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。