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超寬帶(Ultra-wideband，UWB)是近年來備受關(guān)注的一種全新的無線通信技術(shù)，其利用極大帶寬、極低功耗的無線信號來傳輸高速信息。超寬帶技術(shù)通常利用極窄的脈沖信號(寬度小于1ns)來進行數(shù)據(jù)傳輸，脈沖信號的時間分辨率很高，可用于精確的定位應(yīng)用，精度可達到厘米量級。 本文利用單片機和自主設(shè)計的TH-UWB02超寬帶發(fā)射芯片實現(xiàn)了一個超寬帶窄脈沖發(fā)射機電路，能夠發(fā)送高速率的窄脈沖超寬帶脈沖序列，由接收機解調(diào)后可以實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)的無線傳輸，可用于無線數(shù)據(jù)傳輸、射頻標(biāo)簽等領(lǐng)域。 電路設(shè)計 本文介紹的超寬帶窄脈沖發(fā)射機采用TH-UWB02實現(xiàn)窄脈沖信號的產(chǎn)生和信號調(diào)制，工作電壓為1.8V時，能夠在每個輸入數(shù)據(jù)的上升沿產(chǎn)生脈沖寬度小于0.5ns、峰-峰值高于700mV的超寬帶脈沖，脈沖重復(fù)頻率由輸入數(shù)據(jù)的頻率決定，最高可達800Mpps。TH-UWB02芯片的數(shù)據(jù)輸入方式為LVDS信號，在低速時也可以直接以CMOS信號輸入。 系統(tǒng)的控制芯片采用MSP430F123，該單片機是 16位RISC處理器，由于采用全靜態(tài)電路設(shè)計，在低至1.8V電壓供電時，其工作頻率可在DC"4MHz之間隨意選擇，工作狀態(tài)下每MIPS消耗的電流小于250mA，休眠狀態(tài)下電流可以減小到0.7mA，而從休眠模式轉(zhuǎn)入工作模式僅需要6ms。該單片機具備8KB的Flash和256B的RAM空間，內(nèi)置16位計時器、22個GPIO和一個包絡(luò)檢測ADC，另外還有一個通用同步異步串行接口(USART)，可滿足復(fù)雜的應(yīng)用設(shè)計要求。 系統(tǒng)中利用了MSP430F123單片機的USART接口(工作在SPI模式)，把數(shù)據(jù)輸出端口直接連接到TH-UWB02的數(shù)據(jù)輸入端口，時鐘、片選信號不用。在系統(tǒng)時鐘為4MHz時，USART接口輸出的數(shù)據(jù)速率最高為4Mbps，調(diào)制產(chǎn)生重復(fù)速率4Mpps的窄脈沖信號，脈沖發(fā)送間隔時間為250ns，能有效抑制多徑信道的碼間干擾效應(yīng)。 TH-UWB02芯片產(chǎn)生的脈沖為高斯脈沖，其信號頻帶為DC"1.5GHz，為了滿足通過超寬帶天線發(fā)射的要求，通過采用脈沖整形電路，可以把脈沖進行微分整形，信號頻帶為500MHz"2.0GHz。設(shè)計中，脈沖整形電路采用一個簡單的高通濾波器實現(xiàn)。 圖1給出了系統(tǒng)的簡化原理圖，系統(tǒng)主要由電源、MSP430F123單片機、超寬帶發(fā)射芯片、簡單的濾波整形電路組成。系統(tǒng)采用了單個鋰錳紐扣電池供電，鋰錳紐扣電池輸出電壓標(biāo)稱為3.0V，但實際上在使用時間長時電壓會有所下降，終止電壓一般高于2.0V。 圖1 窄脈沖超寬帶發(fā)射電路的簡化原理圖 MSP430F123單片機的工作電壓為1.8V"3.6V，因此可以直接由電池供電;TH-UWB02的工作電壓是1.3V"2.5V，考慮到其工作電流很小(發(fā)射瞬間約為20mA。 技術(shù)特色 本文所設(shè)計的超寬帶窄脈沖發(fā)射機具有以下特色： 超低功耗 系統(tǒng)中采用的MSP430F123單片機和超寬帶發(fā)射芯片均為極低功耗的器件。實際測量結(jié)果表明，單片機工作狀態(tài)下(脈沖發(fā)射期間，重復(fù)頻率1Mpps)，平均功耗僅約為2mW，而休眠狀態(tài)下幾乎不消耗電流。在合適的信息發(fā)射速率下，系統(tǒng)可以采用常見的200mAh鋰錳紐扣電池供電工作1年以上。 高定位精度 脈沖超寬帶利用亞ns的窄脈沖信號傳遞信息，接收機可利用其極高的時間分辨率來精確定位信號源(發(fā)射機)。相關(guān)研究表明，通過采用較好的定位算法，定位精度可達厘米量級，比普通的無線定位技術(shù)定位精度高出一個數(shù)量級以上。 圖2給出了重復(fù)頻率為500Mpps時超寬帶發(fā)射芯片TH-UWB02的輸出波形，圖中顯示，發(fā)射機產(chǎn)生的窄脈沖信號寬度約為500ps。 圖2 超寬帶窄脈沖信號測試結(jié)果 低功率譜密度 本系統(tǒng)發(fā)射的脈沖信號功率譜密度與脈沖重復(fù)頻率有關(guān)，在脈沖重復(fù)頻率高達50Mpps時，實際測量的脈沖信號波形和功率譜密度曲線如圖3所示。圖中Data為輸入信號，Vpulse為產(chǎn)生的窄脈沖信號，PSD為窄脈沖信號的功率譜，由圖可見，在重復(fù)頻率為50Mpps時，脈沖的功率譜密度仍然低于-41.3dBm/MHz。由于功率譜密度是信號功率在時域上的平均，在脈沖重復(fù)頻率更低時，其功率譜密度也相應(yīng)地減小。 圖3 重復(fù)頻率50Mpps的超寬帶窄脈沖信號測試 結(jié)語 本文介紹的超寬帶窄脈沖發(fā)射機實現(xiàn)了窄脈沖超寬帶信號的產(chǎn)生和調(diào)制，具有極低功耗、低功率譜密度、低成本等特點，以及精確定位能力，可用于無線數(shù)據(jù)傳輸、射頻標(biāo)簽等眾多領(lǐng)域，具有重要的應(yīng)用價值。同時，自主設(shè)計生產(chǎn)的TH-UWB02超寬帶發(fā)射芯片也具有重要的應(yīng)用價值。下一步的工作目標(biāo)包括實現(xiàn)相應(yīng)的接收機和完整的應(yīng)用系統(tǒng)。 |
