第一章 绪论
1.1 研究背景
UWB 技术是一个既旧又新的研究领域。其旧在于早在 1887 年，赫兹就通过电火花发射器产生出第一个UWB信号，它的特征是持续时间极短、频谱范围很宽的脉冲无线电（Impulse Raing，TH）脉冲的发明与研究[1]，UWB技术才广泛应用于雷达和遥感等国防军事领域。而 UWB技术的商用则始于 2002年，美国联邦通信委员会(FCC)规定民用 UWB通信可使用 0-960MHz、3.1GHz-10.6GHz 这两个频段，并在这两个频段内，UWB射频信号的辐射功率密度谱严格限定在-41.3dBm/MHz以下[2]。
1.2 国内外研究现状
目前，学术界多用户UWB系统的电路实现研究集中在采用跳频（Frequency Hopping，FH）多址调制、跳时（Time Hopping，TH）多址调制、双载波-正交频分复用（Dual Carrier-Orthoganal Frequency Division Multiplexing，OFDM）方式的 UWB 发射机：新加坡南洋理工大学研发了一款 3-5GHz 多通道 UWB 发射机，采用带载波的高斯脉冲波形作为 UWB 射频波形，不同用户的 UWB 发射采用不同的载波频率，该发射芯片单位比特能耗为 49pJ/pulse，符号传输速率达到 40.5MHz[9]。东南大学段吉海、王志功团队，总结了TH-UWB基带信号收发系统的设计方法，并研发了一款 3~5GHz 的TH-UWB无线发射系统，功耗 12.3mW，载波频率 3.8769GHz，输出幅度 65mV，电源电压 1.8V，系统最高传输符号速率 54Mbps[10]。复旦大学 ASIC 与系统国家重点实验室陈云锋等，研发一款 6~9GHz 的运用双载波-正交频分复用（Dual Carrier-Orthoganal Frequency Division Multiplexing，OFDM）方式的 UWB 射频收发机，通过在 8 个dio，IR）信号。随后，由于当时技术的限制，通信系统的重点转向了带载波的信号时间连续的窄带系统。UWB技术的新在于直到 20世纪90年代，随着数字处理技术的发展及跳时（Time-Hopp频带子载频间的跳变实现多址接入，射频收发系统在电源电压 1.2V的情况下最大电流为 420mA[11]。
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第二章 IR-UWB 技术理论研究
2.1 IR-UWB 射频信号波形的研究
因此 UWB 信号的选择和产生很灵活。业界有两种主要的 UWB系统：一种是利用占空比为 100%的基带信号作为信息载体的 UWB 系统，典型代表是正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）UWB系统和直接序列（Direct Sequence，DS）UWB 系统；另外一种则是基于发射窄脉冲的脉冲无线电（Impulse Radio，IR）UWB系统。OFDM-UWB系统需要进行较为复杂 IFFT基带数据变换及性能较高的频率综合器来达到将基带数据的频谱扩展到相应的子频带中[6,7]；DS-UWB 系统则需要高性能、高频的 m 序列产生器来完成基带数据的扩频[1,8]。可见OFDM-UWB 系统与 DS-UWB 系统均需要复杂的基带数据变换，电路复杂度高，且由于信号占空比为 100%，在室内密集多径环境下很容易发生信号混叠，不适合室内短距离多用户高速无线通信场合，所以本课题采用基于发射极窄脉冲的 IR-UWB系统作为室内短距离无线通信的解决方案。
2.2 IR-UWB 调制方式的研究
UWB 脉冲本身并不携带信息，故需要通过调制技术将所要传输的信息加载到 UWB脉冲上才能实现对用户信息的有效传输。IR-UWB调制方式从携带的信息来看，可以分为数据调制方式和多址调制方式。数据调制方式是将用户数据加载到UWB脉冲上的方式，而多址调制方式研究的是如何让更多的用户共享有限的频谱资源。
第三章 多用户高速脉冲无线电 UWB发射系统解决方案 ................................ 22
3.1 多用户高速脉冲无线电 UWB 发射系统总体架构 .................................... 22
3.2 UWB 脉冲波形仿真 ............................. 23
第四章 脉冲波形跳变 UWB发射芯片的研究与设计 ........................................ 25
4.1 伪随机码产生器 ................................ 25
4.2 脉冲波形跳变调制器 ......................... 26
第五章 芯片版图设计及后仿真结果 ........................... 43
5.1 脉冲波形跳变 UWB 发射芯片的版图设计 ................................................ 43
5.2 系统指标测试 .................................. 44
第五章 芯片版图设计及后仿真结果
5.1 脉冲波形跳变 UWB 发射芯片的版图设计
本课题采用标准的 0.18μm CMOS 工艺进行版图实现，芯片集成了伪随机码产生器、脉冲波形跳变调制器、高斯脉冲产生器以及 UWB功放，芯片版图的布局如图5-1所示，按照信号从左往右传递的规律进行模块布局，其中伪随机码产生器、脉冲波形跳变调制器、高斯脉冲产生器为数字电路，电路的输入 CLK、DATA及输出信号 V4、V5、CLOCK、PN 均为数字基带信号，而 UWB 功放属于模拟电路，输出 PSH-UWB-OUT 射频信号。芯片内部采用两类电源，数字电源 DVDD与数字地DGND，模拟电源 AVDD 与模拟地AGND，分别给数字电路部分与模拟电路部分提供电源电压，且数字电源、地与模拟电源、地在芯片内部分开，分别连接各自的 PAD管脚，再在PAD管脚上将数字电源与模拟电源连接，数字地与模拟地连接，避免高速的数字信号对模拟电路的串扰，提高电源的稳定性。
5.2 系统指标测试
由于PSH-UWB发射系统的核心电路脉冲产生器采用全数字实现方式，具有间歇性、触发式的工作状态，几乎没有静态功耗，使得发射系统整体功耗很低，后仿真结果显示，PSH-UWB 发射系统单位比特能耗仅为 10pJ/pulse。如表 5-1 所示后仿真结果表明，发射芯片实现了预期的功能，性能良好。目前，芯片已进行流片，芯片待测试。由于现有文献中对采用 PSH 多址调制方式进行多址接入的 IR-UWB发射系统的研究还处于理论验证阶段，故在电路实现上，将与其他已有电路实现的相关文献进行对比，结果如表 5-2 所示。文献[9]采用多通道（Multi-Channel，MC）进行多址接入，每个通道带宽为 500MHz，分布在 3.1-10.6GHz的 UWB 频谱范围内。
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总结与展望
本课题研究并设计了一款适用于多用户通信、高数据率传输的室内短距离无线通信环境下的多用户高速 IR-UWB发射芯片。该芯片采用基于高斯脉冲导数的脉冲波形跳变多址调制实现多址接入，并采用脉冲位置调制进行数据调制，产生含有用户标识码信息及用户数据信息的PSH-UWB射频信号。 课题对多用户高速 IR-UWB 发射芯片进行了多址调制方式及射频信号脉冲波形的选择与发射进行了研究、对比、归纳，基于此确立了多用户高速 IR-UWB发射系统方案，并对发射系统进行芯片电路的设计与仿真，芯片版图设计，芯片版图规则检查和后仿真测试。所设计的芯片基于 0.18μm CMOS 工艺实现，已完成 MPW 流片。本课题完成的具体工作内容如下：
（1）广泛调研国内外 UWB 相关文献，重点研究 IR-UWB 射频信号波形及其产生方式、IR-UWB系统数据调制及多址调制方式，在对上述内容进行对比归纳的基础上提出了多用户高速 IR-UWB发射系统的系统解决方案，确立基于高斯脉冲导数波形的新型跳脉冲波形 IR-UWB发射系统的框架与各关键电路的性能指标。
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参考文献（略）
1.1 研究背景
UWB 技术是一个既旧又新的研究领域。其旧在于早在 1887 年，赫兹就通过电火花发射器产生出第一个UWB信号，它的特征是持续时间极短、频谱范围很宽的脉冲无线电（Impulse Raing，TH）脉冲的发明与研究[1]，UWB技术才广泛应用于雷达和遥感等国防军事领域。而 UWB技术的商用则始于 2002年，美国联邦通信委员会(FCC)规定民用 UWB通信可使用 0-960MHz、3.1GHz-10.6GHz 这两个频段，并在这两个频段内，UWB射频信号的辐射功率密度谱严格限定在-41.3dBm/MHz以下[2]。
1.2 国内外研究现状
目前，学术界多用户UWB系统的电路实现研究集中在采用跳频（Frequency Hopping，FH）多址调制、跳时（Time Hopping，TH）多址调制、双载波-正交频分复用（Dual Carrier-Orthoganal Frequency Division Multiplexing，OFDM）方式的 UWB 发射机：新加坡南洋理工大学研发了一款 3-5GHz 多通道 UWB 发射机，采用带载波的高斯脉冲波形作为 UWB 射频波形，不同用户的 UWB 发射采用不同的载波频率，该发射芯片单位比特能耗为 49pJ/pulse，符号传输速率达到 40.5MHz[9]。东南大学段吉海、王志功团队，总结了TH-UWB基带信号收发系统的设计方法，并研发了一款 3~5GHz 的TH-UWB无线发射系统，功耗 12.3mW，载波频率 3.8769GHz，输出幅度 65mV，电源电压 1.8V，系统最高传输符号速率 54Mbps[10]。复旦大学 ASIC 与系统国家重点实验室陈云锋等，研发一款 6~9GHz 的运用双载波-正交频分复用（Dual Carrier-Orthoganal Frequency Division Multiplexing，OFDM）方式的 UWB 射频收发机，通过在 8 个dio，IR）信号。随后，由于当时技术的限制，通信系统的重点转向了带载波的信号时间连续的窄带系统。UWB技术的新在于直到 20世纪90年代，随着数字处理技术的发展及跳时（Time-Hopp频带子载频间的跳变实现多址接入，射频收发系统在电源电压 1.2V的情况下最大电流为 420mA[11]。
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第二章 IR-UWB 技术理论研究
2.1 IR-UWB 射频信号波形的研究
因此 UWB 信号的选择和产生很灵活。业界有两种主要的 UWB系统：一种是利用占空比为 100%的基带信号作为信息载体的 UWB 系统，典型代表是正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）UWB系统和直接序列（Direct Sequence，DS）UWB 系统；另外一种则是基于发射窄脉冲的脉冲无线电（Impulse Radio，IR）UWB系统。OFDM-UWB系统需要进行较为复杂 IFFT基带数据变换及性能较高的频率综合器来达到将基带数据的频谱扩展到相应的子频带中[6,7]；DS-UWB 系统则需要高性能、高频的 m 序列产生器来完成基带数据的扩频[1,8]。可见OFDM-UWB 系统与 DS-UWB 系统均需要复杂的基带数据变换，电路复杂度高，且由于信号占空比为 100%，在室内密集多径环境下很容易发生信号混叠，不适合室内短距离多用户高速无线通信场合，所以本课题采用基于发射极窄脉冲的 IR-UWB系统作为室内短距离无线通信的解决方案。
2.2 IR-UWB 调制方式的研究
UWB 脉冲本身并不携带信息，故需要通过调制技术将所要传输的信息加载到 UWB脉冲上才能实现对用户信息的有效传输。IR-UWB调制方式从携带的信息来看，可以分为数据调制方式和多址调制方式。数据调制方式是将用户数据加载到UWB脉冲上的方式，而多址调制方式研究的是如何让更多的用户共享有限的频谱资源。
第三章 多用户高速脉冲无线电 UWB发射系统解决方案 ................................ 22
3.1 多用户高速脉冲无线电 UWB 发射系统总体架构 .................................... 22
3.2 UWB 脉冲波形仿真 ............................. 23
第四章 脉冲波形跳变 UWB发射芯片的研究与设计 ........................................ 25
4.1 伪随机码产生器 ................................ 25
4.2 脉冲波形跳变调制器 ......................... 26
第五章 芯片版图设计及后仿真结果 ........................... 43
5.1 脉冲波形跳变 UWB 发射芯片的版图设计 ................................................ 43
5.2 系统指标测试 .................................. 44
第五章 芯片版图设计及后仿真结果
5.1 脉冲波形跳变 UWB 发射芯片的版图设计
本课题采用标准的 0.18μm CMOS 工艺进行版图实现，芯片集成了伪随机码产生器、脉冲波形跳变调制器、高斯脉冲产生器以及 UWB功放，芯片版图的布局如图5-1所示，按照信号从左往右传递的规律进行模块布局，其中伪随机码产生器、脉冲波形跳变调制器、高斯脉冲产生器为数字电路，电路的输入 CLK、DATA及输出信号 V4、V5、CLOCK、PN 均为数字基带信号，而 UWB 功放属于模拟电路，输出 PSH-UWB-OUT 射频信号。芯片内部采用两类电源，数字电源 DVDD与数字地DGND，模拟电源 AVDD 与模拟地AGND，分别给数字电路部分与模拟电路部分提供电源电压，且数字电源、地与模拟电源、地在芯片内部分开，分别连接各自的 PAD管脚，再在PAD管脚上将数字电源与模拟电源连接，数字地与模拟地连接，避免高速的数字信号对模拟电路的串扰，提高电源的稳定性。
5.2 系统指标测试
由于PSH-UWB发射系统的核心电路脉冲产生器采用全数字实现方式，具有间歇性、触发式的工作状态，几乎没有静态功耗，使得发射系统整体功耗很低，后仿真结果显示，PSH-UWB 发射系统单位比特能耗仅为 10pJ/pulse。如表 5-1 所示后仿真结果表明，发射芯片实现了预期的功能，性能良好。目前，芯片已进行流片，芯片待测试。由于现有文献中对采用 PSH 多址调制方式进行多址接入的 IR-UWB发射系统的研究还处于理论验证阶段，故在电路实现上，将与其他已有电路实现的相关文献进行对比，结果如表 5-2 所示。文献[9]采用多通道（Multi-Channel，MC）进行多址接入，每个通道带宽为 500MHz，分布在 3.1-10.6GHz的 UWB 频谱范围内。
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总结与展望
本课题研究并设计了一款适用于多用户通信、高数据率传输的室内短距离无线通信环境下的多用户高速 IR-UWB发射芯片。该芯片采用基于高斯脉冲导数的脉冲波形跳变多址调制实现多址接入，并采用脉冲位置调制进行数据调制，产生含有用户标识码信息及用户数据信息的PSH-UWB射频信号。 课题对多用户高速 IR-UWB 发射芯片进行了多址调制方式及射频信号脉冲波形的选择与发射进行了研究、对比、归纳，基于此确立了多用户高速 IR-UWB发射系统方案，并对发射系统进行芯片电路的设计与仿真，芯片版图设计，芯片版图规则检查和后仿真测试。所设计的芯片基于 0.18μm CMOS 工艺实现，已完成 MPW 流片。本课题完成的具体工作内容如下：
（1）广泛调研国内外 UWB 相关文献，重点研究 IR-UWB 射频信号波形及其产生方式、IR-UWB系统数据调制及多址调制方式，在对上述内容进行对比归纳的基础上提出了多用户高速 IR-UWB发射系统的系统解决方案，确立基于高斯脉冲导数波形的新型跳脉冲波形 IR-UWB发射系统的框架与各关键电路的性能指标。
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参考文献（略）
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