1.本发明涉及无线通讯领域，尤其涉及一种多级可调谐的超宽带发射机。
背景技术：2.2002年，美国联邦通信委员会(fcc)将-10db带宽大于500mhz或其占中心频率超过20％的信号定义为超宽带信号，规定了0～960mhz和3.1ghz～10.6ghz两个频段作为民用超宽带通信，并要求该超宽带信号的辐射功率谱密度低于-41.3dbm/mhz。超宽带信号可在基带上运行，依赖于纳秒级的时域脉冲波形，无需正弦波载波或中频处理。根据上述特性，超宽带无线电通信可应用于穿墙成像、精确定位和医疗监测等，具有宽带宽、高精度、低功耗、大数据量的优势。
3.超宽带发射机需要在电路复杂度、系统功耗、频谱效率、输出幅度等方面平衡好折衷关系，以满足fcc频谱掩膜的要求，具体表现为超宽带信号波形、调制方式以及产生方法的择优选择。常用的超宽带信号波形主要有矩形、三角、半余弦和高斯超宽带波形。其中高斯波形具有最高频谱效率，为38％，但其电路实现较为复杂；三角波形频谱效率为29.5％，电路实现相对简单。常用的超宽带调制方式有开关键控(ook)、相位键控(psk)、脉冲幅度调制(pam)、脉冲位置调制(ppm)。其中ook调制的电路结构简单，传输速率快；psk调制的抗噪声能力强、收发电路结构复杂。超宽带信号产生方法主要包括脉冲滤波整形技术、多路脉冲边沿合成技术以及压控振荡技术。其中滤波整形需要用到大量电感电容，占用很大的芯片面积；多路脉冲边沿合成需要对延时有精确的控制；压控振荡技术需要较高的可靠性和较快的起振速度。为了应对工艺偏差、供电电压、工作温度及上述折衷关系带来的影响，在设计过程中增加超宽带发射机的可调谐性尤为重要。
技术实现要素：4.本发明目的在于提供一种多级可调谐的超宽带发射机，以实现其可调谐性。
5.本发明所述一种多级可调谐的超宽带发射机，包括依次信号连接的窄脉冲产生电路、三角包络电路、压控环形振荡电路、输出缓冲电路以及天线；
6.所述窄脉冲产生电路：用于根据时钟信号将基带数据信号进行处理，产生差分的极窄脉冲信号；根据第一控制电压调节极窄脉冲信号的脉冲宽度；
7.所述三角包络电路：用于将所述窄脉冲信号通过积分转换为三角脉冲信号；
8.所述压控环形振荡电路：用于根据所述三角脉冲信号以互补开关形式开启振荡，产生频率可调的超宽带信号；根据第二控制电压调节超宽带信号的中心频率；
9.输出缓冲电路：用于调整所述超宽带信号频谱幅度，输出符合fcc频谱标准的超宽带射频信号；根据第三控制电压调节超宽带射频信号的幅度；
10.所述天线：用于将所述超宽带射频信号进行发射。
11.所述窄脉冲产生电路包括归零码转换单元、延时控制单元、第一延时模块、第二延时模块、三个异或门以及一个与门；
12.所述归零码转换单元第一输入端连接基带数据信号、第二输入端连接时钟信号，输出端分出三条支路；第一支路接入所述与门的第一输入端，第二支路经过第一延时模块后接入第一异或门的第一输入端，第三支路经过第二延时模块后接入第一异或门的第二输入端；所述第一异或门输出端接入所述与门的第二输入端；
13.第二异或门的第一输入端连接电源电压、第二输入端连接所述与门的输出端，输出端输出所述极窄脉冲信号的反相信号；第三异或门的第一输入端所述与门的输出端、第二输入端接地，输出端输出所述极窄脉冲信号的同相信号；
14.所述延时控制单元根据第一控制电压调节所述第二延时模块的延时时间。
15.所述延时控制单元包括第一电容、两个pmos管和两个nmos管；
16.第一pmos管的源极连接电源电压、栅极和漏极共点后连接第二pmos管的源极，第二pmos管的漏极接地；第二pmos管的栅极连接第一控制电压；第一nmos管的漏极连接所述第二延时模块的控制端，栅极连接第一pmos管的漏极，第一nmos管的源极连接第二nmos管的栅极；第二nmos管的源漏共地；
17.所述第一电容一端连接第一pmos管栅极，另一端接地。
18.所述极窄脉冲信号脉冲宽度的调节幅度为纳秒级。
19.所述压控环形振荡电路包括一个偏置电路、两个pmos管、两个nmos管和n-1个串联的反相器；其中n为大于1的奇数；
20.电源电压连接第三pmos管源极，第三pmos管漏极连接第四pmos管源极，第四pmos管漏极连接第四nmos管漏极，第四nmos管源极连接连接第三nmos管漏极，第三nmos管源极接地；所述第三pmos管和第三nmos管的栅极共点后连接所述n-1个串联的反相器；
21.所述三角脉冲信号的反相信号连接所述第四pmos管的栅极；
22.所述三角脉冲信号的同相信号连接所述第四nmos管的栅极；
23.所述偏置电路根据第二控制电压调节所述n-1个串联的反相器的动态充放电电流。
24.本发明所述一种多级可调谐的超宽带发射机，其优点在于，实现了脉冲宽度、中心频率以及幅度可调的可调谐性功能，能应对工艺偏差等因素对频率产生的不良影响。
附图说明
25.图1是本发明所述超宽带发射机的结构示意图。
26.图2是本发明所述窄脉冲产生电路的结构示意图。
27.图3是本发明所述压控环形振荡电路的结构示意图。
28.图4是在tsmc 65nm工艺下，本发明所述超宽带发射机的超宽带射频信号时域波形图。
29.图5是在tsmc 65nm工艺下，本发明所述超宽带发射机的超宽带射频信号频谱波形图。
30.附图标记：
31.vctrl_1-第一控制电压，vctrl_2-第二控制电压，vctrl_3-第三控制电压；
32.data-基带数据信号，clk-时钟信号，p_p-极窄脉冲信号的同相信号，p_n-极窄脉冲信号的反相信号，t_p-三角脉冲信号的同相信号，t_n-三角脉冲信号的反相信号，x-超宽
带信号，y-超宽带射频信号；
33.xor1-第一异或门，xor2-第二异或门，xor3-第三异或门；
34.pm1-第一pmos管，pm2-第二pmos管，pm3-第三pmos管，pm4-第四pmos管；
35.nm1-第一nmos管，nm2-第二nmos管，nm3-第三nmos管，nm4-第四nmos管；
36.a点-第一pmos管栅极、漏极，第二pmos管源极和第一nmos管栅极的共点。
具体实施方式
37.如图1至图3所示，本发明所述一种多级可调谐的超宽带发射机具有结构简单、稳定性强、频谱可调、功耗低的特点。其包括依次信号连接的窄脉冲产生电路、三角包络电路、压控环形振荡电路、输出缓冲电路以及天线。
38.所述窄脉冲产生电路：用于根据时钟信号将基带数据信号进行处理，产生差分的极窄脉冲信号。根据第一控制电压调节极窄脉冲信号的脉冲宽度。
39.所述三角包络电路：用于将所述窄脉冲信号通过积分转换为频谱效率优异的三角脉冲信号。
40.所述压控环形振荡电路：用于根据所述三角脉冲信号以互补开关形式开启振荡，产生频率可调的超宽带信号。根据第二控制电压调节超宽带信号的中心频率，将三角脉冲信号上变频为中心频率为4ghz超宽带射频信号。
41.输出缓冲电路：用于调整所述超宽带信号频谱幅度，输出符合fcc频谱标准的超宽带射频信号。根据第三控制电压调节超宽带射频信号的幅度。
42.所述天线：用于将所述超宽带射频信号进行发射。
43.所述窄脉冲产生电路包括归零码转换单元、延时控制单元、第一延时模块、第二延时模块、三个异或门以及一个与门。
44.所述归零码转换单元第一输入端连接基带数据信号、第二输入端连接时钟信号，输出端分出三条支路。第一支路接入所述与门的第一输入端，第二支路经过第一延时模块后接入第一异或门的第一输入端，第三支路经过第二延时模块后接入第一异或门的第二输入端。所述第一异或门输出端接入所述与门的第二输入端。
45.第二异或门的第一输入端连接电源电压、第二输入端连接所述与门的输出端，输出端输出所述极窄脉冲信号的反相信号。第三异或门的第一输入端所述与门的输出端、第二输入端接地，输出端输出所述极窄脉冲信号的同相信号。
46.所述延时控制单元根据第一控制电压调节所述第二延时模块的延时时间。
47.所述延时控制单元包括第一电容、两个pmos管和两个nmos管。
48.第一pmos管的源极连接电源电压、栅极和漏极共点后连接第二pmos管的源极，第二pmos管的漏极接地。第二pmos管的栅极连接第一控制电压。第一nmos管的漏极连接所述第二延时模块的控制端，栅极连接第一pmos管的漏极，第一nmos管的源极连接第二nmos管的栅极。第二nmos管的源漏共地。
49.所述第一电容一端连接第一pmos管栅极，另一端接地。
50.所述极窄脉冲信号脉冲宽度的调节幅度为纳秒级。
51.所述压控环形振荡电路包括一个偏置电路、两个pmos管、两个nmos管和n-1个串联的反相器。其中n为大于1的奇数。
52.电源电压连接第三pmos管源极，第三pmos管漏极连接第四pmos管源极，第四pmos管漏极连接第四nmos管漏极，第四nmos管源极连接连接第三nmos管漏极，第三nmos管源极接地。所述第三pmos管和第三nmos管的栅极共点后连接所述n-1个串联的反相器。
53.所述三角脉冲信号的反相信号连接所述第四pmos管的栅极。
54.所述三角脉冲信号的同相信号连接所述第四nmos管的栅极。
55.所述偏置电路根据第二控制电压调节所述n-1个串联的反相器的动态充放电电流。
56.所述输出缓冲电路是常规结构。
57.本发明所述一种多级可调谐的超宽带发射机工作原理如下：
58.差分的极窄脉冲信号为ook信号。
59.基带数据信号和时钟信号输入到归零码转换单元，该单元由d触发器和与门构成，从而将基带数据信号和时钟信号同步，实现基带数据信号归零。归零后的基带数据信号输入两路延时模块。延时模块均由偶数个反相器级联组成，其中第二延时模块的延时时间受到延时控制单元的控制。第一延时模块和第二延时模块再通过第一异或门和与门and产生脉冲宽度为二者延时差的极窄脉冲信号。极窄脉冲信号最后分别与电源电压“1”和地“0”异或，产生同步异相的两路极窄脉冲信号。
60.其中，述延时控制单元的工作原理：通过改变第一控制电压以调节点a的电压，从而控制第一nmos管的导通电流，该电流对第二nmos管的内部电容进行充放电，实现对第二延时模块延时时间的精确控制。二极管接法的第一pmos管作为电阻负载，限制第一nmos管的栅极电压，防止其导通电流过大，第一电容作为隔直电容存在。
61.三角包络电路通过积分将极窄脉冲转换为三角脉冲，压控环形振荡电路将三角脉冲上变频为超宽带射频信号。
62.所述压控环形振荡电路的第三nmos管和第三pmos管构成一级反相器，这一级反相器级联后接的n-1个反相器，其中n为大于1的奇数。在本实施例中，将级数n设置为3。第四nmos管和第四pmos管作为开关管，三角脉冲信号t_p和t_n作为开关信号分别对应连接到两管的栅极，因而压控环形振荡电路仅在短暂的时间内工作，有效地降低了整体功耗。第二控制电压通过控制偏置电路，改变环形振荡器的动态充放电电流，进而控制振荡频率，这种振荡频率调节方法响应时间短，能够快速起振。
63.所述输出缓冲电路可通过第三控制电压调整超宽带射频信号的频谱输出摆幅，以满足fcc频谱掩膜的要求。
64.超宽带射频信号的脉冲宽度、中心频率以及输出功率幅度可分别通过改变控制电压vctrl_1、vctrl_2和vctrl_3来调节。多级可调谐的超宽带发射机产生的超宽带射频信号具有很强的灵活性和稳定性，能够应对工艺偏差、供电电压、工作温度对波形和频率的影响。
65.为了进一步验证本发明所述超宽带发射机的工作性能，通过tsmc 65nm工艺进行实物验证，如图4和图5所示。从图4可以看出，超宽带射频信号的脉冲宽度为1ns，周期为4ns，对应的数据速率为250mbps。从图5可以看出，超宽带射频信号的中心频率为4ghz，-10db带宽为3-5ghz，旁瓣抑制率为30db。三角包络电路能有效地提高超宽带射频信号的频谱效率，增强对旁瓣的抑制能力。
66.对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
技术特征：1.一种多级可调谐的超宽带发射机，其特征在于，包括依次信号连接的窄脉冲产生电路、三角包络电路、压控环形振荡电路、输出缓冲电路以及天线；所述窄脉冲产生电路：用于根据时钟信号将基带数据信号进行处理，产生差分的极窄脉冲信号；根据第一控制电压调节极窄脉冲信号的脉冲宽度；所述三角包络电路：用于将所述窄脉冲信号通过积分转换为三角脉冲信号；所述压控环形振荡电路：用于根据所述三角脉冲信号以互补开关形式开启振荡，产生频率可调的超宽带信号；根据第二控制电压调节超宽带信号的中心频率；输出缓冲电路：用于调整所述超宽带信号频谱幅度，输出符合fcc频谱标准的超宽带射频信号；根据第三控制电压调节超宽带射频信号的幅度；所述天线：用于将所述超宽带射频信号进行发射。2.根据权利要求1所述一种多级可调谐的超宽带发射机，其特征在于，所述窄脉冲产生电路包括归零码转换单元、延时控制单元、第一延时模块、第二延时模块、三个异或门以及一个与门；所述归零码转换单元第一输入端连接基带数据信号、第二输入端连接时钟信号，输出端分出三条支路；第一支路接入所述与门的第一输入端，第二支路经过第一延时模块后接入第一异或门的第一输入端，第三支路经过第二延时模块后接入第一异或门的第二输入端；所述第一异或门输出端接入所述与门的第二输入端；第二异或门的第一输入端连接电源电压、第二输入端连接所述与门的输出端，输出端输出所述极窄脉冲信号的反相信号；第三异或门的第一输入端所述与门的输出端、第二输入端接地，输出端输出所述极窄脉冲信号的同相信号；所述延时控制单元根据第一控制电压调节所述第二延时模块的延时时间。3.根据权利要求2所述一种多级可调谐的超宽带发射机，其特征在于，所述延时控制单元包括第一电容、两个pmos管和两个nmos管；第一pmos管的源极连接电源电压、栅极和漏极共点后连接第二pmos管的源极，第二pmos管的漏极接地；第二pmos管的栅极连接第一控制电压；第一nmos管的漏极连接所述第二延时模块的控制端，栅极连接第一pmos管的漏极，第一nmos管的源极连接第二nmos管的栅极；第二nmos管的源漏共地；所述第一电容一端连接第一pmos管栅极，另一端接地。4.根据权利要求2所述一种多级可调谐的超宽带发射机，其特征在于，所述极窄脉冲信号脉冲宽度的调节幅度为纳秒级。5.根据权利要求2所述一种多级可调谐的超宽带发射机，其特征在于，所述压控环形振荡电路包括一个偏置电路、两个pmos管、两个nmos管和n-1个串联的反相器；其中n为大于1的奇数；电源电压连接第三pmos管源极，第三pmos管漏极连接第四pmos管源极，第四pmos管漏极连接第四nmos管漏极，第四nmos管源极连接连接第三nmos管漏极，第三nmos管源极接地；所述第三pmos管和第三nmos管的栅极共点后连接所述n-1个串联的反相器；所述三角脉冲信号的反相信号连接所述第四pmos管的栅极；所述三角脉冲信号的同相信号连接所述第四nmos管的栅极；所述偏置电路根据第二控制电压调节所述n-1个串联的反相器的动态充放电电流。
技术总结本发明公开一种多级可调谐的超宽带发射机，涉及无线通讯领域，针对现有技术中工艺偏差等因素带来精度及可靠性问题而提出本方案。包括依次信号连接的窄脉冲产生电路、三角包络电路、压控环形振荡电路、输出缓冲电路以及天线；窄脉冲产生电路将基带数据信号和时钟信号处理产生纳秒级宽度可调的OOK极窄脉冲信号；三角包络电路将窄脉冲信号通过积分转换为三角脉冲信号；压控环形振荡电路由三角脉冲信号以互补开关形式开启振荡产生频率可调的超宽带信号；输出缓冲电路通过电压控制调整超宽带信号频谱幅度输出符合FCC频谱标准的超宽带射频信号。优点在于实现了脉冲宽度、中心频率以及幅度可调的可调谐性功能，能应对工艺偏差等因素对频率产生的不良影响。因素对频率产生的不良影响。因素对频率产生的不良影响。
技术研发人员：李斌 许建城 吴朝晖
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：2022.07.11
技术公布日：2022/11/1
