一種簡易的超寬帶納秒級脈沖發生器設計

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帶寬來定義的。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。與其他無線信號相比，超寬帶信號具有高速率、低功耗和低成本等優點。隨著近年來現代微電子技術的進步和高速器件的發展，UWB技術開始走向商業化。
UWB通信系統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頻率低和波形不穩定等問題。另一類產生UWB窄脈沖的方法是采用數字邏輯器件來完成。文獻分別采用了晶體管一晶體管邏輯(TTL)、發射極耦合邏輯(ECL)電路來實現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)，它的時域表達式為：

式中δ與脈沖持續時間有關，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來充當傳遞脈沖波形。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。