一種用於超寬帶系統的脈衝發生方法及其裝置的製作方法
2023-09-22 18:03:25
專利名稱：一種用於超寬帶系統的脈衝發生方法及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於超寬帶系統的脈衝發生方法及其裝置。
背景技術：
超寬帶(UWBUltra Wideband)通信技術是一種新型的無線通信技術，它是指射頻帶寬與中心頻率之比大於25％的無線電技術，UWB在高速室內無線通信、目標定位、測距和無線區域網等方面都有著潛在而廣泛的應用。
在UWB通信系統中，一種常見的實現方案是採用脈衝無線電技術(IRImpulse Radio)，脈衝無線電技術直接採用持續時間極短的窄脈衝來產生超寬帶信號，窄脈衝的寬度通常只有幾百皮秒到幾納秒，因此信號頻譜可以在數GHz的頻帶範圍內。採用這種窄脈衝實現的UWB通信系統又被稱為超寬帶脈衝無線電(UWB IR)。和傳統的通信技術相比，UWB IR通信技術具有顯著的優點，例如結構簡單、抗多徑幹擾能力強、信號功率譜密度低、可以和其它系統共用頻帶等。
在UWB IR系統中，窄脈衝的產生是系統的關鍵問題，2002年2月，美國聯邦通信委員會(FCC)批准UWB可以用於民用通信領域，並且對UWB系統發射信號的功率譜密度(PSD)進行了限制，這個限制也成為各國研究UWB脈衝信號的參考標準，因此，UWB系統對脈衝發生電路的通常要求是符合FCC規則要求、電路複雜度低、功耗低、體積小、易於集成等。由於脈衝寬度通常很小，窄脈衝的產生有一定的難度，這也是UWB通信系統中研究熱點和關鍵所在。目前，脈衝實現方案通常有使用金屬半導體場效應電晶體(MESFET)技術、使用階躍二極體技術、使用Schottky二極體技術、傳輸線技術等。遺憾的是，上述的方法有的功耗太高、有的不利於集成、有的體積偏大、有的電路過於複雜、有的造價太高，有的不能滿足FCC的規則。
發明內容
本發明的目的是提供一種滿足FCC規則要求的、易於集成、功耗低、電路簡單的用於超寬帶系統的脈衝發生方法及其裝置。
本發明提供的用於超寬帶系統的脈衝發生方法是採用五個差分放大器分別以輸入電壓信號為變量，輸出雙曲正切函數的電流信號，利用與各差分放大器相連的電壓源控制各差分放大器輸出電流信號的偏移量，與各差分放大器相連的恆流源控制各差分放大器輸出電流信號的幅度，將五個差分放大器輸出的電流信號相加後輸出，通過改變五個差分放大器輸出電流信號的幅度和偏移量，在輸出端獲得用於超寬帶系統的脈衝信號。
用於上述脈衝發生方法的裝置包括數位訊號源，五個差分放大器，五個電壓源和五個恆流源，五個差分放大器的一個輸入端分別與數位訊號源的輸出端相連，五個差分放大器的另一個輸入端分別與五個電壓源中的一個相連，五個差分放大器的公共端分別與五個恆流源中的一個相連，五個差分放大器的輸出端和脈衝輸出端子共接。
工作時，第一差分放大器輸出端產生以輸入信號電壓為變量的第一個雙曲正切函數電流信號；第二差分放大器輸出端產生以輸入信號電壓為變量的第二雙曲正切函數電流信號；第三差分放大器輸出端產生以輸入信號電壓為變量的第三個雙曲正切函數電流信號；第四差分放大器輸出端產生以輸入信號電壓為變量的第四個雙曲正切函數電流信號；第五差分放大器輸出端產生以輸入信號電壓為變量的第五個雙曲正切函數電流信號；第一電壓源的大小決定了第一個雙曲正切函數電流信號的偏移量；第二電壓源的大小決定了第二個雙曲正切函數電流信號的偏移量；第三電壓源的大小決定了第三個雙曲正切函數電流信號的偏移量；第四電壓源的大小決定了第四個雙曲正切函數電流信號的偏移量；第五電壓源的大小決定了第五個雙曲正切函數電流信號的偏移量；第一恆流源的大小決定了第一個雙曲正切函數電流信號的幅度；第二恆流源的大小決定了第二個雙曲正切函數電流信號的幅度；第三恆流源的大小決定了第三個雙曲正切函數電流信號的幅度；第四恆流源的大小決定了第四個雙曲正切函數電流信號的幅度；第五恆流源的大小決定了第五個雙曲正切函數電流信號的幅度；由於五個差分放大器的輸出端通過連接端子T1和T2連接在了一起，因此在連接端子T1和T2處就形成了以輸入信號電壓為變量的五個雙曲正切函數電流信號的相加形式，通過控制第一、第二、第三、第四、第五電壓源的大小以及第一、第二、第三、第四、第五恆流源的大小就可以產生用於超寬帶系統的脈衝信號。
本發明電路簡單，易於用集成電路實現，成本低，不需要微分器就能直接產生脈衝，產生的脈衝滿足FCC的規則要求，可以直接用於超寬帶系統中。
圖1是本發明的原理方框圖；圖2是本發明的一個具體實施電路圖；
圖3是本發明產生脈衝信號時域波形圖；圖4是本發明產生的脈衝信號的功率譜密度和FCC針對UWB系統規定的功率譜密度的對比圖，圖中虛線為FCC對UWB系統的規定的功率譜密度，實線為本發明脈衝的功率譜密度曲線。
具體實施例方式
以下結合附圖進一步說明本發明。
參照圖1，本發明的用於超寬帶系統的脈衝發生裝置包括數位訊號源101，五個差分放大器201、202、203、204、205，五個電壓源401、402、403、404、405和五個恆流源301、302、303、304、305，第一差分放大器201，第二差分放大器202，第三差分放大器203，第四差分放大器204和第五差分放大器205的一個輸入端分別與數位訊號源101的輸出端相連，第一差分放大器201，第二差分放大器202，第三差分放大器203，第四差分放大器204和第五差分放大器205的另一個輸入端分別與第一電壓源401，第二電壓源402，第三電壓源403，第四電壓源404和第五電壓源405相連，第一差分放大器201，第二差分放大器202，第三差分放大器203，第四差分放大器204和第五差分放大器205的公共端分別與第一恆流源301，第二恆流源302，第三恆流源303，第四恆流源304和第五恆流源305相連，第一差分放大器201，第二差分放大器202，第三差分放大器203，第四差分放大器204和第五差分放大器205的輸出端和脈衝輸出端子T1、T2共接。
圖2是本發明的一個具體實施電路圖。圖示具體實例中，數位訊號源是一個數位訊號發生器，其上升沿從-2V上升到2V時需要2ns，這個邊沿信號作為後續電路的輸入信號。第一差分放大器201由三極體Q1、Q2組成，第二差分放大器202由三極體Q3、Q4組成，第三差分放大器203由三極體Q5、Q6組成，第四差分放大器204由三極體Q7、Q8組成，第五差分放大器205由三極體Q9、Q10組成。
數位訊號源的輸出端和三極體Q1、Q3、Q5、Q7、Q9的基極共接；三極體Q1和Q2的發射極和第一恆流源301的一端共接；三極體Q3和Q4的發射極和第二恆流源302的一端共接；三極體Q5和Q6的發射極和第三恆流源303的一端共接；三極體Q7和Q8的發射極和第四恆流源304的一端共接；三極體Q9和Q10的發射極和第五恆流源305的一端共接；三極體Q2的基極和第一電壓源401的一端共接；三極體Q4的基極和第二電壓源402的一端共接；三極體Q6的基極和第三電壓源403的一端共接；三極體Q8的基極和第四電壓源404的一端共接；三極體Q10的基極和第五電壓源405的一端共接；三極體Q1、Q3、Q6、Q8、Q9的集電極和限流電阻R1及脈衝輸出端子T1共接；三極體Q2、Q4、Q5、Q7、Q10的集電極和限流電阻R2及脈衝輸出端子T2共接。
工作原理如下設三極體Q1和Q2的集電極電流分別為I1和I2，三極體Q3和Q4的集電極電流分別為I3和I4，三極體Q5和Q6的集電極電流分別為I5和I6，三極體Q7和Q8的集電極電流分別為I7和I8，三極體Q9和Q10的集電極電流分別為I9和I10，通過限流電阻R1的電流為IA，通過限流電阻R2的電流為IB，第一恆流源301的電流為H1，第二恆流源302的電流為H2，第三恆流源303的電流為H3，第四恆流源304的電流為H4，第五恆流源305的電流為H5，第一電壓源401電壓為V1，第二電壓源402電壓為V2，第三電壓源403電壓為V3，第四電壓源404電壓為V4，第五電壓源405電壓為V5，數位訊號源101的輸入電壓為V，Vt為熱電壓；根據差分放大器的傳輸特性，他們之間的關係為I1-I2＝H1*Tanh((V-V1)/(2*Vt))；I3-I4＝H2*Tanh((V-V2)/(2*Vt))；I5-I6＝H3*Tanh((V-V3)/(2*Vt))；I7-I8＝H4*Tanh((V-V4)/(2*Vt))；I9-I10＝H5*Tanh((V-V5)/(2*Vt))；另外，從電路中可知，IA＝I1+I3+I6+I8+I9，IB＝I2+I4+I5+I7+I10因此可得IA-IB＝H1*Tanh((V-V1)/(2*Vt))+H2*Tanh((V-V2)/(2*Vt))-H3*Tanh((V-V3)/(2*Vt))-H4*Tanh((V-V4)/(2*Vt))+H5*Tanh((V-V5)/(2*Vt))--------(1)則脈衝輸出端子T1和T2處就會產生如式(1)所示的窄脈衝，選擇電壓源的電壓V1＝-V2＝K*4.7V；V3＝-V4＝K*2.5V；V5＝0V；其中K為常量。選擇恆流源的電流H1/H2/H3/H4/H5＝16.36/16.36/53.2/53.2/73.8時，其波形圖如圖3所示。數位訊號源的每個上升沿或下降沿就產生一個窄脈衝信號。此時產生脈衝的功率譜密度符合FCC的規則要求，可以用於UWB通信系統，產生的脈衝的功率譜密度(PSD)和FCC對UWB系統規定的功率譜密度的對比圖如圖4所示(圖中的脈衝PSD的幅度作了歸一化處理)，圖中虛線為FCC對UWB系統的規定的功率譜密度，實線為本發明脈衝的功率譜密度曲線。
權利要求
1.一種用於超寬帶系統的脈衝發生方法，其特徵在於採用五個差分放大器分別以輸入電壓信號為變量，輸出雙曲正切函數的電流信號，利用與各差分放大器相連的電壓源控制各差分放大器輸出電流信號的偏移量，與各差分放大器相連的恆流源控制各差分放大器輸出電流信號的幅度，將五個差分放大器輸出的電流信號相加後輸出，通過改變五個差分放大器輸出電流信號的幅度和偏移量，在輸出端獲得用於超寬帶系統的脈衝信號。
2.用於權利要求1所述的脈衝發生方法的裝置，其特徵在於該裝置包括數位訊號源(101)，五個差分放大器(201、202、203、204、205)，五個電壓源(401、402、403、404、405)和五個恆流源(301、302、303、304、305)，五個差分放大器的一個輸入端分別與數位訊號源(101)的輸出端相連，五個差分放大器的另一個輸入端分別與五個電壓源中的一個相連，五個差分放大器的公共端分別與五個恆流源中的一個相連，五個差分放大器的輸出端和脈衝輸出端子(T1、T2)共接。
全文摘要
本發明涉及一種用於超寬帶系統的脈衝發生方法及其裝置。它是採用五個差分放大器分別以輸入電壓信號為變量，輸出雙曲正切函數的電流信號，利用與各差分放大器相連的電壓源控制各差分放大器輸出電流信號的偏移量，與各差分放大器相連的恆流源控制各差分放大器輸出電流信號的幅度，將五個差分放大器輸出的電流信號相加後輸出，通過改變五個差分放大器輸出電流信號的幅度和偏移量，在輸出端獲得用於超寬帶系統的脈衝信號。本發明電路簡單，易於用集成電路實現，成本低，不需要微分器就能直接產生脈衝，產生的脈衝滿足FCC規則要求，可以直接用於超寬帶系統中。
文檔編號H03K3/00GK1688105SQ200510049939
公開日2005年10月26日 申請日期2005年6月3日 優先權日2005年6月3日
發明者王勇, 彭亮 申請人:浙江大學