隨著超寬帶無線電技術的不斷發展和逐漸成熟，越來越多的通信和探測系統正在采用超寬帶無線電來實現系統功能。超寬帶無線電系統的實現方式主要有兩種，一種是基于正弦載波概念發射連續波，利用各種擴譜技術提高射頻帶寬；另一種是利用納秒或亞納秒級窄脈沖的寬頻譜特性實現超寬帶。由于窄脈沖又被稱為沖激脈沖(Impulse)，為了區別傳統的連續波超寬帶方式，以窄脈沖方式實現超寬帶的無線電系統也被稱為沖激無線電系統。時間間隔調制是基于窄脈沖的超寬帶無線電系統中的關鍵部分，對系統各方面性能都有著較大影響^[1]。
1 超寬帶時間間隔調制
　　超寬帶無線電系統在工作過程中發射的是窄脈沖串" title="脈沖串">脈沖串，而且各個脈沖之間的時間間隔并不是固定不變的，而是按照某種規律進行偽隨機的跳變。一般情況下，相互間間隔按照偽隨機規律變化的發射脈沖信號可用下式表示：
　　
　　式中，w_tr是窄脈沖包絡；T_f是脈沖重復周期；T_c是調制時隙時間元；C_f是偽隨機調制編碼；C_jT_c為調制時間。可以看出，由于C_j不是固定不變的常數，因此經過時間間隔調制的脈沖串已經成為非周期信號。這里需要注意的一點是：為了保證兩次發射脈沖不產生重疊，需保證maxC_jT_c＜T_f。因此在選擇T_c的大小和C_j的取值范圍時一定要滿足(1)式要求。
　　上面的變化過程稱作窄脈沖串的時間間隔調制。在調制前，對于單個窄脈沖，由于把很小的功率分配在極寬的頻譜范圍內，窄脈沖串的功率譜密度就已經達到非常小的量級了。在脈沖間隔被偽隨機調制后，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制前后的時域波形及頻域譜線。

　　從圖中可以明顯地看出窄脈沖串在時間間隔調制前和調制后的頻譜的變化。類似噪聲的特性使得脈沖串功率譜密度繼續被平滑，為滿足FCC對于超寬帶系統發射功率的限制條件提供了有效的技術途徑。
　　公式(1)中的C_j是時隙編碼，對于超寬帶通信系統，應給不同用戶分配不同的C_j；對于超寬帶探測系統，應給不同的探測通道分配不同的C_j。由于超寬帶無線電系統的接收部分往往采用時間相關累積的辦法來實現，加上超寬帶窄脈沖信號的寬度僅為亞納秒級，因此對于具有不同C_j的用戶或通道，其相互之間不會發生干擾和影響。另外，由于必須事先已知隨機碼C_j，并根據該C_j對接收到的超寬帶信號進行相關，才能對該通道的信息進行正確有效的提取，從而使得超寬帶無線電系統在通信上具有很好的保密性，在探測上具有很強的隱蔽性和抗截獲性。可以看出，時間間隔調制部分在超寬帶系統中起著重要作用^[2,3]。
2 可編程延時芯片MC100EP195^[4]
　　系統時鐘" title="系統時鐘">系統時鐘周期性地等間隔地向脈沖產生器發送觸發信號，假如在這個過程中不進行脈沖時間間隔調制，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信號的周期性，則將改變窄脈沖串各脈沖之間的間隔。
　　綜合考慮，決定采用數字方式來實現實驗樣機的超寬帶時間間隔調制。本設計以可編程延時芯片MC100EP195為電路核心，輔助以系統時鐘電路、FPGA控制電路、電平變換電路、偽隨機編碼存儲器等相關電路配合實現。圖3為超寬帶時間間隔調制系統結構框圖。

　　MC100EP195是美國Onsemi Conductor公司生產的一款經典的數字可編程延時芯片，它的主要性能指標有以下幾點：
　　(1)能夠在高達1.2GHz的系統時鐘下正常工作；
　　(2)延時步進精度高達10ps；
　　(3)可編程延時范圍為0～10ns；
　　(4)延遲時間控制信號D[10:0]能夠兼容LVTTL、LVCMOS、ECL等多種電平工作模式。
　　由于MC100EP195系統存在固有延時T_d，因此芯片的最小延時并不為0，而是為最小的系統固有延時T_d。最大值也不為10ns，而是為最大編程延時T_d＋Tpro(max),其中T_pro為編程延遲時間。從圖4可以看到，MC100EP195實際的延時范圍為2.2ns～13.3ns。芯片的可編程延時的線性度很高，但是環境溫度對編程延時的影響還是有的。因此在系統設計的過程中，需要充分考慮電源部分的散熱及系統的整體溫度。

　　由于ECL電路具有速度快、邏輯功能強、扇出能力高、噪聲低、引線串擾小和自帶基準源等優點，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端口能夠方便地進行延時芯片的級連，以彌補單片最大延遲時間不足的缺點，從而使其在大延時控制范圍應用場合也能夠適用。
　　MC100EP195芯片核心延時電路的工作過程其實是用閾值電平比較器對線性斜波發生器進行閾值電平的檢測的過程。外加延時控制數據其實是加到內部DAC上，以設定比較器的閾值電平。MC100EP195觸發輸入到來時，開始斜波發生，當斜波電壓降至由內部DAC設定的閾值時，該比較器立刻輸出信號，而比較器的輸出即作為MC100EP195輸出。這種控制延時的方式也是許多芯片廠商在可編程延時芯片中廣泛采用的一種經典的方法。
3 電路實現
　　本文所描述的超寬帶時間間隔調制系統是以MC100EP195可編程延時芯片為核心的電路系統。可編程延時芯片部分電路原理圖如圖5所示。

　　系統時鐘CLKIN在這個偽隨機時間間隔調制系統中起著非常關鍵的作用，它既給FPGA提供工作時鐘，同時又給MC100EP195提供觸發信號。由于系統時鐘的輸出是標準的TTL電平，而MC100EP195的觸發輸入需要的是差分的ECL電平，因此在時鐘輸入前必需進行電平轉換。Onsemi Conductor公司的電平轉換芯片MC100ELT20能夠很好地符合該功能需求。經過MC100ELT20電平轉換后的觸發時鐘已經轉化為兩路差分信號，在這兩路信號輸入MC100EP195的過程中，要特別注意電路的匹配。
　　延遲控制信號D0～D10、延時使能信號EN、延時芯片工作模式信號等都是由FPGA傳輸給MC100EP195。
　　實際上，延遲控制信號D0～D9就能夠控制MC100EP195進行0～10ns范圍內的延遲時間，而D10的作用只是當有多級延時芯片級聯時為后級電路提供控制。因為本文所描述的電路系統僅僅在10ns內進行隨機時間間隔調制，單片MC100EP195足以完成所需功能，因此D10管腳在整個系統工作過程中始終保持邏輯‘0’狀態。
　　LEN信號決定MC100EP195的工作模式。當LEN信號為邏輯‘0’時，MC100EP195芯片處于實時響應模式，任意時刻的可編程延時由當前時刻的延遲控制信號D決定；當LEN信號為邏輯‘1’時，MC100EP195芯片處于鎖存保持模式，任意時刻的可編程延時并不由當前時刻的延遲控制信號D決定，而是由LEN信號從邏輯‘0’變到邏輯‘1’的上升沿時刻的延時控制信號決定。假如LEN信號一直保持不變的電平，那么即使延時控制字D改變，系統延時時間仍然不會發生變化。由于在隨機時間間隔調制過程中，并不需要保持某一時刻的延遲時間不變，因此，可以將LEN設置為邏輯‘0’，以使MC100EP195始終工作在實時響應模式。
　　首先根據系統需要，用Matlab、C或者其他軟件產生隨機數組，然后將產生的隨機數組進行編碼，再將編碼存入ROM中。由于本系統采用的MC100EP195的控制字為D0～D9共10位，因此編碼長度也必須為10位。FPGA在運行過程中調用事先存入ROM中的偽隨機碼，根據碼值對MC100EP195進行實時的延時數據的控制，完成偽隨機間隔調制。這里需要注意的是：對各路控制信號的到達時間需要有充分估計，以避免時序沖突的發生。
　　由于隨機碼可以方便地存入ROM，因此對于超寬帶無線電系統的不同應用場合，可以根據實際需要選擇最合適的偽隨機碼存入ROM中供FPGA調用，以控制MC100EP195，使得系統能夠采用最適合的規律進行時間間隔調制^[5]。對于不同應用場合和環境下的超寬帶無線電系統的偽隨機時間間隔調制方式，現在大量的研究機構都在進行探討，這也是超寬帶無線電系統近年來成為熱門的研究方向之一。
4 測試結果及分析
　　這里主要關心的是式中的T_c和C_j，這兩個指標都由時間間隔調制系統來決定。窄脈沖包絡w_tr由后級的窄脈沖產生電路決定，而脈沖重復周期T_f則由系統時鐘所決定。前面提到,為保證不產生脈沖重疊必須滿足式子：maxC_jT_c＜T_f，所以在設置調制時隙時間元T_c和偽隨機調制編碼C_j時必須考慮到脈沖重復周期T_f的大小。對于本文描述的基于MC100EP195的超寬帶時間間隔調制電路實驗樣機，由于整個超寬帶系統的脈沖發射重復頻率設置為10MHz，也就是T_f＝100ns，因此必須滿足:maxC_jT_c＜100ns。在這里，將T_c設置為MC100EP195的最小步進延時10ps，將C_j的變化范圍設置為從0到1000，則maxC_jT_c＜10ns＜100ns,滿足要求。同時時間間隔跳變范圍應該為0～10ns，本實驗在環境溫度為25°C時進行。
　　圖6中的信號①是隨機時間間隔調制前的系統時鐘觸發信號，信號②是經過調制后的電路輸出信號。圖中左下方顯示了具體統計數據：最大延時為16.641ns；最小延時為6.766ns；均值為11.714ns；統計樣本個數為1616。可以看到，兩個信號發生的時間差即時間間隔調制范圍確實和設置的時間間隔調制范圍0～10ns相符。但是實際時間間隔調制范圍為6.766ns～16.641ns，實際數字值約比設置數值大了6.6ns，這是由于MC100EP195的固定延時T_d、電路中電平轉換電路固定延時等造成的。由于后級電路都是由測試圖中的①信號所驅動和觸發，因此這里的固有的延時對系統不會有影響。圖中的直方圖顯示了兩者發生時間差的統計信息，其中每一柱代表200ps延時范圍，柱高顯示了落在該延時范圍內的樣本次數。從直方圖中可以看出，時間間隔調制基本屬于均勻分布，如果將存入ROM的偽隨機碼進行修改，則直方圖的分布情況將隨之發生變化。