一种简易的超宽带纳秒级脉冲发生器设计

摘要：为了得到超宽带纳秒级窄脉冲信号，在对UWB脉冲产生方法分析总结的基础上，提出了一种基于数字逻辑器件的简单脉冲产生电路。对实际制做的电路进行了测试，能够得到重复频率为10 MHz，脉冲宽度约为4 ns，幅度约为500 mV的窄脉冲。该电路成本低，结构简单，易于制作，工程实用性较强。
关键词：超宽带；纳秒级窄脉冲；数字逻辑器件；TTL

0 引言
    近年来，超宽带(Ultra-Wide Band，UWB)无线通信技术成为国内外研究的热点。UWB信号是利用绝对带宽或者分数带宽来定义的。根据FCC规定：在-10 dB处的绝对带宽大于500 MHz或者相对能量带宽大于20％～25％的信号都认为是超宽带信号。与其他无线信号相比，超宽带信号具有高速率、低功耗和低成本等优点。随着近年来现代微电子技术的进步和高速器件的发展，UWB技术开始走向商业化。
    UWB通信系统中非常重要的一部分是如何产生纳秒级或亚纳秒级的脉冲，同时采用什么样的脉冲形状来传输信息也是UWB技术中必不可少的关键技术之一。从目前的研究来看，已经存在的UWB窄脉冲实现方式可以总结为两类：一类是将半导体高速器件等效为高速开关，利用它们充放电特性来获得极窄脉冲。文献利用雪崩三极管的雪崩击穿特性来产生超宽带脉冲；文献介绍了基于阶跃恢复二极管(Step Recovery Dio de，SRD)的电容开关特性来设计纳秒级脉冲。虽然这些电路可以产生几十伏甚至几百伏的亚纳秒脉冲，但是它们同时存在触发频率低和波形不稳定等问题。另一类产生UWB窄脉冲的方法是采用数字逻辑器件来完成。文献分别采用了晶体管一晶体管逻辑(TTL)、发射极耦合逻辑(ECL)电路来实现UWB脉冲的产生。这一类方法构成的电路结构相对简单而且易于集成，成本低廉，使用方便。由于TTL电路价格低廉、功耗低、带负载能力强，本文将采用这样的电路来设计产生符合要求的窄脉冲。

1 纳秒级脉冲波形的选择
    UWB技术是利用纳秒及纳秒以下量级的极窄脉冲来进行数据通信的。由于极窄脉冲含有丰富的频谱，所以选择合适的脉冲形状对UWB信号的传输至关重要。超宽带系统中传输信号最常用的脉冲波形为高斯脉冲或者它的各阶微分形式。其中，最基本的信号单元为高斯脉冲(Gaussian Pulse)，它的时域表达式为：
   
    式中δ与脉冲持续时间有关，还决定了信号频谱的中心频率和带宽。与式(1)相对应的谱密度函数表达式为：
   
    功率谱密度：
   
    由式(3)可得G(0)=1，即信号频谱中直流分量最大。而且从其频谱图可知，该脉冲中还含有丰富的低频分量，这些因素都不利于天线辐射。为了克服这些因素，工程中常用高斯脉冲的导数来充当传递脉冲波形。高斯单脉冲(Gaussian Monocycle)即高斯一阶导数脉冲是最常用的一种脉冲波形。其时域表达式为：
   
    可见，G(1)(0)=O。由高斯单脉冲的频域波形可知，该信号含有的直流和低频分量很小，与高斯脉冲相比，高斯单脉冲更适合在无线信道中传输。

2 纳秒级脉冲信号的产生
    本设计采用数字电路的逻辑特性来产生纳秒级窄脉冲信号，然后利用微分滤波产生更适合无线信道传输的UWB波形。基于数字逻辑器件产生窄脉冲主要利用的是逻辑门电路的竞争冒险现象来完成。文中采用两输入的或非门来产生窄脉冲，如图1所示。其逻辑表达式为：。

    对于TTL器件来说，其产生的窄脉冲近似钟形，类似于高斯函数波形，通过合理组合RLC元件，就可以产生类似于一阶高斯脉冲函数。电路图如图2所示。

    首先时钟信号是由10 MHz晶振电路产生，其输出分别输入到74HC04和74HC02的一个输入端。输入74HC04的时钟信号经过非门产生一个极性相反、有足够陡峭的上升沿和幅度的信号，并将其输入到74HC02的另一个输入端。由或非门产生一个窄脉冲。后端的微分滤波电路主要完成脉冲的成形，通过调整RLC的参数，就可以得到合理的脉冲波形。其中脉冲延时时间主要由74HC04非门的平均传输时延决定，需要注意的是，由于是高速脉冲的传输，所以电路的布线也会影响脉冲的延迟时间，所以信号的布线应考虑成传输线。

    使用Electronics Workbench Multisim 10．O软件来对电路进行仿真。仿真波形如图3所示。其结果可得到重复频率为10 MHz，脉冲幅度为3．59 V，脉冲宽度为1．5 ns的窄脉冲。

3 测试结果
    电路仿真时，采用10 MHz的时钟信号源作为触发源输入，但在实际的测试时，在脉冲发生器的前端采用了10 MHz的晶振电路来作为触发码源。输出波形采用Agilent MSO9404A高宽带数字示波器(带宽为4 GHz，最高采样速率达25 GHz／s)测量。所制作的实物及测试系统如图4所示，测试结果如图5所示。

    在测试时，输入的触发信号选择采用晶振电路提供方波信号，考虑到器件的非理想性，激励时钟信号的上升沿时间会对脉冲的宽度产生影响，同时由于电路布线等方面的因素都会使实测结果与仿真结果产生一定的偏差，这都是在可接受的误差范围之内的。

4 结语
    本文设计了一种基于数字逻辑器件的纳秒级超宽带窄脉冲信号的产生电路，相比于其他脉冲产生电路，该电路具有结构简单，性能可靠的优点，在UWB无线通信中具有一定的应用价值。