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数字脉冲式超宽带接收机的研究和关键模块的设计

邵轲  
【摘要】: 脉冲式超宽带(IR-UWB)系统利用窄脉冲传输信息,具有低功耗、低成本和高传输速率等优势,非常适合在无线安全通信、短距离高速无线数据传输、精确测距与定位等领域里应用。本论文针对IR-UWB系统的特点和应用需求,对数字架构接收机及其中关键模块的设计进行了深入研究。 在数字架构接收机的系统研究方面,针对接收机的设计难点和关键模块,提出采用欠采样技术解决接收机中模数转换器(ADC)模块功耗和设计复杂度过高的问题。在分析了该技术在IR-UWB系统中应用的可行性后,提出抖动小于1%个采样周期的频综电路是实现欠采样接收机的保证。 在接收机关键模块的设计方面,针对IR-UWB系统低功耗、低成本的要求,参照接收机的具体参数指标,设计了时间交错Flash结构的4224 MS/s 1 bit ADC和整数分频电感电容结构的4224 MHz锁相环(PLL)。电路设计中采用的多种低功耗技术,使ADC在4 GHz采样速率和4.2-4.8 GHz输入信号下,功耗为22.8mW,面积为0.25 mm2。而PLL设计中采用的带内噪声和电荷泵动态匹配等优化措施,使其在4224 MHz输出锁定时,RMS抖动为0.57 ps,杂散为-63.14 dBc,功耗和面积分别为18 mW和0.81mm2。 然后,针对传统ADC和PLL结构在功耗和成本上的不足,提出了一种架构上的改进方案,在满足接收机性能要求的同时,大大降低了功耗、成本和设计复杂度。在新架构中,ADC采用了等效采样和自校准技术,实现了4224 MHz采样速率下小于10 mV的分辨率,2.4 mW的功耗和0.81mm2的面积。PLL利用环形振荡器多相输出、功耗与面积小等优点,采用移位平均、占空比调节等技术和VCO噪声优化、杂散抑制等措施,成功地解决了其相噪性能不高的问题。在264MHz输出锁定时,PLL的RMS抖动为1.53 ps,杂散为-66.81 dBc,而功耗和面积只有4.23 mW和0.14 mm2。以上两个芯片均没有使用MIM电容和片上电感,并且测试时能在小于1 V的电源电压下正常工作。


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