（微电子学与固体电子学专业论文）iruwb射频收发机的研究与设计.pdf

摘要 摘要 超宽带u w b ( u l t r aw i d e b a n d ) 作为一种无线个人局域网技术，主要应用领域 有成像系统，车载雷达系统和通信与测量系统。自从2 0 0 2 年f c c 开放了u w b 的频谱3 1 1 0 6g h z ，u w b 一直是工业界和学术界的研究热点。u w b 由于采用 超宽带信道技术，传输速率可高达5 0 0m b s ，是其他短距离无线通信系统无法比 拟的。另一方面，u w b 的输出频谱密度低于4 1 3d b m m h z ，和现有的无线通 信系统有很好的共存性。u w b 由于标准的悬而未决，出现了很多种系统结构。 本论文通过对这些结构进行分析，根据系统指标，提出了一种工作在3 5g h z ， 最高传输速率为1 0 0m b s 的无载波脉冲式u w b ( i r u w b ，i m p u l s er a d i ou w b ) 系统结构。 i r - u w b 发送机通过对高斯脉冲进行微分得到射频信号，不需要数模转换 器、混频器和频率综合器，具有结构简单和功耗低的优点。但是，i r u w b 发送 机输出频谱易受工艺偏差影响，为解决这一问题，本论文设计了b p s k 和o o k 调制输出脉冲幅度和频谱可调的脉冲发生器。本论文还利用离散脉冲的周期特性 将输出缓冲器在脉冲间隔关断实现低功耗设计。 本论文设计的非相关接收机先由低噪声放大器放大接收到的射频信号，再由 相关器自相关得到模拟基带信号。非相关接收机不需要频率综合器或本地脉冲发 生器，对同步精度要求不高，但是噪声性能较差。论文中低噪声放大器采用单端 输入差分输出的带片上有源b a l m l 结构；相关器则利用i r u w b 系统离散脉冲信 号的特性，提出了不需要采样保持电路的结构，大大简化了电路设计的复杂度； 模拟基带的可变增益放大器采用开环结构，低通滤波器采用g m c 结构来实现宽 带应用，同步电路则根据非相关接收机对同步精度要求不高的特点，提出了基于 开环延迟线的结构。 本论文采用0 1 3 岬c m o s 工艺流片验证了i r u w b 发送机，接收机和单片 集成收发机三块芯片。收发机芯片面积为2n u n 2m m ，发送机和接收机的功耗 分别为2 2m w 和13 2m w 。测试结果表明发送机三档输出脉冲幅度峰峰值分别 为2 4 0m v 、1 7 0m v 和1 1 5m v ，输出频谱中心频率可调范围是3 2 4 1g h z 。接 收机最大增益为7 0d b ，噪声系数和输入1 d b 压缩点分别为8 6d b 和2 8d b m 。 本论文还利用片外天线对收发机进行了误码率测试，当输入信号功率为5 0d b m 时，接收机达到1 数量级的误码率。 关键字i r u w b 无载波非相关脉冲发生器相关器同步c m o s 中图分类号：t n 4 v 复旦大学博士学位论文 a b s t r a c t u w bm l t mw i d e b a n d )i so n eo fm c 诵r e l e s sp e r s o n a j a r e an e r k t e c t m o l o g i e s ；i t sm a i na p p l i c a t i o l l si n c l u d ei i n a 舀n gs y s t l 珊s ，v e l l i c u l a rr a d a rs y s t 锄s 觚dc o m m u i l i c a t i o n s 褫dm e a s u r e m e n ts y s t e m s 。e v c rs i n c et h ef a cr e l e a s e d 觚 u n l i c e n s e ds p e c t l l l mo f3 1 1 0 6g h zf o ru w b 印p l i c a t i o ni n2 0 0 2 ，u w bh a s r e c e i v e ds i 嘶f i c a n ti n t e r e s t sb o mi ni n d u s t r i e sa i l da c a d e m i c sw o r l d b e c a u s eo fi t s u l t mw i d e b 锄dc h a n n e l ，t l l e 仃a n s i i l i s s i o nd a t ar a t eo fu w b c a nb e 嬲l l i 曲雒5 0 0 m b 瓜，w h i c hi sm u c h rt i l a no t l l e rs h o r tr a n g ec o m m u i l i c a t i o ns y s t e m s o n 廿l e o t h e rh a n d ，也ee m 硪ds p e c 们l md e n s 埘o fu w b m u s tb el e s s m - 41 3d b i l l m h z ， w l l i c hm a k eu w be a s yt 0c o e x i s t 谢t l lo t l l e re x i s t i n gc o m m u l l i c a t i o ns y s t e m s b e c a u s eo fi t sp e n d i n g 咖d 删，m e r ea r em 锄yu w bs y s t e ma r c l l i t e m 鹏s i n “s d i s s e r t a t i o 玑a3 5g h zc a h i e r - l e s sp u l s eu w b ( i r - u w b ) i sp r o p o s e d 、i 廿1 m a x 妇啪d a t a r a t eo f l 0 0m b s i r u w b 缸趾s m i t t e rd h c t l yg e n e m t e sr fp u l s e sb yd i 疵r e i n i a t i n gg a u s s i 趾 p u l s e sa n d “n e e d sn od a c ，i n i x e ra n dp l l 0 u w bt m s 血t t e rh 鹪t h ea d v 锄t a g e o fl o wc o m p l e x n ya n dl o wp o w e r ；h o w e v e r ，i th 弱d i 伍c u l t ) ri nc o n t r o l l i n gi t so 咖u t s p e c t n l mb e c a u s eo ft l l ep r o c e s sd e v i a t i o 船i nt l l i sd i s s e n a t i o n ，ab p s k a l l do o k m o d u l a t e do u t p u tp u l s e 锄叩l i t u d ea n ds p e c 仃u 芏i lt u u l a b l ep u l s eg e n e r a t o ri sp r o p o s e d t 0s o l v em i sp r o b l e m i h eo u t p u tb u 缅玎o ft h e 廿锄s m i t t e rc 锄b et u m e do f fb e t 、v e e n t l l ep u l s e si i l t e r v a l st 0s a v ep o w e l t h ei l o n c 幻h e r e n t 村c 址t e c t u r ei se m p l o y e di i lm er e c e i v e rd e s i g n n o n c h e r e m r e c e i v e rn e e d sn op l la l l dt e m p l a t ep m s eg e n e m t o r 肌di th 勰l o wp r e c i s i o n r e q u i r e m e n to nt t 坨s ”c l o i l i z a t i o n ；h o w e v e r i t sn o i s ep e 墒m 锄c ei s 、o r s et h 觚n 坨 c 抵n tr e c e i v e li i l 也er e c e i v e r t ：h er e c e i v e dp u l sa 陀f i r s t l y 砒n p l i f i e db yt l l el o w n o i s e 锄p l i f i e ra n dt l l e nd o w n - c o m ，e r t e dt 0 觚a l o gb a s e b 锄db y t i l ec o r r e l a t o r t h e l o wn o i 锄p l i f i e ra d o p t st l l ea r c h i 僦t u 托o fs i n 舀ei i l p u td i f l e r e n t i a lo u t p u t 、7 i ，i t 量l 锄 o n c h i pb m u i l ；雠c o 丌e l a t o re m p l o y s 妞c h a r a c s t i co f 恤i r - u w bs y s t e m d i s c r e t ep u l s e st 0o m i tt h es 锄p l e 一觚d h o l dc i r c u i t ；p m 印姗m a b l eg a i na m p l 湎e r 锄d l o wp 嬲sf i l t e rc h o o s eo p e n1 0 0 p 觚dg m - ct o p o l o g i e sr e s p e c t i v e l y t 0r e a l i z e 晰d e b 锄da p p l i c a t i o l l s 觚dt h es y n c h r o m z a t i o nb l o c ke m p l o y sa i lo p e nl o o pd e l a yl i n e a c c o r d i n gt 0t l l el o wr e q u m e n t o nm e p 陀c i s i o n i i lt | l i sd i s s e r t a t i o i l t l l i 优c k p s l r u w b 饷j l s i i l i t t e r r e c e i v e r 锄dm o n o l i “c 蜘眦e i v e r 眦v 嘶矗e di n0 1 3 岬c m o st e c h n o l o 卧n e 如p 绷o fm e 摘要 t r a n s c e i v e ri s2m m 2m m ，a n d 也ep o w e rc o n s u m p t i o no ft h et r i m s m i t t c r 锄d r e c e i v c ri s 2 2m wa i l dl3 2m w ，r e s p e c t i v e l y 1 1 1 e3s t e pp e a l ( - t o p e a k 锄p l i t u d e so f t l l eo u t p u tp u l s eo f m et 舢s m i n e ra r e2 4 0m v ，1 7 0m va 1 1 d1 1 5m v 锄dt 1 1 et u n a b l e r 卸g eo f c e n t e rf r e q u e n c yi s3 2 - 4 1g h z t h er e c e i v e rs h o w sam a x i m u mg a i no f7 0 d ba l l dt h en o i s ef i g u r ea 1 1 dt 1 1 ei n p u tld bc o m p r e s s i o np o i n ti s 8 6d ba n d 一2 8d b m ， r e s p e c t i v e l y b e rm e a s u r e m e n to ft h ew i r e l e s st 豫n s c e i v e rs y s t e mu s i n go f f - c h i p a n t e r u l a si sa l s os h o 、 m ，a n dt h er e c e i v e ra c h i e v e sas e n s i t i v 时o f - 5 0d b m 谢t 1 1ab e r o f l k e y w o r d s ： i r u w b ，c a 而e r - l e s s ，n o n c o h e r e n t ， p u i s eg e n e r a t o r c o m l a t o r ， s y n c h r o m z a t i o n ，c m o s c l cn u m b e r ：t n 4 v l i 复旦大学博士学位论文 v i h 第1 章前言 第1 章前言 1 1 论文的研究背景 近年来，无线通信技术得到了飞速发展，在人们的工作和生活中占据越来越 重要的位置，从定位导航，无线上网到多媒体广播，无线通信使我们摆脱了时间 和空间的束缚，给我们的工作和生活带来了极大的便利。据调查，2 0 0 8 年全球 手机销量比2 0 0 7 年增加了3 5 ，为1 1 8 亿部( 数据来自i d c ) 。由于经济危机的 影响，从2 0 0 8 年第四季度开始至2 0 0 9 年第四季度，全球手机销量开始出现下滑， 2 0 0 9 年全球手机销量比2 0 0 8 年下降了4 。但随着经济的恢复，预计2 0 l o 年第 一季度的销量将增加8 。 无线通信根据信号传输距离可分为：无线城域网( w m a n ，w i r e l e s s m e 们p o l i t 趴心e an e t 、) i ，o r l ( s ) ，无线局域网( w l a n ，w h l e s sl o c a la r e an e t 、0 r l ( s ) 和无线个域网( w p a n ，w i r e l e s sp e r s o n a la r e an 咖o r k s ) ，其中无线局域网，无线 个域网和短距离无线器件( s i m ，s h o r ti 洳g ed e v i c e s ) 又被称为短距离无线通信。 如图1 1 所示为几种主要的短距离无线通信系统的频谱分布图。短距离无线通信 的信号传输距离在几米到几十米之间，与人们的工作和生活最为密切。例如，利 用w l a n 的8 0 2 1 l b g 技术，人们可以在一百米内随时随地实现无线上网；w p a n 则主要用于解决个人空间内各种办公设备及消费类电子产品之间的无线连接，以 实现信息的快速交换、处理、存储等；s i 由于其传输速率低和功耗小的特点 适用于无线远程抄表，无线安防和无线设备管理等对数据速率要求不高的应用。 随着无线技术的日益普及，人们希望实现更多设备之间更高速率以及更低功耗的 无线连接，从表1 1 可以看出，蓝牙和s i ( e n 3 0 0 2 2 0 ) 的最高传输速率仅为l m b s 和2 0 0k b s ，显然无法满足高速多媒体数据流的传输要求；8 0 2 1 1 9 可提 供5 4m b s 的最高传输速率，离高质量多媒体数据的几百兆比特每秒的要求仍相 去甚远；8 0 2 11 n 采用m i m o ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 技术，使其数据传输 速率可达5 0 0m b s ，但是复杂的电路设计和过高的功耗成本限制了8 0 2 1 l n 在消 费电子产品中的应用；u w b ( u l 们、m d e b a n d ) 采用提高信道带宽来提高数据传输 速率的技术，实现高速率低功耗传输，成为下一代短距离无线通信标准的有力竞 争者。 1 1 1u w b 的发展及应用 u w b 技术最早出现在2 0 世纪6 0 年代时域电磁学的研究中，用于通过冲激 响应完整地描述某一类微波网络的瞬时特性；1 9 7 2 年，一种高灵敏的短脉冲接 第1 章前言 第1 章前言 1 1 论文的研究背景 近年来，无线通信技术得到了飞速发展，在人们的工作和生活中占据越来越 重要的位置，从定位导航，无线上网到多媒体广播，无线通信使我们摆脱了时间 和空间的束缚，给我们的工作和生活带来了极大的便利。据调查，2 0 0 8 年全球 手机销量比2 0 0 7 年增加了3 5 ，为1 1 8 亿部( 数据来自i d c ) 。由于经济危机的 影响，从2 0 0 8 年第四季度开始至2 0 0 9 年第四季度，全球手机销量开始出现下滑， 2 0 0 9 年全球手机销量比2 0 0 8 年下降了4 。但随着经济的恢复，预计2 0 l o 年第 一季度的销量将增加8 。 无线通信根据信号传输距离可分为：无线城域网( w m a n ，w i r e l e s s m e 们p o l i t 趴心e an e t 、) i ，o r l ( s ) ，无线局域网( w l a n ，w h l e s sl o c a la r e an e t 、0 r l ( s ) 和无线个域网( w p a n ，w i r e l e s sp e r s o n a la r e an 咖o r k s ) ，其中无线局域网，无线 个域网和短距离无线器件( s i m ，s h o r ti 洳g ed e v i c e s ) 又被称为短距离无线通信。 如图1 1 所示为几种主要的短距离无线通信系统的频谱分布图。短距离无线通信 的信号传输距离在几米到几十米之间，与人们的工作和生活最为密切。例如，利 用w l a n 的8 0 2 1 l b g 技术，人们可以在一百米内随时随地实现无线上网；w p a n 则主要用于解决个人空间内各种办公设备及消费类电子产品之间的无线连接，以 实现信息的快速交换、处理、存储等；s i 由于其传输速率低和功耗小的特点 适用于无线远程抄表，无线安防和无线设备管理等对数据速率要求不高的应用。 随着无线技术的日益普及，人们希望实现更多设备之间更高速率以及更低功耗的 无线连接，从表1 1 可以看出，蓝牙和s i ( e n 3 0 0 2 2 0 ) 的最高传输速率仅为l m b s 和2 0 0k b s ，显然无法满足高速多媒体数据流的传输要求；8 0 2 1 1 9 可提 供5 4m b s 的最高传输速率，离高质量多媒体数据的几百兆比特每秒的要求仍相 去甚远；8 0 2 11 n 采用m i m o ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 技术，使其数据传输 速率可达5 0 0m b s ，但是复杂的电路设计和过高的功耗成本限制了8 0 2 1 l n 在消 费电子产品中的应用；u w b ( u l 们、m d e b a n d ) 采用提高信道带宽来提高数据传输 速率的技术，实现高速率低功耗传输，成为下一代短距离无线通信标准的有力竞 争者。 1 1 1u w b 的发展及应用 u w b 技术最早出现在2 0 世纪6 0 年代时域电磁学的研究中，用于通过冲激 响应完整地描述某一类微波网络的瞬时特性；1 9 7 2 年，一种高灵敏的短脉冲接 4 13d b m ， f r e q u e n c y 图1 1 几种短距离无线通信系统的频淆图 表1 1 几种短距离无线通信标准比较 纛l豢麓熬麟鬻熊霾篓瓣琴蕤；拳凝罐 8 0 2 1lg2 4 2 4 8 5 g h z2 0 m h z5 4 m b s2 0 d b m 8 0 2 1 l n2 4 2 4 8 5 g h z4 0 m h z 5 0 0 m b s2 0 d b m 5 5 8 2 5 g h z b t 2 4 2 4 8 35 g h z1m h zl m b s2 0 d b m s r i )4 3 3 0 5 4 3 4 7 9 m h z2 5 k i l z2 0 0 k b s1 0 d 1 3 m u w b3 1 一1 0 6 ( j h z 5 0 0 m h z 4 8 0 m b s ( o f d m )4 1 3 d b 洲l i z lg b s ( d s s s ) 收没备影i = ； ；0 成功，j 韭步加速了u w b 技术的研究进展i l 】；1 9 7 8 年现了最初 的u w b 通信系统；1 9 8 4 年u w b 系统成功地进行j ，1 0 公里地试验；但白j 剑1 9 8 9 f ，天i 嗣防部高级研究计划署( d a r p a ) 彳币j 采川超宽前 ( u w b ) 这一术语，并 规定：若信0 在2 0d b 处的绝对带宽人j 二1 5g h z 或牛l | 对带宽人于2 5 ，则该 f 矗1 为超宽带信号，如图1 2 所尔。绝工 f 带宽为 廖彬肌= 厶一一 ( 1 1 ) 棚对带宽为 肼_ ，乏糕 2 ， fh j f j r 】。厂，和f 分别对应信l j 往- 2 0d b 处的- i ：限频率和卜限频率。 i w b 技术最初是作为军用雷_ 达技术7 r 发的。2 0 0 2 i 12 几戈幽f c c 批准 u w b 技术进入i c f j 领域，并义寸u w b 进行了重新；之义。规定u w bf 。i 弓为相对 第l 章前言 带宽大于2 0 或1 0d b 带宽大于5 0 0m h z 的信号【2 】。根据f c cp a n l 5 协议规定， u w b 的应用可分为成像系统( i m a g i n gs y s t e m s ) ，车载雷达系统( v e h i c u l a rr a d a r s y s t e m s ) 和通信与测量系统( c o 舢m u n i c a t i o n sa n dm e a s u r e m e n ts y s t e m s ) 。其中， u w b 通信系统的工作频段在3 1 一1 0 6g h z 。为使u w b 设备的工作不对现有通 信系统产生干扰，协议规定u w b 的最高频谱密度为4 1 3d b m m h z 。 n 工 乏 e o o c ，) 正 图1 2 早期u w b 信号定义 1 1 2u w b 的优缺点 和其它现有的通信系统相比，u w b 具有如下优点 2 】 3 】： ( 1 ) 传输速率高 根据s h a r l o n h a n l e y 定理 4 1 ，在加性高斯白噪声( a w g n ) 信道中，考虑所 有可能的编码技术，系统无差错( 或非常低的误比特率) 传输速率的上限为： ，p、 c _ 删1 。g z 【1 + 东茜j - 肼1 0 9 2 ( 1 + 册) ( 1 3 ) 其中，c 是信道容量，曰是信道带宽，凡是接收到的信号的平均功率，d 是噪 声功率谱密度。由式( 1 3 ) 可以看出，信道容量随着带宽的增加线性增加，而随着 信噪比田忱的增加对数增加，因此增加带宽比增加田限的效率更高。由此可知， 即使在接收到的信号信噪比很低的情况下，仍可以通过增加信号带宽来达到高传 输速率。在u w b 系统中，信号带宽高达5 0 0m h z 7 5g h z ，因此尽管协议规定 的信号功率谱密度远远低于其他通信系统，u w b 系统仍能在短距离上实现几百 m b s 至lg b s 的传输速率。 ( 2 ) 多径分辨能力强，定位精度高 在窄带系统中，多径衰落是恶化接收机误比特率的一个重要原因。而u w b 信号采用持续时问极短的窄脉冲，有很强的时间和空间分辨能力，因此u w b 信 号的多径分辨率极高，在接收端可以利用r a k e 接收机对多径信号进行均衡从而 3 复- 口| 大学博一l ：学位论文 提高接收机性能。极高的多径分辨能力同时赋予u w b 信号高精度的测距和定位 能力，因此雷达定位是u w b 系统的重要应用之一。 ( 3 ) 共存性和保密性好 在f c c 最初制定i m ，b 标准时，曾有过争论是否应给u w b 划分新的频段， 最终规定u w b 的工作频段为3 1 1 0 6g h z ，且为了保证u w b 系统不对其它通 信系统造成干扰，规定u w b 的最高辐射谱密度小于- 4 1 3d b r l l m h z 。由于这个 值甚至低于环境噪声，u w b 信号对其他通信系统的干扰可以视为宽带白噪声， 因此u w b 系统和其它通信系统有良好的共存性。另一方面，由于u w b 信号低 于环境噪声，很难被其他接收机截获，只有自身的接收机能解调信号，因此u w b 信号有很好的保密性。 ( 4 ) 功耗低 传统的通信系统需要本地载波将基带( 射频) 信号上( 下) 变频为射频( 基带) 信 号，而i r u w b ( i m p u l s er a d i ou w b ) 系统是无载波系统，不需要本地载波即不 需要频率综合器，且发送端不需要d a c 和混频器，大大降低系统设计的难度， 芯片面积和功耗。u w b 的这一特性使其极适用于消费电子和生物医疗等领域。 u w b 的缺点主要在以下两点： ( 1 ) 易受其它通信系统的干扰 由于u w b 系统和其它通信系统共用3 1 1 0 6g h z 频段，因此其他窄带通信 系统的大输出信号会对u w b 接收机的性能造成严重的影响，例如，i e e e8 0 2 1 l a 工作在5g h z 正好在u w b 的工作频段范围内。在u w b 系统中采用跳频 ( m b o f d m ) 或者避免使用5g h z 频段( d s c d m a ) 的方法来消除这种影响。 ( 2 ) 对超宽带天线和超宽带电路设计的挑战 im ，b 系统需要超宽带天线，而传统的窄带频率选择性的天线无法在这么宽 的频段内保持增益和相位群延迟的一致性。因此，需要采用如偶极子天线、谢d i 天线之类的宽带天线，而宽带天线比窄带天线更大且成本更高。除了天线，超宽 带电路的设计也是u w b 系统的另一个难题，如亚纳秒极的脉冲发生器的设计， 超宽带低噪声放大器的设计等，都对工艺和电路结构的选择提出了很高的要求。 1 2 研究现状 1 2 1u w b 标准之争 早在2 0 0 1 年，f c c 准备将u w b 技术民用化时，美国i e e e 协会的8 0 2 1 5 工作组就准备将u w b 用于高速w 州物理层标准8 0 2 1 5 3 a ，并先后成立了3 a 研究组( s g 3 a ) 和3 a 任务组( t g 3 a ) 。2 0 0 3 年1 月，1 g 3 a 公布了u w b 标准提案筛 选程序。最初8 0 2 1 5 3 a 的标准提案多达3 0 项，经过多轮的淘汰或合并，最终形 4 复- 口| 大学博一l ：学位论文 提高接收机性能。极高的多径分辨能力同时赋予u w b 信号高精度的测距和定位 能力，因此雷达定位是u w b 系统的重要应用之一。 ( 3 ) 共存性和保密性好 在f c c 最初制定i m ，b 标准时，曾有过争论是否应给u w b 划分新的频段， 最终规定u w b 的工作频段为3 1 1 0 6g h z ，且为了保证u w b 系统不对其它通 信系统造成干扰，规定u w b 的最高辐射谱密度小于- 4 1 3d b r l l m h z 。由于这个 值甚至低于环境噪声，u w b 信号对其他通信系统的干扰可以视为宽带白噪声， 因此u w b 系统和其它通信系统有良好的共存性。另一方面，由于u w b 信号低 于环境噪声，很难被其他接收机截获，只有自身的接收机能解调信号，因此u w b 信号有很好的保密性。 ( 4 ) 功耗低 传统的通信系统需要本地载波将基带( 射频) 信号上( 下) 变频为射频( 基带) 信 号，而i r u w b ( i m p u l s er a d i ou w b ) 系统是无载波系统，不需要本地载波即不 需要频率综合器，且发送端不需要d a c 和混频器，大大降低系统设计的难度， 芯片面积和功耗。u w b 的这一特性使其极适用于消费电子和生物医疗等领域。 u w b 的缺点主要在以下两点： ( 1 ) 易受其它通信系统的干扰 由于u w b 系统和其它通信系统共用3 1 1 0 6g h z 频段，因此其他窄带通信 系统的大输出信号会对u w b 接收机的性能造成严重的影响，例如，i e e e8 0 2 1 l a 工作在5g h z 正好在u w b 的工作频段范围内。在u w b 系统中采用跳频 ( m b o f d m ) 或者避免使用5g h z 频段( d s c d m a ) 的方法来消除这种影响。 ( 2 ) 对超宽带天线和超宽带电路设计的挑战 im ，b 系统需要超宽带天线，而传统的窄带频率选择性的天线无法在这么宽 的频段内保持增益和相位群延迟的一致性。因此，需要采用如偶极子天线、谢d i 天线之类的宽带天线，而宽带天线比窄带天线更大且成本更高。除了天线，超宽 带电路的设计也是u w b 系统的另一个难题，如亚纳秒极的脉冲发生器的设计， 超宽带低噪声放大器的设计等，都对工艺和电路结构的选择提出了很高的要求。 1 2 研究现状 1 2 1u w b 标准之争 早在2 0 0 1 年，f c c 准备将u w b 技术民用化时，美国i e e e 协会的8 0 2 1 5 工作组就准备将u w b 用于高速w 州物理层标准8 0 2 1 5 3 a ，并先后成立了3 a 研究组( s g 3 a ) 和3 a 任务组( t g 3 a ) 。2 0 0 3 年1 月，1 g 3 a 公布了u w b 标准提案筛 选程序。最初8 0 2 1 5 3 a 的标准提案多达3 0 项，经过多轮的淘汰或合并，最终形 4 第l 章前言 成了多频带o f d m ( m b o f d m ) 和直接序列c d m a ( d s c d m a ) 两个提案竞争的 格局。 1 2 1 1m b o f d m 技术 早期脉冲u w b 技术的专利多掌握在一些小公司手中，因此以i n t e l 和t i 等 大公司为首的m b o f d m 联盟( m b o a ) ，摒弃了脉冲方式，转而对传统的载波调 制技术进行改造，使其具有u w b 技术的特点【5 】。除了i n t e l 和t i 外，松下、索 尼、三星、飞利浦等知名厂商也都加入了该联盟，成员超过2 0 0 家。 m b o f d mu w b 频谱划分方案如图1 3 所示，其核心是将3 1 1 0 6g h z 频 段分为1 4 个5 2 8m h z 子频带，每个子带分为1 1 0 个子载波( 1 0 0 个数据子载波和 1 0 个保护子载波) ，前1 2 个子带每3 个组成一个频带组，最后2 个组成一组，总 共有5 个频带。在低频段组，即第一组中，o f d mu w b 的传输可以在三个频带 之间跳转，以取得频率分集。高频的频段组既可以单独使用，也可以和低频的频 段组联合使用，比如第一组和第三组可以联合使用，获得6 个频段的频率分集。 多频段之间的跳转方法由时频码( n m e f r e q u e n c yc o d e ) 实现。m b 0 f d m 标准支 持的数据速率有5 3 3m b s 、8 0m b s 、1 0 6 7m b s 、1 6 0m b s 、2 0 0m b s 、3 2 0m b s 、 4 0 0 m b s 和4 8 0 【b s 。 b a n dg r o u p # 1b a n dg n ) u p # 2b a n dg n o u p # 3b a n dg r o u p # 4b a n dg r o u p # 5 m h zm h zm h zm h z m h zm h z m h zm h zm h z m h zm h z m h z m h zm h z 图1 3m b o f d mu w b 频谱划分方案 1 2 1 2d s c d m a 技术 以f r e e s c a l e 和m o t o r o l a 公司为主支持d s c d m a 技术的u w b 论坛有超过 2 0 0 家会员，如p u l s e l i n k 、r e 仃o n i c 、g l o b a l i n t e c h 等，还有一些高校和研究 所。但是该论坛缺少有行业影响力的公司，此外，f r e e s c a l e 在2 0 0 6 年4 月宣布 退出该论坛，进一步降低了该论坛的影响力。 d s c d m a 提案将3 1 1 0 6g h z 频段分为3 1 5 1 5g h z ( 低频段) 和5 8 2 5 1 0 6 g h z ( 高频段) ，两个频段可以分别使用或联合使用，如图l - 4 所示。为避免与 8 0 2 1 l a 等系统相互干扰，5 1 5 g h z 5 8 2 5g h z 频段不被使用。使用低频段，可实 现2 5 4 5 0m b s 的传输速率；使用高频段，可实现2 5 9 0 0m b s 的传输速率；同 时使用高低频段，最高传输速率可达1 3 5g b s 。 5 复县大学博上学位论文 击 雾 羹 雾。嘲3 h i a hb a n d5 8 2 5 10 6g h z m u i l ib a n d 2 5m b ，s - 9 0 0m b ，s u p t o1 3 5g b ，s 图1 - 4d s c d m a 频谱划分方案 m b o f d m 和d s c d m a 技术各有优缺点。m b o f d m 技术利用多个子带 来实现宽带的动态分配，频谱效率高，抗窄带干扰能力强，同时增加了符号的时 间。长符号时间的好处是抗符号间干扰( i s i ) 能力强，但这种性能的提高以收发设 备的复杂性为代价。另外，o f d m 技术使微弱信号具有近乎完美的能量捕获， 具有较远的通讯距离 6 】。d s c d m a 技术是单频带方式或窄脉冲方式，多个传输 任务可共享整个频带，传输速率高，且更容易达到很低的功率谱密度，对现有的 许可频带内的用户造成的干扰小。d s c d m a 技术的频谱划分避开了8 0 2 1 l a 的 频段，但灵活性较差，可能无法规避将来出现的新技术使用的频段 5 】。两个提 案在t g 3 a 的最终表决中均未达到7 5 的必要票数比例，且两个提案的差异太大， 合二为一的可能性极小，致使i e e e8 0 2 1 5 3 a 标准至今难以确定。t g 3 a 于2 0 0 6 年1 月宣布解散。 在美国最先制定了完整的商用u w b 技术使用规范并规划了免授权频段后， 欧洲和日本、新加坡等国也开始制定u w b 的相关规范。2 0 0 5 年1 2 月，欧洲计 算机制造商协会( e m c a ) 认可了w i m e d i a 联盟的m b o f d mu w b 技术，制定了 e c m a 3 6 8 定义p h y 层和m a c 层以及e c m a 3 6 9 来定义p h y 层和m a c 层之 间的通信。2 0 0 6 年1 2 月，日本电波产业会( 埘b ) 发布了使用u w b 技术的标准 规格脚s t d t 9 1 ，主要对通信领域的u w b 无线系统中的无线设备做了相关 规定。新加坡则公布了超宽带友好区旧z ) ，用作实验。我国从2 0 0 2 年开始关注 u w b 技术，成立了多个国家8 6 3 项目和国家自然科学基金项目，2 0 0 6 年晰m e d i a 联盟成立中国支部，目前已经制定了m b o f d m 的频谱规范，但是脉冲式u 、 的标准仍在研究阶段。 1 2 2u w b 研究现状 尽管u w b 标准悬而未决，市场上已有多种u w b 产品，d s u w b 论坛和 m b o f d m 联盟纷纷推出多款支持各自标准的芯片组，包括基带芯片、m a c 芯 片、r f 收发芯片等，并开始朝多频、多模、单芯片方向发展。 6 第l 章前言 在产业化方面d s c d m a 走在了m b o f d m 前面，美国x t r e m e s p e c t r u m 公 司( 2 0 0 3 年下半年被f r e e s c a l e 收购) 在f c c 开放u w b 后，仅4 个月就推出了传 输速率达1 0 0m b s 的u w b 芯片组秭n i t y 。该芯片组已在多个演示实验中取得成 功，2 0 0 4 年1 月在消费性电子展中，三星公司使用f r e e s c a l e 的芯片组演示了同 步无线传输三个h d t v 视讯串流；3 月在c e b i t 展览会上，台湾无线通讯设备 供应商阳庆电子将数字v c r 、多部手提电脑和1 3 9 4 及超宽频设备组成一个无线 网络，再采用该芯片组同时广播两个无线m p e g 2 视频串流。2 0 0 4 年6 月， f r e e s c a l e 在无线连接世界博览会( w i c o nw b r l d ) 上公布了现有的u w b 产品和未 来的发展路线图，除已有的速率为1 1 0 m b s 的x s l l o 芯片组外，计划开发传输 速率分别为2 2 0m b s 、4 8 0m b s 、甚至高达lg b s 的u w b 芯片方案。但是2 0 0 6 年4 月f r e e s c a l e 退出了d s u w b 论坛，使得d s c d m a 标准更趋微势。 m b o f d m 标准在产业化方面虽然起步较晚，但由于专利等原因，很多公司 都选择了m b o f d m 标准，另外，m b o f d m 技术得到了w i m e d i a 联盟的支持， 并被w i r e l e s su s b 有关组织、w i r e l e s s1 3 9 4 有关组织和b l u e t o o t l ls i g 等采纳。 具备了广泛应用和融入市场的有利条件。w i s a i r ，a l e r e o n 公司首先推出了基于锗 硅工艺的u w b 芯片。2 0 0 4 年1 2 月s t a c c a t 0c o m m u i l i c a t i o n s 公司成功演示了第 一片符合m b o f d m 标准的基于c m o s 工艺的u w b 芯片，包括i 心前端和基 带处理，传输速率达到4 8 0m b s 。2 0 0 6 年这些公司大多推出了自己的m a c 芯片， 形成了p h y m a c 的完整芯片组解决方案，其中s t 2 u c c a t 0 已经推出了p h y + m a c 的单芯片方案，而m x p 和i n t e l 等大公司则只提供m a c 芯片。然而由于应用普 及进程缓慢，再加上全球经济形式的影响，m b o f d m 联盟也是举步维艰。2 0 0 8 年1 1 月，u w b 控制芯片市场的领先厂商w i q u e s t 公司倒闭，i n t e l 随后也宣布 停止开发u w b 芯片。 尽管在工业界，u w b 产品由于专利、标准还有经济形势等原因，d s c d m a 和m b o f d m 两种方案都没能在市场上取得绝对的优势，在高等院校和研究所 等科研机构中，无载波脉冲u w b ( i r u w b ) 由于其结构简单，功耗低等优点一 直是研究热点，并且由于没有标准的限制，i r u 、鹏出现很多种系统结构，各有 优缺点。表1 2 给出了2 0 0 6 2 0 0 9 年在i s s c c 上发表的u w b 论文的统计结果。 1 3 论文的主要工作和创新 本论文的内容是3 5g h zi r u w b 射频收发系统的研究与设计。i r u w b 由 于离散脉冲信号、无载波、低输出频谱密度和超宽带等特性，在系统研究和电路 设计上和传统窄带无线通信系统存在较大差别，没有形成完整的理论体系，大大 增加了系统设计的难度。另外，由于脉冲式u w b 没有出台国际标准，给系统设 7 复口大学博十学位论文 表1 22 0 0 6 2 0 0 9 年i s s c c 关于u w b 的文章统计 黔巧：“2 0 酯一帮”鼍”飞。强奶”黝。：。乃 ”。j 2 0 0 8 一渺黝? “8 芝0 6 多? = 1 秀 ： “ 。 【7 c bi r u w b【1 4 】m b o f d m【1 9 】i r u w b【2 4 】i r - u w b ? r xt r xt xt r x 【8 】m - u w b【1 5 】d s u 、腮【2 0 】d s u w b【2 5 】i 乳u w b j t r xt r x