作者：李曉歡，陳倩，李全，陳石平

引言

隨著UWB（ultra wide band）信號產生與接收技術的發展，對UWB信號傳播特性的認識逐漸完善，UWB在通信、雷達、定位、導航和電子對抗等諸多領域具有廣泛的應用前景，已成為無線通信領域的一個研究熱點。UWB是一種新穎無載波傳輸技術，利用納秒及亞納秒量級的非正弦式窄脈沖作為傳輸載體進行數據通信，因此其所占的頻譜范圍很寬。2002年FCC頒布了UWB的頻譜規劃，并規定在-10 dB處信號絕對帶寬大于0.5 GHz或分數帶寬大于20％。目前超寬帶納秒級脈沖的產生方法主要用模擬的隧道二極管或晶體管雪崩擊穿翻轉瞬間產生脈寬為納秒級的脈沖，從其產生的原理可看出，這樣的產生方法不利于電路設計的更改和實時調試，而且在晶體管雪崩擊穿過程中會有一個比較高的瞬時電壓，這會使得整個發射機的功耗比較高，穩定性也隨之減弱。

1 全數字化UWB信號特性

TH-UWB信號由于具有良好的隨機性和偽隨機性、抗干擾性能好、發射功率低等優勢，使得超寬帶技術在雷達、通信、定位領域得以迅速發展。UWB信號具有以下特點：

①低截獲／檢測概率：脈沖越窄，帶寬越寬，功率譜密度越低。低功率譜密度使信號難于被敵方截獲或檢測到，非常適合于軍事保密通信，同時對其他信號的干擾小，對商用通信也非常有利。

②強抗多徑能力：脈沖窄，且占空比低，經傳播延時的反射波與直射波的時間差一般會超過UWB脈沖寬度，所以多徑信號在時間上是分離的，其重合或部分重合的概率很低，從而UWB通信系統具有很強的抗多徑能力。

③具有良好的穿透障礙物能力：UWB信號可以穿透墻壁或其他障礙物，可用于對人或其他目標進行動目標檢測和測距，也可穿透地面檢測道路、橋梁的內部情況。

④數字UWB發生器結構簡單，成本比較低，易于電路實現，工作穩定，效率高。

2 脈沖位置調制（PPM）方式的TH-UWB信號設計

對于UWB發生器系統，信息調制方式非常重要，UWB發生器系統可用不同的偽隨機碼（PN碼）來區分每個用戶。實現多址的方法主要有低占空比的跳時（TH）和高占空比的直接序列相位編碼（DSC）兩種方法，可分為TH-UWB和DSC-UWB兩種系統。本文采用PPM方式的TH-UWB信號設計。

PPM調制又稱為跳時脈沖位置調制，是使用信息序列控制脈沖相對于參考位置提前或時延。為了達到信號要求，還要用偽隨機碼或偽隨機噪聲對數據符號進行編碼。香農在證明編碼定理時，提出用具有白噪聲統計特性的信號來編碼，其瞬時值服從正態分布，功率譜在很寬的頻帶內都是均勻的，具有極其優良的相關特性。由于硬件無法實現對白噪聲信號的放大、調制、檢測、同步及控制等，本文利用具有類似于帶限白噪聲統計特性的偽隨機信號來逼近它。信號調制數學描述（方程式）如下

由于該調制系統比較抽象，本文采用圖形化描述。圖2表示當前PN碼對應的值分別為1、2（p=3）時，對應位置在時間軸上的表示見圖2。

圖2中，A表示時間坐標軸，Tf是無調制時碼元的重復周期——重復幀；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，可以看出第一幀為C1，第二幀為C2，實現第一輪位置調制；C表示加入數據碼的位置跳變（延時△），可以看出第一幀攜帶的二進制信息為“1”，第二幀攜帶的二進制信息為“0”。以上調制由圖1中兩次時延調制完成，最后把攜帶位置信息調制信號經窄脈沖產生器產生窄脈沖信號。

3 信號發生器設計原理

與傳統的無線發射機結構相比，UWB發射機的結構相對比較簡單，偽隨機碼產生器產生的序列狀態并行輸出，得到一個周期的隨機碼。開始時計數器計數，并每隔一個周期寬度時間計數器加1，再將兩者送入比較器進行比較，當二者數值一致時，輸出為脈位調制信號。最后經納秒級脈沖電路產生攜帶位置調制信息的窄脈沖即為TH-UWB窄脈沖信號。能夠準確產生脈寬較穩定的納秒級窄脈沖的電路是工程設計過程中的關鍵。信號通過邏輯電路、邏輯門連接線、I／O連接線都會產生相應的邏輯門延時和走線延時，那么從理論上講，連續偶數個非門相連，即可得到一個信號延時，但在實際的工程設計中，這樣的邏輯連接方式在軟件綜合過程中可能被邏輯門連接線代替，達不到產生窄脈沖的延時效果，而通過I／O與片外邏輯門相連，會使邏輯延時難于準確控制，增加了整個系統的復雜度和不穩定因素。本文利用FPGA邏輯單元間的延時特性，考慮片內走線延時，利用等效邏輯運算原理編寫了可控延時程序，在設計過程中可以根據信號輸出的延時情況進行信號延時，調整輸出脈沖的寬度。

其產生的系統框圖如圖3所示。

4 建模及仿真

模型思想：經過位置調制之后的信號脈寬為一個全局時鐘周期，故利用位置調制之后的信號經觸發器進行觸發，可以得到一個和原信號波形相同且有一個器件邏輯門延時的新信號，與此同時位置調制信號被整形，消除了原信號由于邏輯運算產生的毛刺（競爭冒險）。再利用所得的信號求非邏輯運算，最后與原輸入信號求邏輯與運算，得到一個攜帶位置信息的窄脈沖。時序電路仿真如圖4所示。圖中PPM2為攜帶位置信息的窄脈沖信號，m為串行偽隨機序列。

由圖4可以看出偽隨機序列確定輸出脈沖在時間軸上的位置范圍，且時序仿真測得TH-UWB信號PPM2脈寬為1.237 ns。

5 硬件電路實測及數據分析

TH-UWB窄脈沖信號發生器系統硬件平臺Altera DE2 FPGA開發平臺，采用50 MHz的時鐘，目標芯片：CycloneⅡEP2C35F672C6。

硬件電路利用Agilent Infiniium數字示波器進行信號波形觀測（帶寬600 NHz，采樣深度4 GHz）。圖5、6為數字示波器實際觀測波形圖。圖5所示波形為攜帶位置調制信息的輸出納秒級窄脈沖信號，據圖中所測參數可知其脈沖的寬度為1.308 8ns，上升時間為781 ps，脈沖的峰峰值為2.041 V。測試中的數據與前面仿真計算的結果非常相似。圖6所示波形為攜帶位置調制信息的輸出納秒級窄脈沖信號及其頻譜，測試其-10 dB帶寬約為0.55 GHz。

從以上實測結果可以看出本設計電路產生的信號能夠滿足各項要求，具有很強的實用性；同時，在實際測試中，該電路可以穩定地產生重復頻率達50 MHz的TH-UWB脈沖，輸出的脈沖已經攜帶位置調制信息，無需進行二次調制，實測脈沖寬度其脈寬在1.28 ns±60 ps，與時序仿真脈寬相符（約800 MHz）（本文分析用波形圖脈沖寬度為1.308 8ns），信號-10 dB帶寬在0.55 GHz左右，滿足信號設計的要求。

6 結語

本文利用FPGA實現了全數字化的TH-UWB窄脈沖信號發生器，并在Altera DE2 FPGA開發平臺下實現并達到TH-UWB窄脈沖發生器的信號要求。該系統較其他模擬電路實現的超寬帶納秒級脈沖的產生方法更有利于電路的實現。模擬電路實現納秒級脈沖發生器，雖然其脈沖寬度最窄可以達到亞納秒級、幅度最高可以達到幾十伏，但其電路規模較大，電路功耗較高，可調性較差；而利用FPGA設計的全數字發生器，系統的信號調制、脈沖產生都在片內進行，大大地降低了發射機電路規模和功耗，提高了穩定性，更有利于低功耗手持超寬帶設備的發展，同時數字電路易于實現，結構簡單，具有成本低、開發周期短、應用范圍廣等優點。

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