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超寬帶(Ultra-wideband，UWB)是近年來備受關注的一種全新的無線通信技術，其利用極大帶寬、極低功耗的無線信號來傳輸高速信息。超寬帶技術通常利用極窄的脈沖信號(寬度小于1ns)來進行數據傳輸，脈沖信號的時間分辨率很高，可用于精確的定位應用，精度可達到厘米量級。 本文利用單片機和自主設計的TH-UWB02超寬帶發射芯片實現了一個超寬帶窄脈沖發射機電路，能夠發送高速率的窄脈沖超寬帶脈沖序列，由接收機解調后可以實現高速數據的無線傳輸，可用于無線數據傳輸、射頻標簽等領域。 電路設計 本文介紹的超寬帶窄脈沖發射機采用TH-UWB02實現窄脈沖信號的產生和信號調制，工作電壓為1.8V時，能夠在每個輸入數據的上升沿產生脈沖寬度小于0.5ns、峰-峰值高于700mV的超寬帶脈沖，脈沖重復頻率由輸入數據的頻率決定，最高可達800Mpps。TH-UWB02芯片的數據輸入方式為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，由于采用全靜態電路設計，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，工作狀態下每MIPS消耗的電流小于250mA，休眠狀態下電流可以減小到0.7mA，而從休眠模式轉入工作模式僅需要6ms。該單片機具備8KB的Flash和256B的RAM空間，內置16位計時器、22個GPIO和一個包絡檢測ADC，另外還有一個通用同步異步串行接口(USART)，可滿足復雜的應用設計要求。 系統中利用了MSP430F123單片機的USART接口(工作在SPI模式)，把數據輸出端口直接連接到TH-UWB02的數據輸入端口，時鐘、片選信號不用。在系統時鐘為4MHz時，USART接口輸出的數據速率最高為4Mbps，調制產生重復速率4Mpps的窄脈沖信號，脈沖發送間隔時間為250ns，能有效抑制多徑信道的碼間干擾效應。 TH-UWB02芯片產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。設計中，脈沖整形電路采用一個簡單的高通濾波器實現。 圖1給出了系統的簡化原理圖，系統主要由電源、MSP430F123單片機、超寬帶發射芯片、簡單的濾波整形電路組成。系統采用了單個鋰錳紐扣電池供電，鋰錳紐扣電池輸出電壓標稱為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(發射瞬間約為20mA。 技術特色 本文所設計的超寬帶窄脈沖發射機具有以下特色： 超低功耗 系統中采用的MSP430F123單片機和超寬帶發射芯片均為極低功耗的器件。實際測量結果表明，單片機工作狀態下(脈沖發射期間，重復頻率1Mpps)，平均功耗僅約為2mW，而休眠狀態下幾乎不消耗電流。在合適的信息發射速率下，系統可以采用常見的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(發射機)。相關研究表明，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定位精度高出一個數量級以上。 圖2給出了重復頻率為500Mpps時超寬帶發射芯片TH-UWB02的輸出波形，圖中顯示，發射機產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果 低功率譜密度 本系統發射的脈沖信號功率譜密度與脈沖重復頻率有關，在脈沖重復頻率高達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，在脈沖重復頻率更低時，其功率譜密度也相應地減小。 圖3 重復頻率50Mpps的超寬帶窄脈沖信號測試 結語 本文介紹的超寬帶窄脈沖發射機實現了窄脈沖超寬帶信號的產生和調制，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，可用于無線數據傳輸、射頻標簽等眾多領域，具有重要的應用價值。同時，自主設計生產的TH-UWB02超寬帶發射芯片也具有重要的應用價值。下一步的工作目標包括實現相應的接收機和完整的應用系統。 |
