基于ECL門(mén)電路的UWB信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

0 引 言

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(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)。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(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(hào)；另一類(lèi)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。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(mén)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。

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(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(hào)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(xiàn)信道中傳輸。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：

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：

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(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。

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：

與上式對(duì)應(yīng)的頻域表達(dá)式為：

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(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(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。ECL門(mén)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(mén)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(mén)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。

作者：黃堂森，梁小芝 湖南科技學(xué)院 來(lái)源：現(xiàn)代電子技術(shù)