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。

该原理框图由标准时钟、电平转换电路、延时器、延时控制电路、ECL门电路、发送滤波器和脉冲功率放大电路组成。标准时钟产生器产生一定重复周期的矩形脉冲序列。电平转换电路把时钟的TTL电平转换成ECL电平。为了精确延时，延时器采用ECL电平的延时芯片，控制电路控制延时芯片的迟延时间，使两路信号的延时有一个极短的时间差，这样有时间差的两路信号通过ECL门电路之后便可产生一个宽度与时间差相等的极窄脉冲。ECL门电路是ECL电平的异或门或者与门，它们的反应速度要足够快，通常要求其反应时间不能大于250 ps，且外围电路和传输线都应满足最佳匹配的要求，否则难以得到宽度极窄的理想脉冲。由于ECL门电路的输入信号都是矩形脉冲，因而通过ECL门电路产生的窄脉冲也是矩形脉冲，又因为输出脉冲的低电平为3．2 V，该脉冲必定含有丰富的直流和低频分量，不适于无线传输。为了有效传输信号，通过发送滤波器对脉冲形式进行变换，变成需要的高斯单脉冲。由于ECL高低电平的最大差值不过800 mV，通过ECL门电路得来的脉冲功率很小，如果要扩大传输距离，则需增大发射功率，这时把已经成形了的高斯单脉冲通过放大电路即可增大发射功率。

1．3 信号发生器的电路设计

UWB信号发生器的实际电路完全按照1．2节中的方案设计。即整体电路主要分为3大部分。第一部分主要功能是产生极窄脉冲。该部分电路对制作PCB板的要求很高，ECL门电路的两路输入信号要尽可能对称，才会最大程度地减少误差，也即输出的脉冲宽度才会接近两路信号的理论延时差。此外，ECL门电路对输出阻抗有特殊要求，都是50 Ω的特殊阻抗，因而在设计传输线时要用微带线理论去设计，以保证输出特性阻抗是50 Ω，这样才不会出现波形较大的失真。

第二部分主要是对第一部分输出的脉冲进行成形滤波。该部分需要注意的是，运算放大器的速度要足够快，才能对极窄脉冲进行较好的成形，同时相应的匹配电路要尽可能精确，此外传输线都采用微带线，以保持输入输出阻抗匹配，这里的输入输出阻抗都是标准的50 Ω。

第三部分是对成形后的高斯单脉冲进行放大。该部分的核心是MMIC(单片微波集成电路)，放大电路是可调的，通过改变VCC达到改变放大电流的目的，传输线也都采用微带线，特性阻抗设计成50 Ω，目的是要和第二部分的输出阻抗以及发射天线的特性阻抗匹配，最大限度地提高发射效率。图6是UWB信号发生器的实际电路图。

2 UWB信号的测试

用Agilent公司的示波器和频谱仪对与图6相对应的印刷电路板测试。示波器的采样率为16 GHz，频谱仪能扫描10 GHz的频谱，测试时两块延时芯片设置的延时差为960 ps，输出端接口采用标准50 Ω阻抗的SMA接头，示波器和频谱仪也设置为50 Ω输入阻抗，测试时采用特性阻抗为50 Ω的传输线，测得的脉冲波形及其频谱如图7，图8所示。

3 结 语

从最终输出的脉冲波形可知，脉冲波形较理想，脉冲宽度为1 ns，略大于预设延时差，这主要是制作PCB板时有误差所致，因此要想获得精确的脉宽，在制作工艺上还有待提高。由于延时差是可控的，因而通过该电路可获得更窄或更宽的脉冲，这是本电路的最大优势所在。从频谱图可知，该信号的中心频率为1 GHz，-3 dB带宽高达500 MHz，也即分数带宽为50％，符合超宽带信号的要求。此外该信号虽然带宽很宽，但功率谱密度很低，根本不会对其他通信系统产生任何影响，这利于本电路在实际中的应用。

UWB通信系统在短距离通信中应用越来越广泛，但如果要扩大传输距离，则必须增大发射功率，这样就会对其他通信系统，甚至对人体造成影响，这是不允许的，因而如何解决这对矛盾是当今面临的难题。