作者：李曉歡，陳倩，李全，陳石平

引言

隨著UWB（ultra wide band）信號(hào)產(chǎn)生與接收技術(shù)的發(fā)展，對(duì)UWB信號(hào)傳播特性的認(rèn)識(shí)逐漸完善，UWB在通信、雷達(dá)、定位、導(dǎo)航和電子對(duì)抗等諸多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，已成為無(wú)線通信領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。UWB是一種新穎無(wú)載波傳輸技術(shù)，利用納秒及亞納秒量級(jí)的非正弦式窄脈沖作為傳輸載體進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，因此其所占的頻譜范圍很寬。2002年FCC頒布了UWB的頻譜規(guī)劃，并規(guī)定在-10 dB處信號(hào)絕對(duì)帶寬大于0.5 GHz或分?jǐn)?shù)帶寬大于20％。目前超寬帶納秒級(jí)脈沖的產(chǎn)生方法主要用模擬的隧道二極管或晶體管雪崩擊穿翻轉(zhuǎn)瞬間產(chǎn)生脈寬為納秒級(jí)的脈沖，從其產(chǎn)生的原理可看出，這樣的產(chǎn)生方法不利于電路設(shè)計(jì)的更改和實(shí)時(shí)調(diào)試，而且在晶體管雪崩擊穿過(guò)程中會(huì)有一個(gè)比較高的瞬時(shí)電壓，這會(huì)使得整個(gè)發(fā)射機(jī)的功耗比較高，穩(wěn)定性也隨之減弱。

1 全數(shù)字化UWB信號(hào)特性

TH-UWB信號(hào)由于具有良好的隨機(jī)性和偽隨機(jī)性、抗干擾性能好、發(fā)射功率低等優(yōu)勢(shì)，使得超寬帶技術(shù)在雷達(dá)、通信、定位領(lǐng)域得以迅速發(fā)展。UWB信號(hào)具有以下特點(diǎn)：

①低截獲／檢測(cè)概率：脈沖越窄，帶寬越寬，功率譜密度越低。低功率譜密度使信號(hào)難于被敵方截獲或檢測(cè)到，非常適合于軍事保密通信，同時(shí)對(duì)其他信號(hào)的干擾小，對(duì)商用通信也非常有利。

②強(qiáng)抗多徑能力：脈沖窄，且占空比低，經(jīng)傳播延時(shí)的反射波與直射波的時(shí)間差一般會(huì)超過(guò)UWB脈沖寬度，所以多徑信號(hào)在時(shí)間上是分離的，其重合或部分重合的概率很低，從而UWB通信系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗多徑能力。

③具有良好的穿透障礙物能力：UWB信號(hào)可以穿透墻壁或其他障礙物，可用于對(duì)人或其他目標(biāo)進(jìn)行動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)和測(cè)距，也可穿透地面檢測(cè)道路、橋梁的內(nèi)部情況。

④數(shù)字UWB發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本比較低，易于電路實(shí)現(xiàn)，工作穩(wěn)定，效率高。

2 脈沖位置調(diào)制（PPM）方式的TH-UWB信號(hào)設(shè)計(jì)

對(duì)于UWB發(fā)生器系統(tǒng)，信息調(diào)制方式非常重要，UWB發(fā)生器系統(tǒng)可用不同的偽隨機(jī)碼（PN碼）來(lái)區(qū)分每個(gè)用戶。實(shí)現(xiàn)多址的方法主要有低占空比的跳時(shí)（TH）和高占空比的直接序列相位編碼（DSC）兩種方法，可分為T(mén)H-UWB和DSC-UWB兩種系統(tǒng)。本文采用PPM方式的TH-UWB信號(hào)設(shè)計(jì)。

PPM調(diào)制又稱為跳時(shí)脈沖位置調(diào)制，是使用信息序列控制脈沖相對(duì)于參考位置提前或時(shí)延。為了達(dá)到信號(hào)要求，還要用偽隨機(jī)碼或偽隨機(jī)噪聲對(duì)數(shù)據(jù)符號(hào)進(jìn)行編碼。香農(nóng)在證明編碼定理時(shí)，提出用具有白噪聲統(tǒng)計(jì)特性的信號(hào)來(lái)編碼，其瞬時(shí)值服從正態(tài)分布，功率譜在很寬的頻帶內(nèi)都是均勻的，具有極其優(yōu)良的相關(guān)特性。由于硬件無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)白噪聲信號(hào)的放大、調(diào)制、檢測(cè)、同步及控制等，本文利用具有類似于帶限白噪聲統(tǒng)計(jì)特性的偽隨機(jī)信號(hào)來(lái)逼近它。信號(hào)調(diào)制數(shù)學(xué)描述（方程式）如下

由于該調(diào)制系統(tǒng)比較抽象，本文采用圖形化描述。圖2表示當(dāng)前PN碼對(duì)應(yīng)的值分別為1、2（p=3）時(shí)，對(duì)應(yīng)位置在時(shí)間軸上的表示見(jiàn)圖2。

圖2中，A表示時(shí)間坐標(biāo)軸，Tf是無(wú)調(diào)制時(shí)碼元的重復(fù)周期——重復(fù)幀；由于周期p=3，故Tf=3×Tc；B表示PN碼分別為C1和C2的兩幀信號(hào)，可以看出第一幀為C1，第二幀為C2，實(shí)現(xiàn)第一輪位置調(diào)制；C表示加入數(shù)據(jù)碼的位置跳變（延時(shí)△），可以看出第一幀攜帶的二進(jìn)制信息為“1”，第二幀攜帶的二進(jìn)制信息為“0”。以上調(diào)制由圖1中兩次時(shí)延調(diào)制完成，最后把攜帶位置信息調(diào)制信號(hào)經(jīng)窄脈沖產(chǎn)生器產(chǎn)生窄脈沖信號(hào)。

3 信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)原理

與傳統(tǒng)的無(wú)線發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)相比，UWB發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，偽隨機(jī)碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的序列狀態(tài)并行輸出，得到一個(gè)周期的隨機(jī)碼。開(kāi)始時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，并每隔一個(gè)周期寬度時(shí)間計(jì)數(shù)器加1，再將兩者送入比較器進(jìn)行比較，當(dāng)二者數(shù)值一致時(shí)，輸出為脈位調(diào)制信號(hào)。最后經(jīng)納秒級(jí)脈沖電路產(chǎn)生攜帶位置調(diào)制信息的窄脈沖即為T(mén)H-UWB窄脈沖信號(hào)。能夠準(zhǔn)確產(chǎn)生脈寬較穩(wěn)定的納秒級(jí)窄脈沖的電路是工程設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵。信號(hào)通過(guò)邏輯電路、邏輯門(mén)連接線、I／O連接線都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的邏輯門(mén)延時(shí)和走線延時(shí)，那么從理論上講，連續(xù)偶數(shù)個(gè)非門(mén)相連，即可得到一個(gè)信號(hào)延時(shí)，但在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，這樣的邏輯連接方式在軟件綜合過(guò)程中可能被邏輯門(mén)連接線代替，達(dá)不到產(chǎn)生窄脈沖的延時(shí)效果，而通過(guò)I／O與片外邏輯門(mén)相連，會(huì)使邏輯延時(shí)難于準(zhǔn)確控制，增加了整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜度和不穩(wěn)定因素。本文利用FPGA邏輯單元間的延時(shí)特性，考慮片內(nèi)走線延時(shí)，利用等效邏輯運(yùn)算原理編寫(xiě)了可控延時(shí)程序，在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以根據(jù)信號(hào)輸出的延時(shí)情況進(jìn)行信號(hào)延時(shí)，調(diào)整輸出脈沖的寬度。

其產(chǎn)生的系統(tǒng)框圖如圖3所示。

4 建模及仿真

模型思想：經(jīng)過(guò)位置調(diào)制之后的信號(hào)脈寬為一個(gè)全局時(shí)鐘周期，故利用位置調(diào)制之后的信號(hào)經(jīng)觸發(fā)器進(jìn)行觸發(fā)，可以得到一個(gè)和原信號(hào)波形相同且有一個(gè)器件邏輯門(mén)延時(shí)的新信號(hào)，與此同時(shí)位置調(diào)制信號(hào)被整形，消除了原信號(hào)由于邏輯運(yùn)算產(chǎn)生的毛刺（競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)）。再利用所得的信號(hào)求非邏輯運(yùn)算，最后與原輸入信號(hào)求邏輯與運(yùn)算，得到一個(gè)攜帶位置信息的窄脈沖。時(shí)序電路仿真如圖4所示。圖中PPM2為攜帶位置信息的窄脈沖信號(hào)，m為串行偽隨機(jī)序列。

由圖4可以看出偽隨機(jī)序列確定輸出脈沖在時(shí)間軸上的位置范圍，且時(shí)序仿真測(cè)得TH-UWB信號(hào)PPM2脈寬為1.237 ns。

5 硬件電路實(shí)測(cè)及數(shù)據(jù)分析

TH-UWB窄脈沖信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)硬件平臺(tái)Altera DE2 FPGA開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用50 MHz的時(shí)鐘，目標(biāo)芯片：CycloneⅡEP2C35F672C6。

硬件電路利用Agilent Infiniium數(shù)字示波器進(jìn)行信號(hào)波形觀測(cè)（帶寬600 NHz，采樣深度4 GHz）。圖5、6為數(shù)字示波器實(shí)際觀測(cè)波形圖。圖5所示波形為攜帶位置調(diào)制信息的輸出納秒級(jí)窄脈沖信號(hào)，據(jù)圖中所測(cè)參數(shù)可知其脈沖的寬度為1.308 8ns，上升時(shí)間為781 ps，脈沖的峰峰值為2.041 V。測(cè)試中的數(shù)據(jù)與前面仿真計(jì)算的結(jié)果非常相似。圖6所示波形為攜帶位置調(diào)制信息的輸出納秒級(jí)窄脈沖信號(hào)及其頻譜，測(cè)試其-10 dB帶寬約為0.55 GHz。

從以上實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出本設(shè)計(jì)電路產(chǎn)生的信號(hào)能夠滿足各項(xiàng)要求，具有很強(qiáng)的實(shí)用性；同時(shí)，在實(shí)際測(cè)試中，該電路可以穩(wěn)定地產(chǎn)生重復(fù)頻率達(dá)50 MHz的TH-UWB脈沖，輸出的脈沖已經(jīng)攜帶位置調(diào)制信息，無(wú)需進(jìn)行二次調(diào)制，實(shí)測(cè)脈沖寬度其脈寬在1.28 ns±60 ps，與時(shí)序仿真脈寬相符（約800 MHz）（本文分析用波形圖脈沖寬度為1.308 8ns），信號(hào)-10 dB帶寬在0.55 GHz左右，滿足信號(hào)設(shè)計(jì)的要求。

6 結(jié)語(yǔ)

本文利用FPGA實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化的TH-UWB窄脈沖信號(hào)發(fā)生器，并在Altera DE2 FPGA開(kāi)發(fā)平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)并達(dá)到TH-UWB窄脈沖發(fā)生器的信號(hào)要求。該系統(tǒng)較其他模擬電路實(shí)現(xiàn)的超寬帶納秒級(jí)脈沖的產(chǎn)生方法更有利于電路的實(shí)現(xiàn)。模擬電路實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)脈沖發(fā)生器，雖然其脈沖寬度最窄可以達(dá)到亞納秒級(jí)、幅度最高可以達(dá)到幾十伏，但其電路規(guī)模較大，電路功耗較高，可調(diào)性較差；而利用FPGA設(shè)計(jì)的全數(shù)字發(fā)生器，系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)制、脈沖產(chǎn)生都在片內(nèi)進(jìn)行，大大地降低了發(fā)射機(jī)電路規(guī)模和功耗，提高了穩(wěn)定性，更有利于低功耗手持超寬帶設(shè)備的發(fā)展，同時(shí)數(shù)字電路易于實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有成本低、開(kāi)發(fā)周期短、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

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