内容简介

《跳时超宽带(TH-UWB)通信集成电路设计》是由科学出版社出版的。

图书目录

前言 第1章 绪论 参考文献 第2章 UWB无线通信系统 2.1 UWB通信技术概述 2.1.1 UWB信号的定义 2.1.2 UWB信号波形的时域与频域特性 2.1.3 UWB无线通信的优点 2.1.4 UWB通信的标准与规范 2.1.5 UWB通信的调制技术 2.2 UWB无线多址通信系统的组成 2.2.1 TH-UWB和DSC-UWB多址发信系统及信息调制方式 2.2.2 接收系统信号处理 2.3 超宽带通信射频收发前端 2.3.1 一种带射频调制的UWB脉冲发射机 2.3.2 超宽带射频接收前端 2.4 小结 参考文献 第3章 UWB多址通信TH-PPM信号产生的建模与设计 3.1 UWB发信系统TH-PPM信号产生的建模原理 3.2 TH-PPM UWB发信系统的具体实现模型与设计 3.2.1 基准时钟产生器 3.2.2 分频器的建模与VHDL程序设计 3.2.3 信息码产生器 3.2.4 PN码(伪随机码)产生器 3.2.5 二进制加法器 3.2.6 比较器 3.2.7 PPM信号形成器 3.3 TH-PPM信号产生的顶层电路与时序仿真 3.4 小结 参考文献 第4章 TH-PPM UWB系统的接收处理与设计 4.1 TH-PPM UWB系统的接收信号处理 4.2 UWB TH-PPM信号接收系统的VHDL设计 4.2.1 时钟信号提取 4.2.2 “模板信号”模块 4.2.3 “相关检测器”模块 4.2.4 “搜索控制与失步保护”模块 4.2.5 “判决器”模块 4.3 接收系统的VHDL设计顶层电路与时序仿真 4.4 接收系统的位同步及状态同步性能分析 4.4.1 位同步系统的性能分析 4.4.2 接收系统的状态同步性能分析 4.5 小结 参考文献 第5章 UWB通信系统中的射频集成电路工艺、器件模型及设计方法 5.1 集成电路发展状况 5.2 UWB通信系统中的射频集成电路工艺 5.2.1 CMOS工艺 5.2.2 GaAs工艺 5.2.3 SiGe BiCMOS工艺 5.3 器件模型 5.3.1 MOS有源器件模型 5.3.2 无源器件模型 5.4 UWB通信系统中射频集成电路的设计方法 5.4.1 UWB通信系统中射频集成电路的设计流程 5.4.2 UWB通信系统中射频集成电路设计的注意事项 5.5 小结 参考文献 第6章 TH-UWB通信射频发信机集成电路设计 6.1 UWB射频发信机模型 6.1.1 传统的UWB发信机结构 6.1.2 单脉冲UWB信号的发信机结构 6.1.3 多脉冲UWB信号的发信机结构 6.2 多脉冲TH-UWB射频发信机的设计 6.2.1 设计要求 6.2.2 设计原理 6.2.3 前仿真 6.3 芯片版图与测试结果分析 6.4 小结 参考文献 第7章 TH-UWB通信射频接收机的LNA集成电路设计 7.1 低噪声放大器网络的噪声分析 7.1.1 二端口网络的噪声分析 7.1.2 MOS晶体管噪声模型 7.1.3 MOS晶体管最小噪声系数的计算 7.2 MOS低噪声放大器的基本电路结构和技术指标 7.2.1 CMOS低噪声放大器的几种电路结构 7.2.2 CMOS低噪声放大器的技术指标 7.3 TH-UWB通信超宽带低噪声放大器设计 7.3.1 UWB LNA的研究现状 7.3.2 UWB LNA的电路设计 7.3.3 宽带输入阻抗匹配与噪声匹配 7.3.4 平衡输出的实现 7.4 UWB低噪声放大器电路仿真 7.5 版图与芯片及结果分析 7.6 小结 参考文献 第8章 TH-UWB通信射频接收机的主放大器集成电路设计 8.1 超宽带主放大器的指标要求 8.1.1 带宽要求 8.1.2 增益要求 8.1.3 具有AGC功能 8.1.4 其他要求 8.2 传统的宽带放大技术 8.2.1 平衡放大器 8.2.2 负反馈放大器 8.2.3 并联补偿放大器 8.3 超宽带主放大器设计的基本原理 8.3.1 超宽带主放大器的分类与选择 8.3.2 跨阻放大器基本原理 8.3.3 跨导放大器基本原理 8.3.4 跨阻跨导宽带放大器电路结构 8.4 TH-UWB通信射频接收机中的主放大器集成电路设计 8.4.1 主放大器的组成 8.4.2 电路结构 8.4.3 参数选取与设计优化 8.4.4 版图与引脚图 8.4.5 芯片照片 8.4.6 测试与结果 8.5 小结 参考文献 第9章 TH-UWB通信射频接收机的射频解调器集成电路设计 9.1 射频信号解调的基本原理 9.1.1 射频信号解调的种类和特点 9.2 TH-UWB射频解调器的基本要求 9.2.1 输入电路带宽要求 9.2.2 灵敏度要求 9.2.3 动态范围要求 9.2.4 其他要求 9.3 TH-UWB射频解调器系统结构 9.4 TH-UWB射频解调器电路拓扑结构与工作原理 9.4.1 解调器电路拓扑结构 9.4.2 MOS检波电路工作原理分析 9.4.3 其他功能电路工作原理分析 9.4.4 设计优化 9.5 系统实验架构 9.6 版图、仿真及测试 9.6.1 版图与引脚图 9.6.2 前仿真波形 9.6.3 芯片照片与测试结果 9.7 小结 参考文献

文摘

1.2.2 室内环境中VOC来源 第1章 绪论 人类社会已发展到了信息化社会，社会的信息化进一步促进了现代通信技术的高速发展，而现代通信技术的发展，又加速了社会的信息化进程。目前通信系统的发展面临若干问题，主要有：室内高速数据的传输问题；带宽与数据率的矛盾问题，即提高数据率就必须增加系统带宽；频率资源不足的问题等。超宽带（UltraWideband，UWB）信号传输技术正是很好地解决上述问题的一种通信方式。UWB信号指系统所传递的信号是非正弦、持续时间极短的单个周期或少数几个周期的脉冲串无线电信号，而不是常规通信系统所采用的连续正弦波信号。国外文献中曾使用过多个术语：impulse，carrier-free，base-band，timedomain，nonsinusoidal，orthogonalfunctionandlarge-relative-bandwidthradio/radarsignals。1989年美国国防部将其称为UltraWideband后，一般均采用该术语，简称UWB［1］。本书亦采用这一术语。随着UWB信号产生与接收技术的发展，对UWB信号传播特性的认识逐渐完善。人们已意识到它在通信、雷达、定位、导航和电子对抗等诸多领域的广泛应用前景，UWB已成为无线通信领域的一个研究热点。UWB具有很多独特的特点［2-8］：①低截获/检测概率。脉冲越窄，带宽越宽，功率谱密度越低。低功率谱密度使信号难于被敌方截获或检测到，非常适合于军事保密通信。同时信号对其他服务的干扰小，对商用通信也非常有利。②强抗多径能力。由于脉冲很窄，且占空比低，经传播延时的反射波与直射波的时间差一般会超过UWB脉冲宽度，所以多径信号在时间上是分离的，其重合或部分重合的概率很低，从而UWB通信系统的抗多径能力很强。这一特点使其非常适合密集多径环境，特别适用于无线通信系统。③具有良好的穿透障碍物能力。UWB信号可以穿透墙壁或其他障碍物。这可用于对人或其他目标进行动目标检测和测距，也可穿透地面检测道路、桥梁的内部情况。④低成本、易维护。系统硬件构造简单，发射机由窄带数字系统和UWB极窄脉冲产生器构成，二者都工作于开关状态，且成本低、功耗低、效率高。而接收机没有传统通信方式的中频处理系统，实现简单，除少数射频（RF）电路外，整个系统可集成为前端电路、时基、微处理器三个部分，几乎为全数字结构。UWB技术源于20世纪60年代初开始的对时域电磁学的研究，其目的在于用冲激响应来研究某类微波网络的瞬态特性。为测量微波网络的冲激响应，必须提供冲激函数的适当近似，产生持续时间极短的非正弦脉冲信号。Ross成功地将冲激测量技术应用于宽带辐射天线基元设计后，人们开始采用同样的装置开发窄脉冲雷达和通信系统。1972年Robbins实现了高灵敏度的窄脉冲接收机，进一步加快了UWB技术开发的步伐。1973年Ross获得了第一个关于UWB通信系统的专利［9］，这是UWB技术发展的一个里程碑。同年，Morey获得了第一个用于地球物理测量的UWB穿地雷达专利［10］。1978年Ross首先实现了自由空间内的UWB通信，1984年认识到了UWB技术在低截获/检测概率（LPI/D）通信中存在巨大的潜在应用价值，并在1987年完成了UWBLPI/D通信的演示系统开发。1989年美国国防部正式将这一技术定名为UltraWideband，1990年美国国防预先研究项目局（DARPA）的UWB技术评价小组公开发表了UWB技术的评估报告，对UWB技术的先进性和应用前景作了充分肯定。1994年以前UWB领域的研究基本上都属于美国政府的机密计划，1994年以后才取消了保密限制，加快了UWB技术商业化的发展速度。2003年4月，英特尔公司在IDF（英特尔开发者论坛）上演示了以220Mbit/s的速度传输数据的超宽带无线系统原型，是世界首次达到这一速度。该原型由英特尔通信和内联技术实验室负责人Kahn进行演示。Kahn称，传输和接收组刚走出实验室，就在英特尔开发者论坛的日本舞台上实现了在1m的距离内、约2小时即达到稳定的220Mbit/s的数据传输率。这一速率比英特尔公司一年前在日本展示的100Mbit/s的系统快了一倍多。超宽带无线之所以能达到如此高的数据传输速率，是因为它通过一个极大容量的频谱范围传输数据。美联邦通信委员会已批准其使用在3.1GHz和10.6GHz之间的7.5GHz带宽，这一范围是IEEE802.11b-WLAN频谱范围的80倍，是802.11a技术传输速度的25倍。2005年ITU确定了各国及各地区UWB频谱分配的若干原则。2006年英国、日本、韩国等相继开始根据ITU的规定，陆续公布了UWB的监管规范，以逐步开放民用超宽带产品。2007年欧盟批准欧洲27个成员国家可以使用UWB有源RFID定位系统。2007年英国的OFCOM公布开放室内UWB民用设备的监管规定，从法律上批准了UWB设备的免授权民用，并自2008年8月13日开始生效。近年来，学术界和工业界在UWB通信相关理论和技术上做了大量工作，例如针对脉冲位置调制（pulsepositionmodulation，PPM）信号的盲信号均衡［11］、UWB天线理论与技术［12］、采用RAKE接收机处理UWB信号［13］、脉冲无线电UWB（impulseradioUWB，IR-UWB）网络的MAC层［14］、正交频分复用UWB（orthogonalfrequencydivisionmultiplexingUWB，OFDMUWB）无线网络的信道特性分析及建模［15］、正交跳时超宽带（time-hoppingUWB，TH-UWB）信号的功率谱分析［16］、打印式UWB天线技术［17］、低噪声放大器技术［18］、UWB系统多脉冲设计［2］、UWB脉冲产生方法［19］、多径环境下跳时脉位调制超宽带（time-hoppingpulsepositionmodulationUWB，TH-PPMUWB）性能分析等［20］。全球最大的专业音视频展览会Infocomm2008正在美国拉斯维加斯隆重召开，著名话筒厂商铁三角Audio-Technica展出了新款SpectraPulseUWB无线麦克风系统。通过已获得专利的UWB技术，SpectraPulse绕过日益挤迫的射频环境，提供了一个没有性能和安装部署问题的音频无线系统。铁三角联合了MultispectralSolutions，Inc.（MSSI）一起推动UWB技术的应用。铁三角的Spectra-PulseUWB无线麦克风系统将是UWB技术在音频领域的首款商业化应用产品，其近期已经拿到FCC认证的牌照。铁三角的SpectraPulseUWB无线麦克风系统的组成部分包括：mtu101麦克风发射机、drm141数字接收机模块、aci707音频控制界面、cei007和充电器的加密接口［21］。在制造商方面，目前国外还有多家厂商开发推出了UWB芯片、应用开发平台和相关设备。 国内发展概况 我国在UWB领域也进行了一些研究，先后得到了国家863、国家自然科学基金等项目的支持。然而国内的研究多集中在系统验证、电磁兼容分析等方面，针对UWB芯片尤其是射频芯片的研究尚属起步阶段。中国科学院微电子研究所作为中国无线个域网标准组（C-WPAN）的成员单位，为我国UWB标准的制定提供了频谱规划和物理信道划分方面的建议，并及时掌握了目前我国UWB频谱的规划现状。信息与工业化部已经在其网站上对我国UWB的预开放频段进行公示，公示频段包含了低频段的4.2~4.8GHz和高频段的6~9GHz，UWB在中国的频谱开放和市场开发已经为期不远。中国科学院上海微系统与信息技术研究所和中芯国际联合生产出首款低功耗超宽带通信用混频芯片。该款芯片是利用国内工艺建立了RFCMOS器件与电路设计模型。2005年国家自然科学基金资助了“超宽带高速无线接入理论与关键技术”的重点研究项目，由哈尔滨工业大学、南京邮电大学和桂林电子科技大学共同承担。863计划信息领域通信主题的课题承担单位――东南大学移动通信国家重点实验室和毫米波国家重点实验室，于2005年12月成功研制出我国第一套高速超宽带无线通信实验、演示系统。该项研究得到国家863计划的支持和资助，已于2005年12月23日通过了国家863计划通信技术主题专家组的现场验收，验收专家组认为该课题超额完成了合同要求的任务。该系统采用自主设计的双载波-正交频分复用（dualcarrierorthogonalfrequencydivisionmultiplexing，DC-OFDM）方案，无线传输速率达到110Mbit/s，传输距离超过10m，可同时传输4路高清度电视节目、未压缩视频图像和高速无线数据传输。据中国科学院微电子研究所消息，该所射频集成电路研究室与新加坡通信资讯研究院合作，已联合开发出中国首个符合中国频谱规划和标准的超宽带无线音视频传输系统。超宽带无线音视频传输系统采用中国频谱规划的6~9GHz频段，包括射频收发前端模块、数字基带收发模块和视频编解码模块，实现了1080p高清视频的无线传输，视频画面清晰流.。2010年中国科学技术大学超宽带无线通信研究取得重要进展。该校承担的国家863计划目标导向课题“超宽带SoC芯片设计及组网试验”顺利通过验收。但总体来说，在UWB通信研究方面，国内与国际先进水平还有相当大的差距。OFDMUWB和IR-UWB作为两大并驾齐驱的UWB通信技术，在应用上各有千秋。IR-UWB技术是以TH-PPMUWB和直接序列超宽带（directsequenceUWB，DS-UWB）技术来实现多址接入。基于这两个体制的UWB技术，从系统模型到无线信道估计，都吸引了众多的科研工作者进行研究。对于TH-UWB技术，从现有的研究状况看，一方面大部分研究处于纯理论的算法或仿真研究，而且传统的TH-UWB通信系统模型实现难度很大；另一方面采用通用元器件电路来验证系统模型限制了其性能指标，甚至无法实现所要求的功能。如何对其系统模型进行改进，使之不仅在理论上而且在现有技术上能实现原有通信目的，是使TH-UWB技术走向应用的迫切要求，而采用定制的专用集成电路设计技术是解决系统验证难题的关键。 发展趋势 UWB信号的独有优势在军事、安全以及商业通信应用方面有极其重要的实用价值。预计今后UWB应用发展主要集中在以下方面：军事通信：UWB技术在军事领域最重要的应用方向是LPI/D保密通信，有可能取代扩频技术在LPI/D保密通信中的地位，实现高性能、低成本的移动高速战术通信网络。例如，可以将UWB通信设备和GPS系统直接装备到单兵，在战斗小组中灵活机动地构建移动无线通信网络，而且一旦有其中一人由GPS准确定位，则战斗群体中每一个士兵均能实现准确定位，该网络还能与指挥中心相联结，方便指挥中心掌握整个形式和实施命令传达。