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超宽带(UWB)技术能够提供高速率、低功耗低成本的短距离无线链路,在短距离无线通信领域具有巨大的潜力。由于其发射功率低,能与当前的无线通信系统共存,因而可以缓解目前日趋紧张的频带资源需求。低成本低功耗的超宽带芯片的设计和实现是超宽带技术走向市场应用的关键,863计划和国家科技重大专项多次支持该研究。超宽带通信系统的难点在于射频前端,它所采用的调制方式和系统结构决定了系统的复杂度和功耗。二进制启闭键控(OOK)调制是所有调制方式中最简单的一种,最大的优点在于能够采用结构简单的非相干接收方式,可以实现低功耗。系统芯片(System on Chip, SoC)是获得最低功耗的途径,SoC芯片包括收发机射频前端和基带,国内还没有人在UWB频段实现片上系统。本文的研究重点是基于CMOS工艺的脉冲超宽带(IR-UWB) OOK调制通信系统收发机射频前端的实现以及相干系统接收机中的高速模数转换器(ADC)的设计,目标是在达到性能的前提下尽可能降低功耗。发射机采用开关控制的振荡器来实现,电路只在数据来时工作,其余时间关闭,从而实现OOK调制并且降低功耗。3-5GHz发射机基于0.18μm CMOS工艺设计,是OOK通信系统SoC芯片的一部分,在脉冲重复率(PRF)为100Mbps时能量效率达到15.3pJ/pulse。SoC通信演示系统能进行距离为2m的高清视频传输。文章针对6-9GHz频段设计了一个低功耗的驱动器,6-9GHz发射机采用0.13μm CMOS工艺,在脉冲重复率为100Mbps和500Mbps时能量效率分别达到6.4pJ/pulse和6pJ/pulse,进一步降低了功耗。接收机采用能量检波的非相干接收方式,包括低噪声放大器(LNA)、检波器和限幅放大器等,结构简单,易于实现低功耗。本文提出了一种单端输入、差分输出的LNA,经仿真,在6-9GHz带宽范围内,LNA的增益达到29dB,噪声系数约2.5dB。同时利用工作在亚阈值区的管子实现了一个低功耗的检波器,检波器仅消耗140uA电流,功耗为168uW。限幅放大器则采用了有源电感和电流分流等技术来拓展带宽和提高增益。接收机采用0.13μm CMOS工艺设计,总功耗约7.2mW,最高数据率高达200Mbps,能量效率达到36pJ/pulse。另外本文对相干系统也进行了一些研究,相干系统能实现更高的数据率和更远的传输距离,但需要高速ADC对下变频出来的信号进行采样,而高速高精度的ADC很难实现且功耗很大。论文针对脉冲信号在时域上被高度压缩、信号具有极高瞬时信噪比的特点,设计了一个2bit4GS/s ADC和一个1bit2GS/s ADC,模拟部分均采用差分低摆幅的电流模式逻辑(CML)来实现高速低功耗。针对高速ADC和数字基带之间接口存在的问题,设计了输出转换模块将ADC高速串行输出数据转换成500Mbps的并行数据,最终由LVDS驱动器转换成LVDS标准电平提供给片外基带FPGA。将ADC放在无线通信系统中测试得到误比特率(BER)小于10-6。