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IR-UWB射频收发机的研究与设计

夏玲琍  
【摘要】: 超宽带UWB(Ultra Wideband)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2002年FCC开放了UWB的频谱3.1-10.6 GHz, UWB一直是工业界和学术界的研究热点。UWB由于采用超宽带信道技术,传输速率可高达500 Mb/s,是其他短距离无线通信系统无法比拟的。另一方面,UWB的输出频谱密度低于-41.3 dBm/MHz,和现有的无线通信系统有很好的共存性。UWB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3-5 GHz,最高传输速率为100 Mb/s的无载波脉冲式UWB (IR-UWB, Impulse Radio UWB)系统结构。 IR-UWB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,IR-UWB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BPSK和OOK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Balun结构;相关器则利用IR-UWB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Gm-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0.13μm CMOS工艺流片验证了IR-UWB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2 mm×2 mm,发送机和接收机的功耗分别为2.2 mW和13.2 mW。测试结果表明发送机三档输出脉冲幅度峰峰值分别为240 mV、170 mV和115mV,输出频谱中心频率可调范围是3.2-4.1GHz。接收机最大增益为70 dB,噪声系数和输入1dB压缩点分别为8.6 dB和-28 dBm。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-50 dBm时,接收机达到1‰数量级的误码率。


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