专利名称：用于无线通信的脉冲耦合振荡器同步的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及脉冲同步振荡器，具体涉及包含在半导体电路中并用在无线网 络中的装置。
背景技术：
许多形式的通信依靠发射器和接收器之间的高度同步来传送信息。例子有很多 相干FM接收器利用锁相环路(phase locked loops)，直接扩频技术基于用同步的芯片顺 序、光连接特征时钟(optical links feature clock)以及数据恢复接收电路来调制和解 调基带信号，类似地，超宽带(ultra-wideband，UffB)无线电依靠接收器和发射器的同步 性。超宽带(UWB)无线电是利用短时脉冲代替连续波正弦曲线来传送信息的RF/无线 通信方法。图1表示了连续波信号12和UWB信号14之间的差异。连续波信号12在数据 传送11过程中以及之后13都是连续活动的。而UWB信号14仅在脉冲传送16过程中是活 动的，这允许在非活动期间18关闭R. F.前端(front end)。众所周知，UWB中有时间限制的、宽频发送信号使得比传统无线电架构有更大的网 络容量，其允许在短距离、类似功率损耗的情况下有更高的数据率和空间容量。短脉冲发送 信号还允许RF前端的工作循环(dutycycling)节约能量。然而，当发射器和接收器之间精 确同步以使接收到所发射的脉冲的时候，获得超宽带通信的这些好处是有可能的。例如，如 果发射器和接收器没有同步到同一时钟，并且发送了脉冲，则接收器可能不在活动状态，错 过数据。然而，如果两者同步到一起，则接收器将能够捕捉到脉冲，即使降低了接收占空比 (receive duty cycle)。
同步的一种流行的实际实施方式是使用在整个通信期间维持同步的高速DLL/PLL 并结合数字脉冲追踪后端。该方法的缺点是接收器和发射器时钟必须具有相匹配的中心频 率(该中心频率经常到达每百万数以百计级)，以维持足够的同步，因此发射器和接收器两 者的本地振荡器需要参考良好匹配的晶体，以使它们之间的频率漂移最小化。对晶体的这 种要求给系统带来了极大的成本，生产商会尽力避免。UWB发送信号的一种流行方法是以数百、数千KHz至数百MHz的低到中脉冲率跳时 (time hopping)发送。UWB传送的跳时方法是基于发射器在接收器已知的时间发送有时 间限制的数据脉冲，接收器在商定的时间查看收到的信号并确定所发送的数据。图2表示了上述方法的一种流行方式，该方法将每个UWB传送包20分割为多个帧22，然后进一步将这些帧22细分为二进码(bin) 24。多个帧22构成一个包20，而多个二进码24构成一个帧 22。在每个帧22中，可以仅有一个UWB数据脉冲的传送。该传送将分成确定的二进码24a。 脉冲所分成的二进码24a将由接收器和发射器共用的模板顺序(template sequence)来确 定。因此，与发射器具有相同模板顺序的接收器将知道恰当的二进码，并从中寻找数据，与 此同时，来自其它发射器的脉冲将分成其它二进码，该二进码被忽略。在这种方案中同步是 重要的，因为如果没有同步，接收器就不知道何时传送的数据是有效的。
发明内容
在一个实施例中，收发器包含一个或多个集成电路，该集成电路包括适于连接天 线的R.F.前端、与该R. F.前端耦合并适于探测接收到的为收发器准备的脉冲的脉冲探测 器，以及包括下凹的单调递增的状态函数的脉冲耦合振荡器，其中，振荡器适于从脉冲探测 器接收同步脉冲并适于响应所接收到的同步脉冲在状态函数中引起预定的状态增量。脉冲耦合振荡器可以适于在没有激活状态增量的时候包括中断期间，该中断期间 紧随状态变化之后。脉冲探测器可以适于从正在发送给收发器的数据脉冲中区分出用于振 荡器的同步脉冲。收发器可以进一步包含控制定时器(control timer)，该控制定时器与振荡器耦 合并适于将振荡器的每个周期分为多个时间二进码(time bins)。控制计时器可以适于使 收发器能够探测在多个时间二进码的预定的任一个中出现的任意数据信号。收发器可以 进一步包含控制器，该控制器与控制定时器耦合并适于在预定的时间二进码中断开电源与 R. F.前端的连接。控制器可以适于仅在收发器要接收数据脉冲和同步脉冲时在二进码中将 电源连接到R. F.前端。收发器可以进一步包含控制计时器，该控制计时器与振荡器耦合，适于将振荡器 的每个周期分为多个时间帧，并将每个时间帧分为多个时间二进码，其中，控制计时器适于 使收发器能够探测在每个时间帧中相同的预定时间二进码中出现的任意信号。在另一个实施例中，无线网络包含多个节点，每个节点包括各自的脉冲耦合振荡 器，脉冲耦合振荡器在半导体电路中实现并具有下凹的单调递增的状态函数，其中，每个 振荡器适于在状态函数周期的末端生成状态变化的脉冲，发射/接收电路设置在每个节点 中，适于向网络中的其它节点发射来自各个振荡器的状态变化的脉冲，并进一步适于从网 络中的其它节点接收状态变化的脉冲并将它们应用到各个振荡器以在各个振荡器中引起 状态增量。每个发射/接收电路可以包括R. F.前端和脉冲探测器，该脉冲探测器与从 R.F.前端接收到的信号耦合，并适于从其它节点中识别同步德尔塔(delta)脉冲。每个脉冲耦合振荡器可以适于在没有激活状态增量的时候包括中断期间，该中断 期间紧随状态变化之后。每个节点可以包括控制计时器，该控制计时器与各个振荡器耦合并适于将振荡器 的每个周期分为多个时间二进码。控制计时器可以适于使各个收发器能够探测在多个时间 二进码的预定的任一个中出现的任意数据信号。每个节点可以包括控制器，该控制器与控 制计时器耦合并适于在预定的时间二进码中断开R. F.前端的电源。
每个节点可以包括控制计时器，该控制计时器与振荡器耦合，适于将振荡器的每 个周期分为多个时间帧，并适于将每个时间帧分为多个时间二进码，其中，控制计时器适于 使收发器能够探测在每个时间帧中相同的预定时间二进码中出现的任意数据信号。每个节点可以适于在无线网络上从其它节点接收同步脉冲。
参考附图对本发明进行直观地展示和描述，其中图1是传统连续波通信和UWB传送之间的差异的现有技术示意图；图2是时域复用的现有技术示意图，其中，每个包包括3个帧，每个帧包括4个二 进码；图3(a)_(d)是两个适用于本发明的脉冲耦合振荡器的状态函数的图形描述；图4是体现图3(a)_(d)的状态函数的振荡器电路的方块图；图5是实施图4的振荡器电路的模拟电路示意图；图6A是根据本发明一个实施例构建的网络的普通网络方块图；图6B是根据本发明一个实施例构建的，用于图6A的网络的收发器节点的示意方 块图；图7是根据本发明一个实施例构建的，用于图6A的网络的收发器节点的更详细的 方块图；图8是用于图7的收发器节点的一部分的集成电路示意图；以及图9是用于图7的收发器节点的另一部分的集成电路示意图。
具体实施例方式为利于无线UWB网络节点之间的同步，本发明利用脉冲耦合振荡器(pu 1 se coupled oscillator, PC0)系统。PCO系统由相同的振荡器组成，该振荡器遵循图3 (a)和 图3(b)中所示两个振荡器的状态函数30、31。第一振荡器i的状态函数30是变量Vi,其是 标准化时间的函数，(pi-ti/To，其中，、是自第一振荡器i上次(last)复位的时间，Ttl是自 由运行的振荡器完成一个周期的时间。所有的振荡器可以在状态曲线上的随机起始点A启 动，并沿着状态函数以恒定和相同的速率行进。当状态函数30的振荡器在34完成一个周期 时，它向系统中的每个其它振荡器发出瞬时同步或耦合脉冲Δν，如图3(b)中所示振荡器 的状态函数31，使它们的状态增加Δ V及其相关联的Δφ，然后重置到ti = 0。如果状态 函数是单调递增并下凹的，则相同振荡器的系统完美锁相，因此激发时间(firing times) 也同步。每次激发促使振荡器的相位通过状态函数的非线性特性更加靠近在一起。如图3(a)和图3(b)所示，振荡器还可以包括中断期间39，其对应于相同的两个状 态函数。在中断期间39，不接受AV耦合，这导致了 ΔΤ< Tblaetout的静态偏移39。即使在 有传播延迟、路径损耗和不完美匹配的振荡器标定频率的情况下，这也提供了节点的同步。图4中示出了实施图4的状态函数的普通系统振荡器40。状态Vi 42通过加法持续加和到块44，块44感应Vi并加和f (Vi) 46，f (Vi)为正值且会由于Vi值的增加而减小。然 后，Vi 44反馈到阈值探测器48，当到达阈值时，阈值探测器48发出触发信号50。然后，可 以在52以这样的方式编码触发信号使其更不受噪音和干扰的影响、并使其与其它脉冲相区别。最后，Vi 44通过耦合输入54接受正的外部耦合以实施PCO的耦合方面。图4的电路60是图4的普通振荡器40在芯片上实施的完全模拟的例子。PCO状态 函数由节点62上相对于时间的电压A来表示。节点62由与Va单调递增的电流源I ( Va)64 充电。当比较器68确定出Va超过V阈值66所设定的阈值时，Va通过延迟通路70，这导致 开关72将节点62上的电压A迅速放电至地电位，由此向同步脉冲编码器72生成一个宽度 由延迟通路控制的输出脉冲。Δ V函数是通过同步脉冲以预定脉冲宽度打开电流源74来提 供的。图6Α表示了网络80的普通系统级别图。节点82通过通信信道84与每个其它节 点相连。这种通信信道的一种可行的形式是无线连接。图6Β表示了单个节点82的最常见 形式。每个节点82实现了物理接口驱动86，以在发送模式时与物理信道84相连，在接收模 式时与R.F.前端87相连。前端87可以包括低噪音输入级和高增益第二级，还包括发送开 关(switching)以防止传送时驱动86的反馈。同步脉冲提取器88用来从R. F.前端87上 的接收到的信息中提取同步脉冲。参照图5A，每个节点82还实施了上述的脉冲耦合振荡器90，借以互相生成系统中 的全局时钟。通信系统92可以使用该全局时钟以利于各个节点82之间的通信。如图6B所 示，通信系统92可以在，也可以不在实现PCO功能的同一节点上。然而，在任一情况下，全 局时钟都是通过PCO功能生成的，并且通信系统92使用该全局时钟来安排其通信的时间。 在可能存在的同步脉冲编码过程94之后，也将所生成的时钟发送出去，以满足脉冲耦合振 荡器系统80中每个节点82必须向其它节点82发射耦合的要求。图7表示了图6A和图6B的一般节点82的一种更具体的形式。在前端87，普通的 四级差分放大器链用来提供来自天线的增益。每个差分放大器级是以具有电阻反馈的简单 级联的共源极的形式来实施的。每一级提供IldB的增益，靠前的级吸取更多的电流并使用 更大的装置，而靠后的级消耗更少的电流并使用更大的电阻。各级交流耦合。为了展示PCO 同步，接收放大器既不设计为匹配50 Ω，也不设计为具有最佳噪音系数(noisefigure)。放 大器设计为快速地关闭和打开。出于该目的，差分放大器级包括打开或关闭到放大器的电 流的NFET开关。避免使用电感器以使我们可以将这种设计普遍化到简单的数字CMOS工艺。 这种RP前端在打开时消耗21mW。图7表示了锁相环路89的额外的细节，其取得脉冲耦合振荡器90的输出并将 振荡器90的每个周期分为如图2所示的多个时间帧和时间二进码。将该时间帧和时间 二进码数据耦合到二进码探测电路91，该二进码探测电路91接收来自单独的控制器的 输入，该输入用于发送、接收和同步功能中的每个。该二进码探测数据进一步由延迟锁环 路95、96、97来使用，以更好地分别控制发送、接收和同步功能。中央计时逻辑(central timingl0giC)98取得延迟锁环路95-97的输出和系统的状态(由一组来自外部控制器(微 控制器、微处理器、DSP、FPGA、硬件状态机实现装置)的输入控制位定义)，以决定是否应该 关闭RF。中央计时逻辑98还探测是否失去锁定(lock)，并将该信息给控制器。最后，中央 计时逻辑98还确定是否探测到了有效脉冲，并将数据提供给控制器以进行记录。外部控制器负责维持系统状态(以确定在上述过程的哪个步骤中节点起作用)， 以提供传送和接收的二进码，为系统的误码率实施合适的编码方法，并记录所探测到的数 据脉冲。由于所有的脉冲探测和处理功能都是在芯片上实施的，所以外部控制器仅需要以系统中最低时标的脉冲率(pulse rate)来运行。因此，即使一个简单、低成本的微控制器 也能用作为控制器。图8表示实现脉冲耦合振荡器102和PCO振荡器104的集成电路100的更详细的 示意图。晶体管Ml 106是连接PFET的二极管，其对电容C1108充电。在节点A110，电压是 单调递增并下凹的，因为节点AllO上的电压的增加降低了 Ml的电流。PFET M3 112还可 以向节点AllO注入电流，并用于实施PCO功能的Δ V脉冲耦合方面。因此，在节点AllO上 生成PCO状态函数。逆变器(inverter) INVO 114用于阈值探测并且其大小使其在低阈值 切换。在节点AllO的充电电压相交INVO的阈值之后，逆变器INV 1-4 116生成脉冲。然 后，该脉冲执行两个功能第一，它生成关掉M4 118所需的中断期间38(图3(d))。该中断 期间可通过Mll 120来调节。第二，来自逆变器INV 1-4 116的脉冲差分地驱动UWB天线，使其作为第四级LC 谐振电路的模型。打开第一晶体管M7 122和MlO 123，导致天线上的初始共振。由于我 们想要简短的脉冲，所以我们稍后打开M9 124—小段时间以减弱该共振。逆变器INV8到 INV24用来通过不同的延迟来控制天线驱动器的时序(timing)。使用标准传递闸极(pass gates)而实施的开关SWl和SW2，通过上述方式的操纵或者通过使用M8、M9和MlO以相反 的极性操纵来启动BPSK调制。图9表示在集成电路中实施的峰值极性探测器130的示意图。该峰值极性探测 器130用于通过RF前端87来探测脉冲的接收。极性探测器基于定时的读出放大器电路 (clocked sense amplifier circuit)。当没有信号的时候，总电路偏置电流是1 μ A，并且 MP2 136和MP5 138的存在抑制通过逆变器对丽3、4 132、MP3、4 134的正反馈机制，使输出 保持在VDD附近。由于我们没有时钟，我们允许低于阈值偏置的晶体管MN6、7 140接受来 自输入的AC耦合，Vin+142 and Vin-144。由于Vin+and Vin-是差分信号，一个门节点电 压上升，另一个门节点电压就下降。由于低于阈值偏置的晶体管的指数I-V关系，电路中上 升的节点以数量级增加电流，而下降的节点可以忽略地从总电流中减去。这种电流的增加 增强了正反馈逆变器并导致输出节点根据Vin+和Vin-的输入极性以相反的方向驱动。复 位晶体管MPl 144和MP6 145用于在脉冲探测之后快速地驱动输出节点返回其初始状态， 以允许迅速探测下一次脉冲。峰值极性探测器可以通过开关MN5 146禁用。小电阻R3 148 用于保持NFET MN3、4 132的源极为相同的电压，允许正反馈机制更有效地工作。该电路可 以偏置在低功率下仍可以探测非常短时的脉冲。与快速、同步ADC相反，这种同步脉冲探测 器仅在其必须的时候才消耗高电流，它能够在没有附加的信号处理的情况下探测不同的极 性。这里描述的收发器和网络通过首先在不同节点之间建立同步来建立网络通信。起初，所有发射器和接收器节点都处于非同步的状态。在这一点上，所有节点82发射它们 的同步脉冲，该同步脉冲持续地耦合到每个节点的PCO电路90。这引起所有的节点精确 地同步。然后，发射器和接收器转变到锁定状态，在锁定状态下，它们锁定高分频比(high divide ratio)锁相环路(PLL)到同步信号，其在系统中用作为全局时钟。本地时钟可以 用来在每个“帧”中计时“二进码”，以使得对于每个节点，传送代码(transmission codes) 可以唯一地定义和探测到。一旦收到同步序列，接收器和发射器就知道在一个二进码以内 它们是相匹配的，因此对于所有的二进码除了 2个二进码以外(已知的数据二进码和同步二进码)都可以关掉RF。这降低了占空比，因此RF的功率消耗降至2/Nbins。在这一点上， 二次获取可以与二进码有效上升沿所触发的延迟锁环路一起发生。延迟锁环路锁定到脉冲 到达的时间，在预期脉冲到达很短时间之前打开RF放大器。相同的过程发生在同步二进码 中。在脉冲的预期到达时间附近RF系统开启时，这产生了非常紧密的时间窗口。应当注意 的是，发射器和接收器的角色是可互换的，因为两个电路是相同的，并且原则上全双工通信 是可行的。
本发明使用脉冲耦合振荡器(PCOs)来取代外部晶体作为节点对节点通信中的频 率参考源，因此本发明允许在半导体电路中实施。使用PCO系统的节点的收集已经严格地 证实了在自组织方式中同步，因此生成了通信节点共用的全局时钟。PCO系统还具有这样的 特性网络将从任意节点的加入或离开中自恢复。随着全局时钟的建立，然后可以基于该全 局时钟建立节点对节点通信。本发明可能对超宽带、基于脉冲的通信系统最有用，因为用于 在接收器和发射器之间建立共用参考时间的类似的替换方法不是在半导体电路中实施的。参考所公开的实施例，上面对本发明进行了直观的描述。在不脱离本发明权利要 求所限定的保护范围的前提下，本领域技术人员可以对所公开的实施例作出各种修改和变 化。
权利要求
一种收发器，包含一个或多个集成电路，该集成电路包括适于连接天线的R.F.前端，与该R.F.前端耦合并适于探测接收到的为收发器准备的脉冲的脉冲探测器，以及包括下凹的单调递增的状态函数的脉冲耦合振荡器，其中，振荡器适于从脉冲探测器接收同步脉冲并适于响应所接收到的同步脉冲在状态函数中引起预定的状态增量。
2.根据权利要求1所述的收发器，其特征在于，脉冲耦合振荡器适于在没有激活状态 增量的时候包括中断期间，该中断期间紧随状态变化之后。
3.根据权利要求1所述的收发器，其特征在于，脉冲探测器适于从正在发送给收发器 的数据脉冲中区分出用于振荡器的同步脉冲。
4.根据权利要求1所述的收发器，其特征在于，进一步包含控制计时器，该控制定时器 与振荡器耦合并适于将振荡器的每个周期分为多个时间二进码。
5.根据权利要求4所述的收发器，其特征在于，控制计时器适于使收发器能够探测在 多个时间二进码的预定的任一个中出现的任意数据信号。
6.根据权利要求4所述的收发器，其特征在于，进一步包含控制器，该控制器与控制定 时器耦合并适于在预定的时间二进码中断开电源与R. F.前端的连接。
7.根据权利要求6所述的收发器，其特征在于，控制器适于仅在收发器要接收数据脉 冲和同步脉冲时在二进码中将电源连接到R. F.前端。
8.根据权利要求1所述的收发器，其特征在于，进一步包含控制计时器，该控制计时器 与振荡器耦合，适于将振荡器的每个周期分为多个时间帧，并将每个时间帧分为多个时间 二进码，其中，控制计时器适于使收发器能够探测在每个时间帧中相同的预定时间二进码 中出现的任意信号。
9.一种无线网络，包含如权利要求1所述的多个收发器。
10.一种无线网络，包含多个节点，每个节点包括各自的脉冲耦合振荡器，脉冲耦合振荡器在半导体电路中实 现并具有下凹的单调递增的状态函数，其中，每个振荡器适于在状态函数周期的末端生成 状态变化的脉冲；以及发射/接收电路设置在每个节点中，适于向网络中的其它节点发射来自各个振荡器的 状态变化的脉冲，并进一步适于从网络中的其它节点接收状态变化的脉冲并将它们应用到 各个振荡器以在各个振荡器中引起状态增量。
11.根据权利要求1所述的无线网络，其特征在于，每个发射/接收电路包括R.F.前端 和脉冲探测器，该脉冲探测器与从R. F.前端接收到的信号耦合，并适于从其它节点中识别 同步德尔塔脉冲。
12.根据权利要求1所述的无线网络，其特征在于，每个脉冲耦合振荡器适于在没有激 活状态增量的时候包括中断期间，该中断期间紧随状态变化之后。
13.根据权利要求1所述的无线网络，其特征在于，每个节点包括控制计时器，该控制 计时器与各个振荡器耦合并适于将振荡器的每个周期分为多个时间二进码。
14.根据权利要求13所述的无线网络，其特征在于，控制计时器适于使各个收发器能 够探测在多个时间二进码的预定的任一个中出现的任意数据信号。
15.根据权利要求13所述的无线网络，其特征在于，每个节点包括控制器，该控制器与 控制计时器耦合并适于在预定的时间二进码中断开R. F.前端的电源。
16.根据权利要求1所述的无线网络，其特征在于，每个节点包括控制计时器，该控制 计时器与振荡器耦合，适于将振荡器的每个周期分为多个时间帧，并适于将每个时间帧分 为多个时间二进码，其中，控制计时器适于使收发器能够探测在每个时间帧中相同的预定 时间二进码中出现的任意数据信号。
17.根据权利要求1所述的无线网络，其特征在于，每个节点适于在无线网络上从其它 节点接收同步脉冲。
全文摘要
一种收发器节点，包括集成电路中的脉冲耦合振荡器，该脉冲耦合振荡器可以与其它节点同步，以生成全局时钟，该全局时钟继而用来促成节点之间的同步通信。已知的潜在用途包括用于军事应用和医学应用的自组织网络的低功率传感器节点无线电，如可吸收和可植入无线电、自供电无线电，以及医学监测系统如心脏和神经监测贴片。
文档编号H04B1/69GK101821978SQ200880101741
公开日2010年9月1日 申请日期2008年8月4日 优先权日2007年8月3日
发明者肖·Y·王, 艾莉莎·B·阿普泽尔 申请人:康奈尔大学