基于ECL门电路的UWB信号发生器的设计

0 引 言

超宽带(Ultra Wide Band，UWB)技术在通信时，不使用载波电路，而是通过发送纳秒级脉冲传输数据的，因此具有发射和接收电路简单，功耗低，多径分辨能力强，穿透力强，隐蔽性好，系统容量大，定位精度高，对现存通信系统影响小，传输速率快等优势。由于UWB技术具有这些优良独特的技术特性，该技术已普遍受到各国政府的高度重视。

UWB通信系统中必不可少的关键之一是如何产生高带宽信号。由于极窄脉冲含有丰富的频谱，因而产生足够窄的脉冲和适于信道传输的脉冲形状是UWB技术的研究热点和关键所在。从国内外对UWB技术的研究来看，目前已有的UWB脉冲信号实现方式基本上可分为两大类：一类是利用模拟器件来产生所需的极窄脉冲信号；另一类是利用半导体器件的开关特性实现。利用模拟器件产生的窄脉冲通常需要较高的偏置电压并且寄生效应较大，脉冲波形不理想，脉冲功率较大，容易对其他的通信系统产生影响。为了克服模拟器件产生窄脉冲的缺陷，并考虑到UWB通信系统的特殊性，利用开关速度极快的ECL门电路产生窄脉冲相比用模拟器件具有诸多优势，如脉冲波形好，电路简单，便于产品的集成，调试容易，信号功率谱密度低，不会对别的通信系统产生明显影响等。

1 UWB信号的发生

1．1 发生信号形式的选择

冲激无线电超宽带技术中不使用载波，是直接发送和接收极窄脉冲信号的，所以脉冲信号波形的选择对于UWB通信系统来说至关重要。不管是采用模拟器件，还是数字器件，最终发生信号的形式必须适合在无线信道中传输。UWB技术中最基本的信号单元是高斯脉冲(Gaussian Pulse)，其时域表达式为：

式中：K表示脉冲信号幅度；t为时间；τ是脉冲持续时间，它不仅决定了脉冲宽度，还决定了信号频谱的中心频率和带宽。与其对应的频域表达式为：

式中：f为频率；fc=1／τ是脉冲的中心频率。其时域、频域波形如图1和图2所示。

由高斯脉冲的频谱图可知，该脉冲含有丰富的低频和直流分量，不适宜天线辐射。为了有效传输，UWB信号应含有尽可能多的高频分量。高斯脉冲的导数具备把直流和低频分量转换成高频分量的能力。

高斯单脉冲(Gaussian Monocycle)即一阶高斯脉冲，它是由高斯方程的一阶倒数得出的，其时域表达式为：

与上式对应的频域表达式为：

由高斯单脉冲的频域波形可知，该信号波形含有的直流和低频分量很小，适合在无线信道中传输，且中心频率随脉冲宽度变窄而升高，带宽也随之增加。

1．2 信号发生器的方案研究

基于1．1节的分析，信号发生器的最终输出信号形式应为高斯单脉冲。为实现该信号，UWB信号发生器设计成数字模拟混合电路。ECL门电路是半导体器件中速度最快的开关电路，也是整个电路的核心，它的主要作用是产生脉冲宽度极窄的高斯脉冲，但ECL门电路直接输出的信号不适于信道传输，因而在其后接上模拟电路，以对ECL门电路的输出信号进行变换，从而获得UWB通信所需要的高斯单脉冲。图5是UWB信号发生器的逻辑原理框图。

作者：黄堂森，梁小芝 湖南科技学院 来源：现代电子技术