【正文】 ..................................................................... 12 差分 CASCODE電路 .......................................................................................... 12 差分電路的設(shè)計 ....................................................................................... 12 差分電路的電路級仿真 ........................................................................... 14 單端 CASCODE電路 .......................................................................................... 16 單端電路的設(shè)計 ....................................................................................... 16 單端電路的電路級仿真 ........................................................................... 19 單端電路的版圖設(shè)計、提取及后模擬 ................................................... 22 電路級仿真和后模擬仿真總結(jié) ...................................................................... 25 與其它電路的比較 .......................................................................................... 25 結(jié)束語 ......................................................................................................................... 27 附錄 ............................................................................................................................. 28 參考文獻(xiàn) ..................................................................................................................... 38 2 第 1 章 緒論 引言 根 據(jù)美國聯(lián)邦通信委員會 (FCC)定義的超寬帶 (UWB)設(shè)備是指帶寬比大于 或 實 際 帶 寬 不 小 于 500 MHz 的 系 統(tǒng) ， 帶 寬 比 的 表 達(dá) 式 為2 ( ) / ( ) 2h t h tf f f f? ? ?，其中 hf 和 tf 分別是 10 dB 輻射點的高端與低端頻率．超寬帶系統(tǒng)和傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)相比具有高傳輸速率、低功耗、很強(qiáng)抗干擾性和抗截獲性等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于車載雷達(dá)、成像系統(tǒng)、測量定位系統(tǒng)和高速無線 LAN 等． 混沌信號是指確定性系統(tǒng)產(chǎn)生的類噪聲信號，擁有良好的自相關(guān)、互相關(guān)特性．由于它對初值敏感， 容易產(chǎn)生數(shù)量龐大互不相干的信號，所以 UWB 混沌通信系統(tǒng)具有高保密性和低截獲率等優(yōu)點 [12]． 首先使用三級級聯(lián) Colpitts 振蕩器構(gòu)成了超寬帶混沌信號產(chǎn)生電路，該電路結(jié)構(gòu)簡單，所產(chǎn)生的超寬帶混沌信號具有寬闊的頻譜和良好的自相關(guān)性，接著提出由該電路構(gòu)造的多混沌載波超寬帶系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并對不同的通信速率下的誤碼率進(jìn)行了仿真． 超寬帶無線通信技術(shù) 超寬帶（ UWB）無線通信是一種無載波通信技術(shù)，又被稱為脈沖無線電（ Impulse Radio） ，任何無線電系統(tǒng)，只要它滿足下面的條件之一就稱為超寬帶系統(tǒng)： M H z500%20)(2?????LHLHLHffffff )11(? 其中， hf 和 lf 分別是信號能量功率譜密度（ PSD）的上限頻率和下限頻率， hf和 lf 都定義在 PSD 衰減為 10dB 的輻射點 上 。第二種 UWB 技術(shù)稱為直接序列擴(kuò)頻超寬帶技術(shù) (DSUWB)，該方案由美國飛 思卡爾 (FrceScale)半導(dǎo)體公司首先提出 。由式信道容量 C 與信道帶寬呈線性增長，與信號功率 P 呈較為緩慢的對數(shù)增長，因此增加信號的帶寬比增加信號的功率更有效。而 UWB 信號恰好具有低占空比，每比特數(shù)據(jù)中含有多個脈沖的特點，所以， UWB 系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，可以工作在低信噪比的環(huán)境下。 20xx 年12 月，在美國新墨西哥州的阿爾布克爾市舉行的 IEEE 有關(guān) UWB 標(biāo)準(zhǔn)的大討論。隨著工作組解散，何種標(biāo)準(zhǔn)能獲勝就要看誰能得到市場的認(rèn)可了。我國在20xx 年 9 月初發(fā)布的“十五”國家 863 計劃通信技術(shù)主題研究項目中，首次將“超寬帶無線通信關(guān)鍵技術(shù)及其共存與兼容技術(shù)”作 為無線通信共性技術(shù)與創(chuàng)新技術(shù)的研究內(nèi)容，鼓勵國內(nèi)學(xué)者加強(qiáng)這方面的研究工作 [9]。20xx 年 9 月，“中國超寬帶無線技術(shù)論壇”在北京成立。高頻信號在大氣傳輸中不易衰減，為了實現(xiàn)遠(yuǎn)距離無線通信，很有必要將頻率變換到高頻進(jìn)行傳輸。與超外差式結(jié)構(gòu)相比較，零中頻發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)具有以下特點：第一，只需要通過一次頻率變換，不需要片外的分立濾波器；第二，由于載波頻率和本振頻率相等，因此不存在鏡像頻率，比較適合于超寬帶低成本低功耗系統(tǒng)的應(yīng)用。 P A數(shù) 據(jù)上 混 頻 器天 線L N A數(shù) 據(jù)下 混 頻 器超 寬 帶 發(fā) 射 機(jī)超 寬 帶 接 收 機(jī)基 帶 處 理基 帶 處 理D A CD S PD A CD S P頻 率 合 成 器 圖 超寬帶收發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu) 無線通信系統(tǒng)中，發(fā)射和接收是可逆的過程。超寬帶收發(fā)射機(jī)簡化結(jié)構(gòu)圖如圖 所示，在接收端，來自天線的微弱射頻信號通過前置濾波器選頻，由低噪聲放大器（ Low Noise Amplifier， LNA）放大，通過下混頻器將頻率變換到中頻，最后通過基帶處理電路，得到想要的數(shù)據(jù)信息。 第 2 章 給出了本文提出的超寬帶 混沌 UWB 載波 通信系統(tǒng) 的電路結(jié)構(gòu) 第 3 章 給出了本文提出的超寬帶低噪聲高線性度放大器設(shè)計電路結(jié)構(gòu)，對電路結(jié)構(gòu)和仿真結(jié)果進(jìn)行了適當(dāng)?shù)姆治?。由此定義，混沌系統(tǒng)應(yīng)具有三個性質(zhì)： 一、存在可數(shù)無窮多個穩(wěn)定的周期軌道； 二、存在一個不可數(shù)集合，該集合只含有混沌軌道，且任何兩個軌道既不會遠(yuǎn)離也不會趨近，而是兩種狀態(tài)交替出現(xiàn)，同時任一軌道不趨近于任一周期軌道； 三、混沌軌道具有高度的不穩(wěn)定性。也就是說，系統(tǒng)不能被分解為二個在 f 下互不影響的子系統(tǒng) (二個不變的開子集 )。所謂的不可預(yù)測性，如果初值具有一極微小的變化，在短時間內(nèi)的結(jié)果還可以預(yù)測，但通過長時間的演化后，它的狀態(tài)根本無法預(yù)測，即差之毫厘，失之千里，這就是著名的“蝴蝶效應(yīng)“。不管對混沌的各種定義有何區(qū)別，混沌本質(zhì)特征是相同的，綜合起來有以下幾點： 1xS? 8 (1)混沌具有內(nèi)在隨機(jī)性，是確定性系統(tǒng)內(nèi)部隨機(jī)性的反映，它不同于外在的隨機(jī)性，系統(tǒng)是由完全確定性的方程描述，無需附加任何隨機(jī)元素，但系統(tǒng)仍會表現(xiàn)出類似隨機(jī)性的行為。因而，混沌系統(tǒng)的長期演化行為是不可預(yù)測的?；煦缫卜侵芷谶\(yùn)動和準(zhǔn)周期運(yùn)動，是非周期性的，但它具有良好的自相關(guān)性和寬頻帶的特點，類似噪聲的特點，基于此正好用其掩蓋所傳送的通信信息，使這些信息看起來像是寬帶的噪聲一樣，難于提取。 多混沌載波超寬帶系統(tǒng) Colpitts振蕩電路是目前研究和應(yīng)用廣泛的三點式振蕩器，只要適當(dāng)?shù)倪x擇電路參數(shù)，就能使 Colpitts振蕩電路進(jìn)入混沌狀態(tài)．單一的 Colpitts振蕩電路 3 dB帶寬很小，利用驅(qū)動響應(yīng)的思想，將多個不同諧振頻率上的 Colpitts振蕩電路通過合適的方法級聯(lián)起來，可獲得更寬闊的頻帶．使用三級級聯(lián) Colpitts振蕩器和由 L、 C構(gòu)成的高通濾波器共同構(gòu)成超寬帶混沌信號產(chǎn)生電路，電路結(jié)構(gòu)如圖 1所示，經(jīng)仿真得到電阻 R 輸出的超寬帶混沌信號波形及頻譜分別如圖 3所示．從圖 2可 9 以看出輸出的振蕩信號在時域上沒有周期 性，明顯具有類噪聲的特性；圖 3顯示產(chǎn)生的是超寬帶混沌信號的對數(shù)頻譜圖，信號的頻率分量從低頻端到 2 GHz以上的高頻端，十分豐富，中心頻率在 1GHZ左右，并且 1O dB帶寬超過 GHz，帶寬比在，滿足 FCC的超寬帶信號的定義． 圖 1 超寬帶混沌信號產(chǎn)生電路 由于混沌信號具有初值敏感性，所以改變電路中元件的參數(shù)取值，這樣描述系統(tǒng)的微分方程發(fā)生了變化，可以產(chǎn)生互相關(guān)性很低的不同混沌信號． 由于超寬帶混沌信號具有很寬的帶寬、良好的自相關(guān)性和很低的互相關(guān)性，所以不同混沌信號之間可以近似看作是正交 的．如果并行同時發(fā)送多路經(jīng) lO0 V混沌載波調(diào)制的信號，首先可以提高系統(tǒng)的傳輸速率，在接收端對信號進(jìn)行相關(guān)解調(diào)就可以恢復(fù)數(shù)據(jù)；再者可以通過調(diào)節(jié)超寬帶混沌信號產(chǎn)生電路中元件的參數(shù)值，使每路混沌載波的動力學(xué)特性各不相同，所以多路超寬帶混沌載波的疊加結(jié)果具有更為復(fù)雜的圖 2 超寬帶混沌信號波形混沌動力學(xué)特征，大大加強(qiáng)了發(fā)射信號的隨機(jī)特性，使得系統(tǒng)具有更好的抗截獲能力．利用上面產(chǎn)生的超寬帶混沌信號作為載波可以構(gòu)造新穎的超寬帶系統(tǒng)，系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)與接收機(jī)結(jié)構(gòu)分別如圖 4和圖 5所示． 10 發(fā)射機(jī) 對于二進(jìn)制 數(shù)據(jù) bk∈ (O， 1)， k=0， 1， ? ， + ? ，先經(jīng)過 12kb 的變換分別轉(zhuǎn)化為雙極性信號 1和 1，然后每 m比特為一組，經(jīng)過串／并變換分成 m路并行的數(shù)據(jù)，其中 ()jbi = 1， 2， ? ， m， j=0， 1， ? ， +? ，且 ()j jm ib i b ?? ，再分別由 m個互相關(guān)性很低的超寬帶混沌載 波 ()ict進(jìn)行調(diào)制，由于 FCC定義的超寬帶占用的頻段為 ~ GHz，所以各路信號相加的結(jié)果再和載波 d(t)相乘，經(jīng)天線送人信道 .載波 d(t)的頻率可以在 ~ GHz上任意設(shè)定，靈活性較大，這樣就能根據(jù)工作環(huán)境的需要， 避開 其它通信系統(tǒng)在 ~ GHz范圍內(nèi)使用的頻段，減少系統(tǒng)間的相互干擾．由上可知發(fā)射信號 s(t)為： 01( ) { } ( )[ 1 2 ( ) ] ( )m j i fjis t d tb i c t jT?????????? 式中， fT 為一幀的持續(xù)時間，所以 1/ fT是每路并行數(shù)據(jù)的信息速率，這樣系統(tǒng)總的傳輸速率為 1/ fT ． 接收機(jī) 為了分析方便，不考慮多址干擾，設(shè)信道的沖擊響應(yīng) ( ) ( )h t t????，信道中的噪聲 n(t)為加性高斯白噪聲，且均值為零，雙邊功率譜密度為 0/2N ．系統(tǒng)接 11 收端使用相關(guān)接收機(jī)來解調(diào)信號．發(fā)射信號 s(t)經(jīng)過信道傳輸，則接收的信號 r(t)為： ( ) ( ) * ( ) ( ) ( ) ( )r t s t h t n t s t n t?? ? ? ? ?,然后接收信號先與載波 d(t)相乘解調(diào)，再分別與 m路 UWB混沌載波進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算得到：( 1 ) ( ) ( )( ) ( )friffrjT r t d tjTa j i c t j T ????? ?? ? ?? ，接著對 ()aji 進(jìn)行判決得到 ()jbi的估計量 ()jbi，判決準(zhǔn)則是： () 0 ( ) 0 ,1 ( ) 0 ,jjjbi aiai? ? ?? ?? ，最后 ()jbi經(jīng)過并／串變換得到發(fā)送數(shù)據(jù) kb 的估計量 kb 仿真與結(jié)果 取 m=10,即并行傳輸 10路超寬帶混沌載波，可以通過對電路中的元件賦 10個不同的初值，每個不同的初值可以產(chǎn)生一路超寬帶混沌信號作為載波． 不考慮多址干擾，假設(shè)系統(tǒng)可以良好的同步，令 Ts分別等于 、 、 1us，這樣對應(yīng)的系統(tǒng)信息速率分別為 100 Mbps、 50 Mbps、 20 Mbps、 10 Mbps，取 100 000個數(shù)據(jù)點，得到系統(tǒng)的誤碼率與信號噪聲平均功率比的關(guān)系如圖 6所示．從圖中可以看出，系統(tǒng)具有較低的誤碼率，隨著信息速率的提高，誤碼率逐步上升．系統(tǒng)之所以可以達(dá)到較高的通信速率，主要是因為超寬帶混沌載波具有很大的帶寬，再者寬帶也增加了系統(tǒng)的保密性． 結(jié)束語 通過驅(qū)動響應(yīng)的辦法，使用結(jié)構(gòu)簡單的三級級聯(lián) Colpitts振蕩電路產(chǎn)生了超寬帶混沌信號，并利用它構(gòu)造了多混沌載波超寬帶系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備很好保密性和抗截獲特點，能夠達(dá)到較高的通信速率和理想的誤碼率，具有很好的 應(yīng)用 第 3 章 低壓 低噪 聲 高線性度的 LNA 電路設(shè)計 在本章節(jié)中，將