超宽带时间间隔调制系统的设计

1、    超宽带时间间隔调制系统的设计        李 熹， 王治国， 费元春， 郭 时间:2008年05月30日     字 体: 大 中 小        关键词:        摘要：关键词： 超宽带 时间间隔调制 可编程延时随着超宽带无线电技术的不断发展和逐渐成熟，越来越

2、多的通信和探测系统正在采用超宽带无线电来实现系统功能。超宽带无线电系统的实现方式主要有两种，一种是基于正弦载波概念发射连续波，利用各种扩谱技术提高射频带宽；另一种是利用纳秒或亚纳秒级窄脉冲的宽频谱特性实现超宽带。由于窄脉冲又被称为冲激脉冲(Impulse)，为了区别传统的连续波超宽带方式，以窄脉冲方式实现超宽带的无线电系统也被称为冲激无线电系统。时间间隔调制是基于窄脉冲的超宽带无线电系统中的关键部分，对系统各方面性能都有着较大影响1。1 超宽带时间间隔调制式中，wtr是窄脉冲包络；Tf是脉冲重复周期；Tc是调制时隙时间元；Cf是伪随机调制编码；CjTc为调制时间。可以看出，由于Cj不是固定不变

3、的常数，因此经过时间间隔调制的脉冲串已经成为非周期信号。这里需要注意的一点是：为了保证两次发射脉冲不产生重叠，需保证maxCjTcTf。因此在选择Tc的大小和Cj的取值范围时一定要满足(1)式要求。上面的变化过程称作窄脉冲串的时间间隔调制。在调制前，对于单个窄脉冲，由于把很小的功率分配在极宽的频谱范围内，窄脉冲串的功率谱密度就已经达到非常小的量级了。在脉冲间隔被伪随机调制后，脉冲串的频谱更显示出类似噪声的特性。图1和图2分别为窄脉冲间隔调制前后的时域波形及频域谱线。从图中可以明显地看出窄脉冲串在时间间隔调制前和调制后的频谱的变化。类似噪声的特性使得脉冲串功率谱密度继续被平滑，为满足FCC对于超

4、宽带系统发射功率的限制条件提供了有效的技术途径。公式(1)中的Cj是时隙编码，对于超宽带通信系统，应给不同用户分配不同的Cj；对于超宽带探测系统，应给不同的探测通道分配不同的Cj。由于超宽带无线电系统的接收部分往往采用时间相关累积的办法来实现，加上超宽带窄脉冲信号的宽度仅为亚纳秒级，因此对于具有不同Cj的用户或通道，其相互之间不会发生干扰和影响。另外，由于必须事先已知随机码Cj，并根据该Cj对接收到的超宽带信号进行相关，才能对该通道的信息进行正确有效的提取，从而使得超宽带无线电系统在通信上具有很好的保密性，在探测上具有很强的隐蔽性和抗截获性。可以看出，时间间隔调制部分在超宽带系统中起着重要作用

5、2,3。2 可编程延时芯片MC100EP1954MC100EP195是美国Onsemi Conductor公司生产的一款经典的数字可编程延时芯片，它的主要性能指标有以下几点：(1)能够在高达1.2GHz的系统时钟下正常工作；(2)延时步进精度高达10ps；(3)可编程延时范围为010ns；(4)延迟时间控制信号D10:0能够兼容LVTTL、LVCMOS、ECL等多种电平工作模式。由于MC100EP195系统存在固有延时Td，因此芯片的最小延时并不为0，而是为最小的系统固有延时Td。最大值也不为10ns，而是为最大编程延时TdTpro(max),其中Tpro为编程延迟时间。从图4可以看到，MC1

6、00EP195实际的延时范围为2.2ns13.3ns。芯片的可编程延时的线性度很高，但是环境温度对编程延时的影响还是有的。因此在系统设计的过程中，需要充分考虑电源部分的散热及系统的整体温度。由于ECL电路具有速度快、逻辑功能强、扇出能力高、噪声低、引线串扰小和自带基准源等优点，因此MC100EP195芯片核心部分逻辑电平采用了ECL电平。MC100EP195芯片所提供的CASCADE端口能够方便地进行延时芯片的级连，以弥补单片最大延迟时间不足的缺点，从而使其在大延时控制范围应用场合也能够适用。MC100EP195芯片核心延时电路的工作过程其实是用阈值电平比较器对线性斜波发生器进行阈值电平的检测

7、的过程。外加延时控制数据其实是加到内部DAC上，以设定比较器的阈值电平。MC100EP195触发输入到来时，开始斜波发生，当斜波电压降至由内部DAC设定的阈值时，该比较器立刻输出信号，而比较器的输出即作为MC100EP195输出。这种控制延时的方式也是许多芯片厂商在可编程延时芯片中广泛采用的一种经典的方法。3 电路实现本文所描述的超宽带时间间隔调制系统是以MC100EP195可编程延时芯片为核心的电路系统。可编程延时芯片部分电路原理图如图5所示。系统时钟CLKIN在这个伪随机时间间隔调制系统中起着非常关键的作用，它既给FPGA提供工作时钟，同时又给MC100EP195提供触发信号。由于系统时钟

8、的输出是标准的TTL电平，而MC100EP195的触发输入需要的是差分的ECL电平，因此在时钟输入前必需进行电平转换。Onsemi Conductor公司的电平转换芯片MC100ELT20能够很好地符合该功能需求。经过MC100ELT20电平转换后的触发时钟已经转化为两路差分信号，在这两路信号输入MC100EP195的过程中，要特别注意电路的匹配。延迟控制信号D0D10、延时使能信号EN、延时芯片工作模式信号等都是由FPGA传输给MC100EP195。实际上，延迟控制信号D0D9就能够控制MC100EP195进行010ns范围内的延迟时间，而D10的作用只是当有多级延时芯片级联时为后级电路提供

9、控制。因为本文所描述的电路系统仅仅在10ns内进行随机时间间隔调制，单片MC100EP195足以完成所需功能，因此D10管脚在整个系统工作过程中始终保持逻辑0状态。LEN信号决定MC100EP195的工作模式。当LEN信号为逻辑0时，MC100EP195芯片处于实时响应模式，任意时刻的可编程延时由当前时刻的延迟控制信号D决定；当LEN信号为逻辑1时，MC100EP195芯片处于锁存保持模式，任意时刻的可编程延时并不由当前时刻的延迟控制信号D决定，而是由LEN信号从逻辑0变到逻辑1的上升沿时刻的延时控制信号决定。假如LEN信号一直保持不变的电平，那么即使延时控制字D改变，系统延时时间仍然不会发生

10、变化。由于在随机时间间隔调制过程中，并不需要保持某一时刻的延迟时间不变，因此，可以将LEN设置为逻辑0，以使MC100EP195始终工作在实时响应模式。首先根据系统需要，用Matlab、C或者其他软件产生随机数组，然后将产生的随机数组进行编码，再将编码存入ROM中。由于本系统采用的MC100EP195的控制字为D0D9共10位，因此编码长度也必须为10位。FPGA在运行过程中调用事先存入ROM中的伪随机码，根据码值对MC100EP195进行实时的延时数据的控制，完成伪随机间隔调制。这里需要注意的是：对各路控制信号的到达时间需要有充分估计，以避免时序冲突的发生。由于随机码可以方便地存入ROM，因

11、此对于超宽带无线电系统的不同应用场合，可以根据实际需要选择最合适的伪随机码存入ROM中供FPGA调用，以控制MC100EP195，使得系统能够采用最适合的规律进行时间间隔调制5。对于不同应用场合和环境下的超宽带无线电系统的伪随机时间间隔调制方式，现在大量的研究机构都在进行探讨，这也是超宽带无线电系统近年来成为热门的研究方向之一。4 测试结果及分析这里主要关心的是式中的Tc和Cj，这两个指标都由时间间隔调制系统来决定。窄脉冲包络wtr由后级的窄脉冲产生电路决定，而脉冲重复周期Tf则由系统时钟所决定。前面提到,为保证不产生脉冲重叠必须满足式子：maxCjTcTf，所以在设置调制时隙时间元Tc和伪随

12、机调制编码Cj时必须考虑到脉冲重复周期Tf的大小。对于本文描述的基于MC100EP195的超宽带时间间隔调制电路实验样机，由于整个超宽带系统的脉冲发射重复频率设置为10MHz，也就是Tf100ns，因此必须满足:maxCjTc100ns。在这里，将Tc设置为MC100EP195的最小步进延时10ps，将Cj的变化范围设置为从0到1000，则maxCjTc10ns100ns,满足要求。同时时间间隔跳变范围应该为010ns，本实验在环境温度为25°C时进行。图6中的信号是随机时间间隔调制前的系统时钟触发信号，信号是经过调制后的电路输出信号。图中左下方显示了具体统计数据：最大延时为16.6

13、41ns；最小延时为6.766ns；均值为11.714ns；统计样本个数为1616。可以看到，两个信号发生的时间差即时间间隔调制范围确实和设置的时间间隔调制范围010ns相符。但是实际时间间隔调制范围为6.766ns16.641ns，实际数字值约比设置数值大了6.6ns，这是由于MC100EP195的固定延时Td、电路中电平转换电路固定延时等造成的。由于后级电路都是由测试图中的信号所驱动和触发，因此这里的固有的延时对系统不会有影响。图中的直方图显示了两者发生时间差的统计信息，其中每一柱代表200ps延时范围，柱高显示了落在该延时范围内的样本次数。从直方图中可以看出，时间间隔调制基本属于均匀分布

14、，如果将存入ROM的伪随机码进行修改，则直方图的分布情况将随之发生变化。在整个超宽带时间间隔调制系统电路设计的过程中，以下几个问题需要格外引起注意：(1)对于系统时钟的选择，由于基于窄脉冲的超宽带系统基本上属于时域处理的无线电系统，再加上脉冲信号宽度都在纳秒或亚纳秒级，因此系统对时间精度的要求非常高。系统时钟的稳定是其他各部分电路及数据处理部分正常工作的前提，因此，系统时钟的精度和稳定度一定要得到很好的保障。如果成本允许，可以选择稳定度尽可能高的系统时钟。在画PCB电路板图时，一定要对系统时钟的电源进行良好的滤波，而且对于铺地应该尽量和有可能影响到系统时钟稳定的其他部分进行隔离处理。(2)由于

15、MC100EP195的功耗随输入信号的频率增长而增加，尤其是在对高频输入信号进行延时的时候，功耗较大，因此电源及稳压模块工作时会产生较大热量。所以在进行系统的电源设计时，要尽量使电源部分远离MC100EP195芯片模块，而且在超宽带系统体积允许以及电路板面积允许的情况下，一定要加上散热片。如果有可能，最好加上风扇以保证通风和系统温度的相对稳定。(3)由于在整个时间间隔调制的过程中，电平在TTL电平和ECL差分电平之间有多次转换，而且每次转换对信号的质量，特别是信号边沿质量都会有不同程度的影响，因此对于TTL与ECL电平转换之间的匹配问题需要仔细考虑，不仅要考虑两者间的电平匹配,还要考虑阻抗匹配

16、。如果匹配电路没有完善的设计，对整个系统的时间精度都会产生较大影响。(4)Onsemi Conductor公司的定时和高速逻辑芯片，主要有两个系列，MC10和MC100系列。这两个系列芯片的实现功能全部一样，但100系列芯片都自带有温度补偿功能而10系列则不带有。同样是由于超宽带系统对时间精度的高要求，推荐使用MC100系列即带有温度补偿功能的芯片。基于可编程延时芯片MC100EP195的超宽带时间间隔调制系统能够较好地完成窄脉冲串时间间隔调制的任务。但在系统功耗上的继续降低，在伪随机编码策略上的优化等方面，都还有待进一步深入研究。良好性能的时间间隔调制系统对于整个超宽带无线电系统的性能提升会

17、有较大贡献。参考文献1 葛利嘉.超宽带无线电基础M:北京：电子工业出版社,20052 Tao Wang, Yong Wang, Kangsheng Chen. Ultra wideband impulse radio spectrum control independent of time hopping codes. IEEE Vehicular Technology Conference, 2004；(59)：140114053 Laney D C, Maggio G M, Lehmann F et al. Multiple access for UWB impulse radio with pseudochaotic time hopping. IEEE Selected Area