摘 要： 設(shè)計了一種IR-UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)原理樣機(jī)的射頻收發(fā)機(jī)，發(fā)射機(jī)將1 ns的窄脈沖調(diào)制到4 GHz，接收機(jī)使用隧道二極管檢波，檢波包絡(luò)通過比較器判決后將信號傳給基帶進(jìn)行處理。所設(shè)計的系統(tǒng)通過測試，原理驗證樣機(jī)定位精度優(yōu)于40 cm，達(dá)到設(shè)計要求。
關(guān)鍵詞： IR-UWB室內(nèi)定位；射頻收發(fā)機(jī)；隧道二極管
無線定位和物體跟蹤在現(xiàn)代社會中具有越來越多的應(yīng)用需求。IR-UWB（脈沖超寬帶）技術(shù)由于功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供精確定位精度等優(yōu)點，在眾多無線定位技術(shù)中脫穎而出，成為無線定位技術(shù)的熱點。
本文設(shè)計了一種低復(fù)雜度、低功耗的IR-UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)的射頻收發(fā)機(jī)，標(biāo)簽采用低功耗的脈沖發(fā)生器和通信芯片；接收機(jī)采用基于隧道二極管的非相干檢波方式[1]，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。本文最后給出了PCB測量結(jié)果。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及定位過程描述
根據(jù)UWB定位系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能，本系統(tǒng)采用多點定位的方式，系統(tǒng)框圖如圖1所示。定位采用TDOA（到達(dá)時間差）方式。該系統(tǒng)由待定位標(biāo)簽（Tag）、傳感器和控制臺構(gòu)成。其中傳感器位置固定已知，標(biāo)簽在傳感器范圍內(nèi)分布，控制臺與每個傳感器通過網(wǎng)線連接起來，不同傳感器之間由時間同步線連接以保證時間同步，系統(tǒng)框架如圖1所示。
為降低功耗，標(biāo)簽工作采用睡眠喚醒方式。即定位之前所有標(biāo)簽休眠，每1 s醒來一次。主傳感器呼叫待定位標(biāo)簽并與其完成通信，完成通信后，該標(biāo)簽進(jìn)行定位過程。這種設(shè)計大大減小了標(biāo)簽上的功耗。圖2展現(xiàn)了系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
控制臺發(fā)出標(biāo)簽編號通過網(wǎng)線傳遞給主傳感器的基帶模塊，基帶部分的FPGA發(fā)送定位命令給通信芯片并開始呼叫待定位標(biāo)簽。睡眠標(biāo)簽每秒自動喚醒一次，完成握手通信，若無法完成握手通信，則更換主傳感器。通信完成之后開始進(jìn)行定位過程。
2 各模塊具體實現(xiàn)
2.1 標(biāo)簽部分
針對室內(nèi)定位系統(tǒng)中的實際需求，標(biāo)簽采用電池供電，這對標(biāo)簽的小型化和低功耗提出了要求。本設(shè)計的標(biāo)簽和傳感器通信采用低功耗通信芯片CC2510實現(xiàn)[2]。
TI公司的CC2510芯片是一種低成本的無線片上系統(tǒng)，芯片中主要集成了一個標(biāo)準(zhǔn)的8051MCU和一個無線收發(fā)模塊CC2500芯片，整個芯片面積只有6 mm×6 mm，適用于對體積有限制的場合。芯片工作在2.4 GHz免費(fèi)頻段上，接收和發(fā)射信號時的電流分別為17.1 mA和18.5 mA，休眠時的電流只有0.5 μA。
標(biāo)簽由CC2510芯片、IR-UWB脈沖發(fā)生器、功率放大器（PA）三部分組成。CC2510和PA都處于常態(tài)休眠狀態(tài)以降低功耗。被傳感器呼叫喚醒并成功握手通信后，CC2510發(fā)送使能信號控制PA進(jìn)入工作狀態(tài)并發(fā)送周期為2 μs的方波給脈沖發(fā)生器。
脈沖發(fā)生器使用實驗室設(shè)計的一款芯片[3]，芯片中窄脈沖產(chǎn)生部分結(jié)構(gòu)如圖4所示。
該傳感器中隧道二極管工作在零偏壓檢波狀態(tài)，檢波增益高，電路結(jié)構(gòu)簡單。
在對超寬帶信號進(jìn)行檢波時，由于檢波輸入信號和輸出包絡(luò)均為納秒、亞納秒量級，因此要求檢波器工作在上吉赫茲的帶寬上，檢波電容在皮法量級，為提高接收機(jī)性能，也要求檢波器具有較高的檢波效率和靈敏度。
隧道二極管檢波器（Backward tunnel diode detector）是一種適合于極窄脈沖檢波的二極管檢波器，它的反向?qū)芰h(yuǎn)大于正向，而且沒有閾值，因此無需偏置就可以實現(xiàn)高效率的檢波。圖7是一個隧道二極管檢波器的典型電路，電感在輸入端作為高頻負(fù)載，信號經(jīng)過隧道二極管整流后在輸出端進(jìn)行RC濾波，在小信號檢波時符合平方率檢波。
VGA放大后的信號經(jīng)過比較器判決和脈沖展寬之后在基帶部分的FPGA中用延遲鎖相環(huán)進(jìn)行鎖相。
驗證系統(tǒng)定位精度要求優(yōu)于40 cm，即時間分辨率1.3 ns，需要750 MHz的等效時鐘。系統(tǒng)采用30 MHz的時鐘作為同步時鐘，由于FPGA的DCM資源限制（一塊FPGA 8個DCM），驗證系統(tǒng)采用2塊FPGA（16個DCM）構(gòu)成32相DLL，等效采樣時鐘為960 MHz。圖10是用邏輯分析儀測量的FPGA輸出，從圖中可以看到，F(xiàn)PGA每2 μs檢測到一次信號，與脈沖發(fā)送速度相吻合。
圖11中顯示的是鎖相環(huán)對信號進(jìn)行鎖相的結(jié)果，0E表示第14路鎖相環(huán)最先鎖定脈沖信號，F(xiàn)PGA輸出5位數(shù)據(jù)01110，并將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)線傳遞給控制臺進(jìn)行定位計算。
本文設(shè)計了一種IR-UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)的射頻收發(fā)機(jī)，標(biāo)簽采用睡眠喚醒來降低功耗；傳感器上采用了隧道二極管檢波的非相關(guān)檢波方式，大大降低了系統(tǒng)實現(xiàn)的難度。經(jīng)過測試證明在室內(nèi)環(huán)境下，能夠為實現(xiàn)小型化、低功耗定位系統(tǒng)提供原理驗證樣機(jī)。
參考文獻(xiàn)
[1] 王俊，黃志臻，王衛(wèi)東，等.基于峰值檢測的脈沖超寬帶信號接收方法[J].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2008，38（10）.
[2] CC2510FX/CC2511FX Low-Power SoC（System-on-Chip）with MCU， Memory，2.4 GHz RF Transceiver， and USB Controller. http：//www.ti.com.
[3] Fu Delong， Huang Lu， Cai Li， et al. A 3-5 GHz BPSK transmitter for IR-UWB in 0.18μm CMOS[J]. Journal of Semiconductors，2010，31（9）.