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1、目 录第1章 绪论21.1 引言21.2 超宽带无线通信技术21.3超宽带技术的发展与现状31.4 超宽带收发机概述41.5 本文的组织结构6第2章 三级级联Colpitts振荡超宽带混沌信号产生电路设计62.1 混沌理论基础62.2 多混沌载波超宽带系统82.3 发射机102.4 接收机102.5 仿真与结果112.6 结束语11第3章 2.4GHz低压低噪声高线性度的LNA电路设计113.1 工艺库的元器件123.2 差分cascode电路123.2.1 差分电路的设计123.2.2 差分电路的电路级仿真143.3 单端cascode电路163.3.1 单端电路的设计163.3.2 单端电
2、路的电路级仿真193.3.3 单端电路的版图设计、提取及后模拟223.4 电路级仿真和后模拟仿真总结253.5 与其它电路的比较25结束语27附录28参考文献38第1章 绪论1.1 引言根据美国联邦通信委员会(FCC)定义的超宽带(UWB)设备是指带宽比大于0.2或实际带宽不小于500 MHz的系统，带宽比的表达式为，其中 和分别是-10 dB辐射点的高端与低端频率超宽带系统和传统的窄带系统相比具有高传输速率、低功耗、很强抗干扰性和抗截获性等优点，可广泛应用于车载雷达、成像系统、测量定位系统和高速无线LAN等混沌信号是指确定性系统产生的类噪声信号，拥有良好的自相关、互相关特性由于它对初值敏感，
3、容易产生数量庞大互不相干的信号，所以UWB混沌通信系统具有高保密性和低截获率等优点1-2首先使用三级级联Colpitts振荡器构成了超宽带混沌信号产生电路，该电路结构简单，所产生的超宽带混沌信号具有宽阔的频谱和良好的自相关性，接着提出由该电路构造的多混沌载波超宽带系统的结构，并对不同的通信速率下的误码率进行了仿真1.2 超宽带无线通信技术超宽带（UWB）无线通信是一种无载波通信技术，又被称为脉冲无线电（Impulse Radio），任何无线电系统，只要它满足下面的条件之一就称为超宽带系统： 其中， 和 分别是信号能量功率谱密度（PSD）的上限频率和下限频率， 和都定义在PSD 衰减为-10dB
4、 的辐射点上。由于超宽带无线通信技术有着近似噪声的功率信号，具有高保密性、高速率、低功耗等特点，为下一代消费电子设备高速率无线连接提供了十分理想的解决方案;同时它是基于共用频段的思想，能够与其它现存的传统无线技术共享频带，也为解决日趋紧张的频谱资源难题提供了新的解决方案，因此被人们所广泛关注。现有研究中出现了三种主要的UWB技术，第一种是跳时超宽带(TH-UWB)即脉冲无线电的传统体系，是迄今为止最早UWB技术，直到现在仍然是一种重要的技术;第二种UWB技术称为直接序列扩频超宽带技术(DS-UWB)，该方案由美国飞思卡尔(FrceScale)半导体公司首先提出;第三种UWB技术是基于正交频分复
5、用技术的UWB体系，称之为多频带正交频分复用超宽带(MB-OFDM UWB)，该方案由美国Intel公司和美国德州仪器(TI)公司为首的多带OFDM联盟(MBOA，Multi-Band OFDM Alliance)所提出。UWB 信号的频带极宽，一般在几百MHz 以上甚至会更高，利用如此宽的频带，可以实现数据的高速传输，这可由山农公式给出解释，山农公式如下所示：式中， B 为信道带宽， 为高斯白噪声功率谱密度， P 为信号功率。可知，增大通信容量有两种实现方法：一是通过增加信号功率P ，也就是提高信噪比；二是增大传输带宽B 。由式信道容量C 与信道带宽呈线性增长，与信号功率P 呈较为缓慢的对数
6、增长，因此增加信号的带宽比增加信号的功率更有效。UWB 无线电技术就是通过增大传输带宽来获得高的传输速率的。处理增益是 UWB 系统的一个重要特性，处理增益G 也称扩频增益(SpreadingGain)，它定义为频带带宽（扩频技术占用的总带宽）与传输数据所需要的最小带宽之比.对于UWB 通信系统，它的处理增益可以表示为：处理增益(dB)=10log(1/占空比)+10log（脉冲重复速率/信息传输速率）其中，占空比(duty cycle)=脉冲持续时间(dutation)/脉冲重复周期，脉冲重复速率的单位为脉冲/秒(pulses/s)，信息传输速率的单位为比特/秒(bit/s )，所以，脉冲重
7、复速率/信息传输速率的单位为脉冲/比特(pulse/bit)。从这个表达式中可以看出，当脉冲占空比小，或每比特时间里发射的脉冲数多，都可以使系统的处理增益得到提高。而UWB 信号恰好具有低占空比，每比特数据中含有多个脉冲的特点，所以，UWB 系统具有较强的抗干扰能力，可以工作在低信噪比的环境下。1.3超宽带技术的发展与现状(1) UWB 技术在国外发展及现状美国联邦通讯委员(FCC)会解除了UWB 传输在某些方面的限制。2002 年2月，FCC 通过了超宽带在三个民用领域应用的初步规范：1)地质勘探及可穿透障碍物的传感器等(Imaging System)；2)汽车防冲撞传感器等(Vehicle
8、 RadarSystems)；3)家电设备及便携终端之间的无线数据通信等(Communication andMeasurement Systems)。2003 年2 月FCC 又对该规范进行了确认，并局部放宽了对成像系统频带的限制，这是UWB 走向商业化的一个重要里程碑，而且FCC会继续探讨和完善UWB 技术，并有可能进一步放宽UWB 技术应用标准方面的限制。2003 年12 月，在美国新墨西哥州的阿尔布克尔市举行的IEEE 有关UWB标准的大讨论。 关于UWB 技术有两种相互竞争的标准，一方是以 Intel 与德州仪器为首支持的MBOA 标准，一方是以摩托罗位为首的DS-UWB 标准，两者的
9、分歧体现在UWB 技术的实现方式上，前者采用多频带方式，后者为单频带方式。由IEEE 802.15.3a 工作组主持召开的标准大讨论会议上对UWB 技术进行投票选举其标准，MBOA 获得60%的支持，DS-UWB 获取40%的支持，两者都没有达到成为标准必须达到75%选票的要求。然而 2006 年初在夏威夷举行的IEEE 802 会议上标准化任务组宣布解散。随着工作组解散，何种标准能获胜就要看谁能得到市场的认可了。MBOA 方案的这类通信系统采用OFDM 技术，虽然符合FCC 对超宽带系统的定义，但由于其接近常规的正弦系统，己经超出了冲激无线电的范畴。因此本文不对这类超宽带系统作专门的讨论，以
10、后本文提到的超宽带系统，如不作特别说明，均指冲激无线电系统。(2)UWB 技术在国内发展及现状国内有关大学和研究机构对 UWB 无线通信系统的研究起步较晚，还没有完全具备UWB 产品的研发和生产的能力，缺乏该技术的自主知识产权8。我国在2001 年9 月初发布的“十五”国家863 计划通信技术主题研究项目中，首次将“超宽带无线通信关键技术及其共存与兼容技术”作为无线通信共性技术与创新技术的研究内容，鼓励国内学者加强这方面的研究工作9。2004 年我国将UWB无线电接入理论与关键技术列入国家自然科学基金重点项目，加大研究力度且力求在该领域取得理论和关键技术的突破，构建UWB 无线通信网络演示系统
11、，为新一代高速移动PAN 的构建奠定基础。国内通信行业也对 UWB 无线通信技术给予了极大的投入与关注。中国超宽带联盟还积极参与国际行业标准的制定工作。2004 年9 月，“中国超宽带无线技术论坛”在北京成立。海尔科技有限公司、创维集团、海信集团有限公司、中兴通讯股份有限公司等国内著名企业也对UWB 产生了浓厚的兴趣，并与国际企业合作积极参与UWB 技术的研发和商品化推广。1.4 超宽带收发机概述无线通信利用大气空间作为传输介质来实现信息传输。信息的传输是通过天线来辐射和接收的，而只有当天线的长度与频率波长相比拟时，才能形成比较有效率的辐射和接收。高频信号在大气传输中不易衰减，为了实现远距离无
12、线通信，很有必要将频率变换到高频进行传输。在无线通信收发机拓扑结构中，比较常用的结构有超外差式（super-heterodyne）、直接变频（Direct-Conversion）或者是零中频（Zero-IF）、低中频（Low-IF）和数字中频（Digital-IF）等。超外差式接收机尽管有比较好的接收性能，但需要片外滤波器以抑制镜像频率，增加了设备复杂性以及成本。零中频接收机结构中，本振频率等于载波频率，可直接将输入信号变换为射频信号。与超外差式结构相比较，零中频发射机结构具有以下特点：第一，只需要通过一次频率变换，不需要片外的分立滤波器；第二，由于载波频率和本振频率相等，因此不存在镜像频率，
13、比较适合于超宽带低成本低功耗系统的应用。低中频收发机结构性能和特点介于超外差式和零中频之间。数字中频结构与上述结构不同，输出中频信号直接由高速、高分辨率、低噪声性能的模数变换器（Analog-to-Digital Converter, ADC）采样，采样后由数字混频器进行I/Q解调、抽取、滤波，送往基带处理部分4。数字中频结构能有效的减少收发机中的模拟器件，有效避免I/Q信号的幅度不平衡、相位不平衡，具有简化收发机结构，易于集成等优点。 图1.2 超宽带收发射机结构无线通信系统中，发射和接收是可逆的过程。由于来自基带处理部分的信号能量较强，降低了后续电路对噪声以及系统灵敏度的要求，所以发射机结
14、构相对接收机结构较为简单。但发射机却是无线通信系统中功耗最大的，因为必须把信号以一定的能量通过天线辐射出去。因此为了降低收发机成本和功耗，如何实现在低电压低功耗条件下高性能的工作显得极为重要。超宽带收发射机简化结构图如图1.2所示，在接收端，来自天线的微弱射频信号通过前置滤波器选频，由低噪声放大器（Low Noise Amplifier，LNA）放大，通过下混频器将频率变换到中频，最后通过基带处理电路，得到想要的数据信息。在发射端，数据信号通过数字信号处理器（Digital Signal Processing，DSP）处理，经由数模变换器转换为模拟中频信号，再经由上混频器与本振信号混频，本振信
15、号由频率合成器产生，上混频后的信号通过相应的滤波器形成超宽带射频信号。射频信号由功率放大器放大到所需要的功率值后，由天线发射出去。1.5 本文的组织结构 本文分为四章，具体安排如下： 第1章简要的对超宽带技术进行概述，阐明了超宽带技术在应用方面的国内外现状。 第2章给出了本文提出的超宽带混沌UWB 载波通信系统的电路结构 第3章 给出了本文提出的超宽带低噪声高线性度放大器设计电路结构，对电路结构和仿真结果进行了适当的分析。第2章 三级级联Colpitts振荡超宽带混沌信号产生电路设计2.1 混沌理论基础迄今为止，学者们对混沌尚无一个统一的定义，为大多数人所接收的数学上的定义有两个，一个是基于混沌运动轨迹的非周期性所作的，另一个是基于对初始条件的敏感依赖性所作的10。李天岩与约克在“周期 3 意味着混沌”11一文中提出了混沌的一种数学定义，即Li-Yorke 定义，如下：设连续的自映射：I I R，I 是R中的一个子空间，如果存在不可数的集合S I ，满足下列条件：(1) S 不包含周期点；(2) 任给 ， 则有(3)对任意 及f 的任意周期点PI ，有：则称 f 在S 上是混沌的。此定义中，前
