CN100342661C - 基于混沌信号宽带特性的超宽带信号发生方法和电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于混沌信号宽带特性的超宽带(UWB：Ultra-wideBandwidth)信号发生方法和电路。将混沌电路应用于超宽带信号发生，关键在于提高混沌电路的主导工作频率以提高其输出信号带宽。使用微波Colpitts混沌电路，可以产生从直流到微波频段的连续频谱，与传统的超宽带信号发生方法相比，具有电路结构简单、性能稳定、价格便宜的优点。

Description

基于混沌信号宽带特性的超宽带信号发生方法和电路

技术领域

本发明涉及超宽带(UWB)信号的产生方法和电路，尤其是涉及一种基于混沌信号宽带特性的超宽带信号发生方法和电路。

背景技术

随着无线通信技术的飞速发展，可利用的频谱资源日趋饱和。然而，人们对无线通信***的要求仍在不断提高，希望其提供更高的数据速率，成本更低，功耗更小。在这样的背景下，超宽带技术已逐渐成为无线通信研究领域的一个热点，其中作为载波的超宽带信号的产生方法更是一个热点和难点。当前产生超宽带信号有两种方法：脉冲方式(Impulse Radio)和多带方案(MultibandApproach)，这两种方法所需要的电路结构均较为复杂。与之相比，混沌信号具有天然的宽带特性，可以用高频混沌电路产生超宽带信号。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于混沌信号宽带特性的超宽带信号发生方法和电路。混沌信号具有天然的宽带特性，同时混沌电路又具有结构简单、价格便宜、性能稳定等多方面的优点，因而使用高频混沌电路产生超宽带信号，具有很好的技术优势。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一.基于混沌信号宽带特性的超宽带信号发生方法：

1)利用混沌信号的宽带特性来进行超宽带信号发生，即通过提高混沌电路的主导工作频率，提高其所输出混沌信号的带宽；

2)采用考毕兹Colpitts振荡电路，Colpitts电路可以工作在混沌振荡状态，此时其输出信号的频谱分布在从直流到一个上限频率f_U之间，对于一个给定的上限频率f_U，为产生混沌振荡，Colpitts电路的主要电路参数需满足以下条件：

$C_1=(1-k)\frac{1.1I_{0}Q}{2\mathrm{\π}{V}_T{g}^{*}{f}_U}-C_c-C_{\mathrm{re}}---\left(1\right)$

$C_2=\frac{0.6k{I}_{0}Q}{\mathrm{\π}{V}_T{g}^{*}{f}_U}-C_e-C_{\mathrm{re}}---\left(2\right)$

$L=\frac{1.1V_T{g}^{*}}{2\mathrm{\π}{k}^2{I}_{0}Q{f}_U}---\left(3\right)$

$R=\frac{V_T{g}^{*}}{k^2{I}_0{Q}^2}---\left(4\right)$

式中：I₀为三极管发射极所接电流源的电流，V_T为三极管热电压，C_c为三极管发射极寄生电容，C_e为三极管集电极寄生电容，C_re为三极管集电极和基极之间的寄生反馈电容，g^*为振荡器开环增益，C₁为跨接在三极管集电极和发射极之间的电容C1的取值，C₂为跨接在三极管发射极和地之间的电容C2的取值，L为电感L的取值，R为电阻R的取值，电感L和电阻R串连后跨接到正电源和三极管集电极之间，且电感L与三极管集电极相连，电阻R与正电源相连；k为调节C1、C2两个电容取值的缩放因子，Q是混沌振荡器空载时候的品质因素。

二.基于混沌信号宽带特性的超宽带信号发生电路：

V+、V-是正电源和负电源，分别连接到两个容量相同的电感L₀的一端，微波三极管Q1基极接地，发射极接电阻Re后再连接到与V-电源相连的电感L₀的另一端，集电极通过电感L接电阻R后再连接到与V+电源相连的电感L₀的另一端，电容C1跨接在微波三极管Q1的集电极与发射极间，电容C2接在微波三极管Q1的发射极和地之间；在于电路中再加入了一级由三极管Q2、电阻R1、R2、R3和电容C3、C4构成的射极跟随器；电阻R1一端接在三极管Q2的基极，另一端与V+电源相连的电感L₀的另一端连接；电阻R2一端接在三极管Q2的基极，另一端接地；电阻R3一端接三极管Q2的发射极和电容C4，另一端接地，电容C3接在微波三极管Q1发射极与三极管Q2基极之间，使得Colpitts电路产生的振荡信号经电容C3耦合三极管Q2，然后经过电容C4耦合输出到电路的输出端Vout。

本发明具有的有益的效果是：使用微波Colpitts混沌电路，可以产生从直流到微波频段的连续频谱，与传统的超宽带信号发生方法相比，具有电路结构简单、性能稳定、价格便宜的优点。

附图说明

图1是Colpitts电路原理图；

图2是本发明实现的电路原理图；

图3是微波三极管Q1采用BFG520XR时输出混沌信号的时域波形图；

图4是微波三极管Q1采用BFG520XR时的输出频谱；

图5是微波三极管Q1采用BFG425W时的输出频谱。

具体实施方式

如图1所示，即考毕兹(Colpitts)振荡电路。Colpitts电路可以处于混沌状态，此时其输出信号的频谱分布在从直流到一个上限频率f_U之间。对于一个给定的上限频率f_U，为产生混沌振荡，Colpitts电路的主要电路参数需满足以下条件：

$C_1=(1-k)\frac{1.1I_{0}Q}{2\mathrm{\π}{V}_T{g}^{*}{f}_U}-C_c-C_{\mathrm{re}}---\left(1\right)$

$C_2=\frac{0.6k{I}_{0}Q}{\mathrm{\π}{V}_T{g}^{*}{f}_U}-C_e-C_{\mathrm{re}}---\left(2\right)$

$L=\frac{1.1V_T{g}^{*}}{2\mathrm{\π}{k}^2{I}_{0}Q{f}_U}---\left(3\right)$

$R=\frac{V_T{g}^{*}}{k^2{I}_0{Q}^2}---\left(4\right)$

式中：I₀为三极管发射极所接电流源的电流，V_T为三极管热电压，C_c为三极管发射极寄生电容，C_e为三极管集电极寄生电容，C_re为三极管集电极和基极之间的寄生反馈电容，g^*为振荡器开环增益，C₁为跨接在三极管集电极和发射极之间的电容C1的取值，C₂为跨接在三极管发射极和地之间的电容C2的取值，L为电感L的取值，R为电阻R的取值，电感L和电阻R串连后跨接到正电源和三极管集电极之间，且电感L与三极管集电极相连，电阻R与正电源相连；k为调节C1、C2两个电容取值的缩放因子，Q是混沌振荡器空载时候的品质因素。

如图2所示是上述原理电路的实际实现电路，图中，V+、V-是正电源和负电源，与V+、V-相连的两个容量相同的电感L₀的作用在于隔离电路的直流电源部分和交流振荡部分。微波三极管Q1的型号是BFG520XR，其基极接地，发射极接电阻Re，集电极通过电感L接电阻R。电容C1跨接在微波三极管Q1的集电极与发射极间，电容C2接在微波三极管Q1的发射极和地之间。图2和图1相比，最大的不同点在于实现电路中加入了一级由三极管Q2、电阻R1、R2、R3和电容C3、C4构成的射极跟随器。该级电路的加入用以避免负载电路以及其它外界电路对Colpitts电路的混沌振荡状态的影响。电阻R1、R2为三极管Q2的偏置电阻。电容C3接在微波三极管Q1发射极与三极管Q2基极之间，使得Colpitts电路产生的振荡信号经电容C3耦合三极管Q2的基极，电阻R3将由三极管Q2基极输入产生的发射极电流信号转化为电压信号，通过电容C4耦合输出到电路的输出端Vout。电路上电后，通过调节正负电源电压V+、V-，使Colpitts电路工作在混沌振荡状态，将电容C2上输出的混沌信号通过射级跟随器从Vout输出。

在图2中各电路元件根据其取值方法的不同可以分为三组。第一组元件的取值是确定的，主要包括隔离电感，耦合电容和射级跟随器的偏置电路元件，它们的取值分别为：L₀＝10μH，R_e＝R₃＝196Ω，C₃＝1pF，R₁＝5KΩ，R₂＝3KΩ，C₄＝200pF.第二组元件是正负电压源，从电路模型的分析可知，正电压源只需使电路偏置合适即可，负电压源需要根据R_e的取值和I₀的取值进行估算。在实现电路中，正负电源的取值在预先估算的取值范围内可以连续调节，以补偿电路中寄生参数等非理想情况的影响。第三组元件是Colpitts电路的主要元件，它们的取值决定了Colpitts电路能否工作在混沌振荡状态以及输出混沌信号的上限频率f_U，这些元件的取值由公式(1-4)决定。在本电路中，取g^*＝16.53，k＝0.5，Q＝1786，I₀＝20mA，计算得出的主要元件取值列于表1中。因为实际元件的标称值不可能与计算值完全相等，所以电路中使用跟计算值尽量接近的元件。

                  表1.电路主要元件取值

	C1(pF)	C2(pF)	L(nH)	R(Ω)
					计算值	6.1	5.7	8.7	28
实际使用值	6.0	5.2	8.3	27

实验中使用的三极管是Philips公司的宽带三极管BFG520XR和BFG425W，其截止频率为9GHz和25GHz。实验中主要通过调节正负电压源的取值(其中正电压源的调节为微调)来调整电路振荡状态。对于上述已确定的电路参数，将正电源电压固定在3.5V，调整负电压源取值从-3至-14变化时，可以观察到电路经历平衡状态，周期振荡，倍周期分叉至混沌振荡的过程。在负电源电压取13.7V时，可以观察到稳定的混沌振荡。当使用BFG520XR时，使用Tektronix公司的示波器TDS7104，观测到的输出混沌振荡信号时域波形及频谱分布如图3、图4所示。从图4所示频谱图可以看出，其主要的频谱分量集中在从直流到1GHz之间。当使用BFG425W，并将元件取值改为R＝27Ω，L＝3.9nH，C₁＝C₂＝3pF时，则频谱分布可以达到直流到12GHz量级。如图5所示是用Agilent E4407B测得的VC2信号频谱图，可见其主要频谱集中在直流到12GHz之间。

Claims (2)

1.一种基于混沌信号宽带特性的超宽带信号发生方法，其特征在于：

1)利用混沌信号的宽带特性来进行超宽带信号发生，即通过提高混沌电路的主导工作频率，提高其所输出混沌信号的带宽；

2)采用考毕兹Colpitts振荡电路，Colpitts电路工作于混沌振荡状态，此时其输出信号的频谱分布在从直流到一个上限频率f_U之间，对于一个给定的上限频率f_U，为产生混沌振荡，Colpitts电路的主要电路参数需满足以下条件：

$C_1=(1-k)=\frac{1.1I_{0}Q}{2\mathrm{\π}{V}_T{g}^{*}{f}_U}-C_c-C_{\mathrm{re}}---\left(1\right)$

$C_2=\frac{0.6k{I}_{0}Q}{\mathrm{\π}{V}_T{g}^{*}{f}_U}-C_e-C_{\mathrm{re}}---\left(2\right)$

$L=\frac{1.1V_T{g}^{*}}{2\mathrm{\π}{k}^2{I}_{0}Q{f}_U}---\left(3\right)$

$R=\frac{V_T{g}^{*}}{k^2{I}_0{Q}^2}---\left(4\right)$

式中：I₀为三极管发射极所接电流源的电流，V_T为三极管热电压，C_c为三极管发射极寄生电容，C_e为三极管集电极寄生电容，C_re为三极管集电极和基极之间的寄生反馈电容，g*为振荡器开环增益，C₁为跨接在三极管集电极和发射极之间的电容C1的取值，C₂为跨接在三极管发射极和地之间的电容C2的取值，L为电感L的取值，R为电阻R的取值，电感L和电阻R串连后跨接到正电源和三极管集电极之间，且电感L与三极管集电极相连，电阻R与正电源相连；k为调节C1、C2两个电容取值的缩放因子，Q是混沌振荡器空载时候的品质因素。

2.一种采用权利要求1所述方法的基于混沌信号宽带特性的超宽带信号发生电路，其特征在于：V+、V-是正电源和负电源，分别连接到两个容量相同的电感L₀的一端，微波三极管Q1基极接地，发射极接电阻Re后再连接到与V-电源相连的电感L₀的另一端，集电极通过电感L接电阻R后再连接到与V+电源相连的电感L₀的另一端，电容C1跨接在微波三极管Q1的集电极与发射极间，电容C2接在微波三极管Q1的发射极和地之间；在于电路中再加入了一级由三极管Q2、电阻R1、R2、R3和电容C3、C4构成的射极跟随器；电阻R1一端接在三极管Q2的基极，另一端与V+电源相连的电感L₀的另一端连接；电阻R2一端接在三极管Q2的基极，另一端接地；电阻R3一端接三极管Q2的发射极和电容C4，另一端接地，电容C3接在微波三极管Q1发射极与三极管Q2基极之间，使得Colpitts电路产生的振荡信号经电容C3耦合三极管Q2，然后经过电容C4耦合输出到电路的输出端Vout。

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