隨著超寬帶無(wú)線電技術(shù)的不斷發(fā)展和逐漸成熟，越來(lái)越多的通信和探測(cè)系統(tǒng)正在采用超寬帶無(wú)線電來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。超寬帶無(wú)線電系統(tǒng)的實(shí)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(kuò)譜技術(shù)提高射頻帶寬；另一種是利用納秒或亞納秒級(jí)窄脈沖的寬頻譜特性實(shí)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(shí)現(xiàn)超寬帶的無(wú)線電系統(tǒng)也被稱為沖激無(wú)線電系統(tǒng)。時(shí)間間隔調(diào)制是基于窄脈沖的超寬帶無(wú)線電系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，對(duì)系統(tǒng)各方面性能都有著較大影響^[1]。
1 超寬帶時(shí)間間隔調(diào)制
　　超寬帶無(wú)線電系統(tǒng)在工作過(guò)程中發(fā)射的是窄脈沖串" title="脈沖串">脈沖串，而且各個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔并不是固定不變的，而是按照某種規(guī)律進(jìn)行偽隨機(jī)的跳變。一般情況下，相互間間隔按照偽隨機(jī)規(guī)律變化的發(fā)射脈沖信號(hào)可用下式表示：
　　
　　式中，w_tr是窄脈沖包絡(luò)；T_f是脈沖重復(fù)周期；T_c是調(diào)制時(shí)隙時(shí)間元；C_f是偽隨機(jī)調(diào)制編碼；C_jT_c為調(diào)制時(shí)間?？梢钥闯?，由于C_j不是固定不變的常數(shù)，因此經(jīng)過(guò)時(shí)間間隔調(diào)制的脈沖串已經(jīng)成為非周期信號(hào)。這里需要注意的一點(diǎn)是：為了保證兩次發(fā)射脈沖不產(chǎn)生重疊，需保證maxC_jT_c＜T_f。因此在選擇T_c的大小和C_j的取值范圍時(shí)一定要滿足(1)式要求。
　　上面的變化過(guò)程稱作窄脈沖串的時(shí)間間隔調(diào)制。在調(diào)制前，對(duì)于單個(gè)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(dá)到非常小的量級(jí)了。在脈沖間隔被偽隨機(jī)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(shí)域波形及頻域譜線。

　　從圖中可以明顯地看出窄脈沖串在時(shí)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(duì)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C_j是時(shí)隙編碼，對(duì)于超寬帶通信系統(tǒng)，應(yīng)給不同用戶分配不同的C_j；對(duì)于超寬帶探測(cè)系統(tǒng)，應(yīng)給不同的探測(cè)通道分配不同的C_j。由于超寬帶無(wú)線電系統(tǒng)的接收部分往往采用時(shí)間相關(guān)累積的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)，加上超寬帶窄脈沖信號(hào)的寬度僅為亞納秒級(jí)，因此對(duì)于具有不同C_j的用戶或通道，其相互之間不會(huì)發(fā)生干擾和影響。另外，由于必須事先已知隨機(jī)碼C_j，并根據(jù)該C_j對(duì)接收到的超寬帶信號(hào)進(jìn)行相關(guān)，才能對(duì)該通道的信息進(jìn)行正確有效的提取，從而使得超寬帶無(wú)線電系統(tǒng)在通信上具有很好的保密性，在探測(cè)上具有很強(qiáng)的隱蔽性和抗截獲性。可以看出，時(shí)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(shí)芯片MC100EP195^[4]
　　系統(tǒng)時(shí)鐘" title="系統(tǒng)時(shí)鐘">系統(tǒng)時(shí)鐘周期性地等間隔地向脈沖產(chǎn)生器發(fā)送觸發(fā)信號(hào)，假如在這個(gè)過(guò)程中不進(jìn)行脈沖時(shí)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(hào)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(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的超寬帶時(shí)間間隔調(diào)制。本設(shè)計(jì)以可編程延時(shí)芯片MC100EP195為電路核心，輔助以系統(tǒng)時(shí)鐘電路、FPGA控制電路、電平變換電路、偽隨機(jī)編碼存儲(chǔ)器等相關(guān)電路配合實(shí)現(xiàn)。圖3為超寬帶時(shí)間間隔調(diào)制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

　　MC100EP195是美國(guó)Onsemi Conductor公司生產(chǎn)的一款經(jīng)典的數(shù)字可編程延時(shí)芯片，它的主要性能指標(biāo)有以下幾點(diǎn)：
　　(1)能夠在高達(dá)1.2GHz的系統(tǒng)時(shí)鐘下正常工作；
　　(2)延時(shí)步進(jìn)精度高達(dá)10ps；
　　(3)可編程延時(shí)范圍為0～10ns；
　　(4)延遲時(shí)間控制信號(hào)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(shí)T_d，因此芯片的最小延時(shí)并不為0，而是為最小的系統(tǒng)固有延時(shí)T_d。最大值也不為10ns，而是為最大編程延時(shí)T_d＋Tpro(max),其中T_pro為編程延遲時(shí)間。從圖4可以看到，MC100EP195實(shí)際的延時(shí)范圍為2.2ns～13.3ns。芯片的可編程延時(shí)的線性度很高，但是環(huán)境溫度對(duì)編程延時(shí)的影響還是有的。因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)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(qiáng)、扇出能力高、噪聲低、引線串?dāng)_小和自帶基準(zhǔn)源等優(yōu)點(diǎn)，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(jìn)行延時(shí)芯片的級(jí)連，以彌補(bǔ)單片最大延遲時(shí)間不足的缺點(diǎn)，從而使其在大延時(shí)控制范圍應(yīng)用場(chǎng)合也能夠適用。
　　MC100EP195芯片核心延時(shí)電路的工作過(guò)程其實(shí)是用閾值電平比較器對(duì)線性斜波發(fā)生器進(jìn)行閾值電平的檢測(cè)的過(guò)程。外加延時(shí)控制數(shù)據(jù)其實(shí)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(lái)時(shí)，開始斜波發(fā)生，當(dāng)斜波電壓降至由內(nèi)部DAC設(shè)定的閾值時(shí)，該比較器立刻輸出信號(hào)，而比較器的輸出即作為MC100EP195輸出。這種控制延時(shí)的方式也是許多芯片廠商在可編程延時(shí)芯片中廣泛采用的一種經(jīng)典的方法。
3 電路實(shí)現(xiàn)
　　本文所描述的超寬帶時(shí)間間隔調(diào)制系統(tǒng)是以MC100EP195可編程延時(shí)芯片為核心的電路系統(tǒng)。可編程延時(shí)芯片部分電路原理圖如圖5所示。

　　系統(tǒng)時(shí)鐘CLKIN在這個(gè)偽隨機(jī)時(shí)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(shí)鐘，同時(shí)又給MC100EP195提供觸發(fā)信號(hào)。由于系統(tǒng)時(shí)鐘的輸出是標(biāo)準(zhǔn)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(shí)鐘輸入前必需進(jìn)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(guò)MC100ELT20電平轉(zhuǎn)換后的觸發(fā)時(shí)鐘已經(jīng)轉(zhuǎn)化為兩路差分信號(hào)，在這兩路信號(hào)輸入MC100EP195的過(guò)程中，要特別注意電路的匹配。
　　延遲控制信號(hào)D0～D10、延時(shí)使能信號(hào)EN、延時(shí)芯片工作模式信號(hào)等都是由FPGA傳輸給MC100EP195。
　　實(shí)際上，延遲控制信號(hào)D0～D9就能夠控制MC100EP195進(jìn)行0～10ns范圍內(nèi)的延遲時(shí)間，而D10的作用只是當(dāng)有多級(jí)延時(shí)芯片級(jí)聯(lián)時(shí)為后級(jí)電路提供控制。因?yàn)楸疚乃枋龅碾娐废到y(tǒng)僅僅在10ns內(nèi)進(jìn)行隨機(jī)時(shí)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(gè)系統(tǒng)工作過(guò)程中始終保持邏輯‘0’狀態(tài)。
　　LEN信號(hào)決定MC100EP195的工作模式。當(dāng)LEN信號(hào)為邏輯‘0’時(shí)，MC100EP195芯片處于實(shí)時(shí)響應(yīng)模式，任意時(shí)刻的可編程延時(shí)由當(dāng)前時(shí)刻的延遲控制信號(hào)D決定；當(dāng)LEN信號(hào)為邏輯‘1’時(shí)，MC100EP195芯片處于鎖存保持模式，任意時(shí)刻的可編程延時(shí)并不由當(dāng)前時(shí)刻的延遲控制信號(hào)D決定，而是由LEN信號(hào)從邏輯‘0’變到邏輯‘1’的上升沿時(shí)刻的延時(shí)控制信號(hào)決定。假如LEN信號(hào)一直保持不變的電平，那么即使延時(shí)控制字D改變，系統(tǒng)延時(shí)時(shí)間仍然不會(huì)發(fā)生變化。由于在隨機(jī)時(shí)間間隔調(diào)制過(guò)程中，并不需要保持某一時(shí)刻的延遲時(shí)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(shí)時(shí)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(jī)數(shù)組，然后將產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)組進(jìn)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(zhǎng)度也必須為10位。FPGA在運(yùn)行過(guò)程中調(diào)用事先存入ROM中的偽隨機(jī)碼，根據(jù)碼值對(duì)MC100EP195進(jìn)行實(shí)時(shí)的延時(shí)數(shù)據(jù)的控制，完成偽隨機(jī)間隔調(diào)制。這里需要注意的是：對(duì)各路控制信號(hào)的到達(dá)時(shí)間需要有充分估計(jì)，以避免時(shí)序沖突的發(fā)生。
　　由于隨機(jī)碼可以方便地存入ROM，因此對(duì)于超寬帶無(wú)線電系統(tǒng)的不同應(yīng)用場(chǎng)合，可以根據(jù)實(shí)際需要選擇最合適的偽隨機(jī)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(jìn)行時(shí)間間隔調(diào)制^[5]。對(duì)于不同應(yīng)用場(chǎng)合和環(huán)境下的超寬帶無(wú)線電系統(tǒng)的偽隨機(jī)時(shí)間間隔調(diào)制方式，現(xiàn)在大量的研究機(jī)構(gòu)都在進(jìn)行探討，這也是超寬帶無(wú)線電系統(tǒng)近年來(lái)成為熱門的研究方向之一。
4 測(cè)試結(jié)果及分析
　　這里主要關(guān)心的是式中的T_c和C_j，這兩個(gè)指標(biāo)都由時(shí)間間隔調(diào)制系統(tǒng)來(lái)決定。窄脈沖包絡(luò)w_tr由后級(jí)的窄脈沖產(chǎn)生電路決定，而脈沖重復(fù)周期T_f則由系統(tǒng)時(shí)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：maxC_jT_c＜T_f，所以在設(shè)置調(diào)制時(shí)隙時(shí)間元T_c和偽隨機(jī)調(diào)制編碼C_j時(shí)必須考慮到脈沖重復(fù)周期T_f的大小。對(duì)于本文描述的基于MC100EP195的超寬帶時(shí)間間隔調(diào)制電路實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，由于整個(gè)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T_f＝100ns，因此必須滿足:maxC_jT_c＜100ns。在這里，將T_c設(shè)置為MC100EP195的最小步進(jìn)延時(shí)10ps，將C_j的變化范圍設(shè)置為從0到1000，則maxC_jT_c＜10ns＜100ns,滿足要求。同時(shí)時(shí)間間隔跳變范圍應(yīng)該為0～10ns，本實(shí)驗(yàn)在環(huán)境溫度為25°C時(shí)進(jìn)行。
　　圖6中的信號(hào)①是隨機(jī)時(shí)間間隔調(diào)制前的系統(tǒng)時(shí)鐘觸發(fā)信號(hào)，信號(hào)②是經(jīng)過(guò)調(diào)制后的電路輸出信號(hào)。圖中左下方顯示了具體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：最大延時(shí)為16.641ns；最小延時(shí)為6.766ns；均值為11.714ns；統(tǒng)計(jì)樣本個(gè)數(shù)為1616。可以看到，兩個(gè)信號(hào)發(fā)生的時(shí)間差即時(shí)間間隔調(diào)制范圍確實(shí)和設(shè)置的時(shí)間間隔調(diào)制范圍0～10ns相符。但是實(shí)際時(shí)間間隔調(diào)制范圍為6.766ns～16.641ns，實(shí)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(shí)T_d、電路中電平轉(zhuǎn)換電路固定延時(shí)等造成的。由于后級(jí)電路都是由測(cè)試圖中的①信號(hào)所驅(qū)動(dòng)和觸發(fā)，因此這里的固有的延時(shí)對(duì)系統(tǒng)不會(huì)有影響。圖中的直方圖顯示了兩者發(fā)生時(shí)間差的統(tǒng)計(jì)信息，其中每一柱代表200ps延時(shí)范圍，柱高顯示了落在該延時(shí)范圍內(nèi)的樣本次數(shù)。從直方圖中可以看出，時(shí)間間隔調(diào)制基本屬于均勻分布，如果將存入ROM的偽隨機(jī)碼進(jìn)行修改，則直方圖的分布情況將隨之發(fā)生變化。