基於超寬帶無線技術的高速無線通信接收方法和接收機的製作方法
2023-12-06 16:15:26
專利名稱：基於超寬帶無線技術的高速無線通信接收方法和接收機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種基於超寬帶無線技術的極短距離高速無線通信接收方法和接收機，主要應用於短距離高速無線通信，涉及無線通信、通信集成電路、射頻電子電路等領域。
背景技術：
極短距離無線通信技術在我國正處於起步發展的階段。國外UWB無線通信系統 早已經得到實用，如用於軍事雷達和災害救援搜索等方面，由於超寬帶(UltraWideband， UffB)無線通信天生具有的低功率譜密度高能效等優點，在低費用的中短距離無線通信中具 有獨特應用優勢。伴隨著有線接入的普及，最後一米的短距離無線通信和接入就變得越來 越必要。短距離無線通信的需求也是日益增長，如在高速無線個域網、無線以太接口鏈路、 智能無線區域網、戶外對等網絡以及傳感、定位和識別網絡等眾多領域有著廣泛的應用，特 別是在數字家庭的應用。相比於短距離無線通信，極短距離無線通信是指在小於1米，主 要在20釐米距離，可認為無多徑信道環境下的無線通信應用，是射頻卡為代表的近場通信 (Near-Field Communication, NFC)的一種特例。高速通信的含義，通常指超過80Mbps數 據通訊速率，和IOMbps 80Mbps的中速通信，IOMbps以下的低速通信相區別。本專利申請主要針對家庭消費電子、計算機周邊設備、移動通信終端和電子儀器 設備等應用。隨著高複雜性設備儀器的增加，越來越多的連接線成為了顯著的麻煩所在。以 家用計算機為中心，各種播放器、音響、數位相機、數碼攝像機等等電子產品之間需要提供 高速極短距離無線數據傳輸。主機與顯示器、USB存儲設備、掃描儀、投影儀等高速傳輸的 接口也需要無線化，且需求更為急迫。超寬帶技術具有保密性強、抗幹擾能力強和傳輸速率高等獨特優勢。為了與現 有的窄帶系統共存，FCC(美國聯邦通信委員會)規定了 UWB(超寬帶)必須工作在3.1 10. 6GHz頻段內，發射功率不超過-41. 3dBm/Hz。目前已有的超寬帶接收技術以相關接收方案為主，電路實現上分為模擬和數字兩 種方案。其中模擬方案用到模擬乘法器、模擬積分器、模擬延遲線，一個較為嚴重的問題是 模擬延遲線的精度難以控制而且不利於晶片集成，這限制了模擬方案的應用。數字方案相 對容易，可用VLSI實現，但是用到大量的高速運算電路，特別是多比特量化方案下會用到 許多乘法器，導致晶片面積和功耗都比較大，並且這種方案中ADC的任務是處理高速的脈 衝信號而不是判決碼片，因此對於ADC的採樣率提出了很高要求，所以，相關式接收機不適 合於極短距離高速超寬帶部件互聯通信。目前的UWB通信系統電路複雜，功耗較大，需要專門的UWB天線，專門針對短距離 傳輸的超寬帶部件互聯繫統和晶片研究正在興起。
發明內容
本發明的目的是提供一種基於超寬帶無線技術的高速無線通信接收方法及接收 機，以滿足短距離內高速無線傳輸數據的需求。
本發明提供的基於超寬帶無線技術的高速無線通信接收機，包括平方器、低通濾 波器、判決器和自動門限控制器，所述平方器的輸入端連接一寬帶低噪聲放大器、輸出端通 過一補償放大器連接至所述低通濾波器的輸入端，所述低通濾波器的輸出端通過中間放大 器分別接所述自動門限控制器的輸入端和所述判決器的一輸入端，所述自動門限控制器的 輸出端接所述判決器的另一輸入端；經低噪聲放大器放大後的超寬帶射頻信號通過所述平 方器和所述低通濾波器分離出模擬基波信號，該模擬基波信號放大後一路輸入所述自動門 限控制器為所述判決器提供最佳的判決門限、另一路輸入所述判決器根據判決門限轉換成 數字脈衝信號輸出。進一步可在所述判決器的輸出端連接緩衝器，用於對判決器輸出的數字脈衝信號 整形和功率放大，輸出功率足夠大的數字基帶信號。還可以包括一電流基準源分配器，用於 給所述平方器、補償放大器、中間放大器和判決器提供基準電流。所述自動門限控制器包括檢測電路、門限電平產生電路和電平緩衝電路，所述檢 測電路用於根據輸入的模擬基波信號的幅度變化輸出控制電平，所述門限電平產生電路用 於根據所述檢測電路輸出的控制電平輸出最佳判決門限，所述電平緩衝電路用於實現所述 自動門限控制器與所述判決器之間的阻抗匹配，隔離所述判決器對所述自動門限控制器的
影響。所述寬帶低噪聲放大器可以包括一個隔離器，用於隔離後級電路的影響、實現與 後級電路的阻抗匹配、對輸出信號功率放大、以及為後級電路提供穩定的直流偏置電壓；所 述低通濾波器可以包括一個隔離器，用於隔離後級電路的影響、實現與後級電路的阻抗匹 配、對輸出信號功率放大、以及為後級電路提供穩定的直流偏置電壓。本發明提供的基於超寬帶無線技術的極短距離高速無線通信接收方法，包括以下 步驟a、對超寬帶射頻信號在時域上平方，對應於在頻域上將超寬帶射頻信號分為模擬 基波分量和2倍頻分量；b、對平方處理後的信號作低通濾波處理，抑制所述2倍頻分量，分離出所述模擬
基波分量；C、對分離出的所述模擬基波分量進行判決，輸出相應的數字脈衝信號。上述無線通信接收方法，進一步還可包括在步驟a前對超寬帶射頻信號進行寬 帶低噪聲放大；在步驟b前對步驟a產生的信號進行功率補償放大；以及在步驟c前對步驟 b產生的信號進行放大。上述無線通信接收方法優選由自動門限控制器根據低通濾波處理後輸出信號的 幅度變化情況，自動為判決提供最佳判決門限。本發明無線通信接收方法和接收機，所接收的信號為OOK形式、帶寬3 5GHz、符 號速率250Mbps的超寬帶射頻信號。該信號可以是滿足此要求的超寬帶高斯脈衝信號；也 可以是4GHz的正弦載波，對符號速率250Mbps，佔空比1/4的數字基帶信號進行OOK調製產 生的UWB信號。由於本發明高速無線通信接收方法和接收機採用平方器結合低通濾波器簡單高 效的接收技術，不需要高難度的射頻採樣和同步部分，而是將同步與數據處理全部交由系 統外基帶部分處理等特徵，使得系統在實現上能以低複雜度、低功耗、高速的優點換來接收系統的單位比特能耗的顯著降低。而且全系統可以完全用集成電路COMS工藝實現，很適合 集成於SOC晶片，具有良好的推廣價值。
圖1為本發明高速無線通信接收方法的原理框圖；圖2為典型實施例高速無線通信接收機的系統結構框圖；圖3為圖2中自動門限控制器的電路框圖；圖4為圖2接收機的一個應用實例圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明進一步說明。圖1為本發明高速無線通信接收方法的原理框圖，圖1中，超寬帶射頻信號Ui可 由公式⑴表示，ui = an· (coscoct)..............................公式(1)其中an為超寬帶數字基帶波形，an = bng(t-nTs).................................公式(2)其中bn為二進位數字，
formula see original document page 5g(t)為數位訊號的時間波形，Ts為信號符號間隔。經過平方過程11處理後的信號us為公式(4)，us = aJ- · (cos ω/)2 =去禮2 + 去 α 2 (cos 2coj)............公式(4)由於an為數字基帶信號，因此formula see original document page 5
因此，平方過程11後的信號us可以被分離為基波分量與2倍頻載波分量兩部分。低通濾波過程12的系統函數為公式(6)，formula see original document page 5公式(6)將式中S = 3ω,ωΗ =2π/Η =^，得到電路的歸一化頻率響應為公式(7)，
formula see original document page 5通過合理設置低通濾波的截止頻率，低通濾波過程12可以抑制公式(5)中2倍頻 載波分量，輸出基波分量ul。判決過程13的輸出信號表達式可由公式⑶表達，formula see original document page 6其中th為判決門限，通過合理的設置判決門限，可以通過判決過程13恢復出發射
的數字基帶信號。參照圖2，本基於超寬帶無線技術的高速無線通信接收機包括平方器22、低通濾 波器24、判決器26和自動門限控制器28，所述平方器22的輸入端連接一寬帶低噪聲放大 器21、輸出端通過一補償放大器23連接至所述低通濾波器24的輸入端，所述低通濾波器 24的輸出端通過中間放大器25分別接所述自動門限控制器28的輸入端和所述判決器26 的一輸入端，所述自動門限控制器28的輸出端接所述判決器26的另一輸入端。在判決器 26的輸出端還連接緩衝器27，用於對判決器26輸出的數字脈衝信號整形後輸出功率足夠 大的數字基帶信號。還包括一電流基準源分配器29，用於給所述平方器22、補償放大器23、 中間放大器25和判決器26提供基準電流。圖2中信號流程為超寬帶射頻信號20進入寬帶低噪聲放大器21，寬帶低噪聲放 大器21的輸出信號進入平方器22，平方器22的輸出信號進入補償放大器23，補償放大器 23的輸出信號進入低通濾波器24，低通濾波器24的輸出信號進入中間放大器25，中間放 大器25的輸出信號進入判決器26及自動門限控制器28，判決器26根據自動門限控制器 28的輸出信號將中間放大器25所輸出的信號判決為佔空比穩定的數字脈衝串，並輸出給 緩衝器27，最終經過緩衝器27緩衝輸出數位訊號30。由於平方器22輸出的平方後的超寬帶信號具有很高的帶寬，所以平方器22輸出 信號幅度比較微弱，因此通過補償放大器23對平方器22輸出的微弱信號進行功率放大，並 實現平方器22與低通濾波器24之間的阻抗匹配，隔離低通濾波器24對平方器22的影響。中間放大器25的作用是將低通濾波器24輸出的信號放大到足夠大，以達到判決 器26的靈敏度要求，並實現低通濾波器24與判決器26之間的阻抗匹配。自動門限控制器28的作用是，根據信號幅度增益的波動情況，為判決器26產生相 應的最佳判決門限，使判決器26可以判決輸出佔空比穩定的數字脈衝串。由於接收超寬帶射頻信號的功率微弱，以至於微小的電源波動也會對接收系統的 性能造成影響。因此，圖2所示的接收機實例中專門集成電流基準源分配器29為平方器 22、增益補償放大器23、中間放大器25、判決器26提供所需的偏置電流，保證本接收機實例 具有優良的PSRR性能，得以穩定接收超寬帶射頻信號20並轉換為對應的佔空比穩定的數 字信號30輸出。 參照圖3，自動門限控制器28包括檢測電路31、門限電平產生電路32和電平緩衝 電路33。圖3中，信號30』為圖2中中間放大器25的輸出信號，信號34為圖2中判決器 26的判決門限。由於空間無線傳輸信道及電源波動等因素對信號的影響，使得中間放大器 25的輸出信號(也是判決器26的輸入信號)幅度存在小範圍的隨機波動，因此檢測電路 31先根據圖2中中間放大器25輸出的信號幅度變化量，產生控制信號；門限電平產生電路 32根據檢測電路31輸出的控制信號產生門限電平，並輸出給電平緩衝電路33 ；電平緩衝電 路33輸出最佳判決門限電平34給圖2中判決器26。電平緩衝電路33，還有個作用是隔離 圖2中判決器26對圖2中自動門限控制器28的影響。 還可以在寬帶低噪聲放大器21、低通濾波器24中各包括一個隔離器，目的在於隔離後極電路對前級電路的影響，實現前後級電路的阻抗匹配，對寬帶低噪聲放大器21、低 通濾波器24的輸出信號作功率放大，以及為後級電路提供穩定的直流偏置電壓。本基於超寬帶無線技術的高速無線通信接收機可以接收OOK形式的、帶寬3 5GHz、符號速率250Mbps的超寬帶射頻信號。該超寬帶射頻信號可以是滿足此要求的超寬 帶高斯脈衝信號；也可以是4GHz的正弦載波、對符號速率250Mbps、佔空比1/4的數字基帶 信號進行OOK調製產生的UWB信號。圖4為圖2接收機的一個應用實例，圖4中43表示圖2所述的基於超寬帶無線技 術的高速無線通信接收機。參照圖4，高清晰視頻數據源41產生數據率達百兆每秒以上的 高速基帶數位訊號送給超寬帶射頻信號產生電路42 ；超寬帶射頻信號產生電路42發射與 接收高速基帶數位訊號對應的無線超寬帶射頻信號4t ；基於超寬帶無線技術的高速無線 通信接收機43對無線超寬帶射頻信號4t進行接收並輸出基帶數字脈衝串；數字基帶處理 部分44對基於超寬帶無線技術的高速無線通信接收機43輸出的基帶數字脈衝串進行基帶 處理，轉換為高清顯示器45所需的數字基帶信號。本領域技術人員應當理解，本發明所公開的用於超寬帶極短距離高速無線通信的 接收方法和接收機可以在不脫離本發明內容的基礎上做出各種改進。因此本發明的保護範 圍應當由所附的權利要求書的內容確定。
權利要求
一種基於超寬帶無線技術的高速無線通信接收機，其特徵在於包括平方器、低通濾波器、判決器和自動門限控制器，所述平方器的輸入端連接一寬帶低噪聲放大器、輸出端通過一補償放大器連接至所述低通濾波器的輸入端，所述低通濾波器的輸出端通過中間放大器分別接所述自動門限控制器的輸入端和所述判決器的一輸入端，所述自動門限控制器的輸出端接所述判決器的另一輸入端；經低噪聲放大器放大後的超寬帶射頻信號通過所述平方器和所述低通濾波器分離出模擬基波信號，該模擬基波信號放大後一路輸入所述自動門限控制器為所述判決器提供最佳的判決門限、另一路輸入所述判決器根據判決門限轉換成數字脈衝信號輸出。
2.如權利要求1所述的無線通信接收機，其特徵在於所述判決器的輸出端連接緩衝 器，用於對判決器輸出的數字脈衝信號整形和功率放大。
3.如權利要求1所述的無線通信接收機，其特徵在於還包括一電流基準源分配器，用 於給所述平方器、補償放大器、中間放大器和判決器提供基準電流。
4.如權利要求1所述的無線通信接收機，其特徵在於所述自動門限控制器包括檢測 電路、門限電平產生電路和電平緩衝電路，所述檢測電路用於根據輸入的模擬基波信號的 幅度變化輸出控制電平，所述門限電平產生電路用於根據所述檢測電路輸出的控制電平輸 出最佳判決門限，所述電平緩衝電路用於實現所述自動門限控制器與所述判決器之間的阻 抗匹配，隔離所述判決器對所述自動門限控制器的影響。
5.如權利要求1所述的無線通信接收機，其特徵在於所述寬帶低噪聲放大器包括一 個隔離器，用於隔離後級電路的影響、實現與後級電路的阻抗匹配、對輸出信號功率放大、 以及為後級電路提供穩定的直流偏置電壓；所述低通濾波器包括一個隔離器，用於隔離後 級電路的影響、實現與後級電路的阻抗匹配、對輸出信號功率放大、以及為後級電路提供穩 定的直流偏置電壓。
6.如權利要求1所述的無線通信接收機，其特徵在於接收的信號為00K形式、帶寬 3 5GHz、符號速率250Mbps的超寬帶射頻信號。
7.一種基於超寬帶無線技術的極短距離高速無線通信接收方法，其特徵在於包括以下 步驟a、對超寬帶射頻信號在時域上平方，對應於在頻域上將超寬帶射頻信號分為模擬基波 分量和2倍頻分量；b、對平方處理後的信號作低通濾波處理，抑制所述2倍頻分量，分離出所述模擬基波 分量；c、對分離出的所述模擬基波分量進行判決，輸出相應的數字脈衝信號。
8.如權利要求7所述的無線通信接收方法，其特徵在於還包括在步驟a前對超寬帶射頻信號進行寬帶低噪聲放大；在步驟b前對步驟a產生的信號進行功率補償放大；以及在步驟c前對步驟b產生的信號進行放大。
9.如權利要求7所述的無線通信接收方法，其特徵在於由自動門限控制器根據低通 濾波處理後輸出信號的幅度變化情況，自動為判決提供最佳判決門限。
10.如權利要求7所述的無線通信接收方法，其特徵在於接收的信號為00K形式、帶 寬3 5GHz、符號速率250Mbps的超寬帶射頻信號。
全文摘要
一種基於超寬帶無線技術的高速無線通信接收方法和接收機，其接收機包括平方器、低通濾波器、判決器和自動門限控制器。其接收方法包括步驟a、對超寬帶射頻信號在時域上平方，對應於在頻域上將超寬帶射頻信號分為模擬基波分量和2倍頻分量；b、對平方處理後的信號作低通濾波處理，抑制所述2倍頻分量，分離出所述模擬基波分量；c、對分離出的所述模擬基波分量進行判決，輸出相應的數字脈衝信號。由於本發明使得系統在實現上能以低複雜度、低功耗、高速的優點換來接收系統的單位比特能耗的顯著降低。而且全系統可以完全用集成電路COMS工藝實現，很適合集成於SOC晶片，具有良好的推廣價值。
文檔編號H04L25/06GK101834627SQ201010140209
公開日2010年9月15日 申請日期2010年3月31日 優先權日2010年3月31日
發明者張旋, 張盛, 晉本周, 林孝康, 趙明劍 申請人:清華大學深圳研究生院