一種簡(jiǎn)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(jiǎn)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(jiǎn)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(guó)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(jiǎn)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。