超宽带高速通信系统射频发射机的设计与实现解析.docx
《超宽带高速通信系统射频发射机的设计与实现解析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《超宽带高速通信系统射频发射机的设计与实现解析.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
超宽带高速通信系统射频发射机的设计与实现解析
超宽带高速通信系统射频发射机的设计与实现木
王波,王玫,黄冬艳
（桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林541004
摘要:
介绍一种利用负阻器件产生超宽带多脉冲信号的
射频发射机。
该射频发射机可以产生宽度为5ns、重复周期为
100MHz、峰一峰值电压可达3.2V的高斯包络正余弦信号,并可
通过加置功率放大器来满足特殊场合下的通信需求,功放增益
达到20dB。
分析讨论了电路原理与设计方法,实际测量结果显
示,该发射机产生的脉冲信号具有良好的波形,是一种适合于
超宽带通信系统的射频发射机。
关键词:
超宽带;射频发射机;振荡器;功率放大器
目前,超宽带UWB（UltraWide.band技术已经成为国际无线通信技术研究的前沿性热点之一,由于UWB技术的诸多优点,使其成为无线个人局域网络WPAN（WirelessPersonalAreaNetwork的主要技术之一。
WPAN的目标是用无线电或者红外线代替传统的有线电缆,以低价格和低功耗在10m范围内实现个人信息终端的智能化互联,组建个人化信息网络【11。
因此短距离的高速（100Mb/s无线通信是UWB技术的主要应用领域。
在UWB短距离高速通信系统
中,射频发射机的设计与实现历来
是整个高效稳定系统的难点之一。
从电路没计的角度来看,射频电路的
设计既不同于低频电路设计,又区别
于微波电路的设计。
本文实现的超宽
带信号中-tL'频率为3.5GHz,属于射
频的范畴。
这就要求电路的设计与分
析要用射频电路的理论来实现。
传统的UwB射频发射机L2-41产
生的UWB信号都是高斯脉冲信号,
这种高斯脉冲UWB信号的时域表
达式如式（1所示:
g（f=A。
exp[-2"rr（}2】（1U
利用傅里叶变换可得其频域表
达式,如式（2所示:
G（f=Aiexp（一掣（2
二
式（1、式（2中a为脉冲形状因子,A,、A,分别为时域、频域幅度归一化因子。
这种UWB信号的不足之处在于对传统的高斯窄脉冲无论如何改变d值,都很难满足FCC对UWB信号的频谱限制。
更重要的是此种UWB信号为单脉冲信号,其能量分散导致接收端能量检测接收困难。
不利于UWB通信系统的整体实现。
本文介绍了一种UwB短距离高速通信系统的射频发射机的设计与实现。
该射频发射机产生的UWB信号为高斯包络正余弦脉冲,脉冲周期|Ons,蜂一峰值电压约为3.2V,满足FCC（美国联邦通信委员会有关UWB发射信号规范151,有效解决了高速UWB信号的粘连现
（接上页
的01010101测试信号波形;曲线2表示每位解调出的符号对应相关积分的情况。
从图中可以看到,发端发送符号0时,当本地“块0模板”的PN码序列的相位同发端符号0序列的相位一致时,相关积分结果出现相关峰。
通过基于该模拟相关器的超宽带通信系统基带验证平台,实现了发端窄脉冲信号的扩频调制以及收
端的扩频解凋,实际的测试结果与
理论分析相符,进一步验证该模拟
相关器的性能符合设计要求。
参考文献
【1】Analogdevicesdual600MHz,50roW
currentfeedbackamplifier.Datasheet.
【2】AnalogdevicesAD835-250MHz,
voltageoutput4-Quadrantmultiplier
datasheet.
【3]Maxim/Dallasapplicationnote
】】55considerthe”Deboo”single—supplyintegratorJul29,2002
【4】AnalogdevicesADG749一CMOSlowvoltage211SPDTswitchjnSC70package.Datasheet.2002.
【5】AnalogdevicesAD9059dual8一bit,60MSPSA/Dconverterdatasheet（REV,A2003.
（收稿日期:
2008—09—23
・基金项目:
国家自然科学基金重点项目（60432040;广西科学基金（0640168;广西科学基金（0731025
象,且产生的信号为多脉冲信号,能造集中,利于接收端能量检测接收。
另外通过加置功率放大器（简称功放解决了在特殊场合下射频发射机的发射功率不足的问题。
此功放具有工作频带宽、电路结构简单等特点。
振荡器与功放结合起来最终实现了稳定、实用的UWB高速信号。
UWB短距离
高速（100Mb/s通信系统发射机的设计与实现UWB短距离高速数据传输系统可以实现从PC到PC的lOm范围内的高速数据传输,其发射部分简化框图结构如图l所示。
发端L.一USBPc机Il接口电路
基带
处理电路
振荡器的设计与实现微波叮控振荡器的设计与实现基于负阻效应特性原理[71:
把等效的负阻元件直接接到谐振回路中,利用负阻效应抵消回路中的损耗,从而产生等幅、稳定的振荡作为UwB脉冲信号的调制载波。
同时利用基带信号码元对振荡电路进行触发控制,以产生高斯包络正余弦脉冲的UWB信号。
图2是负阻振荡电路的原理框图,图3是负阻振荡器电路的原理图。
在图2中,FET栅极和地之间外接正反馈网络来加强电路的负阻效应,从而扩大电路在Smith圆图上的非稳定区域以便电路的起振并建
基带
码元f
图l简化发射部分原理框图
PC机上的待传输数据通过USB接口电路传送到基带处理电路,经过卷积、交织、编帧、调制等一系列处理后产生100Mb/s的基带码元信号,此基带码元信号用以控制射频发射机的振荡器工作状态,从而产生高速的UWB信号,这样产生的UWB信号为高斯包络正余弦脉冲I61,它的时域表达式如式（3所示。
g（f=A。
exp[-O.5（÷2】×cos（2顸tU
（3利用傅里叶变换可得其频域表达式,如式（4所示:
G∽=A,,exp[-2（w[f+fi]a2】（4这样产生的UWB信号经天线发射后可以满足一般的通信需求,但为了达到在恶劣的传输环境下实现有效通信的目的,或者为了满足特殊的通信需求,UWB信号可以先经过功率放大器进行功率放大后再通过天线发射出去。
立稳定的振荡;谐振网络控制、协调
电路的中心频率和电路的频率稳定
度;直流偏置网络为电路提供正常工作点并补偿能量的损耗;输出匹配网络关系到输出功率性能和电路的效率,同时起到滤波的作用;控制网络是实现UWB调制载波信号的重要控制部分,直接影响UWB脉冲信号的性能。
以往振荡器存在的主要问题是振荡器起振速度与停振速度较慢,由此导致产生的UWB高速数据会出现波形粘连情况。
为了解决高速数据的波形粘连现象,产生高速且无粘连的UWB信号,本文进行了如下设计。
首先,振荡电路的FET管采用HP公司的具有频带宽、噪声低、可靠性高、截止频率高等特点的GaASMESFETATFl3786,其特征频率.厂雌可达到60GHz,最大功耗Pr=225mW,最大漏极电流,萨lOOmA。
在IOGHz频率点处输出功率可达10dBm,典型的低噪声特性为一110dBc/Hz@lOOkHz。
在具体的设计中首先采用Aglient公司的电路设计软件ADS（AdvancedDesignSystem2006A对振荡电路进行了仿真设计。
系统经过振荡器后的UWB信号仿真结果如图4、图5所示。
图2负阻振荡器电路的原理框图
什◆图3负阻振荡器电路的原理图
图4时域仿真结果
图5频域输出结果从以上的仿真结果中可以观测出:
（1调制脉冲信号的峰值电压约为1.6V,与负阻振荡电压幅度基本相符;（2信号周期10ns,脉冲信号之间间隔约5ns,数据的时间隔离度较高;（3调制脉冲信号的中心频率.7:
为3.500GHz,处于3.1GHz~10.6GHz频段内,满足UWB信号的要求。
输出功率为6.77ldBm,一10dB带宽大于500MHz。
二次谐波和三次谐波对中心频率的影响可以忽略,满足FCC关于UWB信号的定义要求。
基于此仿真设计,实现了具体的振荡器电路,实际电路产生的UWB信号实测结果如图6、图7所示。
从图6可以看出,在常温条件下,实测振荡器的中心频率￡为3.459GHz,峰值输出功率为一16.64dBm。
电路实测时域结果如图7所示,脉冲重复周期r为lOns,脉冲信号的单峰值达400mV,调制UWB信号的振荡建立和停振时间小于1ns,调谐速度非常快,而且脉冲信号之间有较大的
图6UWB信号实测频域输出结果
图7UWB信号实测时域输出结果信号间隔（约4ns,有效解决了信号
波形混叠问题,有利于接收机的同
步捕获和积分检测工作。
硬件电路测试采用的频谱分析
仪是Agilent公司的E4443A,仪器的
性能指标满足实测要求。
而示波器
使用Agilent公司的5484bA,它的采
样频率为8GHz/s,带宽为2.5GHz,
对于3GHz以上的振荡信号已经不
能给出真实的时域瞬态波形。
功放的设计与实现
功放是射频发射机的重要组成
部分,目前功放的设计与实现主要
有两种方法:
一种为基于MESFET
的宽带功率放大器的设计与实现;
另一种为基于MMIC（微波单片集成
电路的设计与实现。
本UWB高速传输系统对所设计
的功率放大器技术指标要求有:
功放
的工作频段在3GHz一4GHz,其工作带
宽大于500MHz;对UWB脉冲信号放
大线性度好,失真较小;采用A类功
率放大器设计;其功率增益的要求为
200a年.mii2UAPPLICATIONOFELECTRONICTECHNIQUE20dB左右。
功放的设计选用MMIC芯片HMC327来实现。
该芯片工作频段为3GHz~4GHz（一3dB带宽,最大增益24dB,工作频段大于500MHz,工作电压一般为5V。
功放的电路原理图如图8所示。
此功放具有如下特点:
电路结构简单,无须直流偏置电路,易于实现;工作频段较一般的功放芯片宽,可以工作在3GHz~4GHz的频率范围。
对实际功放电路进行测试,测试输入信号源为经过中心频率3.38GHz,数据速率为100MHz的UWB窄脉冲信号。
图9和图10是对振荡信号放大的前后对照测试图,可以看到UWB窄脉冲信号的功率从一9.58dBm增加到8.34dBm,增益为17.92dB。
考虑到实际测试中的线损约有2~3dB。
实际增益有20dB,工作频带大于500MHz,有效地放大了UWB信
号,延长了传输距离,可以满足其在
IN（PIN
GND
（PIN2,4,7
图8功放电路原理图
特殊场合应用的需求。
结论毒日p匕
本文介绍了一种结构简单的超宽带高速通信系统射频发射机,此UWB射频发射机可以产生宽度为5ns、重复周期为100MHz、峰一峰值电压可达3.2V的超宽带高斯包络正余弦脉冲信号,满足FCC相关标准,能够有效解决高速UWB数据的
图9功放电路输入结果
波形粘连问题。
并
且利于接收端能
量检测接收。
另外此射频发射机通过在振荡器后放置功率放大器,加大发射功率,解决了特殊场合下UWB高速数据信号功率过低的问题。
适用于PPM—UWB、OOK—UWB、BPSK—UWB等高速无线射频系统,兼有经济成本低、结构简单、易于实现的特点,可广泛应用于室内通信、抗灾救险等各种场合的短距离高速无线数据传输,具有广阔的应用前景。
参考文献
[1】刘波.WiMAX技术
与应用详解【M】.北京:
人民邮电出版社,2007.【2】程勇,周月臣,程
崇虎.一种超宽带脉冲信号发生器的设计[J】.通信学报,2005,26（10:
1】2一115.
图lO功放电路输出结果
【3]STOICAL,,I.IURANIEMIS,RAB-
BACHINA.eta1.UltrawidebandTAG
circuittransceiverarchitecture[A].
IEEE
Conf
on
UltraWidebandSys
andTech[C].Kyoto,Japan,2004:
258—262.
【4】KIM
H,PARKD,JOOY.All-digi-tallow-powerCOMSpulsegenerator
for
UWBsystem[J】.ElectronicsIJet—
ters,2004,25（11:
1534-1535.
[5】FCC.02-48revisionofpart
15of
thecommission’8rulesregardingUltra-Widebandtransmissionsystems:
Firstreportandorder[S].Washington.DC:
FCC。
Feb.2002.
【6】KAZIMIERZ
S,DEBRA
M
K著.超
宽带无线电技术【M】.张中兆,沙学军译.北京:
电子工业出版社,
2005:
47—55.
【7】LUDWING
R.PavelBretchko.
RFcircuit
design:
Theoryand
application[M】,PrenticeHall盯R,
2000.
（收稿日期:
2008—09-21
+。
+。
+。
+。
+。
+。
+。
+。
+。
+。
+。
+。
+。
+。
+。
+。
+。
+。
+。
+。
+。
+。
+。
+。
+。
+。
++。
+‘+。
+。
+。
+’+。
+。
+。
+’+。
+’+’+。
+。
+。
+。
+。
+。
+。
、_L
J.
;
行、『【,聚隹
富士通微电子“爱心之旅”进四川;
:
Focus
on
Industry
爱心校舍落成育英才:
;
i上
上
}2008年11月25日.富士通微电子（上海有限公司“爱心之旅”团队抵达四川绵竹和磁峰地区,带着为孩子们精心准备的};新校服和一些学习用品,和孩子们一起庆祝由公司投资兴建的几间广济、磁峰小学校舍的投入使用,同时举行“建设美丽新家;
:
园”的绘画竞赛.让孩子们享受社会对他们的关爱。
;1-一直致力于服务中国市场和本地客户的富士通微电子（上海有限公司时刻不忘企业公民的使命,积极投身社会公益事业,对中T
t国的教育领域更是进行了长期、持续的投入。
自今年“5.12”四川汶川发生大地震以来,富士通微电子国内外员工都非常关注灾区人民,了t尤其关心地震灾区的少年儿童。
富士通微电子不仅积极加入到奉献爱心的捐款行列。
还主动与灾情严重的地区进行联系。
得知彭州磁了
峰小学在地震中受灾严重.教学楼都成危房,全校900多学生急需安全的学习环境,而广济中心小学教学楼也在地震中垮塌、还有师生伤亡、当时只能在活动板房里上课的情况后,公司立即制定切实可行的捐助计划,不仅为广济和磁峰两所小学建立新校舍、提供学生校服。
同时还开展“建设美丽新家园”的绘画竞赛.让学生们充分发挥自己的想象力和创造力,描绘自己心目中的美丽家园。
欲了解更多信息,请访问网站:
lfmc。
（富士通微电子（上海有限公司供稿
超宽带高速通信系统射频发射机的设计与实现
作者:
王波,王玫,黄冬艳,WANGBo,WANGMei,HUANGDongYan作者单位:
桂林电子科技大学,信息与通信学院,广西,桂林,541004刊名:
电子技术应用
英文刊名:
APPLICATIONOFELECTRONICTECHNIQUE年,卷（期:
2008,34（12被引用次数:
0次
参考文献（7条
1.刘波WiMAX技术与应用详解2007
2.程勇.周月臣.程崇虎一种超宽带脉冲信号发生器的设计[期刊论文]-通信学报2005（10
3.STOICAL.TIURANIEMIS.RABBACHINAUltrawidebandTAGcircuittransceiverarchitecture20044.KIMH.PARKD.JOOYAll-digitallow-powerCOMSpulsegeneratorforUWBsystem2004（115.FCC02-48revisionofpart15ofthecommission'srulesregardingUltra-Widebandtransmissionsystems:
Firstreportandorder2002
6.KAZIMIERZS.DEBRAMK.张中兆.沙学军超宽带无线电技术2005
7.LUDWINGR.PavelBretchkoRFcircuitdesign:
Theoryandapplication2000
相似文献（1条
1.期刊论文田玲.朱红兵.洪伟.TIANLing.ZHUHongbin.HONGWei超宽带射频发射机中直接正交调制模块的研制-固体电子学研究与进展2008,28（3
研制了应用于多带一正交频分复用（MB-OFDMUWB射频发射机中的直接正交调制模块,分析了直接正交调制方案应用于MB-OFDMUWB系统中的优势.设计出的直接正交调制模块具有体积小、功耗低等特点,满足FCC规定的射频指标要求,并已成功应用于MB-OFDMUWB的演示系统中.
本文链接:
下载时间:
2010年12月8日
升级会员 