基于新型发射参考脉冲簇的超宽带发射机设计与实现

⃝∑⃝∑可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirectICT Express 3（2017）142www.elsevier.com/locate/icte基于新型发射参考脉冲簇的霍一鸣a、刘晓波a、董小黛a、陆萍ba加拿大维多利亚大学电子与计算机工程系 b瑞典隆德大学信息技术系接收日期：2016年11月18日;接收日期：2017年4月17日;接受日期：2017年7月3日2017年8月1日上线摘要提出了一种基于新型发射参考脉冲簇（TRPC）调制方案的能量有效的超宽带（UWB）发射机。TRPC-UWB发射机集成了宽带有源巴伦、基于上变频混频器的宽带IQ调制器和差分转单端转换器。TRPC-UWB前端的集成电路的设计和实现在一个低成本的130纳米CMOS工艺。测得的最坏情况下的载波泄漏抑制为22.4 dBc，而单边带抑制大于31.6 dBc，工作频率为3.1至8.2 GHz。该发射器具有10至300 Mbps的可调数据速率，在1.2 V电源下实现了38.4 pJ/脉冲的良好c2017韩国通信信息科学研究所。出版社：Elsevier B.V.这是一篇开放获取的文章，CC BY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：超宽带;发射参考脉冲群; IQ调制器; CMOS1. 介绍随着无线通信市场以前所未有的速度增长，频谱已经成为越来越稀缺的资源6 GHz以下的频谱变得非常拥挤。超 宽 带 （ UWB ） 技 术 由 于 其 在 由 联 邦 通 信 委 员 会（FCC）分配的未经许可的3.1- 10.6GHz频带中的超宽频谱而已经作为短距离高数据速率通信的候选解决方案出现冲激无线电（IR）是UWB通信中广泛使用的一种无线电技术。IR-UWB发射机由[1，2]中的结构或无载波[3]实现。在这些IR-UWB设计中，和非相干方案。非相干方案通常具有比相干方案低得多的复杂度、功耗和成本。在非相干方案中，不需要以最小的误码性能或数据速率代价来估计长多径UWB信道。在非相干（NC）方案中，发射参考脉冲簇（TRPC）在错误率性能、数据速率、鲁棒性和易于实现方面领先[4]。此外，它还提供了对时间变化的鲁棒性能和对由频率相关天线和信道效应引起的脉冲失真的免疫力。基带等效TRPC发射信号为：简单的调制方案，例如s（t）=Eb2NPNf−1[g（t-mTs-2i Td）采用PPM（PPM），并表现出非常好的能源效率。IR-UWB可以分为相干*通讯作者。电子邮件地址：ymhuo@uvic.ca（Y. Huo）。同行评审由韩国通信信息科学研究所负责本论文由Seong-Lyun Kim教授处理。http://dx.doi.org/10.1016/j.icte.2017.07.001m =−∞ i=0时+bm（t-mTs-2i Td）]（1）其中Np表示一个簇中的总脉冲数，Eb是每比特的平均能量，g（t）表示单个脉冲簇中宽度为Tp的分量脉冲，Ts表示符号持续时间，Td是单个簇中脉冲之间的延迟。通常Td=Tp或Tp的几倍，并且2405-9595/c2017韩国通信信息科学研究所。Elsevier B. V.的出版服务。这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。√∞Y. Huo等人/ICT Express 3（2017）142143≥+=·ave···≫Ave··峰值pRpPAve峰值pRppFig. 1. TRPC结构。图二. 块的建议TRPC-UWB收发器。TsNpTdτmax，其中τmax表示最大信道延迟。图1示出了TRPC信号结构，其中具有短延迟线和低模数采样率的简单自相关接收机可以成功地收集被扩展到多径中的发射能量，而在[4]中表明，TRPC比传统TR和NC-PPM方案实现了2-在这项研究中，我们提出了一种新的TRPC-UWB发射机设计的CMOS发射机前端的基础上[5]。本文的其余部分组织如下。Section- tion2描述了收发器系统架构，并推导出符合FCC UWB发射限制的发射器规格。在第三节中，给出了详细的电路设计. 第4节介绍了实验结果，证明了良好的射频（RF）和能源效率性能。结论见第5节。并且在50 MHz带宽中峰值EIRP密度水平应低于0 dBm。这防止未授权UWB信号干扰另一频谱。对于TRPC信令结构，仍然需要发现分量脉冲幅度是否使EIRP符合FCC规定。在采用具有脉冲宽度Tp和脉冲重复频率（PRF）Rp的单 个 脉 冲 的 UWB 系 统 中 ， UWB 信 号 的 整 个 全 带 宽（FBW）峰值功率和平均功率之间的关系由以下等式表示：P平均值=P峰值·δ（ 2）其中Ppeak是FBW峰值功率，δTpRp是脉冲占空比。然而，由于频谱分析仪测量中的有限分辨率带宽（RBW），测量的峰值和平均功率与上述理论计算不同根据[8]，具有带宽BR的RBW滤波器导致以下结果。Pm=Pm =（RP·τR）2·P峰值·T2·B2=P峰值·T2·B22. TRPC-UWB发射机规范RPPBR（3）图2示出了TRPC-UWB收发器的主要功能块。脉冲整形后，相同的TRPC脉冲其中Pmm峰值是测量的平均和峰值功率，序列s（t）被发送到发射机端的I和Q分支。在接收器端，UWB信号通过IQ解调器进行下变频，然后经过低通滤波器（LPF）和自动解调器。经过信号合并、脉冲积分和抽取，基带信号被成功恢复。数学推导证明，通过使用TRPC方案和IQ调制/解调架构，成功地消除了恒定载波频率[6]。因此，TRPC UWB系统对频率和相位失配不敏感。使用直接转换拓扑的另一个好处是它具有非常纯净的输出，没有不需要的频率产物[7]。这些优势来自于系统级大大缓解了复杂性和难度τR是BR的倒数。当量（3）暗示当RpBR时，频谱分析仪中的RBW滤波器有效地对RpτR脉冲求和。因此，振幅增加RpτR倍，功率增加（RpτR）2倍。相比之下，TRPC信号具有由Np个连续脉冲组成的独特结构，并且簇以R的速率重复，其远大于BR。根据[9]中的类似论点，频谱分析仪的输出是NpR τR分量脉冲的和。因此，测量的平均功率和峰值功率由下式给出：Pm=Pm =（NP·R·τR）2·P峰值·T2·B2=N2·P峰值·T2·R2R BR。（四）实施.此外，FCC规定有效各向同性辐射功率（EIRP）不应超过−41.25dBm/MHz，在这项研究中，设计的数据速率范围从10到300 Mbps，这是远远大于1 MHz的RBW。此外，（4）表示测得的功率将增加和P144Y. Huo等人/ICT Express 3（2017）142（）≤×R−TP2表1脉冲簇设计规范。数据速率（Mbps）NPTP（ns）带宽3−dB（MHz）P峰值，RRC（dBm）最 大风 机放 大器（ mV）10 8 1.65 650 −23.47 32.820 8 1.65 650 −29.47 16.440 8 0.85 1180 −29.47 16.4100 4 0.85 1180 −31.93 12.36200 4 0.85 1180 −37.9 6.21250 3 0.85 1180 −37.3 6.63300 2 0.85 1180 −35.4 8.286.02当脉冲数加倍时，参考FCC UWB发射限制，测量的平均EIRP和峰值EIRP应满足以下要求。m峰值m峰值≤-41。25 dBm或75 nW，1 MHz RBW（5）BRmW或10 6B5010 6。（六）50× 106显然，TRPC-UWB发射功率是FCC平均功率约束的，并且我们可以计算P峰值以确保（4）满足（5）中的条件。其次，从所获得的P峰值和实际脉冲形状中找到TRPC中的分量 脉 冲 。 在 这 项 研 究 中 ， TRPC 信 令 采 用 根 升 余 弦（RRC）脉冲形成一个集群。归一化RRC脉冲由下式给出：g（ t）=cos [（1+β）πt/T]+ sin[（1β）πt/T]4βt/T（七）图三. TRPC-UWB TX前端的框图。1−（ 4βt/T）2其中β是滚降因子，在本工作中等于0.25。当g（t）由本地振荡器（LO）信号调制时，上变频信号具有以下时域表达式：s （t） =ATX·g（t ） ·cos（ωLO·t）（8）其中，ATX是输出载波调制脉冲的幅度，其单位为电压，取决于整个发射机的总增益、脉冲幅度和LO信号的强度。测量的FBW功率峰值因此，在接收器（RX）端的该TRPC分量脉冲的Δ T被公式化为直接馈入I和Q路径上的宽带有源巴伦。基于IQ调制器的双平衡上变频混频器实现了上变频。最后，上变频的差分RF信号通过具有可变增益控制的差分到单端（D-to- S）转换器转换为单端信号基带输入端的直流偏移导致载波泄漏的增长，这不仅恶化了误差矢量幅度（EVM），而且还提高了接近FCC UWB掩模的发射电平。3.1. 宽带有源巴伦P峰值，RRC=2S2（t）dt（9）TP Zload·TP无源巴伦通常占据大的物理面积，其中Zload是RX端仪器或天线的负载阻抗，理想情况下为50欧姆。最后，完全符合FCC UWB发射限制的TRPC-UWB输出信号的精确幅度ΔTX在数学上被导出并总结在表1中。输出信号的最大幅度表明，考虑到LO信号的典型峰峰值幅度为1V，发射机的总体增益应相对较小且可调。3. 详细的变送器设计如图3所示，占据从DC到大于1200 MHz的带宽的基带脉冲簇是PP∫−Y. Huo等人/ICT Express 3（2017）142145引入了前端损耗，从而增加了NF。为此，设计了一种低噪声有源巴伦，将单端基带信号转换为差分信号。如图4所示，多晶硅电阻提供偏置，输入信号被分成两条路径。在第一条路径中，M1、M3和R1形成具有NMOS电流源的共栅（CG）放大器; CG具有正电压增益。在第二路径中，配置共源共栅结构。M4是配置在CS级中的输入装置，并且M2形成CG级。这两条路径由C2分隔，C2既起到隔直作用，又起到相位/幅度补偿作用。通过使用这种拓扑结构，CG晶体管的噪声和失真都被消除[10]。146Y. Huo等人/ICT Express 3（2017）142见图4。宽带巴伦与放大阶段突出显示。图五. （a）上变频混频器和（b）D到S转换器。3.2. 上变频混频器上变频混频器对整个系统EVM有着至关重要的影响。在这里，双平衡吉尔伯特是由于低偶数阶失真产品的优点，高输入二阶截点（IIP2），端口间隔离良好。如图5（a）所示，上变频混频器由输入跨导级、LO开关和无源负载组成。一个准差分对与交流接地接触的源必须完成跨导级，因为这种拓扑结构可以实现良好的三阶截点（IP3）。PMOS晶体管M7、M8和M9仅在LO信号的零交叉发生时才动态地将电流注入到M5和M6因此，LO信号被偏置在某个电压，这使得在过零期间仅M3导通电流注入技术显著降低了转换到RF输出的它还增加了M5和M6的偏置电流，而不改变M1、M2、M3和M4的偏置电流 [11]。因此，IP3性能也得到了改善。见图6。 发射器芯片和测试PCB板。3.3. 差分-单端转换器差分到单端（D2S）转换器最终将差分RF信号组合成单端信号，其中可调谐增益由偏置电压控制。通过采用均流技术，最大电流消耗，灰减少到小于4毫安。如图5（b）所示，电感器L1用作与D2S转换器的输出处的寄生电容器谐振的峰值元件。4. 制造和测量结果发射机前端芯片采用成本效益高的IBM 130 nm CMOS工艺制造，如图6所示。该过程为RF设计提供了特殊的优化。总面积约为0.55 mm2，TRPC-UWB PCB板采用低成本FR-4材料设计。为了验证，如图7（c）所示，Tektronix7052任意波形发生器（AWG）被编程为以如表1中指定的从10到300 Mbps变化的符号速率生成基带TRPC序列。在1.2 V电源下，整个芯片在使用7.884 GHz载波频率的最高速度模式下工作时，最大电流消耗为24.5 mA。此外，在低速模式下工作时，电流可低至19.5 mA。基于频谱测量，图7（b）示出了在3.827 GHz载波频率下工作在低速模式的TRPC-UWB发射机，而图7（c）呈现了当其实现250-Mbps数据速率时在7.884 GHz处的高载波频率的情况。请注意，在1.0 GHz和1.5 GHz之间观察到一些小的过冲，可以通过在发射机输出端放置高通滤波器（HPF）来滤除。图8（a）示出了当发射机工作在10-Mbps模式时的时域测量。绿色波形表示基带信号，而黄色波形表示TRPC-UWB TX输出。在图8（b）中，Np减小到4，Tp缩短到0.85 ns，这导致更高的速度达到100 Mbps。此外，在图8（c）中，为了实现300Mbps的更高速度，NP被设置为2，并且Tp被减小到0.85ns，使得可以保持合理的关于RF测试，在3.71 GHz下测得的载波泄漏抑制为37.1 dBc，单边带抑制（SSBS）为28.9 dBc。在整个宽工作带宽上，载波抑制优于31.6 dBc，而SSBS高于22.4 dBc。Y. Huo等人/ICT Express 3（2017）142147=d见图7。（a）TRPC-UWB发射机实验室测试设置，（b）用3.827-GHz载波频率调制并以10-Mbps数据速率工作的TRPC-UWB TX输出，以及（c）用7.884-GHz载波频率工作并以250-Mbps数据速率工作。见图8。（a）在载波频率为3.827-GHz的10-Mbps模式下，（b）在载波频率为7.88-GHz的100-Mbps模式下，以及（c）在载波频率为7.884-GHz的300-Mbps模式下，TRPC基带信号和TRPC-UWB TX输出的测量时域波形。(For对于图中颜色的解释，请读者参考本文的网络版本。）表2性能总结及与以往作品的比较。参考[1]第一章[二]《中国日报》[3]第一章[12个][9][13个国家]这项工作CMOS工艺130纳米180纳米90纳米90纳米65纳米180纳米130纳米电源Vdd（V）1.21.01.01.21.21.81.2功耗PTX（mW）2.20.17512.13260.3529.4bRF带宽（GHz）3–50.25-0.652.4-4.63–53.1-4.83.13.1-8.2Pulse width（ns）1.02.50.9-1.51.0822a0.85/1.65调制方案OOKOOKBPSKOOKPPM+DB+BPSKOOKTRPC最大数据速率（Mbps）10058606720010300能源效率Ed（pJ/Pulse）223514.4303035038.4一 从测量的光谱估计。b发射机片内前端。值得一提的是，当载波频率超过8.2 GHz时，由于载波泄漏抑制性能恶化和TX增益下降，LO泄漏明显变大，调制信号的幅度也变弱。因此，根据时域测量，UWB TX信号“沉浸”在噪声中，特别是当在载波频率大于8.2GHz的高速模式下工作时。同时，增加LO功率无助于提高信噪比（SNR），但会导致更大的LO泄漏，这会使FCC屏蔽在感兴趣的频率处因此，报告的RF带宽为3.1至8.2 GHz。最后，表2列出了与其他报告研究的比较。此外，能量效率Ed使用以下等式定义，其单位为皮焦耳/脉冲。E一个工作周期的平均功耗。（10）脉冲总数当TRPC-UWB发射机工作在250-Mbps模式，Np= 3时，能量效率最高，为38.4 pJ/pulse。5. 结论提出了一种基于TRPC调制方案的超宽带发射机样机。通过揭示设计方法以及数据速率、脉冲群特性和FCCUWB发射极限之间的关系，设计并验证了一种基于130nm CMOS宽带IQ调制器的TRPC-UWB在我们的研究中，UWB发射机实现了一个可变的数据速率为10至300 Mbps在一个非常宽的工作频率，具有良好的载波泄漏抑制，边带抑制和线性度，同时消耗低功耗，并实现了非常好的能源效率。致谢作者感谢CMC微系统，加拿大自然科学和工程研究委员会（NSERC）在261524号拨款下对本项目的支持，以及NASA喷气推进实验室的Adrian Tang博士进行了有价值的讨论。148Y. Huo等人/ICT Express 3（2017）142利益冲突作者声明，本文中不存在利益冲突引用[1] L.霞湖，加-地Xia，K. Shao，H. Chen，Y. Huang，Z. Hong，P.Y.蒋，015-nJ/b 3- 5-GHz IR-UWB系统与频谱可调发射器和合并相关器非相干接收器，IEEE Trans. Microw.理论技术59（4）（2011）1147-1156。[2] J. Mao ， Z. Zou ， L.L. Zheng ， A Subgigahertz UWB transmitterwithwireless clock harvesting for RF powered applications ， IEEETrans. 回路系统II：失效简报61（5）（2014）314-318。[3] S. Mir-Moghtadaei、黑腹拟步行虫A. Fotowat-Ahmady，A. Nezhad，W.塞尔代恩河90 nm-CMOS IR-UWB BPSK发射机与频谱可调谐性，以改善和平UWB窄带共存，IEEE的电路系统。规则爸爸61（6）（2014）1836-1848。[4] X. 东湖，澳-地Jin，P.李文，一种新的超宽带传输参考脉冲群系统，北京大学学报，2001。Technol.57（5）（2008）3217-3224。[5] Y.霍、X。Dong，P. Lu，A TRPC-UWB transmitter front-end basedon wideband IQ modulator in 013-µm CMOS ， in ： Proc. of IEEEICSICT，2014-10-28/2014-10-31，pp. 公元1393-1395年。[6] Z. Liang ， X.Dong ， G.Zhang ， M.Rong ， Phase noise analysis inpassband transmitted reference pulse cluster UWB communications ，in：Proc. IEEE VTC，Sep. 2014，pp.一比五[7] B. 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