基于CMOS工藝的低功耗IR-UWB通信系統(tǒng)芯片研究與實(shí)現(xiàn).pdf

1、超寬帶(UWB)技術(shù)能夠提供高速率、低功耗低成本的短距離無線鏈路，在短距離無線通信領(lǐng)域具有巨大的潛力。由于其發(fā)射功率低，能與當(dāng)前的無線通信系統(tǒng)共存，因而可以緩解目前日趨緊張的頻帶資源需求。低成本低功耗的超寬帶芯片的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)是超寬帶技術(shù)走向市場(chǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵，863計(jì)劃和國(guó)家科技重大專項(xiàng)多次支持該研究。超寬帶通信系統(tǒng)的難點(diǎn)在于射頻前端，它所采用的調(diào)制方式和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)決定了系統(tǒng)的復(fù)雜度和功耗。二進(jìn)制啟閉鍵控(OOK)調(diào)制是所有調(diào)制方式中最簡(jiǎn)單的

2、一種，最大的優(yōu)點(diǎn)在于能夠采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的非相干接收方式，可以實(shí)現(xiàn)低功耗。系統(tǒng)芯片(System on Chip, SoC)是獲得最低功耗的途徑，SoC芯片包括收發(fā)機(jī)射頻前端和基帶，國(guó)內(nèi)還沒有人在UWB頻段實(shí)現(xiàn)片上系統(tǒng)。本文的研究重點(diǎn)是基于CMOS工藝的脈沖超寬帶(IR-UWB) OOK調(diào)制通信系統(tǒng)收發(fā)機(jī)射頻前端的實(shí)現(xiàn)以及相干系統(tǒng)接收機(jī)中的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的設(shè)計(jì)，目標(biāo)是在達(dá)到性能的前提下盡可能降低功耗。
　　 發(fā)射機(jī)采用開關(guān)

3、控制的振蕩器來實(shí)現(xiàn)，電路只在數(shù)據(jù)來時(shí)工作，其余時(shí)間關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)OOK調(diào)制并且降低功耗。3～5GHz發(fā)射機(jī)基于0.18μm CMOS工藝設(shè)計(jì)，是OOK通信系統(tǒng)SoC芯片的一部分，在脈沖重復(fù)率(PRF)為100Mbps時(shí)能量效率達(dá)到15.3p J/pulse。SoC通信演示系統(tǒng)能進(jìn)行距離為2m的高清視頻傳輸。文章針對(duì)6～9GHz頻段設(shè)計(jì)了一個(gè)低功耗的驅(qū)動(dòng)器，6～9GHz發(fā)射機(jī)采用0.13μm CMOS工藝，在脈沖重復(fù)率為100Mbps和5

4、00Mbps時(shí)能量效率分別達(dá)到6.4p J/pulse和6p J/pulse，進(jìn)一步降低了功耗。
　　 接收機(jī)采用能量檢波的非相干接收方式，包括低噪聲放大器(LNA)、檢波器和限幅放大器等，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)低功耗。本文提出了一種單端輸入、差分輸出的LNA，經(jīng)仿真，在6～9GHz帶寬范圍內(nèi)，LNA的增益達(dá)到29dB，噪聲系數(shù)約2.5dB。同時(shí)利用工作在亞閾值區(qū)的管子實(shí)現(xiàn)了一個(gè)低功耗的檢波器，檢波器僅消耗140uA電流，功耗為16

5、8uW。限幅放大器則采用了有源電感和電流分流等技術(shù)來拓展帶寬和提高增益。接收機(jī)采用0.13μm CMOS工藝設(shè)計(jì)，總功耗約7.2mW，最高數(shù)據(jù)率高達(dá)200Mbps，能量效率達(dá)到36p J/pulse。
　　 另外本文對(duì)相干系統(tǒng)也進(jìn)行了一些研究，相干系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)率和更遠(yuǎn)的傳輸距離，但需要高速ADC對(duì)下變頻出來的信號(hào)進(jìn)行采樣，而高速高精度的ADC很難實(shí)現(xiàn)且功耗很大。論文針對(duì)脈沖信號(hào)在時(shí)域上被高度壓縮、信號(hào)具有極高瞬時(shí)信噪比的