摘要：為了得到超寬帶納秒級窄脈沖信號，在對UWB脈沖產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生
    本設計采用數(shù)字電路的邏輯特性來產生納秒級窄脈沖信號，然后利用微分濾波產生更適合無線信道傳輸?shù)腢WB波形?；跀?shù)字邏輯器件產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的時鐘信號經過非門產生一個極性相反、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生一定的偏差，這都是在可接受的誤差范圍之內的。

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生電路，相比于其他脈沖產生電路，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。