高速数字式脉冲超宽带无线收发系统的研究及实现

摘要

随着平板电脑、智能手机、数字机顶盒、数码相机、DVD、数码摄像机、HDTV等电子消费产品的广泛普及，电子产品之间的短距离高速无线通信，一直是研究的热点。脉冲超宽带(IR－UWB)系统采用极窄脉冲传输数据。这种无载波调制的通信方式具有低功耗、低复杂度的优点，一直受到学术界和科研机构的关注。当前学术界对于IR－UWB的研究主要集中在速率为10MHz以下、甚至几KHz的生物医疗、测距、定位等方面的应用。UWB可高达500Mb/s的传输速率优势，是其它短距离无线传输技术不能相比的。业界对于高速数据传输的UWB研究，主要集中在OFDM方案和DS－CDMA方案。采用这两种方案，是由于广泛应用于窄带通信的OFDM技术和DS－CDMA技术已经相当成熟；但是其缺乏创新性。本文重点研究应用于短距离高速数据传输的IR－UWB系统。由于传统IR－UWB架构对于高速传输引起的码间干扰(ISI)无法处理，不适用于高速数据传输。本文借鉴SDR的设计思想，重点提出了一种低精度、欠采样、数字式脉冲超宽带高速无线收发机系统。
　　 数字式IR－UWB的接收机与发射机均不需要超宽带的混频器，这样可以降低射频电路设计难度。在接收机里，超宽带的射频信号经过LNA和VGA放大后，直接由ADC采用4bit以下的低精度、低于奈圭斯特的欠采样速率采样，所有的信号处理交由数字基带完成。该架构具有低功耗、低复杂度的优点。在架构研究的基础上，本文系统地研究了基于训练码的超宽带数字基带实现算法，给出了信道估计、同步、信道均衡等实现算法，并提出基于训练码的极性序列同步与门限信道估计联合算法，该算法简单有效。本文给出了一套完整的系统解决方案，包括数字基带的实现算法和射频电路的实现方法，并对系统建模和仿真，论证了欠采样、低精度、数字式IR－UWB系统的可行性。
　　 最后，针对提出的系统方案，本文设计了一个1bit的极低精度、4224MHz欠采样速率的、BPSK调制的IR－UWB收发机系统。物理传输最高速率为132Mb/s，有效数据传输速率为114Mb/s。收发机射频电路采用SMIC0.13μm CMOS工艺实现并流片测试，电源电压为1.2V。收发机的能耗较低，在132M/b的传输速率下，分别为18.2pJ/pulse和330pJ/pulse。发射机利用RLC电路来整形频谱，通过连续调节电阻R实现脉冲参数连续可调。发射机芯片测试结果表明：脉冲频谱在3～5GHz区间符合FCC频谱规定；脉冲宽度在900ps～1600ps之间；脉冲幅度为110mV～370mV。接收机射频电路将LNA、VGA、ADC、PLL、时钟分频器等集成。ADC采用时钟交错的16路比较器并行组成，比较器的实际工作频率降为264MHz。芯片测试结果表明：LNA和VGA增益为16dB～28dB；噪声系数小于3.7dB；ADC为1bit和4224MHz。从LNA输入端到ADC的16路输出通道，测试正常，可以为数字基带提供264MHz的16路并行采样数据。数字电路将整个系统的数字基带算法集成。同时，嵌入了一个MCU软IP核，以辅助控制和编码处理。数字基带采用FPGA开发板进行功能验证，验证结果表明：在未同步的情况下，整个基带电路能够正确地自动复位；并能够正确地解调数据，数据误码率为5×10-4。整个基带系统采用SMIC0.13μm CMOS工艺实现集成，工作频率为264MHz，总功耗为902.3mW。