黃堂森,梁小芝

摘 要:介紹UWB技術(shù)的特性,說(shuō)明了一種適合無(wú)線通信的UWB信號(hào)形式。在分析現(xiàn)有UWB信號(hào)發(fā)生方法缺陷的基礎(chǔ)上,提出一種利用ECL門電路和分立器件相結(jié)合發(fā)生UWB信號(hào)的新方案,設(shè)計(jì)了與其相應(yīng)的邏輯原理框圖和實(shí)際電路圖,做出信號(hào)發(fā)生器的實(shí)物,并給出測(cè)試結(jié)果。最后通過(guò)分析測(cè)試結(jié)果說(shuō)明,該方法較其他方法具有更大優(yōu)勢(shì)和實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞:UWB;無(wú)線通信;信號(hào)發(fā)生器;ECL門電路

中圖分類號(hào):TN788文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2009)19-035-03

Design of UWB Signal Generator Based on ECL Circuit

HUANG Tangsen,LIANG Xiaozhi

(Hunan University of Science and Technology,Yongzhou,425100,China)

Abstract:This paper first introduces the characterristic of UWB technology,then UWB signal form for wireless communications is explained.Based on exixting methods at present,a sort of UWB signal generator is designed,and the signal generator is based on the ECL circuit,at the same time,a principle chart and circuit diagram are given.At last,the testing result of the signal generator is analyzed,and the signal generator has advantages and value.

Keywords:UWB;wireless communication;signal generator;ECL circuit

0 引 言

超寬帶(Ultra Wide Band,UWB)技術(shù)[1]在通信時(shí),不使用載波電路,而是通過(guò)發(fā)送納秒級(jí)脈沖傳輸數(shù)據(jù)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(qiáng),穿透力強(qiáng),隱蔽性好,系統(tǒng)容量大,定位精度高,對(duì)現(xiàn)存通信系統(tǒng)影響小,傳輸速率快等優(yōu)勢(shì)[2]。由于UWB技術(shù)具有這些優(yōu)良獨(dú)特的技術(shù)特性,該技術(shù)已普遍受到各國(guó)政府的高度重視。

UWB通信系統(tǒng)中必不可少的關(guān)鍵之一是如何產(chǎn)生高帶寬信號(hào)。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?shù)拿}沖形狀是UWB技術(shù)的研究熱點(diǎn)和關(guān)鍵所在。從國(guó)內(nèi)外對(duì)UWB技術(shù)的研究來(lái)看,目前已有的UWB脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)方式基本上可分為兩大類: 一類是利用模擬器件來(lái)產(chǎn)生所需的極窄脈沖信號(hào);另一類是利用半導(dǎo)體器件的開(kāi)關(guān)特性實(shí)現(xiàn)。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(yīng)較大,脈沖波形不理想,脈沖功率較大,容易對(duì)其他的通信系統(tǒng)產(chǎn)生影響[3]。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(tǒng)的特殊性,利用開(kāi)關(guān)速度極快的ECL門電路產(chǎn)生窄脈沖相比用模擬器件具有諸多優(yōu)勢(shì),如脈沖波形好,電路簡(jiǎn)單,便于產(chǎn)品的集成,調(diào)試容易,信號(hào)功率譜密度低,不會(huì)對(duì)別的通信系統(tǒng)產(chǎn)生明顯影響等[4]。

1 UWB信號(hào)的發(fā)生

1.1 發(fā)生信號(hào)形式的選擇

沖激無(wú)線電超寬帶技術(shù)中不使用載波,是直接發(fā)送和接收極窄脈沖信號(hào)[5]的,所以脈沖信號(hào)波形的選擇對(duì)于UWB通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。不管是采用模擬器件,還是數(shù)字器件,最終發(fā)生信號(hào)的形式必須適合在無(wú)線信道中傳輸[6]。UWB技術(shù)中最基本的信號(hào)單元是高斯脈沖(Gaussian Pulse),其時(shí)域表達(dá)式為:

Pg1(t)=Ke-(t/τ)2

式中:K表示脈沖信號(hào)幅度;t為時(shí)間;τ是脈沖持續(xù)時(shí)間,它不僅決定了脈沖寬度,還決定了信號(hào)頻譜的中心頻率和帶寬。與其對(duì)應(yīng)的頻域表達(dá)式為:

Pg1(f)=Kτπe-πffc2

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,不適宜天線輻射。為了有效傳輸,UWB信號(hào)應(yīng)含有盡可能多的高頻分量。高斯脈沖的導(dǎo)數(shù)具備把直流和低頻分量轉(zhuǎn)換成高頻分量的能力[7]。

圖1 高斯脈沖時(shí)域波形

圖2 高斯脈沖頻域波形(頻譜)

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(shù)得出的,其時(shí)域表達(dá)式為:

Pg2(t)=K-2tτ2e-tτ2

與上式對(duì)應(yīng)的頻域表達(dá)式為:

Pg2(f)=Kτπ(j2πf)e-πffc2

圖3和圖4是高斯單脈沖的時(shí)域和頻域波形。

圖3 高斯單脈沖時(shí)域波形

圖4 高斯單脈沖頻域波形(頻譜)

由高斯單脈沖的頻域波形可知,該信號(hào)波形含有的直流和低頻分量很小,適合在無(wú)線信道中傳輸,且中心頻率隨脈沖寬度變窄而升高,帶寬也隨之增加[8]。

1.2 信號(hào)發(fā)生器的方案研究

基于1.1節(jié)的分析,信號(hào)發(fā)生器的最終輸出信號(hào)形式應(yīng)為高斯單脈沖。為實(shí)現(xiàn)該信號(hào),UWB信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)成數(shù)字模擬混合電路[9]。ECL門電路是半導(dǎo)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門電路直接輸出的信號(hào)不適于信道傳輸,因而在其后接上模擬電路,以對(duì)ECL門電路的輸出信號(hào)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(hào)發(fā)生器的邏輯原理框圖。

圖5 UWB信號(hào)發(fā)生器的邏輯原理框圖

該原理框圖由標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘、電平轉(zhuǎn)換電路、延時(shí)器、延時(shí)控制電路、ECL門電路、發(fā)送濾波器和脈沖功率放大電路組成。標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘產(chǎn)生器產(chǎn)生一定重復(fù)周期的矩形脈沖序列。電平轉(zhuǎn)換電路把時(shí)鐘的TTL電平轉(zhuǎn)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(hào)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(hào)通過(guò)ECL門電路之后便可產(chǎn)生一個(gè)寬度與時(shí)間差相等的極窄脈沖。ECL門電路是ECL電平的異或門或者與門,它們的反應(yīng)速度要足夠快,通常要求其反應(yīng)時(shí)間不能大于250 ps,且外圍電路和傳輸線都應(yīng)滿足最佳匹配的要求,否則難以得到寬度極窄的理想脈沖。由于ECL門電路的輸入信號(hào)都是矩形脈沖,因而通過(guò)ECL門電路產(chǎn)生的窄脈沖也是矩形脈沖,又因?yàn)檩敵雒}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)線傳輸。為了有效傳輸信號(hào),通過(guò)發(fā)送濾波器對(duì)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門電路得來(lái)的脈沖功率很小,如果要擴(kuò)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[10]。

1.3 信號(hào)發(fā)生器的電路設(shè)計(jì)

UWB信號(hào)發(fā)生器的實(shí)際電路完全按照1.2節(jié)中的方案設(shè)計(jì)。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(duì)制作PCB板的要求很高,ECL門電路的兩路輸入信號(hào)要盡可能對(duì)稱,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(hào)的理論延時(shí)差。此外,ECL門電路對(duì)輸出阻抗有特殊要求,都是50 Ω的特殊阻抗,因而在設(shè)計(jì)傳輸線時(shí)要用微帶線理論去設(shè)計(jì),以保證輸出特性阻抗是50 Ω,這樣才不會(huì)出現(xiàn)波形較大的失真。

第二部分主要是對(duì)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(yùn)算放大器的速度要足夠快,才能對(duì)極窄脈沖進(jìn)行較好的成形,同時(shí)相應(yīng)的匹配電路要盡可能精確,此外傳輸線都采用微帶線,以保持輸入輸出阻抗匹配,這里的輸入輸出阻抗都是標(biāo)準(zhǔn)的50 Ω。

第三部分是對(duì)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(diào)的,通過(guò)改變VCC達(dá)到改變放大電流的目的,傳輸線也都采用微帶線,特性阻抗設(shè)計(jì)成50 Ω,目的是要和第二部分的輸出阻抗以及發(fā)射天線的特性阻抗匹配,最大限度地提高發(fā)射效率。圖6是UWB信號(hào)發(fā)生器的實(shí)際電路圖。

圖6 UWB信號(hào)發(fā)生器的實(shí)際電路圖

2 UWB信號(hào)的測(cè)試

用Agilent 公司的示波器和頻譜儀對(duì)與圖6相對(duì)應(yīng)的印刷電路板測(cè)試。示波器的采樣率為16 GHz,頻譜儀能掃描10 GHz的頻譜,測(cè)試時(shí)兩塊延時(shí)芯片設(shè)置的延時(shí)差為960 ps,輸出端接口采用標(biāo)準(zhǔn)50 Ω阻抗的SMA接頭,示波器和頻譜儀也設(shè)置為50 Ω輸入阻抗,測(cè)試時(shí)采用特性阻抗為50 Ω的傳輸線,測(cè)得的脈沖波形及其頻譜如圖7,圖8所示。

圖7 電路的最終輸出信號(hào)

圖8 最終輸出信號(hào)的頻譜圖

3 結(jié) 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(yù)設(shè)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(shì)所在。從頻譜圖可知,該信號(hào)的中心頻率為1 GHz,-3 dB帶寬高達(dá)500 MHz,也即分?jǐn)?shù)帶寬為50%,符合超寬帶信號(hào)的要求。此外該信號(hào)雖然帶寬很寬,但功率譜密度很低,根本不會(huì)對(duì)其他通信系統(tǒng)產(chǎn)生任何影響,這利于本電路在實(shí)際中的應(yīng)用。

UWB通信系統(tǒng)在短距離通信中應(yīng)用越來(lái)越廣泛,但如果要擴(kuò)大傳輸距離,則必須增大發(fā)射功率,這樣就會(huì)對(duì)其他通信系統(tǒng),甚至對(duì)人體造成影響,這是不允許的,因而如何解決這對(duì)矛盾是當(dāng)今面臨的難題。

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