趙紅梅，王園璞，崔光照

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，鄭州450000)

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雙非門結(jié)構(gòu)皮秒級(jí)窄脈沖設(shè)計(jì)*

趙紅梅*，王園璞，崔光照

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，鄭州450000)

摘要:窄脈沖的產(chǎn)生是超寬帶通信系統(tǒng)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，不同的應(yīng)用對(duì)脈沖的產(chǎn)生方法有不同的要求。文中分析了超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)中幾種常規(guī)的超寬帶窄脈沖產(chǎn)生方法，比較了它們的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行了研究。在此基礎(chǔ)上首先設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)字方法的脈沖發(fā)生器，通過(guò)對(duì)該脈沖發(fā)生器的仿真分析提出了一種基于雙非門結(jié)構(gòu)的超寬帶窄脈沖的產(chǎn)生方法，仿真結(jié)果表明，利用該方法得到的脈沖重復(fù)頻率為10 MHz，寬度為150 ps。實(shí)驗(yàn)電路測(cè)試結(jié)果與理論分析和仿真結(jié)果基本一致。相電路比常規(guī)的數(shù)字電路窄脈沖產(chǎn)生方法，該設(shè)計(jì)方法不僅電路簡(jiǎn)單，對(duì)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(guān)鍵詞:超寬帶;皮秒級(jí)窄脈沖;數(shù)字電路;競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)現(xiàn)象;雙非門

超寬帶UWB(Ultra-Wideband)是近年來(lái)一種全新的無(wú)線通信技術(shù)，其通常利用寬度在納秒甚至亞納秒級(jí)的脈沖信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)高速率的數(shù)據(jù)傳輸。與其他無(wú)線通信技術(shù)相比，超寬帶無(wú)線電系統(tǒng)不僅具有隱蔽性好、抗多徑和窄帶干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸速率高、空間容量大、穿透能力強(qiáng)、低功耗、低成本等一系列優(yōu)點(diǎn)，而且可以達(dá)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(wèn)題。當(dāng)采用較高的發(fā)射功率時(shí)，超寬帶脈沖信號(hào)可以穿透墻壁，探測(cè)到隱藏在墻壁或者其他障礙物后面的人員等目標(biāo)，成為當(dāng)下室內(nèi)探測(cè)定位的首選技術(shù)［1－2］。

UWB室內(nèi)定位技術(shù)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(fù)頻率，同時(shí)要求脈沖產(chǎn)生電路具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、重量輕等特點(diǎn)。因此，高速窄脈沖的產(chǎn)生是UWB室內(nèi)定位技術(shù)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

1　現(xiàn)有的超寬帶窄脈沖的產(chǎn)生方法

目前產(chǎn)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(kāi)關(guān)，從而利用儲(chǔ)能元件的充放電得到短持續(xù)時(shí)間的信號(hào)，再經(jīng)過(guò)脈沖成形網(wǎng)絡(luò)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(fù)二極管、雪崩晶體管等。這些器件產(chǎn)生的脈沖發(fā)生器原理各異，產(chǎn)生脈沖的特性也是各有特點(diǎn)［3－6］。

第2類是利用幾種簡(jiǎn)單易控制的波形來(lái)合成窄脈沖的波形合成技術(shù)，比如傅里葉系數(shù)合成方式、小波合成技術(shù)等。利用此種方法是為了克服基于電器件特性產(chǎn)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(fù)頻率等缺點(diǎn)［7］。其間考慮更多的是數(shù)學(xué)方面的問(wèn)題，這種電路較為復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)較難。

第3類是采用數(shù)字電路中的競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)現(xiàn)象產(chǎn)生窄脈沖，這種方法主要是從時(shí)域出發(fā)預(yù)選某種時(shí)間域函數(shù)，然后根據(jù)參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)波形使得該波形滿足FCC的頻譜規(guī)范。脈沖產(chǎn)生器最易產(chǎn)生的脈沖其實(shí)是一個(gè)鐘形波形，類似高斯函數(shù)波形。文獻(xiàn)［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(lái)實(shí)現(xiàn)UWB脈沖的產(chǎn)生。此種方法的電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單而且成本低廉，易于集成。

采用隧道二極管、階躍恢復(fù)二極管、雪崩晶體管等模擬器件產(chǎn)生UWB脈沖信號(hào)的方法是利用了器件的開(kāi)關(guān)特性，產(chǎn)生的均為模擬信號(hào)。UWB脈沖的各種調(diào)制方式如DS-BPSK(直接序列擴(kuò)頻—二進(jìn)制異相鍵控)、TH-PPM(跳時(shí)—脈沖位置調(diào)制)等是將數(shù)字信息加載到脈沖上來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。如果脈沖的產(chǎn)生是利用模擬電路，產(chǎn)生的模擬信號(hào)與脈沖調(diào)制部分的數(shù)字信號(hào)將會(huì)產(chǎn)生很大的干擾，必須將模擬與數(shù)字信號(hào)進(jìn)行隔離，或者將脈沖產(chǎn)生與調(diào)制分別設(shè)計(jì)于不同的電路板，否則會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的信號(hào)失真［11－12］。這就增加了發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，不利于UWB信號(hào)發(fā)射電路的小型化設(shè)計(jì)。同時(shí)，出于對(duì)電路集成成本的考慮，需要有更簡(jiǎn)單、更適合于數(shù)字電路系統(tǒng)兼容的超寬帶信號(hào)產(chǎn)生方法。基于此本文主要研究分析了利用數(shù)字電路產(chǎn)生窄脈沖的實(shí)現(xiàn)方法，通過(guò)選擇合適的邏輯芯片設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)字邏輯器件的脈沖發(fā)生器。在對(duì)所設(shè)計(jì)的脈沖發(fā)生器進(jìn)行仿真分析之后提出了一種基于雙非門結(jié)構(gòu)的ps級(jí)UWB窄脈沖的產(chǎn)生方法。

2　基于數(shù)字邏輯門電路的UWB脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì)

采用數(shù)字電路產(chǎn)生窄脈沖只要是利用數(shù)字組合邏輯門電路的競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)現(xiàn)象來(lái)產(chǎn)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(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)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(chǎn)生電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低且便于集成，利用上述不同器件產(chǎn)生的窄脈沖信號(hào)各有特點(diǎn)，可以滿足不同的需要，在無(wú)線通信等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。

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

圖1　采用兩輸入端與非門產(chǎn)生窄脈沖

圖2　采用兩輸入端或非門產(chǎn)生窄脈沖

這兩種方式產(chǎn)生窄脈沖的上升、下降沿由選用器件的開(kāi)關(guān)特性來(lái)決定，它們產(chǎn)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(dá)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(yīng)用價(jià)值不大，一般僅用于學(xué)術(shù)研究。為了有效輻射，工程上常用的超寬帶脈沖應(yīng)該沒(méi)有直流分量，一般通過(guò)對(duì)高斯脈沖求導(dǎo)獲得［13］，例如，對(duì)高斯脈沖求一階導(dǎo)數(shù)可以獲得高斯單周期脈沖，表達(dá)式如下:

根據(jù)以上原理可以看出，采用數(shù)字方法產(chǎn)生窄脈沖難度最大的地方在于高速邏輯的實(shí)現(xiàn)和精確的相位延遲的控制。目前在市場(chǎng)上可以方便地買到這些高速邏輯芯片，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)該注意選擇上升沿時(shí)間盡量短的時(shí)鐘信號(hào)作為激勵(lì)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(wèn)題。

本文在數(shù)字電路產(chǎn)生窄脈沖方法的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)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(chǎn)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(dǎo)體公司(Fairchild Semiconductor)的低ICCT邏輯門TinyLogic器件。TinyLogic低ICCT邏輯門相比標(biāo)準(zhǔn)CMOS產(chǎn)品，靜態(tài)功耗減少多達(dá)99%，所選器件的超高速體現(xiàn)于在5V電源電壓的驅(qū)動(dòng)下典型延遲時(shí)間為2.4ns［14］，比TTL邏輯門的74F系列的延遲時(shí)間還要小。

圖3　采用數(shù)字組合邏輯電路產(chǎn)生窄脈沖電路圖

本文所設(shè)計(jì)的數(shù)字電路脈沖發(fā)生器其輸入信號(hào)采用的是10 MHz的晶振提供的基帶方波信號(hào)。雖然理論上激勵(lì)時(shí)鐘信號(hào)的上升時(shí)間對(duì)脈沖的寬度沒(méi)有影響，但是考慮到器件的非理想性，應(yīng)選擇上升時(shí)間盡量短的時(shí)鐘信號(hào)作為激勵(lì)源，所以在實(shí)現(xiàn)實(shí)際電路的制作時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)應(yīng)先經(jīng)過(guò)兩個(gè)非門，以使輸入的激勵(lì)信號(hào)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(gè)輸入端。時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過(guò)非門NC7SZ04后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)極性相反、有足夠陡峭的上升沿和幅度的信號(hào)，該信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過(guò)或非門NC7SZ02后產(chǎn)生一個(gè)窄脈沖。此窄脈沖的寬度是由非門的延遲時(shí)間來(lái)決定的。電路后端的微分濾波電路主要用來(lái)完成脈沖的成形，通過(guò)調(diào)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(shí)際電路的制作中，由于傳輸?shù)氖歉咚俚拿}沖信號(hào)，所以電路的布線也會(huì)對(duì)脈沖的延遲時(shí)間造成影響。

利用Electronic Workbench Multisim 10.0軟件對(duì)電路進(jìn)行了仿真。仿真波形如圖4所示。其結(jié)果可得到重復(fù)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(shè)計(jì)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(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)現(xiàn)象來(lái)產(chǎn)生UWB窄脈沖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(lái)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(shí)量極小的邏輯器件。若采用可編程延時(shí)芯片來(lái)替代電路中的非門，將能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)生的窄脈沖寬度可控，可以采用FPGA或者DSP來(lái)控制電路中的脈沖延時(shí)［15］。

圖4　脈沖信號(hào)的仿真波形

3　基于雙非門結(jié)構(gòu)的窄脈沖產(chǎn)生方法

利用數(shù)字邏輯器件的競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)現(xiàn)象產(chǎn)生窄脈沖，脈沖的持續(xù)時(shí)間完全由非門的延時(shí)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(jí)，如在5 V電源電壓驅(qū)動(dòng)下74S04的典型延時(shí)為3 ns，74F04的典型延時(shí)為3.7 ns，NC7SZ04的典型延時(shí)為2.4 ns，74HC04的典型延遲時(shí)間為7 ns，這大大限制了極窄脈沖的產(chǎn)生，而利用幾個(gè)延時(shí)相近的高速邏輯器件的延時(shí)差卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)的小于單個(gè)器件的延遲，因此本文在已經(jīng)設(shè)計(jì)的脈沖發(fā)生器的基礎(chǔ)上提出了一種利用兩個(gè)延遲差極小的邏輯非門產(chǎn)生皮秒級(jí)脈沖的方法，該方法由于利用兩個(gè)邏輯非門的延遲差，對(duì)器件的要求不高。圖5為所提出的電路設(shè)計(jì)方案。

圖5　雙非門結(jié)構(gòu)脈沖發(fā)生器電路圖

電路首先由74S04和NC7SZ04分別和時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過(guò)或非門之后得到兩個(gè)不同寬度的窄脈沖，如圖6仿真結(jié)果1所示。得到的兩個(gè)脈沖寬度之差587 ps，就是所選擇的兩個(gè)非門的延時(shí)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(hào)應(yīng)含有盡可能多的高頻分量，所以在經(jīng)過(guò)邏輯電路之后，又通過(guò)微分電路對(duì)脈沖進(jìn)行整形以獲得適合UWB傳輸?shù)母咚箚沃芷诿}沖。經(jīng)過(guò)微分電路之后得到的脈沖波形如圖7仿真結(jié)果2所示。

圖6　脈沖發(fā)生器仿真結(jié)果1

圖7　脈沖發(fā)生器仿真結(jié)果2

從圖7中可以看到，經(jīng)過(guò)微分整形電路之后得到的脈沖寬度為150 ps。將該結(jié)果與圖4中的仿真結(jié)果比較分析，發(fā)現(xiàn)脈沖的寬度明顯變窄。時(shí)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(shí)由于采用了兩級(jí)電路的緣故，嚴(yán)格的抑制了之前脈沖的拖尾和抖動(dòng)現(xiàn)象。

根據(jù)仿真結(jié)果的元件值和電路結(jié)構(gòu)，本文對(duì)雙非門結(jié)構(gòu)的脈沖發(fā)生器進(jìn)行了實(shí)物的制作和測(cè)試，測(cè)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(dá)25 GHz)，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，與仿真結(jié)果基本一致，得到了重復(fù)頻率為10 MHz，上升時(shí)間為145 ps，脈沖寬度約為290 ps的高斯單周期脈沖。測(cè)試時(shí)輸入的觸發(fā)信號(hào)是由10 MHz的晶振電路提供的方波信號(hào)，由于器件的非理想性，激勵(lì)時(shí)鐘信號(hào)的上升沿時(shí)間會(huì)對(duì)脈沖的寬度產(chǎn)生影響，同時(shí)考慮到芯片之間的阻抗匹配以及電路布線等因素都會(huì)使實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果產(chǎn)生一定的偏差，不過(guò)這都在可接受的誤差范圍之內(nèi)。

圖8　脈沖發(fā)生器實(shí)測(cè)結(jié)果

4　總結(jié)

針對(duì)超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)的應(yīng)用，文中對(duì)幾種常用的窄脈沖的產(chǎn)生方法進(jìn)行了比較分析，著重分析了利用數(shù)字電路產(chǎn)生窄脈沖的方法。在此基礎(chǔ)首先設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單的UWB脈沖發(fā)生器，通過(guò)對(duì)該脈沖發(fā)生器仿真結(jié)果的分析，本文又提出了一種雙非門結(jié)構(gòu)的超寬帶窄脈沖的產(chǎn)生方法，仿真結(jié)果表明，采用該方法可以得到重復(fù)頻率為10 MHz，持續(xù)時(shí)間為150 ps的窄脈沖，實(shí)物測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。采用這種方法與常規(guī)的數(shù)字電路的設(shè)計(jì)方法相比較，不僅對(duì)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(nèi)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(xué)院，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)槲⒉ㄉ漕l技術(shù)、超寬帶無(wú)線通信，微帶天線設(shè)計(jì)，zhhm@ zzuli.edu.cn;

王園璞(1988－)，女，漢族，河南登封市人，鄭州輕工業(yè)學(xué)院，碩士生，研究方向?yàn)槌瑢拵o(wú)線通信技術(shù)，wang1012670157 @163.com;

崔光照(1957－)，男，漢族，鄭州輕工業(yè)學(xué)院，教授，博士，碩士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)榭刂扑惴?、智能?jì)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(hào):TN722.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):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