一種簡易的超寬帶納秒級(jí)脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì)

摘要：為了得到超寬帶納秒級(jí)窄脈沖信號(hào)，在對(duì)UWB脈沖產(chǎn)生方法分析總結(jié)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于數(shù)字邏輯器件的簡單脈沖產(chǎn)生電路。對(duì)實(shí)際制做的電路進(jìn)行了測(cè)試，能夠得到重復(fù)頻率為10 MHz，脈沖寬度約為4 ns，幅度約為500 mV的窄脈沖。該電路成本低，結(jié)構(gòu)簡單，易于制作，工程實(shí)用性較強(qiáng)。
關(guān)鍵詞：超寬帶；納秒級(jí)窄脈沖；數(shù)字邏輯器件；TTL

0 引言
    近年來，超寬帶(Ultra-Wide Band，UWB)無線通信技術(shù)成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。UWB信號(hào)是利用絕對(duì)帶寬或者分?jǐn)?shù)帶寬來定義的。根據(jù)FCC規(guī)定：在-10 dB處的絕對(duì)帶寬大于500 MHz或者相對(duì)能量帶寬大于20％～25％的信號(hào)都認(rèn)為是超寬帶信號(hào)。與其他無線信號(hào)相比，超寬帶信號(hào)具有高速率、低功耗和低成本等優(yōu)點(diǎn)。隨著近年來現(xiàn)代微電子技術(shù)的進(jìn)步和高速器件的發(fā)展，UWB技術(shù)開始走向商業(yè)化。
    UWB通信系統(tǒng)中非常重要的一部分是如何產(chǎn)生納秒級(jí)或亞納秒級(jí)的脈沖，同時(shí)采用什么樣的脈沖形狀來傳輸信息也是UWB技術(shù)中必不可少的關(guān)鍵技術(shù)之一。從目前的研究來看，已經(jīng)存在的UWB窄脈沖實(shí)現(xiàn)方式可以總結(jié)為兩類：一類是將半導(dǎo)體高速器件等效為高速開關(guān)，利用它們充放電特性來獲得極窄脈沖。文獻(xiàn)利用雪崩三極管的雪崩擊穿特性來產(chǎn)生超寬帶脈沖；文獻(xiàn)介紹了基于階躍恢復(fù)二極管(Step Recovery Dio de，SRD)的電容開關(guān)特性來設(shè)計(jì)納秒級(jí)脈沖。雖然這些電路可以產(chǎn)生幾十伏甚至幾百伏的亞納秒脈沖，但是它們同時(shí)存在觸發(fā)頻率低和波形不穩(wěn)定等問題。另一類產(chǎn)生UWB窄脈沖的方法是采用數(shù)字邏輯器件來完成。文獻(xiàn)分別采用了晶體管一晶體管邏輯(TTL)、發(fā)射極耦合邏輯(ECL)電路來實(shí)現(xiàn)UWB脈沖的產(chǎn)生。這一類方法構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單而且易于集成，成本低廉，使用方便。由于TTL電路價(jià)格低廉、功耗低、帶負(fù)載能力強(qiáng)，本文將采用這樣的電路來設(shè)計(jì)產(chǎn)生符合要求的窄脈沖。

1 納秒級(jí)脈沖波形的選擇
    UWB技術(shù)是利用納秒及納秒以下量級(jí)的極窄脈沖來進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的。由于極窄脈沖含有豐富的頻譜，所以選擇合適的脈沖形狀對(duì)UWB信號(hào)的傳輸至關(guān)重要。超寬帶系統(tǒng)中傳輸信號(hào)最常用的脈沖波形為高斯脈沖或者它的各階微分形式。其中，最基本的信號(hào)單元為高斯脈沖(Gaussian Pulse)，它的時(shí)域表達(dá)式為：
   
    式中δ與脈沖持續(xù)時(shí)間有關(guān)，還決定了信號(hào)頻譜的中心頻率和帶寬。與式(1)相對(duì)應(yīng)的譜密度函數(shù)表達(dá)式為：
   
    功率譜密度：
   
    由式(3)可得G(0)=1，即信號(hào)頻譜中直流分量最大。而且從其頻譜圖可知，該脈沖中還含有豐富的低頻分量，這些因素都不利于天線輻射。為了克服這些因素，工程中常用高斯脈沖的導(dǎo)數(shù)來充當(dāng)傳遞脈沖波形。高斯單脈沖(Gaussian Monocycle)即高斯一階導(dǎo)數(shù)脈沖是最常用的一種脈沖波形。其時(shí)域表達(dá)式為：
   
    可見，G(1)(0)=O。由高斯單脈沖的頻域波形可知，該信號(hào)含有的直流和低頻分量很小，與高斯脈沖相比，高斯單脈沖更適合在無線信道中傳輸。

2 納秒級(jí)脈沖信號(hào)的產(chǎn)生
    本設(shè)計(jì)采用數(shù)字電路的邏輯特性來產(chǎn)生納秒級(jí)窄脈沖信號(hào)，然后利用微分濾波產(chǎn)生更適合無線信道傳輸?shù)腢WB波形。基于數(shù)字邏輯器件產(chǎn)生窄脈沖主要利用的是邏輯門電路的競(jìng)爭冒險(xiǎn)現(xiàn)象來完成。文中采用兩輸入的或非門來產(chǎn)生窄脈沖，如圖1所示。其邏輯表達(dá)式為：。

    對(duì)于TTL器件來說，其產(chǎn)生的窄脈沖近似鐘形，類似于高斯函數(shù)波形，通過合理組合RLC元件，就可以產(chǎn)生類似于一階高斯脈沖函數(shù)。電路圖如圖2所示。

    首先時(shí)鐘信號(hào)是由10 MHz晶振電路產(chǎn)生，其輸出分別輸入到74HC04和74HC02的一個(gè)輸入端。輸入74HC04的時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過非門產(chǎn)生一個(gè)極性相反、有足夠陡峭的上升沿和幅度的信號(hào)，并將其輸入到74HC02的另一個(gè)輸入端。由或非門產(chǎn)生一個(gè)窄脈沖。后端的微分濾波電路主要完成脈沖的成形，通過調(diào)整RLC的參數(shù)，就可以得到合理的脈沖波形。其中脈沖延時(shí)時(shí)間主要由74HC04非門的平均傳輸時(shí)延決定，需要注意的是，由于是高速脈沖的傳輸，所以電路的布線也會(huì)影響脈沖的延遲時(shí)間，所以信號(hào)的布線應(yīng)考慮成傳輸線。

    使用Electronics Workbench Multisim 10．O軟件來對(duì)電路進(jìn)行仿真。仿真波形如圖3所示。其結(jié)果可得到重復(fù)頻率為10 MHz，脈沖幅度為3．59 V，脈沖寬度為1．5 ns的窄脈沖。

3 測(cè)試結(jié)果
    電路仿真時(shí)，采用10 MHz的時(shí)鐘信號(hào)源作為觸發(fā)源輸入，但在實(shí)際的測(cè)試時(shí)，在脈沖發(fā)生器的前端采用了10 MHz的晶振電路來作為觸發(fā)碼源。輸出波形采用Agilent MSO9404A高寬帶數(shù)字示波器(帶寬為4 GHz，最高采樣速率達(dá)25 GHz／s)測(cè)量。所制作的實(shí)物及測(cè)試系統(tǒng)如圖4所示，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

    在測(cè)試時(shí)，輸入的觸發(fā)信號(hào)選擇采用晶振電路提供方波信號(hào)，考慮到器件的非理想性，激勵(lì)時(shí)鐘信號(hào)的上升沿時(shí)間會(huì)對(duì)脈沖的寬度產(chǎn)生影響，同時(shí)由于電路布線等方面的因素都會(huì)使實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果產(chǎn)生一定的偏差，這都是在可接受的誤差范圍之內(nèi)的。

4 結(jié)語
    本文設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)字邏輯器件的納秒級(jí)超寬帶窄脈沖信號(hào)的產(chǎn)生電路，相比于其他脈沖產(chǎn)生電路，該電路具有結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠的優(yōu)點(diǎn)，在UWB無線通信中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。