雙非門結構皮秒級窄脈沖設計*

趙紅梅，王園璞，崔光照

(鄭州輕工業(yè)學院電氣信息工程學院，鄭州450000)

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雙非門結構皮秒級窄脈沖設計*

趙紅梅*，王園璞，崔光照

(鄭州輕工業(yè)學院電氣信息工程學院，鄭州450000)

摘要:窄脈沖的產生是超寬帶通信系統(tǒng)中的一項關鍵技術，不同的應用對脈沖的產生方法有不同的要求。文中分析了超寬帶室內定位系統(tǒng)中幾種常規(guī)的超寬帶窄脈沖產生方法，比較了它們的優(yōu)缺點，對存在的問題進行了研究。在此基礎上首先設計了一種基于數(shù)字方法的脈沖發(fā)生器，通過對該脈沖發(fā)生器的仿真分析提出了一種基于雙非門結構的超寬帶窄脈沖的產生方法，仿真結果表明，利用該方法得到的脈沖重復頻率為10 MHz，寬度為150 ps。實驗電路測試結果與理論分析和仿真結果基本一致。相電路比常規(guī)的數(shù)字電路窄脈沖產生方法，該設計方法不僅電路簡單，對器件的要求不高，成本低，而且脈沖寬度變窄了十幾倍，定位精度更高。

關鍵詞:超寬帶;皮秒級窄脈沖;數(shù)字電路;競爭冒險現(xiàn)象;雙非門

超寬帶UWB(Ultra-Wideband)是近年來一種全新的無線通信技術，其通常利用寬度在納秒甚至亞納秒級的脈沖信號來實現(xiàn)高速率的數(shù)據(jù)傳輸。與其他無線通信技術相比，超寬帶無線電系統(tǒng)不僅具有隱蔽性好、抗多徑和窄帶干擾能力強、數(shù)據(jù)傳輸速率高、空間容量大、穿透能力強、低功耗、低成本等一系列優(yōu)點，而且可以達到頻譜資源共享的目的，很好地解決了頻譜資源日趨緊張的問題。當采用較高的發(fā)射功率時，超寬帶脈沖信號可以穿透墻壁，探測到隱藏在墻壁或者其他障礙物后面的人員等目標，成為當下室內探測定位的首選技術［1－2］。

UWB室內定位技術要求發(fā)送的脈沖具有較高的功率利用率、合適的波形、良好的上升和下降沿、高的重復頻率，同時要求脈沖產生電路具有體積小、結構簡單、功耗低、重量輕等特點。因此，高速窄脈沖的產生是UWB室內定位技術中的一項關鍵技術。

1　現(xiàn)有的超寬帶窄脈沖的產生方法

目前產生UWB窄脈沖的方法有很多，大體上可以分為3類:

第1類是將各種高速器件等效成開關，從而利用儲能元件的充放電得到短持續(xù)時間的信號，再經過脈沖成形網絡整形成滿足要求的脈沖波形。采這類方法的核心是各種高速器件的選取，高速器件包括光電器件和各種高速的電子器件，例如隧道二極管、階躍恢復二極管、雪崩晶體管等。這些器件產生的脈沖發(fā)生器原理各異，產生脈沖的特性也是各有特點［3－6］。

第2類是利用幾種簡單易控制的波形來合成窄脈沖的波形合成技術，比如傅里葉系數(shù)合成方式、小波合成技術等。利用此種方法是為了克服基于電器件特性產生的窄脈沖形狀不易控制，能量效率低，難以保持精確的脈沖重復頻率等缺點［7］。其間考慮更多的是數(shù)學方面的問題，這種電路較為復雜，實現(xiàn)較難。

第3類是采用數(shù)字電路中的競爭冒險現(xiàn)象產生窄脈沖，這種方法主要是從時域出發(fā)預選某種時間域函數(shù)，然后根據(jù)參數(shù)來調節(jié)波形使得該波形滿足FCC的頻譜規(guī)范。脈沖產生器最易產生的脈沖其實是一個鐘形波形，類似高斯函數(shù)波形。文獻［8－10］分別采用了晶體管—晶體管邏輯(TTL)電路、發(fā)射極耦合邏輯(ECL)電路來實現(xiàn)UWB脈沖的產生。此種方法的電路結構相對簡單而且成本低廉，易于集成。

采用隧道二極管、階躍恢復二極管、雪崩晶體管等模擬器件產生UWB脈沖信號的方法是利用了器件的開關特性，產生的均為模擬信號。UWB脈沖的各種調制方式如DS-BPSK(直接序列擴頻—二進制異相鍵控)、TH-PPM(跳時—脈沖位置調制)等是將數(shù)字信息加載到脈沖上來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。如果脈沖的產生是利用模擬電路，產生的模擬信號與脈沖調制部分的數(shù)字信號將會產生很大的干擾，必須將模擬與數(shù)字信號進行隔離，或者將脈沖產生與調制分別設計于不同的電路板，否則會產生嚴重的信號失真［11－12］。這就增加了發(fā)射系統(tǒng)設計的復雜度，不利于UWB信號發(fā)射電路的小型化設計。同時，出于對電路集成成本的考慮，需要有更簡單、更適合于數(shù)字電路系統(tǒng)兼容的超寬帶信號產生方法。基于此本文主要研究分析了利用數(shù)字電路產生窄脈沖的實現(xiàn)方法，通過選擇合適的邏輯芯片設計了一種基于數(shù)字邏輯器件的脈沖發(fā)生器。在對所設計的脈沖發(fā)生器進行仿真分析之后提出了一種基于雙非門結構的ps級UWB窄脈沖的產生方法。

2　基于數(shù)字邏輯門電路的UWB脈沖發(fā)生器設計

采用數(shù)字電路產生窄脈沖只要是利用數(shù)字組合邏輯門電路的競爭冒險現(xiàn)象來產生的。這樣的器件包括晶體管－晶體管邏輯(TTL)電路、金屬氧化物半導體場效應管(MOS)電路、發(fā)射極耦合邏輯(ECL)電路以及集成注入邏輯(I2L)電路等。利用這類器件組成的脈沖產生電路結構簡單、成本低且便于集成，利用上述不同器件產生的窄脈沖信號各有特點，可以滿足不同的需要，在無線通信等領域都得到了廣泛的應用。

其實現(xiàn)方法主要有兩種:一種是采用兩輸入端與非門(NAND)產生窄脈沖，如圖1(a)、1(b)所示，其邏輯表達式為:另一種是采用兩輸入端或非門(NOR)產生窄脈沖，如圖2(a)、2(b)所示，其邏輯表達式為:。

圖1　采用兩輸入端與非門產生窄脈沖

圖2　采用兩輸入端或非門產生窄脈沖

這兩種方式產生窄脈沖的上升、下降沿由選用器件的開關特性來決定，它們產生的窄脈沖近似鐘形，類似于高斯函數(shù)波形，可以用下列表達式描述:

式中:A為脈沖峰值幅度，α為高斯脈沖的形成因子。高斯脈沖具有很大的直流分量，工程應用價值不大，一般僅用于學術研究。為了有效輻射，工程上常用的超寬帶脈沖應該沒有直流分量，一般通過對高斯脈沖求導獲得［13］，例如，對高斯脈沖求一階導數(shù)可以獲得高斯單周期脈沖，表達式如下:

根據(jù)以上原理可以看出，采用數(shù)字方法產生窄脈沖難度最大的地方在于高速邏輯的實現(xiàn)和精確的相位延遲的控制。目前在市場上可以方便地買到這些高速邏輯芯片，在實際設計過程中，應該注意選擇上升沿時間盡量短的時鐘信號作為激勵源，以確保相位延遲的精確控制，并且還要考慮芯片之間的阻抗匹配等問題。

本文在數(shù)字電路產生窄脈沖方法的基礎上設計了一種脈沖發(fā)生器，其電路圖如圖3所示。該電路采用的是兩輸入端或非門產生窄脈沖，所選用的高速邏輯器件NC7SZ02或非門和NC7SZ04非門是飛兆仙童半導體公司(Fairchild Semiconductor)的低ICCT邏輯門TinyLogic器件。TinyLogic低ICCT邏輯門相比標準CMOS產品，靜態(tài)功耗減少多達99%，所選器件的超高速體現(xiàn)于在5V電源電壓的驅動下典型延遲時間為2.4ns［14］，比TTL邏輯門的74F系列的延遲時間還要小。

圖3　采用數(shù)字組合邏輯電路產生窄脈沖電路圖

本文所設計的數(shù)字電路脈沖發(fā)生器其輸入信號采用的是10 MHz的晶振提供的基帶方波信號。雖然理論上激勵時鐘信號的上升時間對脈沖的寬度沒有影響，但是考慮到器件的非理想性，應選擇上升時間盡量短的時鐘信號作為激勵源，所以在實現(xiàn)實際電路的制作時，時鐘信號應先經過兩個非門，以使輸入的激勵信號具有足夠陡峭的上升沿和幅度，之后再分為兩路分別輸入到非門NC7SZ04和或非門NC7SZ02的一個輸入端。時鐘信號經過非門NC7SZ04后會產生一個極性相反、有足夠陡峭的上升沿和幅度的信號，該信號和時鐘信號經過或非門NC7SZ02后產生一個窄脈沖。此窄脈沖的寬度是由非門的延遲時間來決定的。電路后端的微分濾波電路主要用來完成脈沖的成形，通過調整RLC的參數(shù)，就可以得到適合UWB傳輸?shù)母咚箚沃芷诿}沖。另外，在實際電路的制作中，由于傳輸?shù)氖歉咚俚拿}沖信號，所以電路的布線也會對脈沖的延遲時間造成影響。

利用Electronic Workbench Multisim 10.0軟件對電路進行了仿真。仿真波形如圖4所示。其結果可得到重復頻率為10 MHz，脈沖幅度為3.1 V，脈沖寬度為857 ps的窄脈沖。

由以上設計的數(shù)字電路脈沖發(fā)生器可知利用數(shù)字組合邏輯電路中的競爭冒險現(xiàn)象來產生UWB窄脈沖結構簡單，成本低廉，易于集成。但是，此種電路脈沖寬度完全由非門的延遲量來決定，脈沖寬度不可控，如果要得到極窄的脈沖必須選擇延時量極小的邏輯器件。若采用可編程延時芯片來替代電路中的非門，將能夠實現(xiàn)產生的窄脈沖寬度可控，可以采用FPGA或者DSP來控制電路中的脈沖延時［15］。

圖4　脈沖信號的仿真波形

3　基于雙非門結構的窄脈沖產生方法

利用數(shù)字邏輯器件的競爭冒險現(xiàn)象產生窄脈沖，脈沖的持續(xù)時間完全由非門的延時決定，選擇合適的非門延遲芯片就能得到不同寬度的窄脈沖，脈沖的寬度受非門的延遲的控制，目前使用的高速邏輯器件的非門大部分的延遲都在納秒級，如在5 V電源電壓驅動下74S04的典型延時為3 ns，74F04的典型延時為3.7 ns，NC7SZ04的典型延時為2.4 ns，74HC04的典型延遲時間為7 ns，這大大限制了極窄脈沖的產生，而利用幾個延時相近的高速邏輯器件的延時差卻遠遠的小于單個器件的延遲，因此本文在已經設計的脈沖發(fā)生器的基礎上提出了一種利用兩個延遲差極小的邏輯非門產生皮秒級脈沖的方法，該方法由于利用兩個邏輯非門的延遲差，對器件的要求不高。圖5為所提出的電路設計方案。

圖5　雙非門結構脈沖發(fā)生器電路圖

電路首先由74S04和NC7SZ04分別和時鐘信號經過或非門之后得到兩個不同寬度的窄脈沖，如圖6仿真結果1所示。得到的兩個脈沖寬度之差587 ps，就是所選擇的兩個非門的延時量之差。然后將這兩路脈沖分別輸入異或門得到最后的窄脈沖。由于得到的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，所以在經過邏輯電路之后，又通過微分電路對脈沖進行整形以獲得適合UWB傳輸?shù)母咚箚沃芷诿}沖。經過微分電路之后得到的脈沖波形如圖7仿真結果2所示。

圖6　脈沖發(fā)生器仿真結果1

圖7　脈沖發(fā)生器仿真結果2

從圖7中可以看到，經過微分整形電路之后得到的脈沖寬度為150 ps。將該結果與圖4中的仿真結果比較分析，發(fā)現(xiàn)脈沖的寬度明顯變窄。時域脈沖的寬度越窄，頻域的頻譜寬度也隨之增加，而且頻帶的中心頻率也隨著脈沖的變窄而升高。同時由于采用了兩級電路的緣故，嚴格的抑制了之前脈沖的拖尾和抖動現(xiàn)象。

根據(jù)仿真結果的元件值和電路結構，本文對雙非門結構的脈沖發(fā)生器進行了實物的制作和測試，測試采用的是Agilent MSO9404A高寬帶數(shù)字濾波器(帶寬為4 GHz，最高采樣速率達25 GHz)，測試結果如圖8所示。從測試結果來看，與仿真結果基本一致，得到了重復頻率為10 MHz，上升時間為145 ps，脈沖寬度約為290 ps的高斯單周期脈沖。測試時輸入的觸發(fā)信號是由10 MHz的晶振電路提供的方波信號，由于器件的非理想性，激勵時鐘信號的上升沿時間會對脈沖的寬度產生影響，同時考慮到芯片之間的阻抗匹配以及電路布線等因素都會使實測結果與仿真結果產生一定的偏差，不過這都在可接受的誤差范圍之內。

圖8　脈沖發(fā)生器實測結果

4　總結

針對超寬帶室內定位系統(tǒng)的應用，文中對幾種常用的窄脈沖的產生方法進行了比較分析，著重分析了利用數(shù)字電路產生窄脈沖的方法。在此基礎首先設計了一種簡單的UWB脈沖發(fā)生器，通過對該脈沖發(fā)生器仿真結果的分析，本文又提出了一種雙非門結構的超寬帶窄脈沖的產生方法，仿真結果表明，采用該方法可以得到重復頻率為10 MHz，持續(xù)時間為150 ps的窄脈沖，實物測試結果與仿真結果基本一致。采用這種方法與常規(guī)的數(shù)字電路的設計方法相比較，不僅對數(shù)字邏輯器件的要求不高，而且脈沖寬度變窄的十幾倍，極大的提高了室內定位精度。

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趙紅梅(1976－)，女，漢族，河南輝縣人，鄭州輕工業(yè)學院，副教授，博士，碩士生導師。研究方向為微波射頻技術、超寬帶無線通信，微帶天線設計，zhhm@ zzuli.edu.cn;

王園璞(1988－)，女，漢族，河南登封市人，鄭州輕工業(yè)學院，碩士生，研究方向為超寬帶無線通信技術，wang1012670157 @163.com;

崔光照(1957－)，男，漢族，鄭州輕工業(yè)學院，教授，博士，碩士生導師。研究方向為控制算法、智能計算等。

Design of Chua’s Circuit Based on Piecewise-Linear Positive Resistance*

LüEnsheng*，BAI Jinke
(Department of Mechanical and Electrical Engineering，Henan Vocational College of Chemical Technology，Zhengzhou 450042，China)

Abstract:To simplify design of the Chua’s diode，a design method based on piecewise-linear positive resistance is proposed.The design of piecewise-linear positive resistance into piecewise-linear negative resistance，design of new Chua’s circuit based on the piecewise-linear negative resistance，EWB simulation and hardware circuit testing show that Chua’s circuit can effectively generate chaotic behavior.Both the chaotic behaviors or structure of circuit occupy the advantages which are not existing in the Chua’s circuits，the results show the design of this circuit is effective.Key words:Chua’s circuit; piecewise-linear positive resistance; chaotic circuit; circuit simulation

中圖分類號:TN722.3

文獻標識碼:A

文章編號:1005－9490(2015) 03－0548－05

收稿日期:2014－07－05修改日期:2014－09－20

doi:EEACC:120010.3969/j.issn.1005－9490.2015.03.016