摘要：為了得到超寬帶納秒級窄脈沖信號，在對UWB脈沖產(chǎn)生方法分析總結的基礎上，提出了一種基于數(shù)字邏輯器件的簡單脈沖產(chǎn)生電路。對實際制做的電路進行了測試，能夠得到重復頻率為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，結構簡單，易于制作，工程實用性較強。
關鍵詞：超寬帶；納秒級窄脈沖；數(shù)字邏輯器件；TTL
0 引言
近年來，超寬帶(Ultra-Wide Band，UWB)無線通信技術成為國內(nèi)外研究的熱點。UWB信號是利用絕對帶寬或者分數(shù)帶寬來定義的。根據(jù)FCC規(guī)定：在-10 dB處的絕對帶寬大于500 MHz或者相對能量帶寬大于20％～25％的信號都認為是超寬帶信號。與其他無線信號相比，超寬帶信號具有高速率、低功耗和低成本等優(yōu)點。隨著近年來現(xiàn)代微電子技術的進步和高速器件的發(fā)展，UWB技術開始走向商業(yè)化。
UWB通信系統(tǒng)中非常重要的一部分是如何產(chǎn)生納秒級或亞納秒級的脈沖，同時采用什么樣的脈沖形狀來傳輸信息也是UWB技術中必不可少的關鍵技術之一。從目前的研究來看，已經(jīng)存在的UWB窄脈沖實現(xiàn)方式可以總結為兩類：一類是將半導體高速器件等效為高速開關，利用它們充放電特性來獲得極窄脈沖。文獻利用雪崩三極管的雪崩擊穿特性來產(chǎn)生超寬帶脈沖；文獻介紹了基于階躍恢復二極管(Step Recovery Dio de，SRD)的電容開關特性來設計納秒級脈沖。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)電路來實現(xiàn)UWB脈沖的產(chǎn)生。這一類方法構成的電路結構相對簡單而且易于集成，成本低廉，使用方便。由于TTL電路價格低廉、功耗低、帶負載能力強，本文將采用這樣的電路來設計產(chǎn)生符合要求的窄脈沖。
1 納秒級脈沖波形的選擇
UWB技術是利用納秒及納秒以下量級的極窄脈沖來進行數(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UWB信號的傳輸至關重要。超寬帶系統(tǒng)中傳輸信號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，最基本的信號單元為高斯脈沖(Gaussian Pulse)，它的時域表達式為：
式中δ與脈沖持續(xù)時間有關，還決定了信號頻譜的中心頻率和帶寬。與式(1)相對應的譜密度函數(shù)表達式為：
功率譜密度：
由式(3)可得G(0)=1，即信號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數(shù)來充當傳遞脈沖波形。高斯單脈沖(Gaussian Monocycle)即高斯一階導數(shù)脈沖是最常用的一種脈沖波形。其時域表達式為：
可見，G(1)(0)=O。由高斯單脈沖的頻域波形可知，該信號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 納秒級脈沖信號的產(chǎn)生
本設計采用數(shù)字電路的邏輯特性來產(chǎn)生納秒級窄脈沖信號，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?；跀?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爭冒險現(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。其邏輯表達式為：。
對于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。
首先時鐘信號是由10 MHz晶振電路產(chǎn)生，其輸出分別輸入到74HC04和74HC02的一個輸入端。輸入74HC04的時鐘信號經(jīng)過非門產(chǎn)生一個極性相反、有足夠陡峭的上升沿和幅度的信號，并將其輸入到74HC02的另一個輸入端。由或非門產(chǎn)生一個窄脈沖。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。其中脈沖延時時間主要由74HC04非門的平均傳輸時延決定，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影響脈沖的延遲時間，所以信號的布線應考慮成傳輸線。
使用Electronics Workbench Multisim 10．O軟件來對電路進行仿真。仿真波形如圖3所示。其結果可得到重復頻率為10 MHz，脈沖幅度為3．59 V，脈沖寬度為1．5 ns的窄脈沖。
3 測試結果
電路仿真時，采用10 MHz的時鐘信號源作為觸發(fā)源輸入，但在實際的測試時，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25 GHz／s)測量。所制作的實物及測試系統(tǒng)如圖4所示，測試結果如圖5所示。
在測試時，輸入的觸發(fā)信號選擇采用晶振電路提供方波信號，考慮到器件的非理想性，激勵時鐘信號的上升沿時間會對脈沖的寬度產(chǎn)生影響，同時由于電路布線等方面的因素都會使實測結果與仿真結果產(chǎn)生一定的偏差，這都是在可接受的誤差范圍之內(nèi)的。
4 結語
本文設計了一種基于數(shù)字邏輯器件的納秒級超寬帶窄脈沖信號的產(chǎn)生電路，相比于其他脈沖產(chǎn)生電路，該電路具有結構簡單，性能可靠的優(yōu)點，在UWB無線通信中具有一定的應用價值。
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