用于運行uwb裝置的方法

用于運行uwb裝置的方法
【專利摘要】一種用于驅動具有至少一個發射天線和/或至少一個接收天線的UWB裝置的方法，具有以下步驟：借助激勵脈沖信號（13，13′）激勵發射天線（12）或者接收天線（12′），該激勵脈沖信號具有交替極性的并且不同幅度的、基本上正弦形的脈沖序列，并且尤其是具有5階高斯脈沖信號的波形，其中能夠交替地將不同極性和不同大小的電流脈沖輸送給發射天線（12），其方式是將與發射天線（12）耦合的電子第一開關單元（16）接通和關斷，所述電子第一開關單元具有與要產生的脈沖幅度相關的電阻，其中每個第一開關單元（16）具有可預先給定的、尤其是相同數目的第一開關晶體管（18，19），所述第一開關晶體管分別具有基本上相同的接通電阻值（R），其中第一開關單元的電阻通過使用第一開關晶體管（18，19）的僅僅之一或者通過使用并聯的多個第一開關晶體管（18，19）來調節，其中第一開關單元（16）根據可預先給定的時間計劃被順序地并且分別在預先確定長度的激勵時間區間上而被激勵。
【專利說明】用于運行UWB裝置的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于運行UWB (超寬帶)裝置作為雷達或者用于通信目的的方法。【背景技術】
[0002]存在基于發射單個脈沖和脈沖成型的雷達系統。也非常常見的是，使用例如模擬的乘法器用于調制和解調。
[0003]由W0-A-01/93441公開了一種用于通信的針對UWB擴譜的UWB發射或者接收單元。在這種已知的裝置中產生邏輯“I”和邏輯“0”，其分別通過具有交替的符號或者具有交替的極性的多個脈沖的序列來產生，其中脈沖相繼的順序不同，以便可以將邏輯I與邏輯O相區分。在此，借助放大電路和求和器來工作，這比較復雜。
[0004]由US-A-2004/0174928公開了一種用于發射和接收連續波形的擴譜信號的方法和裝置。信號在此通過被不同程度地加權的單個脈沖來產生。
[0005]由W0-A-01/93482公開了一種根據US-A-2004/0174928的類似的方法和類似的裝置。
[0006]WO-A-01/28310示出了一種自適應的高頻收發機。
[0007]由US-B-6/330，274公開了一種帶有吉爾伯特乘法器的擴譜相關器。
[0008]發明任務
[0009]本發明的任務是，提出一種用于超寬帶(UWB)裝置的控制裝置，其具有低能耗(尤其是針對具有自給的能量供給的應用)然而仍然具有簡單并且可靠的發射信號產生和/或接收信號處理。

【發明內容】

[0010]為了解決該任務，借助本發明提出了一種用于運行具有至少一個發射天線和/或至少一個接收天線的UWB裝置的方法，其中該方法具有以下步驟:
[0011]一借助激勵脈沖信號激勵發射天線或者接收天線，該激勵脈沖信號具有交替極性并且不同幅度的、基本上正弦形的脈沖序列，并且尤其是具有5階高斯脈沖信號的波形，
[0012]一其中可以交替地將不同極性和不同大小的電流脈沖輸送給發射天線，其方式是將與發射天線耦合的電子第一開關單元接通和關斷，所述電子第一開關單元具有與要產生的脈沖幅度相關的電阻，
[0013]一其中每個第一開關單元具有可預先給定的、尤其是相同數目的第一開關晶體管，所述第一開關晶體管分別具有基本上相同的接通電阻值，
[0014]一其中第一開關單元的電阻通過使用第一開關晶體管的僅僅之一或者通過使用并聯的多個第一開關晶體管來調節，
[0015]一其中第一開關單元根據可預先給定的時間計劃被順序地并且分別在預先確定長度的激勵時間區間上而被激勵。
[0016]根據本發明，UWB裝置的發射脈沖通過將不同極性和不同幅度的單個脈沖組合來產生。以電阻形式實現的電流源用于此目的。本發明的特別之處在于，不同大小的電阻通過得出所涉及電阻的總電阻值的數目的電子開關(開關晶體管)的并聯來實現，其中借助所述電阻可以產生不同高度的脈沖。
[0017]由于根據本發明的、通過時間上受控地產生單個脈沖的發射脈沖生成的方案，根據本發明的UWB裝置僅僅需要低的能量，這尤其是對于自給工作的應用是有利的。根據本發明的UWB裝置在此可以用作UWB雷達和用作UWB通信裝置。UWB雷達用于檢測在檢查區域內的身體、物體等等，而UWB通信裝置用于通過經發射天線發出(調制的)發射脈沖進行的通信，這些發射脈沖隨后被接收天線接收。
[0018]在本發明的有利的改進方案中設計的是，兩個時間上相繼地被激勵的第一開關單元的激勵時間區間相互交迭或者在時間上間隔。
[0019]為了改善UWB裝置在其作為UWB雷達的應用中的檢測特性，合乎目的的是，脈沖信號具有兩個90°相移的、基本上相同正弦形脈沖的基本上相同的序列。
[0020]為了將接收天線接收的接收信號與發射信號相關，產生相關信號，更確切地說，如發射信號那樣并且借助與第一開關單元相同的第二開關單元，它們在順序上與第一開關單元完全一樣地根據時間計劃而被激勵。
[0021]此外可以是合乎目的的是，接收天線與至少一個吉爾伯特乘法器連接，所述吉爾伯特乘法器分別帶有由一對晶體管構成的差分級，其中可接通和關斷的第二開關單元與吉爾伯特乘法器的差分級連接，通過第二開關單元將與發射天線的激勵脈沖信號基本上相同的脈沖信號輸送給吉爾伯特乘法器，其中每個第二開關單元都具有可預先給定的、尤其是相同數目的第二開關晶體管，所述第二開關晶體管分別具有基本上相同的接通電阻值，其中第二開關單元的電阻通過使用第二開關晶體管的僅僅之一或者通過使用并聯的多個第二開關晶體管來調節，并且其中第二開關單元根據與第一開關單元基本上相同的時間計劃來順序地并且在預先確定長度的激勵時間區間上被激勵。
[0022]優選的是，接收天線與第二吉爾伯特乘法器耦合，其中將與發射天線的激勵脈沖信號基本上相同的脈沖信號輸送給兩個吉爾伯特乘法器之一，并且將相對于該脈沖信號90°相移的脈沖信號輸送給兩個吉爾伯特乘法器的另一個。
[0023]在本發明的另一有利的擴展方案中設計的是，全部的開關晶體管分別具有接通電阻值，其中接通電阻值與預先給定的參考值偏差最大10%，優選最大5%。這種相同類型的開關晶體管的制造可以通過如下方式實現:開關晶體管
[0024]一在唯一的半導體裝置中構建，或者
[0025]一在不同的、然而在唯一晶片上制造的半導體裝置中構建，或者
[0026]一在不同的半導體裝置中在不同的、然而在共同的批次中制造的晶片上構建。
[0027]—般而言，本發明于是涉及一種用于尤其是在反射或者透射物體布置在發射機和接收機之間的情況下通過使用借助擴頻碼信號的擴譜調制和解調方法通過發射機和接收機之間的傳輸信道無線傳輸信號的方法，其中擴頻碼信號通過將數目η個時間上相繼的、在其幅度方面被加權的、脈沖寬度為T并且具有不同符號的脈沖相加來產生，其中脈沖分別相對于彼此延遲了脈沖寬度T的有理部分i/k，其中i和k分別為整數。這樣產生的發射脈沖或者這樣產生的擴頻碼信號尤其是具有5階高斯脈沖的形狀。這種發射脈沖非常魯棒并且在多次反射的情況下也幾乎不改變其形狀。因此，這種發射脈沖尤其在將根據本發明的UWB裝置用作雷達的情況下是適合的。
[0028]此外合乎目的的是，在寬度和幅度方面，脈沖的形狀是可改變的。這些脈沖基本上具有正弦半波形信號的形狀，其被加權以及時間延遲，并且具有不同的符號。在此，脈沖持續時間的求導在此合乎目的地沒有振蕩器地進行。
[0029]在本發明的另一有利的擴展方案中設計的是，在由相互并聯的串聯電路構成的電路網絡中對脈沖加權，其中所述串聯電路分別帶有開關和加權的電阻和/或加權的電流源。此外有利的是，擴頻碼信號在發射機側用作發射信號，以及在接收機側用于與接收到的信號相關。在此，此外可以有利地為了發射機側和接收機側產生擴頻碼信號而使用同一電路或者相同的電路。
[0030]在根據本發明的方法的另一有利的擴展方案中設計的是，接收側使用帶有至少一個模擬輸入端和至少一個數字輸入端的至少一個吉爾伯特乘法器，或者其中至少一對差分級晶體管與至少一個被加權的、可控制的電阻或者被加權的、可控制的電流源連接的吉爾伯特乘法器，或者使用至少一個如下的吉爾伯特乘法器:其中擴頻碼信號通過使用開關網絡來產生，該開關網絡具有相對于彼此并聯連接的串聯電路，所述串聯電路分別帶有開關和被加權的電阻和/或被加權的電流源。合乎目的的是，脈沖在分別具有η個脈沖的突發組(Burst-Gruppe)中發送,其中η>1并且η為整數,并且在這種突發組內的每個脈沖通過時間上推移因子m*T/n (其中T為脈沖持續時間并且m〈(n+l)并且為整數)以及通過與有理數a的幅度乘法來映射到該突發組的另一脈沖上。在此，例如η為整數并且大于或者等于4，其中為了產生擴頻碼信號而在每個正脈沖之后跟隨有負脈沖，反之亦然，并且對于正脈沖和負脈沖構成的每個對，分別設置有乘法器。
[0031]例如，用于產生擴頻碼信號的脈沖的至少之一或者多個或者全部從檢測基帶信號通過開關閾值而得到。在此，可以將數字控制信號的上升沿或者下降沿選擇作為開關閾值，并且通過邊沿檢測來確定控制信號的相關邊沿。
[0032]在本發明的另一有利的擴展方案中，其他的用于產生擴頻碼信號的脈沖由至少一個第一脈沖通過將該第一脈沖延遲該脈沖的脈沖寬度T的有理分數Ι/j來產生，其中I和j分別為整數。
[0033]借助本發明，一方面可以在標準數字技術中在3GHz至5GHz的頻率范圍中在滿足針對頻譜功率密度的規定情況下以及在低耗電情況下實施UWB發射機，并且另一方面可以在標準數字技術中在分析遠低于背景噪聲的回聲信號的情況下實現具有低耗電的UWB接收機。
[0034]對于根據本發明的發射信號生成，適用:
[0035]一借助延遲線和加權開關針對發射突發的信號生成。
[0036]一由此實現了對于理想信號形狀的非常良好的近似(頻譜)。
[0037]一該方案僅僅在脈沖持續時間期間產生耗電。
[0038]一不存在起振和振動衰減過程。
[0039]一沒有使用特殊器件例如線圈。
[0040]對于接收和解調，此外根據本發明適用:
[0041]一借助延遲線和加權開關針對吉爾伯特乘法器的模板生成。
[0042]一僅僅使用一個延遲線，其激勵發射信號發生器以及接收機中的模板生成器。[0043]一開關本身是乘法器的組成部分一一避免了通過模擬的模板信號的彎路。所開發的吉爾伯特乘法器原則上是將天線的模擬信號與數字信號(加權開關)相乘的乘法器。
[0044]-僅僅在突發持續時間期間需要供電功率。
[0045]一被解調的信號(DC平均值)通過采樣電路和用于DA轉換器的積分器來準備，其允許比較慢。
[0046]—通過使用兩個解調器(乘法器)和兩個模板(O度和90度)，可以始終確定被反射的信號的數值，并且由此避免了在〈SOpsec的步驟中的“掃描”(其意味著在移動識別情況下多倍的時間開銷)。
[0047]下面借助兩個實施例參照附圖進一步闡述本發明。具體地，其中:
[0048]圖1示出了示例性系統的方框電路圖，
[0049]圖2示出了由多個加權脈沖構成的示例性小波模板，
[0050]圖3示出了發射發生器作為由時間上縮減地操作的、加權的開關構成的網絡，
[0051]圖4示出了控制脈沖發生器級，
[0052]圖5示出了吉爾伯特乘法器，
[0053]圖6示出了可切換的加權電流源，
[0054]圖7示出了帶有積分器的采樣保持電路，
[0055]圖8示出了帶有積分器的采樣保持電路和吉爾伯特乘法器的組合電路，
[0056]圖9示出了時序圖，
[0057]圖10示出了根據本發明的第二實施例的UWB收發機架構的發射天線布線的方框圖，
[0058]圖11示出了根據第二實施例的UWB收發機架構的接收天線布線的方框電路圖，
[0059]圖12示出了用于實現發射天線和接收天線的激勵模板的移位寄存器的示意圖以及用于時間偏移地產生根據圖10和圖11的布線的開關單元的激勵信號的時間圖，以及
[0060]圖13示出了用于激勵根據圖10和圖11的布線的驅動器的時間信號，為了產生兩個5階的90°相移的高斯脈沖。
[0061]圖1示出了示例性的分析電路，其中使用了根據本發明的裝置。
[0062]分析電路具有對于本領域技術人員已知的、具有常用信號SDO、SD1、SCK和CS的SPI 接口。
[0063]通過該接口，控制和狀態邏輯得到響應并且被控制，該邏輯一方面能夠實現分析電路的參數化，然而也可以通過SPI接口將測量值轉發給這里未示出的數據處理系統。
[0064]數字系統具有較低頻率的振蕩器，其頻率并不對應于超寬帶信號的中間頻率，而是明顯更低。由此，顯著降低了電路的耗電。這由于下面示出的根據本發明的基本思想而成為可能，其能夠實現省去用于產生發射頻率的振蕩器。
[0065]在控制和狀態邏輯中的計數器/計時器以及其他的存儲節點控制發射和接收過程的流程。
[0066]分析電路的主要部分是代碼生成器，其生成比特序列，該比特序列通過控制和狀態邏輯轉發給發射裝置和接收裝置。
[0067]發射信號通過雙極性端子TXP和TXN離開分析電路。接收信號通過端子RXP和RXN到達電路。其從那里到達UWB接收機(UWB Receiver)和解調器。[0068]從那里，(始終還為兩相的)信號到達兩相的ADC (ADC I和ADC Q)。
[0069]此外，分析電路具有用于代碼信號的第一延遲段(Delay)和借助預先給定的模板針對通過代碼生成器生成的代碼的定時確定裝置。
[0070]在代碼邊沿，現在TX信號發生器產生限定形狀的脈沖。脈沖的形狀以及由此其頻譜在此通過電路預先給定。這意味著，脈沖頻譜的中間頻率并不通過振蕩器確定，振蕩器一方面不會具有所要求的精度，并且另一方面需要顯著的電能。
[0071]圖2示出了一種典型的突發，其由不同高度和時間位置的單個脈沖組成。該突發具有正弦或者余弦函數乘以高斯分布的形狀。由此，該突發等同于Si函數(sin(x)/x)。
[0072]這些脈沖現在用作小波，以便由此產生所希望的調制的發射信號。單個脈沖被時間延遲地產生，并且被加權地相加，使得形成突發函數。由此，頻率范圍可以反映在一位或兩位的吉赫茲(GHz)范圍中、例如從IGHz至IOGHz或者更確切地從3GHz至5GHz的范圍中。
[0073]通過代碼發生器限定的比特流以其邊沿確定了脈沖的時間位置，其中該比特流典型地為偽隨機比特流。
[0074]通過動態改變布線，可以針對不同邊沿在寬度和高度方面改變脈沖形狀。
[0075]為了能夠發射正交的突發，可以使用推移π /2、即例如推移一半脈沖寬度的脈沖，其通過并聯的第二調制段來產生。為此，將代碼發生器的數字信號在第二延遲線路中延遲所述的(并未示出，因為對于本領域技術人員是常用的)η/2。該方法同樣可以用于接收側。
[0076]在圖3中示出了示例性的、這里為雙極性的信號發生器。開關例如可以構建為晶體管。通過短暫地閉合開關，分別形成與相應的電阻相關的電流脈沖，其可以在ON或者OP上提取用于發射。對于圖案脈沖的每個尖峰(圖2)，將開關閉合。
[0077]控制脈沖在此來自于短的延遲鏈路(圖4)。延遲線路在此通過延遲方框(DELAY)的供電電壓VBl (參見圖1)來校正。其確定了例如脈沖頻譜的中間頻率。為了保證頻譜特性的一致性，針對發射信號生成以及針對用于解調的模板產生而使用相同的延遲鏈路。
[0078]圖4示出了對應于現有技術的示例性的數字控制脈沖發生器級，其由在SIN處饋送到電路中的、代碼生成器的信號或者之前的控制脈沖發生器級的信號來生成兩個雙極性脈沖信號，其在DR和DT處分別作為雙極性信號又離開控制脈沖發生器級。在SIN的數字信號延遲地在SOUT上又離開該電路，并且可以從那里又饋送到隨后的控制脈沖發生器級中。通過多個這種類型的級(例如20個)的相互鏈接，形成多個相對于彼此相同地延遲的、脈沖化的控制信號DR [0...η]和DT [0...η],它們分別附加地還為雙極性。
[0079]信號TEN和REN在此能夠實現在發射和接收之間的轉換。
[0080]門Gl、G2、G10和G3延遲每個級中的信號。
[0081]門G4、G5和Gll用于將該延遲級的發射脈沖和接收脈沖去耦。
[0082]門G6和G8用作用于接通發射運行或者接收運行的入口。
[0083]G7、G12、G9和以及設置有雙極性輸出端的門GA在接收運行中驅動雙極性信號DR。
[0084]用于隨后的開關的緩沖電路在此保證了脈沖的形狀并且由此保證了頻譜。同時地，脈沖的時間定位(定時)必須對應于要激勵的開關而相對于彼此保持。
[0085]圖5示出了根據本發明地有利使用的在接收機側的吉爾伯特乘法器。
[0086]在接收機側，通常將其使用兩次(圖8)。該吉爾伯特乘法器具有分別帶兩個晶體管對N1、N2和N3、N4的兩個差分放大器級。這些對中的每個都設置有數字控制的電流源(TSffITCHP)0它們在圖6中示例性地示出。信號VDT在本申請的上下文中無關緊要。通過控制脈沖發生器(圖4)產生的、相對于彼此在時間上推移的脈沖通過總線DP和DN各與一個可控的電流源連接。
[0087]總線DP的信號在此是控制脈沖發生器級的鏈路提供的信號的子集。同樣的適用于總線DN。
[0088]這些信號現在激勵被加權的和受控的電流源，使得在吉爾伯特乘法器內(圖4) 一個電流源的電流脈沖相對于另外的電流源的電流脈沖推移π。在差分放大器級中得到的電流脈沖的形狀在此又例如對應于圖2。
[0089]為了保證這一點，控制脈沖發生器級的延遲通過門G1、G2、G10和G3選擇為使得其分別對應于η /2的延遲。
[0090]這意味著，脈沖形狀和延遲并非彼此獨立地選擇。更確切地說，本領域技術人員可以通過仿真和計算來確保它們在系統的所希望的工作范圍中大致滿足該要求。
[0091]通過這種方式，通過延遲控制脈沖發生器結合定時模板(該定時模板從所提供的延遲中選擇一些并且與被加權的電流源(參見圖6)連接)，提供了正交小波的基本圖案，而為此無需載波頻率的本地振蕩器。
[0092]當現在例如將控制脈沖發生器的輸出端對應于所得到的延遲而順序編號時，則之前描述的情況意味著，第一吉爾伯特乘法器的總線DP的線路與偶數的延遲環節(控制脈沖發生器級輸出端)連接，而其總線DN的對應的線路與增大2的輸出端連接。對于第二吉爾伯特乘法器，這意味著，其總線DP的線路與相對于該偶數增大I的奇數的延遲環節(控制脈沖發生器級輸出端)連接，而其總線DN的對應的線路與增大2的同樣為奇數的輸出端連接。
[0093]作為兩個吉爾伯特混合器的輸出信號，由此分別得到兩個信號ON和0P，它們再現了分別在IAP和IAN上饋入的天線信號中延遲O、π /2、π和3/2 π地饋入的模板。
[0094]現在，為了可以僅僅將確定的反射濾除，將每個對的ON和OP分別存儲在采樣和保持電路中(圖7)。為此，通過控制邏輯將三個開關閉合。輸入電容器被充電。如果開關斷開，則其內容被傳輸到兩個輸出電容器上。
[0095]圖8示出了各帶有一個吉爾伯特乘法器的各采樣保持電路的互連。
[0096]由ON和OP構成的一對形成雙極性信號I,另外的對形成雙極性信號Q。
[0097]這些低頻信號現在可以分別通過模數轉換器(ADC)分別轉換為數字狀態字，并且被讀出(參見圖1)。
[0098]圖9再次示出了所使用的時序。在突發持續時間tBurst期間，針對發射過程的使能信號TEN激活(高電平)。在該時間內，通過發射發生器的被加權的開關(圖3)，ON和OP上產生脈沖，由此通過ON和OP形成的雙極性信號表現出TXP-TXN (OP-ON)突發，如在圖2中所示的那樣。在該根據圖9的時序圖中，在第一個圖中在區間t胃ST2下示出的五個脈沖確定了五個正的正弦半波，而在這五個脈沖之下示出的、相對于其置于“空隙”中的四個脈沖確定并且形成了根據圖2的突發信號的負的正弦半波。
[0099]在兩個突發之間流逝時間tPKF，其可以為任意長。
[0100]在發射脈沖開始之后，被反射的(并且通常被強烈地干擾的)脈沖又進入到接收天線。該接收天線提供信號RXP-RXN(IAP-1AN)。通過系統性搜索，現在可以調節發射脈沖的開始和接收階段的起始之間的延遲tDelay，使得針對接收機的使能信號DEM(REN)隨著脈沖的到達而激活。
[0101]相對于發射情況，現在產生4脈沖族。兩個對應于發射機的脈沖。另外的兩個同樣對應于這些脈沖，然而相對于前面兩個相移90°。借助這些信號，激勵所述的提供了信號0° (VOP-VON)和90° (V90P-V90N)的兩個吉爾伯特乘法器。這些信號通過所述的兩個采樣保持電路來采樣。它們提供信號O ° (0Ρ0-0Ν0)和90° (0P90-0N90)。
[0102]圖中示出了 0° (0Ρ0-0Ν0)的值如何通過積分而增大。由于輸入信號RXP-RXN(IAP-1AN)的相位，90° (0P90-0N90)的電平并不改變。
[0103]本發明相對于現有技術的優點
[0104]吉爾伯特乘法器的下部(unteren)信號(圖5)在現有技術中用于饋入天線信號。通過根據本發明的將下部級用于電流脈沖小波發生器以及將天線信號饋送到上部乘法器級中，電路可以完全以NMOS晶體管來實現，這導致了面積和速度的受益。
[0105]用于解調擴譜信號的吉爾伯特乘法器的特征在于，其由兩個吉爾伯特乘法器構成，其每個自身借助正交的模板來將輸入信號解調，并且在此模板通過電流源(圖6)中的晶體管參數來實現。
[0106]特別有利的是，對于脈沖中間頻率不需要本地振蕩器，因為脈沖形狀通過電路來確定。脈沖形狀在寬度和高度方面通過電路來確定。
[0107]因為用于發射支路和接收支路的模板被相同地產生，所以用于發射模板和接收模板的脈沖形狀一致。由此，頻譜也一致。
[0108]另一優點在于，通過UWB雷達可以借助反射的信號和被反射信號的增益從被強烈干擾的信號流中檢測空間中的物體。
[0109]通過相應的布局措施可以保證的是，在發射分支和接收分支中的電流源或者開關電阻匹配。
[0110]針對超寬帶雷達的發射波形產生(圖10)
[0111]對于該實施形式，選擇了根據圖2或者14的5階高斯脈沖式波形。該信號可以經歷多個衍生過程(發射、反射、接收)，而并不丟失其相關特性。在實際應用中會出現的情況是，在波形到達接收天線之前經歷了多達5次衍生過程。
[0112]對于傳輸，該波形提供了所需的頻譜，而無需附加的過濾(Vfg.9/2010, Al lgemeinzutei lung von Frequenzen fiir die Nutzung durchUltrawideband-Anwendungen geringer Leistung)。
[0113]發射信號通過被加權的開關來產生，這些開關借助部分交迭的信號來控制。
[0114]在發射機中，僅僅在產生信號和發射信號期間發生耗電。
[0115]在開關旁的數字說明多少個例如由8個晶體管構成的單元并聯。晶體管的RSDON在該例子中為SR。如“8”表示R那樣，則“ I ”表示8*R。
[0116]為了驅動器負載匹配，未使用的NMOS晶體管與GND (稱為虛負載)連接。
[0117]用于超寬帶雷達的帶有相關器/解調器的接收機(圖11)
[0118]接收機由吉爾伯特乘法器構成。接收信號被施加于乘法器電路的上部晶體管上，使得可以與發射機輸出端共同使用相同的管腳。DC偏置電壓和匹配要求是相同的。下部區域包含相同類型的被加權的開關，它們通過部分交迭的信號來控制，如發射機那樣。
[0119]需要兩個相同的吉爾伯特乘法器，以便計算接收信號的大小。電路之一借助同相的脈沖來控制(Ql，Q3, Q5, Q7, Q9, Qll, Q13, Q15, Q17)，而另外的電路借助90。相移的信號(Q01, Q2, Q4, Q6, Q8, Q10, Q12, Q14, Q16)來控制。
[0120]在發射機中，僅僅在產生信號和發射信號期間才發生耗電。接收機/吉爾伯特乘法器忽略沒有落入相關(時間)窗內的任何信號(包括發射信號)。
[0121]在NMOS晶體管(開關)旁的數字說明多少個單元并聯。如“8”表示R那樣，則“I”表示8*R。
[0122]為了驅動器負載匹配，未使用的NMOS晶體管與GND (稱為虛負載)連接。
[0123]定時模板生成器
[0124]參見圖12。
[0125]需要定時模板生成器，以產生用于邊沿一脈沖轉換器的邊沿序列。使用了被分接的延遲線路(“tapped delay line”)。傳播速度確定了發射/模板頻譜的中間頻率,并且可以借助DC偏置電壓來校正。帶有輸出端Q18和Q19的延遲單元是為了匹配目的的虛單元。
[0126]具有被分接的延遲線路的所謂“定時模板生成器”被用來產生用于接收機的兩個模板信號。由如下信號的邊沿產生脈沖:該信號通過定時模板生成器(延遲線路)而傳播。匹配的驅動器(0...17)控制發射電路和接收電路中的被加權的開關。
[0127]接收機發射恰好90°相移的兩個信號。中間頻率借助用于定時模板生成器的偏置電壓來調節。通過如下方式來進行校正:延遲線路被切換到反饋環路中，并且對得到的振蕩器頻率進行調諧。
[0128]為了保證定時的精確匹配，使用(物理上)相同的定時模板生成器，以便針對發射模板和接收模板生成定時。
[0129]用于同相信號以及用于90°相移信號的定時模板生成器
[0130]參見圖13。
[0131]同相信號例如通過定時模板生成器的奇數輸出端來產生。90°相移信號例如通過定時模板生成器的偶數輸出端來產生。
[0132]根據圖10至13的實施例，UffB裝置10 (其在該實施例中可以構建為雷達)具有發射天線12，其周期性地或者以其他方式重復地發射5階高斯發射脈沖13。根據本發明，該脈沖的產生并未使用振蕩器，這帶來的優點是，降低了能量消耗。在圖10至13的實施例中，發射脈沖通過時間上協調地產生相反極性的并且不同幅度的單個脈沖來產生。在發射天線12的一側，布線14用于此目的，如其在圖10中所示的那樣。根據圖10，布線14具有多個開關單元16，其分別包括相同數目的開關晶體管18。在該實施例中，每個開關單元16具有8個開關晶體管18。開關晶體管18基本上具有相同的接通電阻，這意味著，接通電阻的值相對于彼此偏差最大10 %,優選5 %。
[0133]如在圖10中所示，在上部的行中示出的開關晶體管18形成被加權的電阻，其中在開關晶體管18旁的“數字I”說明，電阻通過在該實施例中的8個開關晶體管18的僅僅一個實現。該電阻在該實施例中為8R，即電阻R的8倍。8個并聯的開關晶體管18由此得到大小為R的電阻。4個并聯的開關晶體管18于是得到2R的電阻。兩個并聯的開關晶體管18相應地得到4R的電阻值。每個開關單元16對于實現相應的被加權的電阻而言不需要的開關晶體管18在圖10中在第二行中作為虛開關晶體管19并聯并且接地。
[0134]通過每個開關單元16并聯有不同數目的開關晶體管18，開關單元16形成被加權的電阻。如果這些被加權的電阻現在時間偏移地通過驅動器20激勵，其在時間上被不同地觸發(參見圖10的功能塊22、23)，實現了產生在13中所示的5階高斯發射脈沖。
[0135]驅動器20的激勵借助根據圖12的定時發生器24來進行。在此，涉及帶有基本上相同的延遲時間的延遲環節26的鏈路。輸出端QO至Q19與驅動器連接并且通過其與開關單元16連接，如圖10所示的那樣。在此要注意的是，根據圖10的布線14重復地分別產生一對5階高斯脈沖，其每對相移90°，如在圖13中所示的那樣(參見圖13中的波形13'和13',)。此外，定時發生器24也用于在UWB裝置10的接收支路中產生相同的5階高斯脈沖，這在圖11中示出。根據圖11的布線14'最后與根據圖10的布線14相同，使得為了相關目的，如在UWB雷達的應用情況中那樣，可以產生時間上恰好相互協調的、相同的信號。由此，在圖11中，相同的或者功能相同的器件和功能塊設置有與圖10中相同的附圖標記，然而簡單地加撇。
[0136]附加地，接收天線12'的布線14'具有兩個吉爾伯特乘法器28、30，其分別包括一對晶體管32或者34。
[0137]在圖12和13中示出了在定時發生器24的輸出端以及驅動器20、20'的輸出端上的信號變化曲線。與通過開關單元16實現的被加權的電阻一同，由此在發射機側以及在接收機側分別得到2個推移90°的5階高斯發射脈沖的時間序列，如在圖1中所示的那樣。
[0138]本發明的主要方面
[0139]產生用于超寬帶雷達的波形。
[0140]對于傳輸而言，波形應當具有所需的頻譜，而并不進行附加的濾波。
[0141]信號應當能夠經歷多次衍生過程(發射、反射、接收)，而并不丟失其相關特性。在實際應用中，會出現的情況是，波形在其到達接收機之前經歷多達5次衍生過程。因此，優選使用5階高斯脈沖。該函數在被傳輸(第一時間導數)、反射(第二時間導數)和接收(第三時間導數)時,并不產生顯著的畸變。
[0142]于是，發射機的耗電盡可能小。
[0143]發射信號的典型形狀并未由電壓上升時間形成。該形狀根據本發明借助被加權的開關來產生，這些開關通過部分交迭的信號來控制，其直接得到所需的波形。
[0144]發明優點
[0145]以低的能量需求工作
[0146]魯棒的方案
[0147]簡單的實現
[0148]低復雜性
[0149]僅僅需要非常小的芯片面積
[0150]無需復雜的濾波器
[0151]無需LNA (低噪聲放大器)
[0152]沒有吉赫茲振蕩器，因為發射脈沖被以數字方式產生。
【權利要求】
1.一種用于運行具有至少一個發射天線和/或至少一個接收天線的UWB裝置的方法，具有以下步驟: 一借助激勵脈沖信號(13，13')激勵發射天線(12)或者接收天線(12')，該激勵脈沖信號具有交替極性的并且不同幅度的、基本上正弦形的脈沖序列，并且尤其是具有5階高斯脈沖信號的波形， 一其中能夠交替地將不同極性和不同大小的電流脈沖輸送給發射天線(12)，其方式是將與發射天線(12)耦合的電子第一開關單元(16)接通和關斷，所述電子第一開關單元具有與要產生的脈沖幅度相關的電阻， 一其中每個第一開關單元(16)具有能夠預先給定的、尤其是相同數目的第一開關晶體管(18，19)，所 述第一開關晶體管分別具有基本上相同的接通電阻值(R)， 一其中第一開關單元的電阻通過使用所述第一開關晶體管(18，19)的僅僅之一或者通過使用并聯的多個第一開關晶體管(18，19)來調節，以及 一其中第一開關單元(16)根據能夠預先給定的時間計劃順序地并且分別在預先確定長度的激勵時間區間上而被激勵。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，兩個時間上相繼地被激勵的第一開關單元(16)的激勵時間區間相互交迭或者在時間上間隔。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述脈沖信號具有兩個90°相移的、基本上相同的正弦形脈沖的基本上相同的序列。
4.根據權利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，為了將接收天線(12^ )接收的接收信號與發射信號相關，產生相關信號，更確切地說，如發射信號那樣并且借助與第一開關單元(16)相同的第二開關單元(16)，所述第二開關單元(16)被順序地與第一開關單元(16)完全一樣地根據所述時間計劃而激勵。
5.根據權利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，所述接收天線(12')與至少一個吉爾伯特乘法器(28，30)連接，所述吉爾伯特乘法器分別帶有由一對晶體管(32，34)構成的差分級，其中能夠接通和關斷的第二開關單元(16)與吉爾伯特乘法器(28，30)的差分級連接，通過第二開關單元將與發射天線(12)的激勵脈沖信號(13，13')基本上相同的脈沖信號輸送給吉爾伯特乘法器(28，30)，其中每個第二開關單元(16)都具有能夠預先給定的、尤其是相同數目的第二開關晶體管(18，19)，所述第二開關晶體管分別具有基本上相同的接通電阻值(R)，其中第二開關單元(16)的電阻通過使用所述第二開關晶體管(18，19)的僅僅之一或者通過使用并聯的多個第二開關晶體管(18，19)來調節，并且其中第二開關單元(16)根據與第一開關單元(16)基本上相同的時間計劃來順序地并且在預先確定長度的激勵時間區間上被激勵。
6.根據權利要求3和5所述的方法，其特征在于，所述接收天線(12')與第二吉爾伯特乘法器耦合，其中將與發射天線(12)的激勵脈沖信號(13，13')基本上相同的脈沖信號輸送給兩個吉爾伯特乘法器(28, 30)之一,并且將相對于該脈沖信號90°相移的脈沖信號輸送給所述兩個吉爾伯特乘法器(28，30)的另一個。
7.根據權利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，全部的開關晶體管(18，19)分別具有接通電阻值，其中接通電阻值與預先給定的參考值偏差最大10%，優選最大5%。
【文檔編號】G01S13/02GK103733085SQ201280036671
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2012年7月27日 優先權日:2011年7月28日
【發明者】阿圖爾·威廉·桑特肯 申請人:艾爾默斯半導體股份公司