??? 在UWB短距離高速通信系統(tǒng)中,，射頻發(fā)射機(jī)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)歷來是整個高效穩(wěn)定系統(tǒng)的難點(diǎn)之一,。從電路設(shè)計的角度來看,，射頻電路的設(shè)計既不同于低頻電路設(shè)計，又區(qū)別于微波電路的設(shè)計,。本文實(shí)現(xiàn)的超寬帶信號中心頻率為3.5GHz,，屬于射頻的范疇。這就要求電路的設(shè)計與分析要用射頻電路的理論來實(shí)現(xiàn),。

???? 傳統(tǒng)的UWB射頻發(fā)射機(jī)[2-4]產(chǎn)生的UWB信號都是高斯脈沖信號,，這種高斯脈沖UWB信號的時域表達(dá)式如式(1)所示：

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???? 利用傅里葉變換可得其頻域表達(dá)式，如式（2）所示：
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??? 式（1）,、式（2）中為脈沖形狀因子,，分別為時域、頻域幅度歸一化因子,。

??? 這種UWB信號的不足之處在于對傳統(tǒng)的高斯窄脈沖無論如何改變?琢值,，都很難滿足FCC對UWB信號的頻譜限制。更重要的是此種UWB信號為單脈沖信號,，其能量分散導(dǎo)致接收端能量檢測接收困難,，不利于UWB通信系統(tǒng)的整體實(shí)現(xiàn)。

??? 本文介紹了一種UWB短距離高速通信系統(tǒng)的射頻發(fā)射機(jī)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn),。該射頻發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的UWB信號為高斯包絡(luò)正余弦脈沖,，脈沖周期10ns，峰-峰值電壓約為3.2V,，滿足FCC（美國聯(lián)邦通信委員會）有關(guān)UWB發(fā)射信號規(guī)范[5],，有效解決了高速UWB信號的粘連現(xiàn)象,且產(chǎn)生的信號為多脈沖信號，能量集中,，利于接收端能量檢測接收,。另外通過加置功率放大器（簡稱功放）解決了在特殊場合下射頻發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率不足的問題。此功放具有工作頻帶寬,、電路結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn),。振蕩器與功放結(jié)合起來最終實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定、實(shí)用的UWB高速信號,。

UWB短距離高速（100Mb/s）通信系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

?UWB短距離高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)從PC到PC的10m范圍內(nèi)的高速數(shù)據(jù)傳輸,，其發(fā)射部分簡化框圖結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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??? PC機(jī)上的待傳輸數(shù)據(jù)通過USB接口電路傳送到基帶處理電路,，經(jīng)過卷積,、交織、編幀,、調(diào)制等一系列處理后產(chǎn)生100Mb/s的基帶碼元信號,，此基帶碼元信號用以控制射頻發(fā)射機(jī)的振蕩器工作狀態(tài)，從而產(chǎn)生高速的UWB信號,，這樣產(chǎn)生的UWB信號為高斯包絡(luò)正余弦脈沖[6],，它的時域表達(dá)式如式（3）所示,。

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??? 利用傅里葉變換可得其頻域表達(dá)式，如式（4）所示：

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??? 這樣產(chǎn)生的UWB信號經(jīng)天線發(fā)射后可以滿足一般的通信需求,，但為了達(dá)到在惡劣的傳輸環(huán)境下實(shí)現(xiàn)有效通信的目的,，或者為了滿足特殊的通信需求，UWB信號可以先經(jīng)過功率放大器進(jìn)行功率放大后再通過天線發(fā)射出去,。

振蕩器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

??? 微波可控振蕩器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)基于負(fù)阻效應(yīng)特性原理[7]：把等效的負(fù)阻元件直接接到諧振回路中,，利用負(fù)阻效應(yīng)抵消回路中的損耗，從而產(chǎn)生等幅,、穩(wěn)定的振蕩作為UWB脈沖信號的調(diào)制載波,。同時利用基帶信號碼元對振蕩電路進(jìn)行觸發(fā)控制，以產(chǎn)生高斯包絡(luò)正余弦脈沖的UWB信號,。圖2是負(fù)阻振蕩電路的原理框圖,，圖3是負(fù)阻振蕩器電路的原理圖。

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??? 在圖2中,，F(xiàn)ET柵極和地之間外接正反饋網(wǎng)絡(luò)來加強(qiáng)電路的負(fù)阻效應(yīng),，從而擴(kuò)大電路在Smith圓圖上的非穩(wěn)定區(qū)域以便電路的起振并建立穩(wěn)定的振蕩；諧振網(wǎng)絡(luò)控制,、協(xié)調(diào)電路的中心頻率和電路的頻率穩(wěn)定度,；直流偏置網(wǎng)絡(luò)為電路提供正常工作點(diǎn)并補(bǔ)償能量的損耗；輸出匹配網(wǎng)絡(luò)關(guān)系到輸出功率性能和電路的效率,，同時起到濾波的作用,；控制網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)UWB調(diào)制載波信號的重要控制部分，直接影響UWB脈沖信號的性能,。

??? 以往振蕩器存在的主要問題是振蕩器起振速度與停振速度較慢,，由此導(dǎo)致產(chǎn)生的UWB高速數(shù)據(jù)會出現(xiàn)波形粘連情況。為了解決高速數(shù)據(jù)的波形粘連現(xiàn)象,，產(chǎn)生高速且無粘連的UWB信號,，本文進(jìn)行了如下設(shè)計。
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??? 首先,，振蕩電路的FET管采用HP公司的具有頻帶寬,、噪聲低、可靠性高,、截止頻率高等特點(diǎn)的GaAS MESFET ATF13786，其特征頻率可達(dá)到60GHz,，最大功耗,，最大漏極電流。在10GHz頻率點(diǎn)處輸出功率可達(dá)10dBm,，典型的低噪聲特性為?,。

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??? 在具體的設(shè)計中首先采用Aglient公司的電路設(shè)計軟件ADS(Advanced Design System)2006A對振蕩電路進(jìn)行了仿真設(shè)計,。系統(tǒng)經(jīng)過振蕩器后的UWB信號仿真結(jié)果如圖4、圖5所示,。

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??? 從以上的仿真結(jié)果中可以觀測出：

?? (1)調(diào)制脈沖信號的峰值電壓約為1.6V,，與負(fù)阻振蕩電壓幅度基本相符；

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? ?(2)信號周期10ns,，脈沖信號之間間隔約5ns,，數(shù)據(jù)的時間隔離度較高；

???(3)調(diào)制脈沖信號的中心頻率fc為3.500GHz,，處于3.1GHz～10.6GHz頻段內(nèi),，滿足UWB信號的要求。輸出功率為6.771dBm,，-10dB帶寬大于500MHz,，二次諧波和三次諧波對中心頻率的影響可以忽略，滿足FCC關(guān)于UWB信號的定義要求,。

??? 基于此仿真設(shè)計,，實(shí)現(xiàn)了具體的振蕩器電路，實(shí)際電路產(chǎn)生的UWB信號實(shí)測結(jié)果如圖6,、圖7所示,。

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??? 從圖6可以看出，在常溫條件下,，實(shí)測振蕩器的中心頻率fc為3.459GHz,，峰值輸出功率為-16.64dBm。電路實(shí)測時域結(jié)果如圖7所示,，脈沖重復(fù)周期T為10ns,，脈沖信號的單峰值達(dá)400mV，調(diào)制UWB信號的振蕩建立和停振時間小于1ns,，調(diào)諧速度非?？欤颐}沖信號之間有較大的信號間隔（約4ns）,，有效解決了信號波形混疊問題,，有利于接收機(jī)的同步捕獲和積分檢測工作。

????硬件電路測試采用的頻譜分析儀是Agilent公司的E4443A,，儀器的性能指標(biāo)滿足實(shí)測要求,。而示波器使用Agilent公司的5484bA，它的采樣頻率為8GHz/s,，帶寬為2.5GHz,，對于3GHz以上的振蕩信號已經(jīng)不能給出真實(shí)的時域瞬態(tài)波形。

功放的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

??? 功放是射頻發(fā)射機(jī)的重要組成部分，目前功放的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)主要有兩種方法：一種為基于MESFET的寬帶功率放大器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn),；另一種為基于MMIC（微波單片集成電路）的設(shè)計與實(shí)現(xiàn),。

????本UWB高速傳輸系統(tǒng)對所設(shè)計的功率放大器技術(shù)指標(biāo)要求有：功放的工作頻段在3GHz～4GHz，其工作帶寬大于500MHz,；對UWB脈沖信號放大線性度好,，失真較小,；采用A類功率放大器設(shè)計,；其功率增益的要求為20dB左右。

??? 功放的設(shè)計選用MMIC芯片HMC327來實(shí)現(xiàn),。該芯片工作頻段為3GHz～4GHz(-3dB帶寬),，最大增益24dB，工作頻段大于500MHz,，工作電壓一般為5V,。功放的電路原理圖如圖8所示。

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??? 此功放具有如下特點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)簡單,，無須直流偏置電路,，易于實(shí)現(xiàn)；工作頻段較一般的功放芯片寬,，可以工作在3GHz～4GHz的頻率范圍,。

??? 對實(shí)際功放電路進(jìn)行測試，測試輸入信號源為經(jīng)過中心頻率3.38GHz,，數(shù)據(jù)速率為100MHz的UWB窄脈沖信號,。

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??? 圖9和圖10是對振蕩信號放大的前后對照測試圖，可以看到UWB窄脈沖信號的功率從-9.58dBm增加到8.34dBm,，增益為17.92 dB,。考慮到實(shí)際測試中的線損約有2～3 dB,。實(shí)際增益有20dB,，工作頻帶大于500MHz，有效地放大了UWB信號,，延長了傳輸距離,，可以滿足其在特殊場合應(yīng)用的需求。

結(jié)? 論
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??? 本文介紹了一種結(jié)構(gòu)簡單的超寬帶高速通信系統(tǒng)射頻發(fā)射機(jī),，此UWB射頻發(fā)射機(jī)可以產(chǎn)生寬度為5ns,、重復(fù)周期為100MHz、峰-峰值電壓可達(dá)3.2V的超寬帶高斯包絡(luò)正余弦脈沖信號,，滿足FCC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),，能夠有效解決高速UWB數(shù)據(jù)的波形粘連問題,，并且利于接收端能量檢測接收,。另外此射頻發(fā)射機(jī)通過在振蕩器后放置功率放大器,，加大發(fā)射功率，解決了特殊場合下UWB高速數(shù)據(jù)信號功率過低的問題,。適用于PPM-UWB,、OOK-UWB、BPSK-UWB等高速無線射頻系統(tǒng),，兼有經(jīng)濟(jì)成本低,、結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn),，可廣泛應(yīng)用于室內(nèi)通信,、抗災(zāi)救險等各種場合的短距離高速無線數(shù)據(jù)傳輸，具有廣闊的應(yīng)用前景,。