平為高電平時(shí)，上支路控制開關(guān)打開，輸出負(fù)極性超寬帶窄脈沖；低電平時(shí)，下支路控制開關(guān)打開，輸出正極性超寬帶窄脈沖。疊加器將正負(fù)極性的脈沖累加起來，最后通過寬帶放大器放大正負(fù)極性的超寬帶窄脈沖信號(hào)以滿足功率受限的要求。
在圖2中用微波開關(guān)取代了傳輸門、反相器、控制開關(guān)、疊加器，經(jīng)過模2加法器攜帶了多址信息的數(shù)據(jù)源信號(hào)作為微波開關(guān)的選通信號(hào)，在高電平時(shí)讓上支路的負(fù)極性超寬帶窄脈沖通過；低電平時(shí)讓下支路的正極性超寬帶窄脈沖通過，或者反之。這樣，系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)上大大的簡化。
在圖2的基礎(chǔ)上可進(jìn)一步簡化，如圖3所示，從而射頻前端的實(shí)現(xiàn)就更簡單了。
本發(fā)明是針對(duì)于直接序列擴(kuò)頻BPSK調(diào)制超寬帶通信系統(tǒng)的，系統(tǒng)的仿真速率可以很高，達(dá)幾百兆比特以上，但是要實(shí)現(xiàn)這個(gè)速率需要將電路集成或者采用MMIC(微波單片集成電路)。
超寬帶窄脈沖序列對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行直接序列擴(kuò)頻編碼，多個(gè)編碼脈沖表示一個(gè)比特，編碼增益能提高抗多徑干擾的能力，所以在短距離范圍內(nèi)，直接序列二相相移鍵控能提供極高的數(shù)據(jù)率。直接序列二相相移鍵控發(fā)射波形如下Sk(t)=PkΣi=-∞∞Σn=0Nr-1bikankz(t-iTr-nTc)]]>這里，z(t)是發(fā)射脈沖波形， 是第k個(gè)用戶的調(diào)制數(shù)據(jù)符號(hào)， 即用戶碼，Tr是比特周期，Tc是chip周期，Nr＝Tr/Tc為擴(kuò)頻增益，Pk是發(fā)射功率。為了簡化，假設(shè)波形z(t)在0≤t≤Tm(注意，假定Tm＜Tc)的部分為非零部分，而在這個(gè)時(shí)間間隔之外部分為零。同時(shí)，發(fā)射波形按以下方式歸一化。
Bs∫-∞∞z2(t)dt=1=Bs∫-∞∞|Z(f)|2df]]>這里，Bs是波形占用的帶寬，Z(f)是z(t)的傅里葉變換。用戶期望的發(fā)射功率為Pav=1T∫0TcE[s02(t)]dt=BcBsP0Bs∫-∞∞z2(t)dt=BcBsP0]]>這里，Bc＝1/Tc是chip碼率，調(diào)制符號(hào)歸一化為E[|bik|2]=1.]]>這就產(chǎn)生下面的等式P＝Bs/BcPave＝NsPave，其中，Ns＝Bs/Bc可以認(rèn)為是脈沖處理增益。根據(jù)美國聯(lián)邦通信委員會(huì)FCC的規(guī)定，平均發(fā)射功率可能受到平均發(fā)射功率譜密度的限制，因?yàn)橐乐剐盘?hào)干擾同頻段的其它系統(tǒng)。如果平均功率譜密度限制為Psd，那么平均發(fā)射功率將限制為Pave＝BsPsd。
根據(jù)上面的理論分析，圖4給出了一種典型電路圖以實(shí)現(xiàn)圖1所示的功能，同樣根據(jù)圖2、圖3也可以設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路圖。在圖4中，C1、R1、Q1、R2、Q2、R3完成反向整形功能，D1起隔離作用，R6、C3、L1、R8、C5對(duì)整形后的脈沖再進(jìn)行寬帶濾波，R10、R11、Q4、R14、C7、R15構(gòu)成寬帶放大器，R18起隔離作用，Q6基極的控制信號(hào)是經(jīng)過傳輸門的，來自V2；而V2的信號(hào)可以看出是數(shù)據(jù)源的信號(hào)和偽隨機(jī)序列發(fā)生器經(jīng)模2加后的信號(hào)，當(dāng)它的電平為高電平Q6導(dǎo)通，窄脈沖輸出到地；低電平Q6截止，窄脈沖輸出到下一級(jí)。同樣下支路也要經(jīng)過同樣的過程，不同的是整形正向的，另外Q7基極的控制信號(hào)是經(jīng)過V2反相后的，因此Q7的輸出情況剛好和Q6相反，最后兩路輸出疊加一同送到Q8的基極。圖5測得是V2的波形和Q8集電極輸出。通過圖6展寬視圖可以更清楚的看到電路所完成的功能高電平輸出正極性脈沖，低電平輸出負(fù)極性脈沖。
權(quán)利要求
1.一種超寬帶直接序列二相相移鍵控窄脈沖發(fā)生器，其特征在于該發(fā)生器由基準(zhǔn)源(1)、反向整形器(2)、正向整形器(3)、寬帶濾波器(4、5)、寬帶放大器(6、7、16)、控制開關(guān)(8、9)、數(shù)據(jù)源(12)、偽隨機(jī)序列發(fā)生器(14)、模2加法器(13)、傳輸門(10)、反相器(11)、疊加器(15)組合而成；其中，上支路的反向整形器(2)、寬帶濾波器(4)、寬帶放大器(6)、控制開關(guān)(8)順序串聯(lián)連接，下支路的正向整形器(3)、寬帶濾波器(5)、寬帶放大器(7)、控制開關(guān)(9)順序串聯(lián)連接，中支路的數(shù)據(jù)源(12)、偽隨機(jī)序列發(fā)生器(14)的輸出端接模2加法器(13)的輸入端，模2加法器(13)的輸出端分別接傳輸門(10)、反相器(11)的輸入端，傳輸門(10)的輸出端接控制開關(guān)(8)的輸入端，反相器(11)的輸出端接控制開關(guān)(9)的輸入端，控制開關(guān)(8)和控制開關(guān)(9)的輸出端接疊加器(15)的輸入端，疊加器(15)的輸出端接寬帶放大器(16)的輸入端，基準(zhǔn)源(1)的輸出端分別接反向整形器(2)和正向整形器(3)的輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超寬帶直接序列二相相移鍵控窄脈沖發(fā)生器，其特征在于控制開關(guān)(8、9)、傳輸門(10)、反相器(11)、疊加器(15)可以由微波開關(guān)(17)來替代。
全文摘要
超寬帶直接序列二相相移鍵控窄脈沖發(fā)生器是一種應(yīng)用于超高速近距離無線個(gè)域網(wǎng)(WPAN)，以及用于近距離高速無線通信以取代有線通信的裝置，該發(fā)生器上支路的反向整形器2、寬帶濾波器4、寬帶放大器6、控制開關(guān)8順序串聯(lián)連接，下支路的正向整形器3、寬帶濾波器5、寬帶放大器7、控制開關(guān)9順序串聯(lián)連接，中支路的數(shù)據(jù)源12、偽隨機(jī)序列發(fā)生器14的輸出端接模2加法器13，模2加法器13的輸出端分別接傳輸門10、反相器11，傳輸門10、反相器11的輸出端接控制開關(guān)8、9，控制開關(guān)8、9的輸出端接疊加器15的輸入端，疊加器15的輸出端接寬帶放大器16的輸入端，基準(zhǔn)源1的輸出端分別接反向整形器2和正向整形器3的輸入端。
文檔編號(hào)H04B1/69GK1492597SQ03152908
公開日2004年4月28日 申請(qǐng)日期2003年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月2日
發(fā)明者樊祥寧, 畢光國, 徐平平, 歐陽永艷, 艷 申請(qǐng)人:東南大學(xué)