基于UWB频带的低功耗高传输速率发射机调制电路的制作方法

本发明涉及一种发射机调制电路，尤其涉及一种基于uwb频带的低功耗高传输速率发射机调制电路。

背景技术：

1、随着物联网(iot)时代的到来，各种移动设备正在高速交换数据。特别是脑机接口(bci)的应用需要高数据率的近距离通信，以获得高质量低功耗的脑信号，从而可以方便的分析脑电信号。因此，对于低功耗、高数据率和近距离通信的需求大大增加。脑机接口电路与系统中的无线通信作为接在大脑上的设备，对高动态范围等高质量较多的脑电信号要求较高的传输数据速率，且对设备要求较低的功耗。

2、应用在植入式脑机接口的场景中，随着感知通道数量逐年增加，神经传感正迅速而广泛地应用于一些临床研究和脑机接口(bcis)。通过在大脑中分布多个高密度细胞外微电极阵列，得到每个神经元的精度，从而可以绘制大脑不同区域神经元活动的相关性。由于每个神经传感通道典型的采样速率为20～50ks/s，使用大于10比特的模数转换器(adc)，多个meas要求数据传输速率高达gb/s。然而，由于缺乏可在头皮下即经皮植入的高数据速率和微型无线遥测解决方案，这使脑机接口在许多临床应用中受到严重阻碍。无线遥测的功耗应限制小于10mw，以最小化来自模块表面积的热通量，避免过度加热组织。

3、目前应用在脑机接口无线数据传输的方法大致分为几种：传统的经皮无线遥测系统大多采用电感耦合，但数据速率限制在几mb/s。使用垂直腔面发射激光的近红外光学发射机数据速率高达300mb/s，但传输范围十分有限(4mm)，需要在植入体内的发射机和可穿戴的接收机之间进行毫米间距的精确对准。而无线电超宽带(uwb)在目标需求下很有前景。由于通信距离不长，所以脉冲无线电超宽带(ir-uwb)可以替代上述要求的解决方案，如表1所示，其具有宽频带，可以实现高数据速率通信。此外，其非常短的脉冲持续时间和简单的非相干能量检测接收器结构使低功耗实现成为可能。

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6、表1

7、uwb调制技术的类型多种多样，为了实现微型无线通信系统，设计人员现在面临越来越多的挑战，目前受到较多关注的实现方式主要有两种，分别为超宽带调频(fm-uwb)和脉冲无线电超宽带(ir-uwb)，这两种uwb技术的信号功率都很低，而且能够提供强大的通信能力，同时还能应对未来在拥挤的频谱中越来越多的干扰源。由于频谱分布在非常宽的频带上，因此这两种调制技术受到频率选择性衰落的影响较小。fm-uwb系统采用的频率调制的技术，在发射机和接收机进行调制信号和解调信号时，都需要一个较为精准的产生时钟模块，通过高频时钟对数据进行相干调制和相干解调，但精准的时钟往往需要消耗相当大的功耗。与之相比较，ir-uwb技术则使用的是高阶高斯窄脉冲信号，这种调制技术的最大优势在于对发射机的复杂程度要求较小，同时不需要载波发生器，通过间隙操作模式可以做到低功耗的应用。

8、同时，调制编码技术是通信系统中的重要组成部分，对通信性能的实现起重要作用。高效的编码调制技术需要充分利用相应技术的本质特点，希望得到更低的误码率，更高的容量，更长的通信距离及更简单的系统结构等。当然，通信性能参数间的内在互换性、矛盾性决定了不可能同时达到所有目标，但要求可以根据实际应用需求进行灵活折衷，达到综合性能最优化。在目前的ir-uwb系统中，有开关键控(on-off-keying,ook)、脉冲幅度调制(pulseamplitude modulation,pam)、脉冲位置调制(pulse position modulation,ppm)、相位键控(binary phase shift keying,bpsk)等调制方式。

9、由上可见，在无线电超宽带的技术背景下，为了避免频繁更换电池给使用者带来的不便，需要无线通信技术在保证低功耗的前提下，不仅仅需要满足在短时间进行大量数据传输，而且可以保证接收到的数据的准确性，以及很强的抗干扰能力。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种基于uwb频带的低功耗高传输速率发射机调制电路，能够在极低功耗下，完成极高的数据传输速率，传输每比特的数据所消耗的能量不到pj(皮焦耳，1pj即为1*10-12焦耳)，能量效率达到了极好的性能。

2、本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种基于uwb频带的低功耗高传输速率发射机调制电路，包括如下单元模块：低压差线性稳压器：外接锂电池，并将电压转换为调制电路内部单元模块所需的供电电压；数字转换时间单元：将不同的输入数字电平信息通过多脉冲位置调制转换为不同的时间延迟信息；数字化脉冲发生单元：将不同的延迟信息通过相位键控调制的方式产生代表更多信息的正负低频并行的脉冲信号；功率放大器：将正负低频并行的脉冲信号转换为串行脉冲信号，合并到一根总线上输出，使得低频信号转换为高频满足uwb频段的信号；所述低压差线性稳压器为数字转换时间单元、数字化脉冲发生单元和功率放大器供电，所述数字转换时间单元的输入端接收不同的输入数字电平信息，输出端通过数字化脉冲发生单元连接至功率放大器的输入端，所述功率放大器的输出端通过匹配网络连接发射天线。

3、进一步地，所述低压差线性稳压器的输入电压为3-4v，输出电压为1.8v恒定电压。

4、进一步地，所述数字转换时间单元的输入信号为27bit速率为100m/s的数字信号，所述数字转换时间单元根据输入信号进行调制，调制后使脉冲产生0-9.5ns不同的延迟。

5、进一步地，所述数字脉冲发生器根据输入的27bit的数字信号，产生正脉冲、负脉冲或者没有脉冲，输出的脉冲频率范围为1-2g。

6、进一步地，所述数字脉冲发生器采用每3bit信息对2个脉冲的位置以及其相位进行调制，共有18个脉冲，对应27bit信息；2个脉冲位置分别有正脉冲，负脉冲，以及无脉冲三个状态，共有3*3种状态；调制时舍弃2个脉冲位置上均为无脉冲状态；在检测信号调制时，如果发现奇数位和偶数位同时没有脉冲，则判定为误码。

7、进一步地，所述功率放大器输入频率为1-2g的脉冲信号，输出频率达到3-5g频率范围的脉冲信号。

8、进一步地，所述uwb频段的频率范围为3-5ghz。

9、进一步地，所述匹配网络的输出阻抗为50欧姆，电感l为24nh，电容c为2pf。

10、本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的基于uwb频带的低功耗高传输速率发射机调制电路，采用多脉冲位置调制和相位键控调制相结合的方法控制数据调制，使该发射机电路可以将极高比特数的数据调制并在适用的频带下将信号发射出去，传输每比特的数据所消耗的能量不到pj，能量效率达到了极好的性能。

技术特征：

1.一种基于uwb频带的低功耗高传输速率发射机调制电路，其特征在于，包括如下单元模块：

2.如权利要求1所述的基于uwb频带的低功耗高传输速率发射机调制电路，其特征在于，所述低压差线性稳压器的输入电压为3-4v，输出电压为1.8v恒定电压。

3.如权利要求1所述的基于uwb频带的低功耗高传输速率发射机调制电路，其特征在于，所述数字转换时间单元的输入信号为27bit速率为100m/s的数字信号，所述数字转换时间单元根据输入信号进行调制，调制后使脉冲产生0-9.5ns不同的延迟。

4.如权利要求1所述的基于uwb频带的低功耗高传输速率发射机调制电路，其特征在于，所述数字脉冲发生器根据输入的27bit的数字信号，产生正脉冲、负脉冲或者没有脉冲，输出的脉冲频率范围为1-2g。

5.如权利要求4所述的基于uwb频带的低功耗高传输速率发射机调制电路，其特征在于，所述数字脉冲发生器采用每3bit信息对2个脉冲的位置以及其相位进行调制，共有18个脉冲，对应27bit信息；2个脉冲位置分别有正脉冲，负脉冲，以及无脉冲三个状态，共有3*3种状态；调制时舍弃2个脉冲位置上均为无脉冲状态；在检测信号调制时，如果发现奇数位和偶数位同时没有脉冲，则判定为误码。

6.如权利要求1所述的基于uwb频带的低功耗高传输速率发射机调制电路，其特征在于，所述功率放大器输入频率为1-2g的脉冲信号，输出频率达到3-5g频率范围的脉冲信号。

7.如权利要求1所述的基于uwb频带的低功耗高传输速率发射机调制电路，其特征在于，所述uwb频段的频率范围为3-5ghz。

8.如权利要求1所述的基于uwb频带的低功耗高传输速率发射机调制电路，其特征在于，所述匹配网络的输出阻抗为50欧姆，电感l为24nh，电容c为2pf。

技术总结
本发明公开了一种基于UWB频带的低功耗高传输速率发射机调制电路，包括：低压差线性稳压器：外接锂电池，并将电压转换为调制电路内部单元模块所需的供电电压；数字转换时间单元：将不同的输入数字电平信息通过多脉冲位置调制转换为不同的时间延迟信息；数字化脉冲发生单元：将不同的延迟信息通过相位键控调制的方式产生代表更多信息的正负低频并行的脉冲信号；功率放大器：将正负低频并行的脉冲信号转换为串行脉冲信号，合并到一根总线上输出，使得低频信号转换为高频满足UWB频段的信号。本发明采用多脉冲位置调制和相位键控调制相结合的方法控制数据调制，传输每比特的数据所消耗的能量不到pJ，能量效率达到了极好的性能。

技术研发人员：李末寒,张轩,姚镭
受保护的技术使用者：上海矩智科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15