专利名称：一种高斯五阶脉冲的发生方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高斯五阶脉冲的发生方法及其装置。
背景技术：
超宽带(UWBUltra Wideband)通信技术是一种新型的无线通信技术，它是指射频带宽与中心频率之比大于25％的无线电技术，UWB在高速室内无线通信、目标定位、测距和无线局域网等方面都有着潜在而广泛的应用。
在UWB通信系统中，一种常见的实现方案是采用脉冲无线电技术(IRImpulse Radio)，脉冲无线电技术直接采用持续时间极短的窄脉冲来产生超宽带信号，窄脉冲的宽度通常只有几百皮秒到几纳秒，因此信号频谱可以在数GHz的频带范围内。采用这种窄脉冲实现的UWB通信系统又被称为超宽带脉冲无线电(UWB IR)。和传统的通信技术相比，UWB IR通信技术具有显著的优点，例如结构简单、抗多径干扰能力强、信号功率谱密度低、可以和其它系统共用频带等。
在UWB IR系统中，窄脉冲的产生是系统的关键问题，2002年2月，美国联邦通信委员会(FCC)批准UWB可以用于民用通信领域，并且对UWB系统发射信号的功率谱密度(PSD)进行了限制，这个限制也成为各国研究UWB脉冲信号的参考标准，因此，UWB系统对脉冲发生电路的通常要求是符合FCC规则要求、电路复杂度低、功耗低、体积小、易于集成等。由于脉冲宽度通常很小，窄脉冲的产生有一定的难度，这也是UWB通信系统中研究热点和关键所在。最近的研究表明，高斯五阶脉冲能够很好的满足FCC的规则要求，能够直接用于超宽带系统中，因此高斯五阶脉冲的实现问题成了研究的热点问题之一，目前高斯五阶脉冲的实现多采用多次微分电路，存在电路的功耗高、不利于集成电路实现、造价也相对较高的缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种易于集成、功耗低、电路简单的高斯五阶脉冲的发生方法及其装置，产生的脉冲可以直接用于UWB系统。
本发明提供的高斯五阶脉冲的发生方法是采用七个差分放大器分别以输入电压信号为变量，输出双曲正切函数的电流信号，利用与各差分放大器相连的电压源控制各差分放大器输出电流信号的偏移量，与各差分放大器相连的恒流源控制各差分放大器输出电流信号的幅度，将七个差分放大器输出的电流信号相加后输出，通过改变七个差分放大器输出电流信号的幅度和偏移量，在输出端获得用于超宽带系统的脉冲信号。
用于上述高斯五阶脉冲发生方法的装置包括数字信号源，七个差分放大器，七个电压源和七个恒流源，七个差分放大器的一个输入端分别与数字信号源的输出端相连，七个差分放大器的另一个输入端分别与七个电压源中的一个相连，七个差分放大器的一个输出端分别与七个恒流源中的一个相连，七个差分放大器的另一个输出端和脉冲输出端子共接。
工作时，第一差分放大器输出端产生以输入信号电压为变量的第一个双曲正切函数电流信号；第二差分放大器输出端产生以输入信号电压为变量的第二双曲正切函数电流信号；第三差分放大器输出端产生以输入信号电压为变量的第三个双曲正切函数电流信号；第四差分放大器输出端产生以输入信号电压为变量的第四个双曲正切函数电流信号；第五差分放大器输出端产生以输入信号电压为变量的第五个双曲正切函数电流信号；第六差分放大器输出端产生以输入信号电压为变量的第六个双曲正切函数电流信号；第七差分放大器输出端产生以输入信号电压为变量的第七个双曲正切函数电流信号；第一电压源的大小决定了第一个双曲正切函数电流信号的偏移量；第二电压源的大小决定了第二个双曲正切函数电流信号的偏移量；第三电压源的大小决定了第三个双曲正切函数电流信号的偏移量；第四电压源的大小决定了第四个双曲正切函数电流信号的偏移量；第五电压源的大小决定了第五个双曲正切函数电流信号的偏移量；第六电压源的大小决定了第六个双曲正切函数电流信号的偏移量；第七电压源的大小决定了第七个双曲正切函数电流信号的偏移量；第一恒流源的大小决定了第一个双曲正切函数电流信号的幅度；第二恒流源的大小决定了第二个双曲正切函数电流信号的幅度；第三恒流源的大小决定了第三个双曲正切函数电流信号的幅度；第四恒流源的大小决定了第四个双曲正切函数电流信号的幅度；第五恒流源的大小决定了第五个双曲正切函数电流信号的幅度；第六恒流源的大小决定了第六个双曲正切函数电流信号的幅度；第七恒流源的大小决定了第七个双曲正切函数电流信号的幅度；由于七个差分放大器的输出端通过连接端子T1和T2连接在了一起，因此在连接端子T1和T2处就形成了以输入信号电压为变量的五个双曲正切函数电流信号的相加形式，通过控制第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七电压源的大小以及第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七恒流源的大小就可以产生用于超宽带系统的脉冲信号。
本发明电路简单，易于用集成电路实现，成本低，不需要微分器就能直接产生高斯五阶脉冲，产生的脉冲满足FCC的规则要求，可以用于超宽带系统中。
图1是本发明的原理方框图；图2是本发明的一个具体实施电路图；图3是本发明产生脉冲信号时域波形图；图4是本发明产生高斯五阶脉冲的功率谱密度(PSD)和理想的高斯五阶脉冲的PSD以及FCC对UWB系统规定的功率谱密度的对比图，图中虚线为FCC对UWB系统的规定的功率谱密度，粗实线为本发明脉冲的功率谱密度曲线，细实线为理想高斯五阶脉冲的功率谱密度曲线。
具体实施例方式
以下结合附图进一步说明本发明。
参照图1，本发明的高斯五阶脉冲发生装置包括数字信号源101，七个差分放大器201、202、203、204、205、206、207，七个电压源401、402、403、404、405、406、407和七个恒流源301、302、303、304、305、306、307，第一差分放大器201，第二差分放大器202，第三差分放大器203，第四差分放大器204，第五差分放大器205，第六差分放大器206和第七差分放大器207的一个输入端分别与数字信号源101的输出端相连，第一差分放大器201，第二差分放大器202，第三差分放大器203，第四差分放大器204，第五差分放大器205，第六差分放大器206和第七差分放大器207的另一个输入端分别与第一电压源401，第二电压源402，第三电压源403，第四电压源404，第五电压源405，第六电压源406和第七电压源407相连，第一差分放大器201，第二差分放大器202，第三差分放大器203，第四差分放大器204，第五差分放大器205，第六差分放大器206和第七差分放大器207的一个输出端分别与第一恒流源301，第二恒流源302，第三恒流源303，第四恒流源304，第五恒流源305，第六恒流源306和第七恒流源307相连，第一差分放大器201，第二差分放大器202，第三差分放大器203，第四差分放大器204，第五差分放大器205，第六差分放大器206和第七差分放大器207的输出端和脉冲输出端子T1、T2共接。
图2是本发明的一个具体实施电路图。图示具体实例中，数字信号源是一个数字信号发生器，其上升沿从-2V上升到2V时需要2ns，这个边沿信号作为后续电路的输入信号。第一差分放大器201由三极管Q1、Q2组成，第二差分放大器202由三极管Q3、Q4组成，第三差分放大器203由三极管Q5、Q6组成，第四差分放大器204由三极管Q7、Q8组成，第五差分放大器205由三极管Q9、Q10组成，第六差分放大器206由三极管Q11、Q12组成，第七差分放大器207由三极管Q13、Q14组成。
数字信号源的输出端和三极管Q1、Q3、Q5、Q7、Q9、Q11、Q13的基极共接；三极管Q1和Q2的发射极和第一恒流源301的一端共接；三极管Q3和Q4的发射极和第二恒流源302的一端共接；三极管Q5和Q6的发射极和第三恒流源303的一端共接；三极管Q7和Q8的发射极和第四恒流源304的一端共接；三极管Q9和Q10的发射极和第五恒流源305的一端共接；三极管Q11和Q12的发射极和第六恒流源306的一端共接；三极管Q13和Q14的发射极和第七恒流源307的一端共接；三极管Q2的基极和第一电压源401的一端共接；三极管Q4的基极和第二电压源402的一端共接；三极管Q6的基极和第三电压源403的一端共接；三极管Q8的基极和第四电压源404的一端共接；三极管Q10的基极和第五电压源405的一端共接；三极管Q12的基极和第六电压源406的一端共接；三极管Q14的基极和第七电压源407的一端共接；三极管Q1、Q3、Q6、Q8、Q9、Q11、Q14的集电极和限流电阻R1及脉冲输出端子T1共接；三极管Q2、Q4、Q5、Q7、Q10、Q12、Q13的集电极和限流电阻R2及脉冲输出端子T2共接。
本发明的工作原理如下设三极管Q1和Q2的集电极电流分别为I1和I2，三极管Q3和Q4的集电极电流分别为I3和I4，三极管Q5和Q6的集电极电流分别为I5和I6，三极管Q7和Q8的集电极电流分别为I7和I8，三极管Q9和Q10的集电极电流分别为I9和I10，三极管Q11和Q12的集电极电流分别为I11和I12，三极管Q13和Q14的集电极电流分别为I13和I13，通过限流电阻R1的电流为IA，通过限流电阻R2的电流为IB，第一恒流源301的电流为H1，第二恒流源302的电流为H2，第三恒流源303的电流为H3，第四恒流源304的电流为H4，第五恒流源305的电流为H5，第六恒流源306的电流为H6，第七恒流源307的电流为H7，第一电压源401电压为V1，第二电压源402电压为V2，第三电压源403电压为V3，第四电压源404电压为V4，第五电压源405电压为V5，第六电压源406电压为V6，第七电压源407电压为V7。
数字信号源101的输入电压为V，Vt为热电压；根据差分放大器的传输特性，他们之间的关系为I1-I2＝H1*Tanh((V-V1)/(2*Vt))；
I3-I4＝H2*Tanh((V-V2)/(2*Vt))；I5-I6＝H3*Tanh((V-V3)/(2*Vt))；I7-I8＝H4*Tanh((V-V4)/(2*Vt))；I9-I10＝H5*Tanh((V-V5)/(2*Vt))；I11-I12＝H6*Tanh((V-V6)/(2*Vt))；I13-I14＝H7*Tanh((V-V7)/(2*Vt))；另外，从电路中可知，IA＝I1+I3+I6+I8+I9+I11+I14，IB＝I2+I4+I5+I7+I10+I12+I13因此可得IA-IB＝H1*Tanh((V-V1)/(2*Vt))+H2*Tanh((V-V2)/(2*Vt))-H3*Tanh((V-V3)/(2*Vt))-H4*Tanh((V-V4)/(2*Vt))+H5*Tanh((V-V5)/(2*Vt))+H6*Tanh((V-V6)/(2*Vt))-H7*Tanh((V-V7)/(2*Vt))(1)则脉冲输出端子T1和T2处就会产生如式(1)所示的窄脉冲，选择电压源的电压V1＝-V2＝K*4.21V；V3＝-V4＝K*2.6V；V5＝-V6＝K*1.25V；V7＝0V；其中K为常量。选择恒流源的电流H1/H2/H3/H4/H5＝2.06/2.06/17.4/17.4/51.7/51.7/72.7时，本发明产生的脉冲类似于理想的高斯五阶脉冲，其波形图如图3所示。数字信号源的每个上升沿或下降沿就产生一个脉冲信号。脉冲的功率谱密度符合FCC的规则要求，可以用于UWB通信系统，本发明产生的高斯五阶脉冲的功率谱密度(PSD)和理想的高斯5阶脉冲的PSD以及FCC对UWB系统规定的功率谱密度的对比图如图4所示(图中的脉冲PSD的幅度作了归一化处理)，图中虚线为FCC对UWB系统的规定的功率谱密度，粗实线为本发明脉冲的功率谱密度曲线，细实线为理想高斯五阶脉冲的功率谱密度曲线。
权利要求
1.一种高斯五阶脉冲的发生方法，其特征在于采用七个差分放大器分别以输入电压信号为变量，输出双曲正切函数的电流信号，利用与各差分放大器相连的电压源控制各差分放大器输出电流信号的偏移量，与各差分放大器相连的恒流源控制各差分放大器输出电流信号的幅度，将七个差分放大器输出的电流信号相加后输出，通过改变七个差分放大器输出电流信号的幅度和偏移量，在输出端获得用于超宽带系统的脉冲信号。
2.用于权利要求1所述的高斯五阶脉冲发生方法的装置，其特征在于该装置包括数字信号源(101)，七个差分放大器(201、202、203、204、205、206、207)，七个电压源(401、402、403、404、405、406、407)和七个恒流源(301、302、303、304、305、306、307)，七个差分放大器的一个输入端分别与数字信号源(101)的输出端相连，七个差分放大器的另一个输入端分别与七个电压源中的一个相连，七个差分放大器的一个输出端分别与七个恒流源中的一个相连，七个差分放大器的另一个输出端和脉冲输出端子(T1、T2)共接。
全文摘要
本发明涉及一种高斯五阶脉冲的发生方法及其装置。它是采用七个差分放大器分别以输入电压信号为变量，输出双曲正切函数的电流信号，利用与各差分放大器相连的电压源控制各差分放大器输出电流信号的偏移量，与各差分放大器相连的恒流源控制各差分放大器输出电流信号的幅度，将七个差分放大器输出的电流信号相加后输出，通过改变七个差分放大器输出电流信号的幅度和偏移量，在输出端获得用于超宽带系统的脉冲信号。本发明电路简单，易于用集成电路实现，成本低，不需要微分器就能直接产生脉冲，产生的脉冲满足FCC规则要求，可以用于超宽带系统中。
文档编号H03K3/00GK1688106SQ200510049940
公开日2005年10月26日 申请日期2005年6月3日 优先权日2005年6月3日
发明者王勇, 彭亮 申请人:浙江大学