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超寬帶(Ultra Wide Band，UWB)技術(shù)在通信時(shí)，不使用載波電路，而是通過(guò)發(fā)送納秒級脈沖傳輸數據的，因此具有發(fā)射和接收電路簡(jiǎn)單，功耗低，多徑分辨能力強，穿透力強，隱蔽性好，系統容量大，定位精度高，對現存通信系統影響小，傳輸速率快等優(yōu)勢。由于UWB技術(shù)具有這些優(yōu)良獨特的技術(shù)特性，該技術(shù)已普遍受到各國政府的高度重視。 UWB通信系統中必不可少的關(guān)鍵之一是如何產(chǎn)生高帶寬信號。由于極窄脈沖含有豐富的頻譜，因而產(chǎn)生足夠窄的脈沖和適于信道傳輸的脈沖形狀是UWB技術(shù)的研究熱點(diǎn)和關(guān)鍵所在。從國內外對UWB技術(shù)的研究來(lái)看，目前已有的UWB脈沖信號實(shí)現方式基本上可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是利用模擬器件來(lái)產(chǎn)生所需的極窄脈沖信號；另一類(lèi)是利用半導體器件的開(kāi)關(guān)特性實(shí)現。利用模擬器件產(chǎn)生的窄脈沖通常需要較高的偏置電壓并且寄生效應較大，脈沖波形不理想，脈沖功率較大，容易對其他的通信系統產(chǎn)生影響。為了克服模擬器件產(chǎn)生窄脈沖的缺陷，并考慮到UWB通信系統的特殊性，利用開(kāi)關(guān)速度極快的ECL門(mén)電路產(chǎn)生窄脈沖相比用模擬器件具有諸多優(yōu)勢，如脈沖波形好，電路簡(jiǎn)單，便于產(chǎn)品的集成，調試容易，信號功率譜密度低，不會(huì )對別的通信系統產(chǎn)生明顯影響等。 1 UWB信號的發(fā)生 1．1 發(fā)生信號形式的選擇 沖激無(wú)線(xiàn)電超寬帶技術(shù)中不使用載波，是直接發(fā)送和接收極窄脈沖信號的，所以脈沖信號波形的選擇對于UWB通信系統來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。不管是采用模擬器件，還是數字器件，最終發(fā)生信號的形式必須適合在無(wú)線(xiàn)信道中傳輸。UWB技術(shù)中最基本的信號單元是高斯脈沖(Gaussian Pulse)，其時(shí)域表達式為： 式中：K表示脈沖信號幅度；t為時(shí)間；τ是脈沖持續時(shí)間，它不僅決定了脈沖寬度，還決定了信號頻譜的中心頻率和帶寬。與其對應的頻域表達式為： 式中：f為頻率；fc=1／τ是脈沖的中心頻率。其時(shí)域、頻域波形如圖1和圖2所示。 由高斯脈沖的頻譜圖可知，該脈沖含有豐富的低頻和直流分量，不適宜天線(xiàn)輻射。為了有效傳輸，UWB信號應含有盡可能多的高頻分量。高斯脈沖的導數具備把直流和低頻分量轉換成高頻分量的能力。 高斯單脈沖(Gaussian Monocycle)即一階高斯脈沖，它是由高斯方程的一階倒數得出的，其時(shí)域表達式為： 與上式對應的頻域表達式為： 由高斯單脈沖的頻域波形可知，該信號波形含有的直流和低頻分量很小，適合在無(wú)線(xiàn)信道中傳輸，且中心頻率隨脈沖寬度變窄而升高，帶寬也隨之增加。 1．2 信號發(fā)生器的方案研究 基于1．1節的分析，信號發(fā)生器的最終輸出信號形式應為高斯單脈沖。為實(shí)現該信號，UWB信號發(fā)生器設計成數字模擬混合電路。ECL門(mén)電路是半導體器件中速度最快的開(kāi)關(guān)電路，也是整個(gè)電路的核心，它的主要作用是產(chǎn)生脈沖寬度極窄的高斯脈沖，但ECL門(mén)電路直接輸出的信號不適于信道傳輸，因而在其后接上模擬電路，以對ECL門(mén)電路的輸出信號進(jìn)行變換，從而獲得UWB通信所需要的高斯單脈沖。圖5是UWB信號發(fā)生器的邏輯原理框圖。 該原理框圖由標準時(shí)鐘、電平轉換電路、延時(shí)器、延時(shí)控制電路、ECL門(mén)電路、發(fā)送濾波器和脈沖功率放大電路組成。標準時(shí)鐘產(chǎn)生器產(chǎn)生一定重復周期的矩形脈沖序列。電平轉換電路把時(shí)鐘的TTL電平轉換成ECL電平。為了精確延時(shí)，延時(shí)器采用ECL電平的延時(shí)芯片，控制電路控制延時(shí)芯片的遲延時(shí)間，使兩路信號的延時(shí)有一個(gè)極短的時(shí)間差，這樣有時(shí)間差的兩路信號通過(guò)ECL門(mén)電路之后便可產(chǎn)生一個(gè)寬度與時(shí)間差相等的極窄脈沖。ECL門(mén)電路是ECL電平的異或門(mén)或者與門(mén)，它們的反應速度要足夠快，通常要求其反應時(shí)間不能大于250 ps，且外圍電路和傳輸線(xiàn)都應滿(mǎn)足最佳匹配的要求，否則難以得到寬度極窄的理想脈沖。由于ECL門(mén)電路的輸入信號都是矩形脈沖，因而通過(guò)ECL門(mén)電路產(chǎn)生的窄脈沖也是矩形脈沖，又因為輸出脈沖的低電平為3．2 V，該脈沖必定含有豐富的直流和低頻分量，不適于無(wú)線(xiàn)傳輸。為了有效傳輸信號，通過(guò)發(fā)送濾波器對脈沖形式進(jìn)行變換，變成需要的高斯單脈沖。由于ECL高低電平的最大差值不過(guò)800 mV，通過(guò)ECL門(mén)電路得來(lái)的脈沖功率很小，如果要擴大傳輸距離，則需增大發(fā)射功率，這時(shí)把已經(jīng)成形了的高斯單脈沖通過(guò)放大電路即可增大發(fā)射功率。 1．3 信號發(fā)生器的電路設計 UWB信號發(fā)生器的實(shí)際電路完全按照1．2節中的方案設計。即整體電路主要分為3大部分。第一部分主要功能是產(chǎn)生極窄脈沖。該部分電路對制作PCB板的要求很高，ECL門(mén)電路的兩路輸入信號要盡可能對稱(chēng)，才會(huì )最大程度地減少誤差，也即輸出的脈沖寬度才會(huì )接近兩路信號的理論延時(shí)差。此外，ECL門(mén)電路對輸出阻抗有特殊要求，都是50 Ω的特殊阻抗，因而在設計傳輸線(xiàn)時(shí)要用微帶線(xiàn)理論去設計，以保證輸出特性阻抗是50 Ω，這樣才不會(huì )出現波形較大的失真。 第二部分主要是對第一部分輸出的脈沖進(jìn)行成形濾波。該部分需要注意的是，運算放大器的速度要足夠快，才能對極窄脈沖進(jìn)行較好的成形，同時(shí)相應的匹配電路要盡可能精確，此外傳輸線(xiàn)都采用微帶線(xiàn)，以保持輸入輸出阻抗匹配，這里的輸入輸出阻抗都是標準的50 Ω。 第三部分是對成形后的高斯單脈沖進(jìn)行放大。該部分的核心是MMIC(單片微波集成電路)，放大電路是可調的，通過(guò)改變VCC達到改變放大電流的目的，傳輸線(xiàn)也都采用微帶線(xiàn)，特性阻抗設計成50 Ω，目的是要和第二部分的輸出阻抗以及發(fā)射天線(xiàn)的特性阻抗匹配，最大限度地提高發(fā)射效率。圖6是UWB信號發(fā)生器的實(shí)際電路圖。 2 UWB信號的測試 用Agilent公司的示波器和頻譜儀對與圖6相對應的印刷電路板測試。示波器的采樣率為16 GHz，頻譜儀能掃描10 GHz的頻譜，測試時(shí)兩塊延時(shí)芯片設置的延時(shí)差為960 ps，輸出端接口采用標準50 Ω阻抗的SMA接頭，示波器和頻譜儀也設置為50 Ω輸入阻抗，測試時(shí)采用特性阻抗為50 Ω的傳輸線(xiàn)，測得的脈沖波形及其頻譜如圖7，圖8所示。 3 結 語(yǔ) 從最終輸出的脈沖波形可知，脈沖波形較理想，脈沖寬度為1 ns，略大于預設延時(shí)差，這主要是制作PCB板時(shí)有誤差所致，因此要想獲得精確的脈寬，在制作工藝上還有待提高。由于延時(shí)差是可控的，因而通過(guò)該電路可獲得更窄或更寬的脈沖，這是本電路的最大優(yōu)勢所在。從頻譜圖可知，該信號的中心頻率為1 GHz，-3 dB帶寬高達500 MHz，也即分數帶寬為50％，符合超寬帶信號的要求。此外該信號雖然帶寬很寬，但功率譜密度很低，根本不會(huì )對其他通信系統產(chǎn)生任何影響，這利于本電路在實(shí)際中的應用。 UWB通信系統在短距離通信中應用越來(lái)越廣泛，但如果要擴大傳輸距離，則必須增大發(fā)射功率，這樣就會(huì )對其他通信系統，甚至對人體造成影響，這是不允許的，因而如何解決這對矛盾是當今面臨的難題。 |
