脉冲信号的数字化低抖动传输方法

李建强，杨殿飞

（1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.华北制药金坦生物技术股份有限公司，河北 石家庄 050035）

脉冲信号的数字化低抖动传输方法

李建强1，杨殿飞2

（1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.华北制药金坦生物技术股份有限公司，河北 石家庄 050035）

针对模拟传输方式脉冲传输抖动较高、接收门限较高的情况，提出了数字化低抖动脉冲传输方法。介绍了脉冲信号的数字化传输原理，对传输过程中的脉冲抖动成因进行了分析与优化。给出了具体的设计方案，对测试数据进行了比较和分析。结果表明，采用数字化传输方法，脉冲传输抖动低，接收门限低。

脉冲；数字化；低抖动；传输

0 引言

脉冲信号的低抖动传输对于雷达等系统的同步具有重要意义。文献［1］中利用模拟调制解调的方式，实现了脉冲信号的低抖动传输，具体实现方法为发端CPFSK调制，收端斜率鉴频解调。采用这种方法，脉冲的传输时延较小，前沿传输抖动约为15 ns，接收门限较高。因此，为进一步降低脉冲传输抖动，改善接收门限，有必要研究脉冲信号的数字化低抖动传输方法［2］。

本文首先分析了脉冲信号的数字化传输原理：在发端对脉冲信号的上升沿进行精确采样，传输到收端后低抖动地恢复出上升沿再进行展宽，即可获得低抖动的脉冲信号。对传输抖动的形成原因和优化方法进行了介绍，据此形成了具体的设计方案并对方案进行了测试。测试结果表明，数字化传输方法较之传统的模拟传输方法，传输抖动低，接收门限好，且易于调试生产，具有广阔的应用前景。

1 脉冲数字化传输原理

需要传输的脉冲信号脉宽固定，周期随机变化，但脉冲信号比较稀疏，其占空比最高不超过7.5%。要求在接收端恢复输出的脉冲信号上升沿（前沿）抖动不超过20 ns，而对脉冲宽度的恢复精度要求不高，其误差不大于20%即可。由此可知，脉冲传输电路要解决的核心问题是脉冲上升沿的低抖动传输问题。只要在接收端能够低抖动地恢复出脉冲信号的上升沿，然后将其展宽，就可以获得符合系统要求的脉冲信号［3］。

根据脉冲信号的特点和传输要求，可以确定脉冲数字化传输的基本原理为［4，5］：在发端对脉冲信号的上升沿进行精确的数字化采样，将采样后的信息无失真地传输到收端，收端据此恢复出脉冲信号上升沿后再进行展宽，即可获得低抖动的脉冲同步信号。

在发射端，通过一个采样时钟对输入脉冲信号的上升沿进行数字化采样。为提高系统的抗干扰能力，用一个若干位的PN码来标记脉冲信号的上升沿。只要PN码的码长不大于最短脉冲周期，采样就可以覆盖全部脉冲，而不会发生漏采样。在调制器内对采样后的PN码进行数字调制，得到中频调制信号［6］，然后在射频单元中完成上变频、滤波和功率放大等，变换为射频信号，最终通过天线辐射至外部空间，完成了脉冲信号的发射过程。

在接收端，天线接收到空间辐射的微弱射频信号后，在射频单元经过低噪声放大、滤波、下变频和AGC放大后，得到幅度比较稳定的中频信号，然后送入解调器，恢复出PN码和采样时钟信号。通过PN码的匹配滤波器，在相应的采样时钟上升沿处匹配出相关峰，然后通过判决整形和脉冲展宽，在接收端就恢复出了脉冲同步信号［7］，完成了脉冲的数字化无线传输过程。脉冲信号的数字化传输原理如图1所示。

图1 脉冲数字化传输原理

2 脉冲传输抖动分析与优化

2.1 传输抖动分析

在脉冲的数字化传输过程中，射频单元对脉冲传输抖动的影响很小，脉冲传输抖动主要来自脉冲的采样和恢复环节。在发射端，由于采样时钟和脉冲的不同步，会引入一个采样量化误差，其最大值为一个采样时钟周期TS。在接收端，匹配滤波器输出的相关峰与解调器恢复出的采样时钟信号的上升沿是一致的，因此接收端引入的脉冲传输抖动等于解调器恢复输出时钟的抖动TC。在忽略射频单元影响时，脉冲信号的数字化传输抖动TJ可表示为：

由此可知，要降低脉冲传输抖动，就要采取措施，使TS和TC尽量小。

2.2 对TS的优化

事实上，随着数字电路的广泛应用，目前脉冲时统信号基本都是由数字电路产生的，因此必然存在一个与脉冲信号同源的时钟信号，它与脉冲信号的上升沿严格同步。只要在脉冲传输电路的发射端引入这一同步时钟，用它作为参考，通过锁相环路锁定发射端的采样时钟，那么锁定后的采样时钟与脉冲信号的上升沿之间就实现了同步，采样关系也由异步采样变为了同步采样。此时，发射端的采样量化误差为：

由式（1）可知，此时整个脉冲传输系统的传输抖动为：

即在引入了同步时钟后，系统的脉冲传输抖动只取决于接收端恢复时钟的抖动，其抖动大大减小。优化后的脉冲采样、调制电路如图2所示。

图2 优化后的脉冲采样、调制电路

2.3 对TC的优化

数字调制一般为抑制载波调制，在接收端从调制信号包络中恢复出的时钟信号抖动TC较大。信号在时域上的抖动和在频域上的相位噪声是相关的［9，10］。时钟抖动越大，反映到频域上，信号的相位噪声也就越差。反过来，也可以通过改善信号的相位噪声来降低其在时域上的抖动TC。因此，可以在接收端增加一个提纯锁相环，以解调出的时钟信号为参考，通过一个带宽很窄的环路滤波器，对时钟信号进行提纯，以降低其相位噪声和时钟抖动TC。为了使相位噪声指标得到最大的改善，提纯环路选用的振荡器相位噪声应尽量低，一般采用VCXO实现。同时，在保证提纯环路能正常工作的前提下，环路滤波器的带宽应尽量窄，一般在数百Hz量级。经试验，增加了提纯锁相环后，解调恢复出的时钟信号抖动可以降低至原来的1/5～1/10。优化后的脉冲解调、恢复电路如图3所示。

图3 优化后的脉冲解调、恢复电路

3 设计实现

脉冲数字传输电路的具体实现框图如图4所示。

图4 脉冲数字传输电路

图4中脉冲调制器的采样、调制电路和脉冲解调器的解调以及脉冲恢复电路均采用FPGA实现，其工作时钟为80 MHz。调制方式为BPSK调制，解调方式为相干解调，符号时钟速率为10 MHz。当存在与脉冲信号同源的外部时钟时，利用同步锁相环对脉冲调制器的参考时钟进行锁相，使其与输入脉冲信号上升沿同步。脉冲调制器的同步环和解调器的提纯环选用的鉴相器均为ADI公司的超低噪声鉴频鉴相器ADF4002。为了得到较好的提纯效果，脉冲解调器提纯环路的振荡器采样超低相噪VCXO实现，环路滤波器的带宽取为500 Hz。

4 测试数据比较与分析

脉冲数字传输系统主要技术指标的测试结果如表1所示，并与模拟调制解调方式下的测试结果进行了对比。

由测试结果可知，在数字传输方式下，脉冲传输系统的门限指标要大大优于模拟传输方式。存在同步时钟时，脉冲的传输抖动比模拟传输方式下改善了一个数量级。并且在数字调制方式下系统的一致性好，调试难度低，适合于批量生产。

表1 脉冲传输系统主要指标测试结果

在数字传输方式下，脉冲信号的采样、调制、解调和恢复等都是通过FPGA实现的，算法的运行需要一定的处理时间，因此数字传输方式下脉冲的时延比模拟传输方式下要大。不过，在算法固定后，时延值也随之固定，且时延的一致性很好，因此，可以通过外部的补偿来降低其影响。

5 结束语

采用数字调制解调的方法实现了脉冲信号的数字化传输，利用调制端的同步锁相环和解调端的提纯锁相环降低了脉冲的传输抖动。经试验验证，这种方法的传输抖动低、接收门限好，易于调试生产。在多基地雷达等需要传输低抖动同步信号的系统中具有广阔的应用前景。

［1］ 李建强，刘瑞涛，吴俊晨.脉冲射频调制器的工程实现［J］.无线电工程，2007，37（10）：39－41.

［2］ 孙宏利.雷达接收机数字化分析［J］.无线电工程，2011，41（1）：25－27.

［3］ 朱海江，王洪磊，陈 雁.一种定时脉冲低抖动传输方案设计［J］.无线电通信技术，2014，40（2）：44－46.

［4］ 樊昌信，曹丽娜.通信原理［M］.北京：国防工业出版社，2008.

［5］ PROAKIS JG.数字通信（第4版）［M］.北京：电子工业出版社，2003.

［6］ 张松轶.基于FPGA的平方根升余弦滤波器设计［J］.无线电通信技术，2012，38（3）：43－46.

［7］ 管吉兴，陈 荣，高跃清，等.一种扩频接收机的设计分析［J］.无线电通信技术，2011，37（5）：58－61.

［8］ 齐青茂，王岩建，张华冲.中频采样全数字接收机的设计与实现［J］.无线电通信技术，2012，38（4）：77－80.

［9］ 宋 屾，焦淑红，胡尔富.时钟抖动和相位噪声的关系研究［J］.应用科技，2006，33（4）：1－3.

［10］ 杨淑莉.信号时域抖动与频域相位噪声之间的关系［J］.科技信息，2010，27（15）：76.

Digitization Method for Low Jitter Transmission of Pulse Signal

LI Jianqiang1，YANG Dianfei2
（1．The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China；2．NCPCGene Tech Biotechnology Co．Ltd，Shijiazhuang Hebei 050035，China）

With respect to the high transmission jitter and high receiving threshold levelof analog pulse transmission，a digitization method for lower jitter pulse transmission is proposed.The digitized pulse transmission principle is introduced.The factors leading to digitized transmission jitter are analyzed and optimized.Detailed design schemesare given.By analyzing test data，it is indicated that the digitized pulse transmissionmethod can realize lower transmission jitter and lower receiving threshold level.

pulse；digitization；low jitter；transmission

TN761.93

A

1003－3106（2015）09－0014－03

10.3969/j.issn.1003－3106.2015.09.04

李建强，杨殿飞.脉冲信号的数字化低抖动传输方法［J］.无线电工程，2015，45（9）：14－16.

李建强男，（1983—），高级工程师。主要研究方向：无线通信。

2015-06-03

杨殿飞男，（1988—），助理工程师。主要研究方向：电子与信息系统。