超宽带收发机的单模块集成与低功耗实现技术

技术特征：
1.一种高集成度低功耗的超宽带调频收发机，包括发射机和接收机；其特征在于：发射机包括数字控制型环形振荡器、推挽型功率放大器、逐次逼近寄存器锁频环、子载波生成器、双模分频器；接收机包括集成在单模块内的低噪声功率放大器、包络检波器、带通滤波器和减法器，以及独立的数字fsk解调器；其中，数字控制型环形振荡器内嵌低通滤波器；其中，逐次逼近寄存器锁频环采用间歇工作模式，根据控制信号s
m
的不同，调整或者锁存产生的多比特校正数据；其中，子载波生成器和逐次逼近寄存器锁频环采用数字化实现并实现模块复用；其中，低噪声功率放大器第一、二增益级的lc谐振网络的振荡频率进行对称失谐的参差设计；其中，带通滤波器lc谐振腔的振荡频率采用对称失谐的参差配置；发射机中各模块的连接关系如下：逐次逼近寄存器锁频环的输出端与数字控制型环形振荡器相连，逐次逼近寄存器锁频环的输入端与双模分频器的输出端相连，数字控制型环形振荡器的输入端与逐次逼近寄存器锁频环和子载波生成器的输出端相连，数字控制型环形振荡器的输出端与双模分频器和推挽型功率放大器的输入端相连，子载波生成器的输入端与双模分频器的输出端相连，而推挽型功率放大器的输出端直接连接在发射机的天线上，控制信号s
m
输入到子载波生成器、逐次逼近寄存器锁频环和双模分频器中，待调制的基带数据通过双模分频器输入到发射机中；接收机中各模块连接方式如下：超宽带调频信号通过天线输入到低噪声功率放大器中，低噪声功率放大器的输出端分别与两个带通滤波器的输入端相连，两个带通滤波器的输出端分别连接两个包络检波器的输入端，两个包络检波器输出端分别连接在减法器的两个输入端，减法器的输出端连接数字fsk解调器的输入端；所述的高集成度低功耗的超宽带调频收发机工作流程如下：其中，发射机工作过程如下：步骤1：根据控制信号的电平值，逐次逼近寄存器锁频环执行相应的动作：1a若控制信号电平值s
m
＝0，发射机射频模块不工作，子载波无效，子载波生成器输出固定的多比特调制数据s
tri
＝29；分频器工作于固定的分频比n1＝36，逐次逼近寄存器锁频环在1mhz参考时钟作用下，逐次比较参考时钟与数字控制型环形振荡器输出频率之间的误差，依次纠正sar-fll输出的多比特校正数据s
dcro
，从而确保载频f
c
＝4ghz；1b若控制信号电平值s
m
＝1，逐次逼近寄存器锁频环不工作，1a中生成的输出s
dcro
锁存确保载频恒定；步骤2：s
m
＝1，发射机工作，基带数据通过控制分频器的分频比，产生变化的f
fll
时钟，并送往子载波生成器；其中，码元“0”对应分频比n1＝36，f
fll
时钟频率111mhz；码元“1”对应分频比n2＝32，f
fll
时钟频率125mhz；步骤3：子载波生成器基于双向可加减计数器，生成0～58～0的周期梯形三角波，在f
fll
时钟频率下，得到2-fsk梯形波频率；其中，频率为0.96mhz的波形对应码元“0”，频率为1.08mhz的波形对应码元“1”，子载波中心频率为1.02mhz；
步骤4：数字控制型环形振荡器采用双通路调谐实现超宽带调频；其中，离散校正通路在s
dcro
的控制下，调节射频频带的中心频率；离散调制通路则将离散的梯形三角波s
tri
线性地映射成振荡器的谐振电流，进而转换成超宽带调频信号；步骤5：步骤4中得到的超宽带调频信号经过功率放大器，进行功率放大和能量传输，最终经输出阻抗匹配网络中的天线发射出去；接收机的工作过程如下：步骤a：从天线接收来的信号经低噪声功率放大器进行放大；其中，接收的信号为超宽带调频信号，经放大后输出；步骤b：由斜率鉴频器进行超宽带调频信号的解调；其中，斜率鉴频器由带通滤波器、包络检波器和减法器组成；步骤b又可分为以下子步骤：步骤b.1两个中心频率对称失谐的带通滤波器利用其幅频特性曲线的倾斜边带，将放大后的调频信号转换为差分的调频-调幅信号，实现差分鉴频；步骤b.2将步骤b.1中转换得到的调频-调幅信号通过两个包络检波器，分别将两路差分调频-调幅信号的包络提取出来；步骤b.3经过步骤b.2包络提取后的信号经由减法器将差分信号转换为单端信号；其中，此处恢复出的单端信号为fsk波形，频率为0.96mhz的波形对应码元“0”，频率为1.08mhz的波形对应码元“1”；步骤c：经步骤b恢复出的单端信号再经过数字fsk解调器进行数据的解调与恢复；其中，fsk解调器基于简单的计数鉴频原理，即通过在一个数据比特周期内，识别2-fsk时钟的上升沿个数，来恢复相应的基带数据；具体的识别准则为：在一个数据周期10μs内，识别中频子载波的个数，小于10个则恢复为数据0，大于10个恢复为数据1。2.根据权益要求1所述的一种高集成度低功耗的超宽带调频收发机，其特征在于：子载波生成与逐次逼近寄存器锁频环的双模分频器及计数器复用，同时子载波生成与逐次逼近寄存器锁频环采用全数字设计。3.根据权益要求1所述的一种高集成度低功耗的超宽带调频收发机，其特征在于：逐次逼近寄存器锁频环引入间歇工作模式，并且采用了低成本的小模块设计。4.根据权益要求1所述的一种高集成度低功耗的超宽带调频收发机，其特征在于：在数字控制型环形振荡器进行超宽带调频过程中，自动校正子载波中心频率，实现子载波与载波频率一体化校正。5.根据权益要求1所述的一种高集成度低功耗的超宽带调频收发机，其特征在于：通过射频前端电流共享技术，功率放大器和数字控制型环形振荡器采用上下堆叠设计，发射机射频单模块实现。6.根据权益要求1所述的一种高集成度低功耗的超宽带调频收发机，其特征在于：低噪声功率放大器与带通滤波器实现射频电流共享，采用上下堆叠设计。7.根据权益要求1所述的一种高集成度低功耗的超宽带调频收发机，其特征在于：包络检波器与减法器采用模拟电流共享技术进行上下堆叠，减法器作为包络检波器的有源负载并为其提供直流偏置。8.根据权益要求1所述的一种高集成度低功耗的超宽带调频收发机，其特征在于：接收
机采用差分型鉴频和数字型fsk解调方案，确保高线性度解调和低成本设计。

技术总结
本发明超宽带收发机的单模块集成与低功耗实现技术，属于短距离无线通信领域。本发明中子载波生成与逐次逼近寄存器锁频环均为数字化实现，并且逐次逼近寄存器锁频环与子载波生成器通过复用实现了集成一体化。在数字控制型环形振荡器进行超宽带调频过程中，自动校正子载波中心频率，实现子载波与载波频率一体化校正，无需单独设计两个校正环路。通过射频前端电流共享技术，功率放大器和数字控制型环形振荡器采用上下堆叠设计，发射机射频部分单模块实现。接收机的低噪声功率放大器与带通滤波器实现射频电流共享，包络检波器与减法器采用模拟电流共享技术进行上下堆叠；依托以上四个模块的堆叠设计，实现接收机单模块化，功耗优化可达50％。化可达50％。化可达50％。


技术研发人员：周波 赵子瑜 郭凌寒 王祖航 王照元
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2022.08.17
技术公布日：2022/11/11