基于ECL門電路的UWB信號發(fā)生器的設計

黃堂森,梁小芝

摘 要:介紹UWB技術的特性,說明了一種適合無線通信的UWB信號形式。在分析現(xiàn)有UWB信號發(fā)生方法缺陷的基礎上,提出一種利用ECL門電路和分立器件相結合發(fā)生UWB信號的新方案,設計了與其相應的邏輯原理框圖和實際電路圖,做出信號發(fā)生器的實物,并給出測試結果。最后通過分析測試結果說明,該方法較其他方法具有更大優(yōu)勢和實用價值。

關鍵詞:UWB;無線通信;信號發(fā)生器;ECL門電路

中圖分類號:TN788文獻標識碼:A

文章編號: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[1]在通信時,不使用載波電路,而是通過發(fā)送納秒級脈沖傳輸數(shù)據(jù)的,因此具有發(fā)射和接收電路簡單,功耗低,多徑分辨能力強,穿透力強,隱蔽性好,系統(tǒng)容量大,定位精度高,對現(xiàn)存通信系統(tǒng)影響小,傳輸速率快等優(yōu)勢[2]。由于UWB技術具有這些優(yōu)良獨特的技術特性,該技術已普遍受到各國政府的高度重視。

UWB通信系統(tǒng)中必不可少的關鍵之一是如何產生高帶寬信號。由于極窄脈沖含有豐富的頻譜,因而產生足夠窄的脈沖和適于信道傳輸?shù)拿}沖形狀是UWB技術的研究熱點和關鍵所在。從國內外對UWB技術的研究來看,目前已有的UWB脈沖信號實現(xiàn)方式基本上可分為兩大類: 一類是利用模擬器件來產生所需的極窄脈沖信號;另一類是利用半導體器件的開關特性實現(xiàn)。利用模擬器件產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(tǒng)產生影響[3]。為了克服模擬器件產生窄脈沖的缺陷,并考慮到UWB通信系統(tǒng)的特殊性,利用開關速度極快的ECL門電路產生窄脈沖相比用模擬器件具有諸多優(yōu)勢,如脈沖波形好,電路簡單,便于產品的集成,調試容易,信號功率譜密度低,不會對別的通信系統(tǒng)產生明顯影響等[4]。

1 UWB信號的發(fā)生

1.1 發(fā)生信號形式的選擇

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

Pg1(t)=Ke-(t/τ)2

式中:K表示脈沖信號幅度;t為時間;τ是脈沖持續(xù)時間,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:

Pg1(f)=Kτπe-πffc2

式中:f為頻率;fc=1/τ是脈沖的中心頻率。其時域、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信號應含有盡可能多的高頻分量。高斯脈沖的導數(shù)具備把直流和低頻分量轉換成高頻分量的能力[7]。

圖1 高斯脈沖時域波形

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,其時域表達式為:

Pg2(t)=K-2tτ2e-tτ2

與上式對應的頻域表達式為:

Pg2(f)=Kτπ(j2πf)e-πffc2

圖3和圖4是高斯單脈沖的時域和頻域波形。

圖3 高斯單脈沖時域波形

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,該信號波形含有的直流和低頻分量很小,適合在無線信道中傳輸,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 信號發(fā)生器的方案研究

基于1.1節(jié)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。為實現(xiàn)該信號,UWB信號發(fā)生器設計成數(shù)字模擬混合電路[9]。ECL門電路是半導體器件中速度最快的開關電路,也是整個電路的核心,它的主要作用是產生脈沖寬度極窄的高斯脈沖,但ECL門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門電路的輸出信號進行變換,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。

圖5 UWB信號發(fā)生器的邏輯原理框圖

該原理框圖由標準時鐘、電平轉換電路、延時器、延時控制電路、ECL門電路、發(fā)送濾波器和脈沖功率放大電路組成。標準時鐘產生器產生一定重復周期的矩形脈沖序列。電平轉換電路把時鐘的TTL電平轉換成ECL電平。為了精確延時,延時器采用ECL電平的延時芯片,控制電路控制延時芯片的遲延時間,使兩路信號的延時有一個極短的時間差,這樣有時間差的兩路信號通過ECL門電路之后便可產生一個寬度與時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,它們的反應速度要足夠快,通常要求其反應時間不能大于250 ps,且外圍電路和傳輸線都應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門電路的輸入信號都是矩形脈沖,因而通過ECL門電路產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,不適于無線傳輸。為了有效傳輸信號,通過發(fā)送濾波器對脈沖形式進行變換,變成需要的高斯單脈沖。由于ECL高低電平的最大差值不過800 mV,通過ECL門電路得來的脈沖功率很小,如果要擴大傳輸距離,則需增大發(fā)射功率,這時把已經成形了的高斯單脈沖通過放大電路即可增大發(fā)射功率[10]。

1.3 信號發(fā)生器的電路設計

UWB信號發(fā)生器的實際電路完全按照1.2節(jié)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生極窄脈沖。該部分電路對制作PCB板的要求很高,ECL門電路的兩路輸入信號要盡可能對稱,才會最大程度地減少誤差,也即輸出的脈沖寬度才會接近兩路信號的理論延時差。此外,ECL門電路對輸出阻抗有特殊要求,都是50 Ω的特殊阻抗,因而在設計傳輸線時要用微帶線理論去設計,以保證輸出特性阻抗是50 Ω,這樣才不會出現(xiàn)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,才能對極窄脈沖進行較好的成形,同時相應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準的50 Ω。

第三部分是對成形后的高斯單脈沖進行放大。該部分的核心是MMIC(單片微波集成電路),放大電路是可調的,通過改變VCC達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)生器的實際電路圖。

圖6 UWB信號發(fā)生器的實際電路圖

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,測試時兩塊延時芯片設置的延時差為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,測試時采用特性阻抗為50 Ω的傳輸線,測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

圖8 最終輸出信號的頻譜圖

3 結 語

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,略大于預設延時差,這主要是制作PCB板時有誤差所致,因此要想獲得精確的脈寬,在制作工藝上還有待提高。由于延時差是可控的,因而通過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(shù)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,根本不會對其他通信系統(tǒng)產生任何影響,這利于本電路在實際中的應用。

UWB通信系統(tǒng)在短距離通信中應用越來越廣泛,但如果要擴大傳輸距離,則必須增大發(fā)射功率,這樣就會對其他通信系統(tǒng),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。

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