《電子技術應用》
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UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)的射頻收發(fā)機設計
來源:微型機與應用2013年第13期
高睿劼1,黃 魯2,朱警怡1
(1.中國科學技術大學 電子科學與技術系,安徽 合肥 230027; 2.中國科學技術大學 信息科學
摘要: 設計了一種IR-UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)原理樣機的射頻收發(fā)機,發(fā)射機將1 ns的窄脈沖調(diào)制到4 GHz,接收機使用隧道二極管檢波,檢波包絡通過比較器判決后將信號傳給基帶進行處理。所設計的系統(tǒng)通過測試,原理驗證樣機定位精度優(yōu)于40 cm,達到設計要求。
Abstract:
Key words :

摘  要: 設計了一種IR-UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)原理樣機的射頻收發(fā)機,發(fā)射機將1 ns的窄脈沖調(diào)制到4 GHz,接收機使用隧道二極管檢波,檢波包絡通過比較器判決后將信號傳給基帶進行處理。所設計的系統(tǒng)通過測試,原理驗證樣機定位精度優(yōu)于40 cm,達到設計要求。
關鍵詞: IR-UWB室內(nèi)定位;射頻收發(fā)機;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用需求。IR-UWB(脈沖超寬帶)技術由于功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統(tǒng)復雜度低、能提供精確定位精度等優(yōu)點,在眾多無線定位技術中脫穎而出,成為無線定位技術的熱點。
本文設計了一種低復雜度、低功耗的IR-UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)的射頻收發(fā)機,標簽采用低功耗的脈沖發(fā)生器和通信芯片;接收機采用基于隧道二極管的非相干檢波方式[1],降低了系統(tǒng)的復雜度。本文最后給出了PCB測量結果。
1 系統(tǒng)結構以及定位過程描述
    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(到達時間差)方式。該系統(tǒng)由待定位標簽(Tag)、傳感器和控制臺構成。其中傳感器位置固定已知,標簽在傳感器范圍內(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,標簽工作采用睡眠喚醒方式。即定位之前所有標簽休眠,每1 s醒來一次。主傳感器呼叫待定位標簽并與其完成通信,完成通信后,該標簽進行定位過程。這種設計大大減小了標簽上的功耗。圖2展現(xiàn)了系統(tǒng)的內(nèi)部結構。
    控制臺發(fā)出標簽編號通過網(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簽。睡眠標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行定位過程。

2 各模塊具體實現(xiàn)
2.1 標簽部分

 針對室內(nèi)定位系統(tǒng)中的實際需求,標簽采用電池供電,這對標簽的小型化和低功耗提出了要求。本設計的標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準的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)生器使用實驗室設計的一款芯片[3],芯片中窄脈沖產(chǎn)生部分結構如圖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,電路結構簡單。
 在對超寬帶信號進行檢波時,由于檢波輸入信號和輸出包絡均為納秒、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載,信號經(jīng)過隧道二極管整流后在輸出端進行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)對信號進行鎖相的結果,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)線傳遞給控制臺進行定位計算。

 本文設計了一種IR-UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)的射頻收發(fā)機,標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。
參考文獻
[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].中國科學技術大學學報,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).

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