一种脉冲超宽带太赫兹收发构架的制作方法

本发明涉及微波工程领域，具体涉及脉冲uwb+太赫兹高速高能效通信传输技术，尤其是涉及一种脉冲超宽带太赫兹收发构架。

背景技术：

空间骨干传输网需要传输大量的数据、图像甚至是视频信息的传输。这对星载太赫兹通信的传输速率也提出了越来越高的要求。在实现高传输速率的要求时，我们必须要综合考虑系统容量、带宽、频谱利用率、实现复杂度以及功耗等问题。根据现有的通信传输系统，为实现高复杂度调制，同时达到较高的数据传输速率，需要使用高精度adc。然而，adc本身的采样率和精度都需要消耗较多的功耗。为降低通信传输系统的功耗，就需要避免使用高精度adc。

脉冲超宽带信号凭借其脉冲宽度窄、带宽较宽的特性，大大减小了通信系统调制解调的复杂度，且具有抗干扰能力强等优点。2009年，vishalv.kulkarni等人提出了一种可产生4ghz带宽的超宽带脉冲信号发射机，其功耗为12pj/b[1]。同年，jikyungjeong等人提出了一种4-pam的脉冲收发机架构，该架构可将脉冲载波的幅度调制为4种不同的状态，其数据传输速率为3.2gb/s[2]。2011年，sungminyoo等人采用新的编码与解码方式，设计了一种10gb/s数据传输速率的脉冲收发机[3]。传统的脉冲uwb发射机利用脉冲发生器将数字基带信号直接调制在射频。由于没有本地载波准确控制射频信号的中心频率，输出脉冲的频谱易受工艺偏差的影响。

【参考文献】

[1]kulkarni,v.v.etal.“a750mb/s,12pj/b,6-10ghzcmosir-uwbtransmitterwithembeddedon-chipantenna”.ieeejournalofsolid-statecircuits,volume44,issue2.feb.2009.

[2]jeong,j.etal.“acmos3.2gb/s4-pamseriallinktransceiver”.socdesignconference(isccc),nov.2009.

[3]yoo,s.etal.“a10gb/s4-pamtransceiverwithadaptivepre-emphasis”.integratedcircuits(isic),dec.2011.

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，创新性地将脉冲uwb信号与太赫兹前端结合，提供了一种脉冲超宽带太赫兹收发构架，采用4-pam的调制方式，是一种可支持qam、pam、脉冲和连续波多种波形调制的高速通信传输系统，扩展了应用场景和应用前景。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种脉冲超宽带太赫兹收发构架，包括发射机结构和接收机结构，所述发射机结构包括依次连接的脉冲发生器、脉冲形成器、多路复用器、功率放大器和太赫兹发射天线，所述脉冲形成器和多路复用器均与连续波源相连接；所述接收机结构包括依次连接的太赫兹接收天线、低噪声放大器、混频器和多路分离器，所述多路分离器输出端连接有4-pam解调模块，所述混频器与本振发生器相连接。

所述多路复用器用于切换uwb模式和fmcw模式，所述uwb模式产生基于太赫兹载波的超宽带信号，所述fmcw模式产生连续波太赫兹信号。

在uwb模式下，4-pam基带信号被传入脉冲发生器，以产生四种不同幅度的脉冲信号，脉冲信号与连续波源产生的太赫兹信号在脉冲形成器中进行混频，上变频为脉冲射频信号，经功率放大器放大，由太赫兹发射天线发射给接收机结构后，经低噪声放大器放大后，与本振信号混频，进行下变频，最后经4-pam解调为基带信号，完成通信传输。

在fmcw模式下，连续波源产生的太赫兹信号直接经功率放大器放大后，由太赫兹发射天线发射给接收机结构，接收机结构接收的连续波太赫兹信号经低噪声放大器放大后，与本振信号混频，下变频为基带信号，完成通信传输。

所述功率放大器和低噪声放大器的带宽均大于脉冲射频信号的带宽，所述脉冲射频信号由脉冲发生器产生的脉冲信号和连续波源产生的太赫兹信号混频后得到。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本发明将超宽带uwb脉冲技术与太赫兹前端结合，避免了高精度adc的使用，实现了连续波太赫兹信号与基于太赫兹载波的超宽带信号的双模式通信传输。4-pam调制降低了系统对信道带宽和符号传输速率的要求，并减小了符号间干扰。在支持pam/qam复杂调制及脉冲/连续波多种波形调制的同时，此发明降低了传输系统的功耗，使系统复杂度变小，满足了通信传输系统对于高能效与高数据传输速率的迫切需求。

本发明创新性地提出将脉冲超宽带与太赫兹前端结合的电路结构，采用4-pam的调制方式，发射机通过上混频将脉冲信号搬移到本地载波频率。所以本发明达到了两者的优势的结合，用于实现高能效高速的通信传输。

附图说明

图1是本发明脉冲超宽带太赫兹收发构架框图；

(a)为发射机结构；

(b)为接收机结构；

图2是本发明中发射机结构的波形示意图；

图3是120ghz发射机的脉冲射频信号频谱图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明中发送端将4-pam基带信号传入脉冲发生器，生成四种不同幅度的脉冲信号，之后太赫兹载波信号将脉冲uwb基带信号上变频为脉冲射频信号，在接收端再由本振信号将射频信号下变频到基带信号。此构架可提供双模式的通信传输，脉冲形成电路既可产生太赫兹频段下的脉冲波形，亦可产生太赫兹连续波，以支持脉冲和连续波两种调制方式。同时脉冲uwb信号的输出频谱可以通过本振信号实现高精度控制。其中，脉冲调制由于在接收端无需高采样率、高精度adc，能够进一步降低接收机的解调能效。

如图1所示，本发明脉冲超宽带太赫兹收发构架，包括发射机结构和接收机结构，所述发射机结构包括依次连接的脉冲发生器、脉冲形成器、多路复用器、功率放大器和太赫兹发射天线，所述脉冲形成器和多路复用器均与连续波源相连接。所述接收机结构包括依次连接的太赫兹接收天线、低噪声放大器、混频器和多路分离器，所述多路分离器输出端连接有4-pam解调模块，所述混频器与本振发生器相连接。

所述多路复用器用于切换uwb模式和fmcw模式，所述uwb模式产生基于太赫兹载波的超宽带信号，所述fmcw模式产生连续波太赫兹信号。发射机结构中信号的波形如图2所示，这种结构能很好地控制射频频谱，并支持qam、pam等多种波形调制。

在uwb模式下，4-pam基带信号被传入脉冲发生器，以产生四种不同幅度的脉冲信号，脉冲信号与连续波源产生的太赫兹信号在脉冲形成器中进行混频，上变频为脉冲射频信号，经功率放大器放大，由太赫兹发射天线发射给接收机结构后，经低噪声放大器放大后，与本振信号混频，进行下变频，最后经4-pam解调为基带信号，完成通信传输。

在fmcw模式下，连续波源产生的太赫兹信号直接经功率放大器放大后，由太赫兹发射天线发射给接收机结构，接收机结构接收的连续波太赫兹信号经低噪声放大器放大后，与本振信号混频，直接下变频为基带信号，完成通信传输。

4-pam基带信号通过改变生成脉冲的幅度大小，实现在一个符号传输时间内传2bit的数据，从而可以将系统要求的符号传输速率降低2倍，保证了高速的信息传输。此外，4-pam还降低了对相同速率下所要求的信道带宽，减小了符号间干扰和信号的串扰。

此通信构架基于120ghz的太赫兹载波，由脉冲发生器产生的脉冲信号和连续波源产生的太赫兹信号混频得到的脉冲射频信号的频谱图如图3所示。对于脉冲uwb信号，其时域上的脉冲宽度τ与对应的频域带宽b满足另一方面，脉冲宽度也对收发机电路中元器件的指标提出了要求。在信号的发射和接收过程中，为了使传输信息不会缺失，发射路径与接收路径中的功率放大器和低噪声放大器等信号处理模块的带宽均应大于脉冲射频信号的带宽。

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。