核心速览

本文介绍了一种基于步进恢复二极管（SRD）的超宽带脉冲发生器（PG）的建模和抖动改进方法，重点分析了AM到PM转换、SRD散粒噪声和时钟抖动对系统精度的影响，并提出了减少输出抖动的改进技术。

研究背景

·  研究问题：超宽带（UWB）无线技术因其在时间域内提供高分辨率和低成本实现而受到广泛关注。然而，基于步进恢复二极管（SRD）的UWB脉冲发生器（PG）存在由AM到PM转换、SRD散粒噪声和时钟抖动引起的抖动问题，这些问题严重影响了UWB系统在高精度测距/定位应用中的准确性。
·  研究难点：在等效时间采样技术中，由于需要重复传输相同的脉冲，因此对发射器和接收器的时钟稳定性要求极高。任何时钟抖动都会显著影响脉冲重建的准确性。此外，由于SRD的非线性特性，其输出抖动的分析和建模变得复杂。
·  文献综述：文章提到了AM到PM转换、等效时间采样、脉冲发生器（PG）、散粒噪声抖动、步进恢复二极管（SRD）和超宽带（UWB）等关键词，并指出当前分析噪声的技术可以分为转换矩阵方法和谐波平衡方法两大类。然而，这些技术仅提供了分析电路中噪声的工具，并不能直观地展示不同噪声源对PG输出抖动的贡献。因此，本文旨在开发一种分析模型，以更好地量化不同噪声源对基于SRD的UWB PG的影响，并提出减少输出抖动的方法。

等效时间采样技术中的噪声效应

·  等效时间采样原理：等效时间采样技术通过重复传输相同的脉冲，并在接收端以稍微偏移的周期进行采样，以重建脉冲。该技术的关键在于精确的脉冲重复时间和采样分辨率。
·  噪声对重建脉冲的影响：在等效时间采样中，任何时钟抖动都会显著影响脉冲重建的准确性。研究中模拟了不同噪声源对重建脉冲的影响，并提出了信号失真比（SDR）作为衡量重建信号准确性的标准。

超宽带脉冲发生器的非线性噪声建模

·  超宽带脉冲发生器电路：研究了基于步进恢复二极管（SRD）的超宽带脉冲发生器电路，并分析了其在正周期内注入的载波导致的幅度噪声（AM噪声）和相位噪声（PM噪声）。
·  AM噪声到PM噪声的转换：研究发现，SRD中的AM噪声会转换为PM噪声，影响输出抖动。通过数学模型分析了AM噪声与PM噪声之间的关系，并通过实验验证了模型的准确性。

射频噪声的测量与分析

·  AM到PM转换的测量：通过实验验证了AM噪声对输出抖动的影响，并观察到在时钟频率的谐波点上输出抖动达到零点。
·  脉冲噪声效应的测量：研究了SRD的脉冲噪声对输出抖动的影响，并发现降低触发时钟电压可以减少SRD电流和脉冲噪声，从而降低输出抖动。

系统Vue仿真与等效时间采样

·  系统Vue仿真设置：在SystemVue中实现了等效时间采样接收器，并研究了幅度和相位噪声对脉冲重建的影响。
·  仿真结果分析：仿真结果表明，时钟抖动和SRD脉冲噪声是导致输出抖动的主要原因。通过改进技术，实现了从15皮秒到3皮秒的输出抖动改善。

结论与建议

·  减少输出抖动的方法：提出了两种减少SRD基超宽带脉冲发生器输出抖动的方法：使用电容器去耦合干扰信号和降低驱动SRD的电压以减少通过SRD的电流。

·  SRD物理特性的影响：模型预测了SRD的少数载流子寿命（TL）对输出抖动的影响，并建议选择具有最小TL和低势垒电压的SRD以降低输出抖动。

在等效时间采样技术中，噪声对重建脉冲的影响是显著的。等效时间采样技术要求重复传输相同的脉冲，即周期性地重复发送和接收相同的脉冲。因此，减少抖动可以改善使用此技术重建的脉冲的失真。在等效时间采样技术中，接收器的采样周期设置为与期望的采样分辨率相等的偏移量；通常小的偏移量会导致重建脉冲的高分辨率。在基本的等效时间采样技术中，每个传输的脉冲只取一个样本，如图1(c)所示，需要低接收器采样频率。如图1(c)所示，采样时刻由于脉冲重复而产生等效采样时刻。例如，如果一个脉冲的重复周期为100纳秒，并且用一个周期为100.01纳秒的时钟进行采样（即时钟偏移了10皮秒），那么在取10,000个样本后，传输的脉冲将以10皮秒的采样分辨率重建。这些采样时刻如图1(c)所示；考虑到重建脉冲的第一个采样点作为参考点，下一个采样时刻将稍微偏移；因此，如图1(c)所示，对应于的采样点将被实现。很明显，重建一个完整脉冲所需的样本数量是发射器重复周期除以采样分辨率。因此，在这种技术中，发射器和接收器采样器中脉冲的确切重复时间是决定脉冲重建精度的关键参数。任何发射器或接收器时钟的抖动都会显著影响这种精度。

| 参数 | 描述 |
| --- | --- |
| 发射器脉冲重复频率 |  |
| 发射器抖动 |  |
| 接收器时钟抖动 |  |
| 接收器采样周期 |  |
| 采样分辨率 |  |

在等效时间采样技术中，发射器和接收器的抖动可以被认为是高斯分布的随机现象，其标准差由时钟的相位噪声规格定义。因此，发射器和接收器的抖动，假设它们是不相关的，可以在发射器或接收器中的一个时钟中等效地建模为组合抖动标准差。这种等效的抖动噪声会导致重建信号的失真，并将在下一节中使用SystemVue工具进行建模。然而，在使用这种技术进行模拟之前，需要一个衡量重建信号精度的标准。定义为采样分辨率，为捕获的信号，可以重写为，这可以轻松扩展为。在中，第一个求和项代表信号项，第二个求和项代表失真或噪声项。高斯信号形状可以表示为，其中是半幅度高斯脉冲宽度。因此，由于第二项依赖于脉冲导数，表示在中，因此噪声/失真（）功率将依赖于脉冲宽度。为了规范化这种依赖性，我们定义重建信号的信噪比（SDR）为，其中，半幅度高斯脉冲宽度，规范化了噪声功率，并且（8）是理想信号和失真信号之间的差异。在（8）中，脉冲周期（）单位是纳秒，脉冲宽度（）单位是皮秒。常数定义等于1000，作为一个缩放因子简化数字表示。在（8）中的分母是原始信号和重建脉冲之间的差异，可以解释为重建失真。

在超宽带脉冲发生器（UWB PG）的非线性噪声建模中，主要关注了幅度调制（AM）噪声和相位调制（PM）噪声对输出抖动的影响。以下是该部分的关键信息：

- **PM噪声**：主要的时序不确定性或抖动来源于两个关键时刻的不确定性，即开始放电的时刻（A点）和SRD完全放电的时刻（B点）。由于时钟决定了放电开始的时刻，而放电持续时间（松弛时间）由SRD中存储的电荷决定，因此不确定性主要在于A点。A点由触发时钟的零交叉点决定，并受到抖动的影响。因此，参考振荡器的PM噪声导致的时钟抖动会直接转换为PG输出抖动。

- **AM噪声**：在时钟的正周期内，SRD的载流子被注入到半导体区域，导致SRD电流的变化。AM噪声到PM噪声的转换发生在SRD内部。通过分析SRD在正周期内存储的电荷量，可以找到AM噪声和PM噪声之间的关系。

- **散粒噪声**：在SRD导通期间，通过SRD的电流非常大，导致相对较大的散粒噪声。在去除干扰信号后，散粒噪声成为输出抖动的主要来源。通过降低触发时钟的电压水平，可以减少通过SRD的电流，从而降低散粒噪声。

- **模型验证**：通过实验验证了AM到PM转换的模型，并且测量了散粒噪声对输出抖动的影响。实验结果表明，通过在TCXO的时钟引脚上使用电容器来抑制干扰信号，并通过降低SRD电流来减少散粒噪声，输出抖动从15皮秒降低到3.5皮秒。

以上信息均基于文档中提供的内容。

总体结论

·  研究的重要性：本研究通过数学建模和仿真分析，深入探讨了基于SRD的超宽带脉冲发生器在等效时间采样接收器中的噪声效应，特别是AM到PM的转换和脉冲噪声对输出抖动的影响。
·  技术改进：研究提出的减少输出抖动的技术，对于提高超宽带系统的精确度具有重要意义，尤其是在需要亚毫米级定位精度的应用中。
·  未来展望：研究结果为设计更稳定的超宽带脉冲发生器提供了理论基础和实验指导，未来的研究可以进一步探索其他噪声源对系统性能的影响，并开发出更有效的噪声抑制技术。