一種簡(jiǎn)易的超寬帶納秒級脈沖發(fā)生器設計

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，提出了一種基于數字邏輯器件的簡(jiǎn)單脈沖產(chǎn)生電路。對實(shí)際制做的電路進(jìn)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(jiǎn)單，易于制作，工程實(shí)用性較強。
關(guān)鍵詞：超寬帶；納秒級窄脈沖；數字邏輯器件；TTL

0 引言
近年來(lái)，超寬帶(Ultra-Wide Band，UWB)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)成為國內外研究的熱點(diǎn)。UWB信號是利用絕對帶寬或者分數帶寬來(lái)定義的。根據FCC規定：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(wú)線(xiàn)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(diǎn)。隨著(zhù)近年來(lái)現代微電子技術(shù)的進(jìn)步和高速器件的發(fā)展，UWB技術(shù)開(kāi)始走向商業(yè)化。
UWB通信系統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(shí)采用什么樣的脈沖形狀來(lái)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(lái)看，已經(jīng)存在的UWB窄脈沖實(shí)現方式可以總結為兩類(lèi)：一類(lèi)是將半導體高速器件等效為高速開(kāi)關(guān)，利用它們充放電特性來(lái)獲得極窄脈沖。文獻利用雪崩三極管的雪崩擊穿特性來(lái)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(kāi)關(guān)特性來(lái)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(shí)存在觸發(fā)頻率低和波形不穩定等問(wèn)題。另一類(lèi)產(chǎn)生UWB窄脈沖的方法是采用數字邏輯器件來(lái)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(lái)實(shí)現UWB脈沖的產(chǎn)生。這一類(lèi)方法構成的電路結構相對簡(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、帶負載能力強，本文將采用這樣的電路來(lái)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(shù)是利用納秒及納秒以下量級的極窄脈沖來(lái)進(jìn)行數據通信的。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(guān)重要。超寬帶系統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(shí)域表達式為：

式中δ與脈沖持續時(shí)間有關(guān)，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(xiàn)輻射。為了克服這些因素，工程中常用高斯脈沖的導數來(lái)充當傳遞脈沖波形。高斯單脈沖(Gaussian Monocycle)即高斯一階導數脈沖是最常用的一種脈沖波形。其時(shí)域表達式為：

可見(jiàn)，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(wú)線(xiàn)信道中傳輸。