摘 要： 偽隨機時間間隔" title="時間間隔">時間間隔調(diào)制能夠使超寬帶" title="超寬帶">超寬帶系統(tǒng)的功率譜進一步平滑，可以增強系統(tǒng)隱蔽性和保密性。介紹了超寬帶系統(tǒng)中時間間隔調(diào)制的相關(guān)原理，提出了實現(xiàn)方法，描述了基于可編程" title="可編程">可編程延時芯片MC100EP195的超寬帶時間間隔調(diào)制電路的具體實現(xiàn)，給出了實驗樣機的測試結(jié)果，并做出了分析。
關(guān)鍵詞： 超寬帶 時間間隔調(diào)制 可編程延時
隨著超寬帶無線電技術(shù)的不斷發(fā)展和逐漸成熟，越來越多的通信和探測系統(tǒng)正在采用超寬帶無線電來實現(xiàn)系統(tǒng)功能。超寬帶無線電系統(tǒng)的實現(xiàn)方式主要有兩種，一種是基于正弦載波概念發(fā)射連續(xù)波，利用各種擴譜技術(shù)提高射頻帶寬；另一種是利用納秒或亞納秒級窄脈沖的寬頻譜特性實現(xiàn)超寬帶。由于窄脈沖又被稱為沖激脈沖(Impulse)，為了區(qū)別傳統(tǒng)的連續(xù)波超寬帶方式，以窄脈沖方式實現(xiàn)超寬帶的無線電系統(tǒng)也被稱為沖激無線電系統(tǒng)。時間間隔調(diào)制是基于窄脈沖的超寬帶無線電系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，對系統(tǒng)各方面性能都有著較大影響[1]。
1 超寬帶時間間隔調(diào)制
超寬帶無線電系統(tǒng)在工作過程中發(fā)射的是窄脈沖串" title="脈沖串">脈沖串，而且各個脈沖之間的時間間隔并不是固定不變的，而是按照某種規(guī)律進行偽隨機的跳變。一般情況下，相互間間隔按照偽隨機規(guī)律變化的發(fā)射脈沖信號可用下式表示：
式中，wtr是窄脈沖包絡(luò)；Tf是脈沖重復(fù)周期；Tc是調(diào)制時隙時間元；Cf是偽隨機調(diào)制編碼；CjTc為調(diào)制時間。可以看出，由于Cj不是固定不變的常數(shù)，因此經(jīng)過時間間隔調(diào)制的脈沖串已經(jīng)成為非周期信號。這里需要注意的一點是：為了保證兩次發(fā)射脈沖不產(chǎn)生重疊，需保證maxCjTc＜Tf。因此在選擇Tc的大小和Cj的取值范圍時一定要滿足(1)式要求。
上面的變化過程稱作窄脈沖串的時間間隔調(diào)制。在調(diào)制前，對于單個窄脈沖，由于把很小的功率分配在極寬的頻譜范圍內(nèi)，窄脈沖串的功率譜密度就已經(jīng)達到非常小的量級了。在脈沖間隔被偽隨機調(diào)制后，脈沖串的頻譜更顯示出類似噪聲的特性。圖1和圖2分別為窄脈沖間隔調(diào)制前后的時域波形及頻域譜線。
從圖中可以明顯地看出窄脈沖串在時間間隔調(diào)制前和調(diào)制后的頻譜的變化。類似噪聲的特性使得脈沖串功率譜密度繼續(xù)被平滑，為滿足FCC對于超寬帶系統(tǒng)發(fā)射功率的限制條件提供了有效的技術(shù)途徑。
公式(1)中的Cj是時隙編碼，對于超寬帶通信系統(tǒng)，應(yīng)給不同用戶分配不同的Cj；對于超寬帶探測系統(tǒng)，應(yīng)給不同的探測通道分配不同的Cj。由于超寬帶無線電系統(tǒng)的接收部分往往采用時間相關(guān)累積的辦法來實現(xiàn)，加上超寬帶窄脈沖信號的寬度僅為亞納秒級，因此對于具有不同Cj的用戶或通道，其相互之間不會發(fā)生干擾和影響。另外，由于必須事先已知隨機碼Cj，并根據(jù)該Cj對接收到的超寬帶信號進行相關(guān)，才能對該通道的信息進行正確有效的提取，從而使得超寬帶無線電系統(tǒng)在通信上具有很好的保密性，在探測上具有很強的隱蔽性和抗截獲性。可以看出，時間間隔調(diào)制部分在超寬帶系統(tǒng)中起著重要作用[2,3]。
2 可編程延時芯片MC100EP195[4]
系統(tǒng)時鐘" title="系統(tǒng)時鐘">系統(tǒng)時鐘周期性地等間隔地向脈沖產(chǎn)生器發(fā)送觸發(fā)信號，假如在這個過程中不進行脈沖時間間隔調(diào)制，則超寬帶窄脈沖將等間隔被輻射到空間。如果能夠打亂窄脈沖觸發(fā)信號的周期性，則將改變窄脈沖串各脈沖之間的間隔。
綜合考慮，決定采用數(shù)字方式來實現(xiàn)實驗樣機的超寬帶時間間隔調(diào)制。本設(shè)計以可編程延時芯片MC100EP195為電路核心，輔助以系統(tǒng)時鐘電路、FPGA控制電路、電平變換電路、偽隨機編碼存儲器等相關(guān)電路配合實現(xiàn)。圖3為超寬帶時間間隔調(diào)制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
MC100EP195是美國Onsemi Conductor公司生產(chǎn)的一款經(jīng)典的數(shù)字可編程延時芯片，它的主要性能指標有以下幾點：
(1)能夠在高達1.2GHz的系統(tǒng)時鐘下正常工作；
(2)延時步進精度高達10ps；
(3)可編程延時范圍為0～10ns；
(4)延遲時間控制信號D[10:0]能夠兼容LVTTL、LVCMOS、ECL等多種電平工作模式。
由于MC100EP195系統(tǒng)存在固有延時Td，因此芯片的最小延時并不為0，而是為最小的系統(tǒng)固有延時Td。最大值也不為10ns，而是為最大編程延時Td＋Tpro(max),其中Tpro為編程延遲時間。從圖4可以看到，MC100EP195實際的延時范圍為2.2ns～13.3ns。芯片的可編程延時的線性度很高，但是環(huán)境溫度對編程延時的影響還是有的。因此在系統(tǒng)設(shè)計的過程中，需要充分考慮電源部分的散熱及系統(tǒng)的整體溫度。
由于ECL電路具有速度快、邏輯功能強、扇出能力高、噪聲低、引線串擾小和自帶基準源等優(yōu)點，因此MC100EP195芯片核心部分邏輯電平采用了ECL電平。
MC100EP195芯片所提供的CASCADE端口能夠方便地進行延時芯片的級連，以彌補單片最大延遲時間不足的缺點，從而使其在大延時控制范圍應(yīng)用場合也能夠適用。
MC100EP195芯片核心延時電路的工作過程其實是用閾值電平比較器對線性斜波發(fā)生器進行閾值電平的檢測的過程。外加延時控制數(shù)據(jù)其實是加到內(nèi)部DAC上，以設(shè)定比較器的閾值電平。MC100EP195觸發(fā)輸入到來時，開始斜波發(fā)生，當斜波電壓降至由內(nèi)部DAC設(shè)定的閾值時，該比較器立刻輸出信號，而比較器的輸出即作為MC100EP195輸出。這種控制延時的方式也是許多芯片廠商在可編程延時芯片中廣泛采用的一種經(jīng)典的方法。
3 電路實現(xiàn)
本文所描述的超寬帶時間間隔調(diào)制系統(tǒng)是以MC100EP195可編程延時芯片為核心的電路系統(tǒng)?？删幊萄訒r芯片部分電路原理圖如圖5所示。
系統(tǒng)時鐘CLKIN在這個偽隨機時間間隔調(diào)制系統(tǒng)中起著非常關(guān)鍵的作用，它既給FPGA提供工作時鐘，同時又給MC100EP195提供觸發(fā)信號。由于系統(tǒng)時鐘的輸出是標準的TTL電平，而MC100EP195的觸發(fā)輸入需要的是差分的ECL電平，因此在時鐘輸入前必需進行電平轉(zhuǎn)換。Onsemi Conductor公司的電平轉(zhuǎn)換芯片MC100ELT20能夠很好地符合該功能需求。經(jīng)過MC100ELT20電平轉(zhuǎn)換后的觸發(fā)時鐘已經(jīng)轉(zhuǎn)化為兩路差分信號，在這兩路信號輸入MC100EP195的過程中，要特別注意電路的匹配。
延遲控制信號D0～D10、延時使能信號EN、延時芯片工作模式信號等都是由FPGA傳輸給MC100EP195。
實際上，延遲控制信號D0～D9就能夠控制MC100EP195進行0～10ns范圍內(nèi)的延遲時間，而D10的作用只是當有多級延時芯片級聯(lián)時為后級電路提供控制。因為本文所描述的電路系統(tǒng)僅僅在10ns內(nèi)進行隨機時間間隔調(diào)制，單片MC100EP195足以完成所需功能，因此D10管腳在整個系統(tǒng)工作過程中始終保持邏輯‘0’狀態(tài)。
LEN信號決定MC100EP195的工作模式。當LEN信號為邏輯‘0’時，MC100EP195芯片處于實時響應(yīng)模式，任意時刻的可編程延時由當前時刻的延遲控制信號D決定；當LEN信號為邏輯‘1’時，MC100EP195芯片處于鎖存保持模式，任意時刻的可編程延時并不由當前時刻的延遲控制信號D決定，而是由LEN信號從邏輯‘0’變到邏輯‘1’的上升沿時刻的延時控制信號決定。假如LEN信號一直保持不變的電平，那么即使延時控制字D改變，系統(tǒng)延時時間仍然不會發(fā)生變化。由于在隨機時間間隔調(diào)制過程中，并不需要保持某一時刻的延遲時間不變，因此，可以將LEN設(shè)置為邏輯‘0’，以使MC100EP195始終工作在實時響應(yīng)模式。
首先根據(jù)系統(tǒng)需要，用Matlab、C或者其他軟件產(chǎn)生隨機數(shù)組，然后將產(chǎn)生的隨機數(shù)組進行編碼，再將編碼存入ROM中。由于本系統(tǒng)采用的MC100EP195的控制字為D0～D9共10位，因此編碼長度也必須為10位。FPGA在運行過程中調(diào)用事先存入ROM中的偽隨機碼，根據(jù)碼值對MC100EP195進行實時的延時數(shù)據(jù)的控制，完成偽隨機間隔調(diào)制。這里需要注意的是：對各路控制信號的到達時間需要有充分估計，以避免時序沖突的發(fā)生。
由于隨機碼可以方便地存入ROM，因此對于超寬帶無線電系統(tǒng)的不同應(yīng)用場合，可以根據(jù)實際需要選擇最合適的偽隨機碼存入ROM中供FPGA調(diào)用，以控制MC100EP195，使得系統(tǒng)能夠采用最適合的規(guī)律進行時間間隔調(diào)制[5]。對于不同應(yīng)用場合和環(huán)境下的超寬帶無線電系統(tǒng)的偽隨機時間間隔調(diào)制方式，現(xiàn)在大量的研究機構(gòu)都在進行探討，這也是超寬帶無線電系統(tǒng)近年來成為熱門的研究方向之一。
4 測試結(jié)果及分析
這里主要關(guān)心的是式
中的Tc和Cj，這兩個指標都由時間間隔調(diào)制系統(tǒng)來決定。窄脈沖包絡(luò)wtr由后級的窄脈沖產(chǎn)生電路決定，而脈沖重復(fù)周期Tf則由系統(tǒng)時鐘所決定。前面提到,為保證不產(chǎn)生脈沖重疊必須滿足式子：maxCjTc＜Tf，所以在設(shè)置調(diào)制時隙時間元Tc和偽隨機調(diào)制編碼Cj時必須考慮到脈沖重復(fù)周期Tf的大小。對于本文描述的基于MC100EP195的超寬帶時間間隔調(diào)制電路實驗樣機，由于整個超寬帶系統(tǒng)的脈沖發(fā)射重復(fù)頻率設(shè)置為10MHz，也就是Tf＝100ns，因此必須滿足:maxCjTc＜100ns。在這里，將Tc設(shè)置為MC100EP195的最小步進延時10ps，將Cj的變化范圍設(shè)置為從0到1000，則maxCjTc＜10ns＜100ns,滿足要求。同時時間間隔跳變范圍應(yīng)該為0～10ns，本實驗在環(huán)境溫度為25°C時進行。
圖6中的信號①是隨機時間間隔調(diào)制前的系統(tǒng)時鐘觸發(fā)信號，信號②是經(jīng)過調(diào)制后的電路輸出信號。圖中左下方顯示了具體統(tǒng)計數(shù)據(jù)：最大延時為16.641ns；最小延時為6.766ns；均值為11.714ns；統(tǒng)計樣本個數(shù)為1616。可以看到，兩個信號發(fā)生的時間差即時間間隔調(diào)制范圍確實和設(shè)置的時間間隔調(diào)制范圍0～10ns相符。但是實際時間間隔調(diào)制范圍為6.766ns～16.641ns，實際數(shù)字值約比設(shè)置數(shù)值大了6.6ns，這是由于MC100EP195的固定延時Td、電路中電平轉(zhuǎn)換電路固定延時等造成的。由于后級電路都是由測試圖中的①信號所驅(qū)動和觸發(fā)，因此這里的固有的延時對系統(tǒng)不會有影響。圖中的直方圖顯示了兩者發(fā)生時間差的統(tǒng)計信息，其中每一柱代表200ps延時范圍，柱高顯示了落在該延時范圍內(nèi)的樣本次數(shù)。從直方圖中可以看出，時間間隔調(diào)制基本屬于均勻分布，如果將存入ROM的偽隨機碼進行修改，則直方圖的分布情況將隨之發(fā)生變化。
在整個超寬帶時間間隔調(diào)制系統(tǒng)電路設(shè)計的過程中，以下幾個問題需要格外引起注意：
(1)對于系統(tǒng)時鐘的選擇，由于基于窄脈沖的超寬帶系統(tǒng)基本上屬于時域處理的無線電系統(tǒng)，再加上脈沖信號寬度都在納秒或亞納秒級，因此系統(tǒng)對時間精度的要求非常高。系統(tǒng)時鐘的穩(wěn)定是其他各部分電路及數(shù)據(jù)處理部分正常工作的前提，因此，系統(tǒng)時鐘的精度和穩(wěn)定度一定要得到很好的保障。如果成本允許，可以選擇穩(wěn)定度盡可能高的系統(tǒng)時鐘。在畫PCB電路板圖時，一定要對系統(tǒng)時鐘的電源進行良好的濾波，而且對于鋪地應(yīng)該盡量和有可能影響到系統(tǒng)時鐘穩(wěn)定的其他部分進行隔離處理。
(2)由于MC100EP195的功耗隨輸入信號的頻率增長而增加，尤其是在對高頻輸入信號進行延時的時候，功耗較大，因此電源及穩(wěn)壓模塊工作時會產(chǎn)生較大熱量。所以在進行系統(tǒng)的電源設(shè)計時，要盡量使電源部分遠離MC100EP195芯片模塊，而且在超寬帶系統(tǒng)體積允許以及電路板面積允許的情況下，一定要加上散熱片。如果有可能，最好加上風(fēng)扇以保證通風(fēng)和系統(tǒng)溫度的相對穩(wěn)定。
(3)由于在整個時間間隔調(diào)制的過程中，電平在TTL電平和ECL差分電平之間有多次轉(zhuǎn)換，而且每次轉(zhuǎn)換對信號的質(zhì)量，特別是信號邊沿質(zhì)量都會有不同程度的影響，因此對于TTL與ECL電平轉(zhuǎn)換之間的匹配問題需要仔細考慮，不僅要考慮兩者間的電平匹配,還要考慮阻抗匹配。如果匹配電路沒有完善的設(shè)計，對整個系統(tǒng)的時間精度都會產(chǎn)生較大影響。
(4)Onsemi Conductor公司的定時和高速邏輯芯片，主要有兩個系列，MC10和MC100系列。這兩個系列芯片的實現(xiàn)功能全部一樣，但100系列芯片都自帶有溫度補償功能而10系列則不帶有。同樣是由于超寬帶系統(tǒng)對時間精度的高要求，推薦使用MC100系列即帶有溫度補償功能的芯片。
基于可編程延時芯片MC100EP195的超寬帶時間間隔調(diào)制系統(tǒng)能夠較好地完成窄脈沖串時間間隔調(diào)制的任務(wù)。但在系統(tǒng)功耗上的繼續(xù)降低，在偽隨機編碼策略上的優(yōu)化等方面，都還有待進一步深入研究。良好性能的時間間隔調(diào)制系統(tǒng)對于整個超寬帶無線電系統(tǒng)的性能提升會有較大貢獻。
參考文獻
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