ABB PM803F(3BDH000530R1)
0引言
超宽带(UltraWideBand，UWB)技术在通信时，不使用载波电路，而是通过发送纳秒级脉冲传输数据的，因此具有发射和接收电路简单，功耗低，多径分辨能力强，穿透力强，隐蔽性好，系统容量大，***精度高，对现存通信系统影响小，传输速率快等优势。由于UWB技术具有这些优良独特的技术特性，该技术已普遍受到各国***的高度重视。
UWB通信系统中必不可少的关键之一是如何产生高带宽信号。由于极窄脉冲含有丰富的频谱，因而产生足够窄的脉冲和适于信道传输的脉冲形状是UWB技术的研究热点和关键所在。从国内外对UWB技术的研究来看，目前已有的UWB脉冲信号实现方式基本上可分为两大类：一类是利用模拟器件来产生所需的极窄脉冲信号；另一类是利用半导体器件的开关特性实现。利用模拟器件产生的窄脉冲通常需要较高的偏置电压并且寄生效应较大，脉冲波形不理想，脉冲功率较大，容易对其他的通信系统产生影响。为了克服模拟器件产生窄脉冲的缺陷，并考虑到UWB通信系统的特殊性，利用开关速度极快的ECL门电路产生窄脉冲相比用模拟器件具有诸多优势，如脉冲波形好，电路简单，便于产品的集成，调试容易，信号功率谱密度低，不会对别的通信系统产生明显影响等。
1UWB信号的发生
1．1发生信号形式的选择
冲激无线电超宽带技术中不使用载波，是直接发送和接收极窄脉冲信号的，所以脉冲信号波形的选择对于UWB通信系统来说至关重要。不管是采用模拟器件，还是数字器件，***终发生信号的形式必须适合在无线信道中传输。UWB技术中***基本的信号单元是高斯脉冲(GaussianPulse)，其时域表达式为：
式中：K表示脉冲信号幅度；t为时间；τ是脉冲持续时间，它不仅决定了脉冲宽度，还决定了信号频谱的中心频率和带宽。与其对应的频域表达式为：
由高斯脉冲的频谱图可知，该脉冲含有丰富的低频和直流分量，不适宜天线辐射。为了有效传输，UWB信号应含有尽可能多的高频分量。高斯脉冲的导数具备把直流和低频分量转换成高频分量的能力。
高斯单脉冲(GaussianMonocycle)即一阶高斯脉冲，它是由高斯方程的一阶倒数得出的，其时域表达式为：
1．2信号发生器的方案研究
基于1．1节的分析，信号发生器的***终输出信号形式应为高斯单脉冲。为实现该信号，UWB信号发生器设计成数字模拟混合电路。ECL门电路是半导体器件中速度***快的开关电路，也是整个电路的核心，它的主要作用是产生脉冲宽度极窄的高斯脉冲，但ECL门电路直接输出的信号不适于信道传输，因而在其后接上模拟电路，以对ECL门电路的输出信号进行变换，从而获得UWB通信所需要的高斯单脉冲。图5是UWB信号发生器的逻辑原理框图。
该原理框图由标准时钟、电平转换电路、***器、***控制电路、ECL门电路、发送滤波器和脉冲功率放大电路组成。标准时钟产生器产生一定重复周期的矩形脉冲序列。电平转换电路把时钟的TTL电平转换成ECL电平。为了******，***器采用ECL电平的***芯片，控制电路控制***芯片的迟***间，使两路信号的***有一个极短的时间差，这样有时间差的两路信号通过ECL门电路之后便可产生一个宽度与时间差相等的极窄脉冲。ECL门电路是ECL电平的异或门或者与门，它们的反应速度要足够快，通常要求其反应时间不能大于250ps，且外围电路和传输线都应满足***佳匹配的要求，否则难以得到宽度极窄的理想脉冲。由于ECL门电路的输入信号都是矩形脉冲，因而通过ECL门电路产生的窄脉冲也是矩形脉冲，又因为输出脉冲的低电平为3．2V，该脉冲必定含有丰富的直流和低频分量，不适于无线传输。为了有效传输信号，通过发送滤波器对脉冲形式进行变换，变成需要的高斯单脉冲。由于ECL高低电平的***大差值不过800mV，通过ECL门电路得来的脉冲功率很小，如果要扩大传输距离，则需增大发射功率，这时把已经成形了的高斯单脉冲通过放大电路即可增大发射功率。
1．3信号发生器的电路设计
UWB信号发生器的实际电路完全按照1．2节中的方案设计。即整体电路主要分为3大部分。***部分主要功能是产生极窄脉冲。该部分电路对制作PCB板的要求很高，ECL门电路的两路输入信号要尽可能对称，才会***大程度地减少误差，也即输出的脉冲宽度才会接近两路信号的理论***差。此外，ECL门电路对输出阻抗有特殊要求，都是50Ω的特殊阻抗，因而在设计传输线时要用微带线理论去设计，以保证输出特性阻抗是50Ω，这样才不会出现波形较大的失真。
第二部分主要是对***部分输出的脉冲进行成形滤波。该部分需要注意的是，运算放大器的速度要足够快，才能对极窄脉冲进行较好的成形，同时相应的匹配电路要尽可能***，此外传输线都采用微带线，以保持输入输出阻抗匹配，这里的输入输出阻抗都是标准的50Ω。
第三部分是对成形后的高斯单脉冲进行放大。该部分的核心是MMIC(单片微波集成电路)，放大电路是可调的，通过改变VCC达到改变放大电流的目的，传输线也都采用微带线，特性阻抗设计成50Ω，目的是要和第二部分的输出阻抗以及发射天线的特性阻抗匹配，***大限度地提高发射效率。图6是UWB信号发生器的实际电路图。
2UWB信号的测试
用Agilent公司的示波器和频谱仪对与图6相对应的印刷电路板测试。示波器的采样率为16GHz，频谱仪能扫描10GHz的频谱，测试时两块***芯片设置的***差为960ps，输出端接口采用标准50Ω阻抗的***A接头，示波器和频谱仪也设置为50Ω输入阻抗，测试时采用特性阻抗为50Ω的传输线，测得的脉冲波形及其频谱如图7，图8所示。
3结语
从***终输出的脉冲波形可知，脉冲波形较理想，脉冲宽度为1ns，略大于预设***差，这主要是制作PCB板时有误差所致，因此要想获得***的脉宽，在制作工艺上还有待提高。由于***差是可控的，因而通过该电路可获得更窄或更宽的脉冲，这是本电路的***大优势所在。从频谱图可知，该信号的中心频率为1GHz，-3dB带宽高达500MHz，也即分数带宽为50％，符合超宽带信号的要求。此外该信号虽然带宽很宽，但功率谱密度很低，根本不会对其他通信系统产生任何影响，这利于本电路在实际中的应用。
UWB通信系统在短距离通信中应用越来越广泛，但如果要扩大传输距离，则必须增大发射功率，这样就会对其他通信系统，甚至对***造成影响，这是不允许的，因而如何解决这对矛盾是当今面临的难题
随着水下超声波技术的发展,在很多应用场所提出了测试其声强的需要。我们采用CS-3型水听器设计便携式超声波声压计。
系统设计
设计目标要求:实现15-45kHz超声波声压、声强的测量。测量的范围是0-10个大气压(或声压级范围：30-120dB)。测量的误差为在总体的频率范围内大小3dB,对单一频率小于1dB。
CS-3型水听器的特性是在10-100kHz,其M参数的不一致性小于3dB。M参数是指水听器受单位声压的作用而产生的输出电压,单位是V/Pa。用分贝表示的M参数是：
M(dB)=20log(M/Mo),其中Mo为参考声压Mo=1V/礟a。
声强I=P2/(r*C),其中P为声压,C为声速,r为密度。
为满足设计的目标,需进行测量误差分析。
对应于在为30-120dB的声压级,在流体中的声强为：I=P*V*cosy
自由场中声强为：I=P2/(r*C)
声强级的表达式为：I=10log(I/Io)
其中Io为10-12(W/m2),在自由声场中声压级与声强级近似相等。
从而可得出(在近似测量中)声强级的不一致性对应于M参数的不一致性小于3dB。
从而得出：不必进行频率校正,声压、声强的不一致性可以满足要求。
由于一般测的是有效声压,为平均值,所以测量的精度相比起来比较容易实现。跟随、放大、滤波、峰值和频率检测,产生误差主要在滤波、峰值和频率检测。我们所设计的滤波通带不稳定度为1dB、峰值检测的误差小于1dB,但通过进行频率的检测,和时间的平均,进行软件和硬件的补偿可以使误差较好的满足要求。
根据上面的分析,考虑到超声波测量的特点,系统框图示于图1。其中预加重考虑隔直和系统频率特性。
跟随器起隔离水听器和减小后端电路影响的作用。放大器与分压通过可控增益放大来实现,也可通过开关来实现测量范围的转换。带通滤波为测量特定频率的超声波声压的必需。峰值检测为测量和计算声压的原始数据,频率为提供频率数据和进行声压计算的频率校正。
带通滤波电路
考虑系统对频率范围的不平度有较高的要求,采用巴特沃斯滤波器进行设计。带通由高通和低通级联实现。
考虑具体的要求截至频率定为10kHz。取高通的阶数为5,低通的阶数为6。图2是高通滤波电路。
峰值检波电路
图3是用集成放大器来实现峰值检波的电路。
过零检测电路
过零检测电路在输出需考虑与MSP430的接口问题,因而增加了接口转换电路(图4)。
系统接口
本系统用TI公司MSP430微控制器的P6端口的12位A/D转换进行峰值测量,利用P1口的定时捕获/比较进行频率测量。在MSP430硬件的设计上提供晶振、复位、时钟电路以及JTAG,完成整体设计。根据硬件,设计相关的软件进行声压测量。
结语
本声压计的设计采用了功耗极低的MSP430微控制器,用简单和便宜的集成运放和比较器实现较为复杂的超声波的信号调理电路设计,满足了设计的要求。
