1、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
2、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 .382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2()/()2hthtffhft端频率超宽带系统和传统的窄带系统相比具有高传输
3、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，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
4、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：MHz50%2)(LHLf )1(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， hfl和 都定义在PSD 衰减为 -10dB 的辐射点上。由于超宽带无线通信技术有着l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3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
5、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
6、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 20log(1)PBNc0N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
7、.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
8、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 RadarSystems)；43)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
9、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
10、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
11、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，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
12、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。51.4 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
13、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，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（A
14、nalog-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。P A数据上混频器天线L N A数据下混频器超宽带发射机超宽带接收机基带处理基带处理D A CD S PD A CD S P频率合成器图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，所以发射机结构相对接收机结构较为简单。但发射机却是
15、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6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，本振信号由频率合成器产生，上混频后的
16、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
17、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12limsup0pfxf12linpppff ,(）7(3)对任意 及f 的任意周期点PI ，有：1limsup0pxfq则称 f 在S 上是混沌的。此定义中，前两个极限说明自己的点x, x S 相当分散又相当集中；第三个极限说明子集不会趋近于任何周期点。由此定义，混沌系统应具有三个性
18、质：一、存在可数无穷多个稳定的周期轨道；二、存在一个不可数集合，该集合只含有混沌轨道，且任何两个轨道既不会远离也不会趋近，而是两种状态交替出现，同时任一轨道不趋近于任一周期轨道； 三、混沌轨道具有高度的不稳定性。 还有一种定义是基于对初始条件的敏感依赖性而定义的1213：设 f (x) 是-1，1上的连续映射，如果存在集合Y 1,1 （Y 具有正的勒贝格测度）和实数 0，使得对于每个xY 和x的每个领域U ，存在着一个yU和n 0使：| f (x) f ( y ) | 则称f 具有敏感依赖性。那么给定一个集合N 和映射f : N N ，如果满足以下条件，我们称f 在N 上是混沌的：(1) f
19、对初始条件具有敏感依赖性。(2) f 是拓扑传递的，即状态在迭代下从一个任意小的邻域最终可以移动到其它任何邻域。也就是说，系统不能被分解为二个在f 下互不影响的子系统( 二个不变的开子集)。(3)周期点在N 中稠密。这个定义明确了三件事，即混沌的不可预测性、不可分解性及存在约束不规则运动的多种规则性。从而说明混沌不是简单的无序，而是一种包含了有序的无序。所谓的不可预测性，如果初值具有一极微小的变化，在短时间内的结果还可以预测，但通过长时间的演化后，它的状态根本无法预测，即差之毫厘，失之千里，这就是著名的“蝴蝶效应“。所谓的(3)的意思是说混沌行为具有稠密的周期轨道，其运动最终要落在混沌吸引子中
20、，使其呈现出多种看似混乱无序却又具有规则的自相似图像。混沌吸引子中的运动能在一定的范围内按其自身的规律遍历每一条轨道，即不自我重复又不自我交叉。从事不同领域研究的科学家都是基于各自对混沌的理解进行研究并谋求各自的应用。不管对混沌的各种定义有何区别，混沌本质特征是相同的，综合起来有以下几点：8(1)混沌具有内在随机性，是确定性系统内部随机性的反映，它不同于外在的随机性，系统是由完全确定性的方程描述，无需附加任何随机元素，但系统仍会表现出类似随机性的行为。(2)混沌具有分形的性质，各种奇怪吸引子都具有分形结构，有分数维来描述其特征。(3)混沌具有标度不变性，它是一种无周期的有序，在由分岔导致混沌的
21、过程中，遵循费根包姆常数系，这一常数是倍周期分岔走向混沌的普适性数值特征。(4)混沌现象具有对初始条件的敏感依赖性，只要初始条件稍有差别或微小扰动就会使系统的最终状态出现巨大的差异。因而，混沌系统的长期演化行为是不可预测的。正是由于混沌的上述特征，使得混沌在通信保密安全性方面有着极佳性能。混沌是由确定性系统产生的，也就是说混沌系统是确定的系统，是一个真实的物理系统；其次，混沌的表现是貌似随机，而不是真正的随机，系统每一时刻状态都受到前一时刻状态的影响，是确定出现的，而不是像随机系统那样随意出现，混沌系统的状态是可以完全重现的，这和随机系统不同。这意味着混沌是可以通过适当的方法来调控的，而且也是
22、可观测和可实现的。混沌也非周期运动和准周期运动，是非周期性的，但它具有良好的自相关性和宽频带的特点，类似噪声的特点，基于此正好用其掩盖所传送的通信信息，使这些信息看起来像是宽带的噪声一样，难于提取。对初始条件的极端敏感性说明混沌信号具有长期不可预测性，通信的保密性正要求这一点。另外，混沌也用于扩频通信中，也是利用混沌的宽带类噪声特性和它的初值敏感性，可以产生大量的具有良好伪随机性的混沌扩频序列来代替传统的m 序列。总的来说，混沌信号的时域随机特性和频域的宽带性是适合于保密通信和扩频通信的。2.2 多混沌载波超宽带系统Colpitts振荡电路是目前研究和应用广泛的三点式振荡器，只要适当的选择电路
23、参数，就能使Colpitts振荡电路进入混沌状态单一的Colpitts振荡电路3 dB带宽很小，利用驱动响应的思想，将多个不同谐振频率上的Colpitts振荡电路通过合适的方法级联起来，可获得更宽阔的频带使用三级级联Colpitts振荡器和由L、C构成的高通滤波器共同构成超宽带混沌信号产生电路，电路结构如图1所示，经仿真得到电阻R 输出的超宽带混沌信号波形及频谱分别如图2、3所9示从图2可以看出输出的振荡信号在时域上没有周期性，明显具有类噪声的特性；图3显示产生的是超宽带混沌信号的对数频谱图，信号的频率分量从低频端到2 GHz以上的高频端，十分丰富，中心频率在1GHZ左右，并且-1O dB带宽
24、超过1.5 GHz，带宽比在1.5以上，满足FCC的超宽带信号的定义图1 超宽带混沌信号产生电路由于混沌信号具有初值敏感性，所以改变电路中元件的参数取值，这样描述系统的微分方程发生了变化，可以产生互相关性很低的不同混沌信号由于超宽带混沌信号具有很宽的带宽、良好的自相关性和很低的互相关性，所以不同混沌信号之间可以近似看作是正交的如果并行同时发送多路经 lO0 V混沌载波调制的信号，首先可以提高系统的传输速率，在接收端对信号进行相关解调就可以恢复数据；再者可以通过调节超宽带混沌信号产生电路中元件的参数值，使每路混沌载波的动力学特性各不相同，所以多路超宽带混沌载波的叠加结果具有更为复杂的图2 超宽带
25、混沌信号波形混沌动力学特征，大大加强了发射信号的随机特性，使得系统具有更好的抗截获能力利用上面产生的超宽带混沌信号作为载波可以构造新颖的超宽带系统，系统的发射机与接收机结构分别如图4和图5所示102.3 发射机对于二进制数据bk(O，1)，k=0，1， ，+ ，先经过1-2 的变换分别kb转化为双极性信号1和-1，然后每m比特为一组，经过串并变换分成m路并行的数据，其中 = 1，2， ，m，j=0，1， ，+ ，且 ，再分别()jbi ()jjmi由m个互相关性很低的超宽带混沌载波 进行调制，由于FCC定义的超宽带占()ict用的频段为3.110.6 GHz，所以各路信号相加的结果再和载波d(t)相乘，经天线送人信道.载波d(t)的频率可以在3.110.6 GHz上任意设定，灵活性较大，这样就能根据工作环境的需要，避开其它通信系统在3.110.6 GHz范围内使用的频段，减少系统间的相互干扰由上可知发射信号s(t)为： 01() ()2()mjifjist dtbctjT式中， 为一帧的持续时间，所以1/ 是每路并行数据的信息速率，这样fTf系统总的传输速率为1/ f2.4 接收机为了分析方便，不考虑多址干扰，设信道的冲击响应 ，信道()htt中的噪声n(t)为加性高斯白噪声，且均值为零，双边功率谱密度为 系统0/2N
