超寬帶窄脈沖發(fā)射芯片及應(yīng)用系統(tǒng)電路實(shí)現(xiàn)

　　前言

　　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(hào)來傳輸高速信息。超寬帶技術(shù)通常利用極窄的脈沖信號(hào)(寬度小于1ns)來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，脈沖信號(hào)的時(shí)間分辨率很高，可用于精確的定位應(yīng)用，精度可達(dá)到厘米量級(jí)。

　　本文利用單片機(jī)和自主設(shè)計(jì)的TH-UWB02超寬帶發(fā)射芯片實(shí)現(xiàn)了一個(gè)超寬帶窄脈沖發(fā)射機(jī)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(jī)解調(diào)后可以實(shí)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(jì)

　　本文介紹的超寬帶窄脈沖發(fā)射機(jī)采用TH-UWB02實(shí)現(xiàn)窄脈沖信號(hào)的產(chǎn)生和信號(hào)調(diào)制，工作電壓為1.8V時(shí)，能夠在每個(gè)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(dá)800Mpps。TH-UWB02芯片的數(shù)據(jù)輸入方式為LVDS信號(hào)，在低速時(shí)也可以直接以CMOS信號(hào)輸入。

　　系統(tǒng)的控制芯片采用MSP430F123，該單片機(jī)是 16位RISC處理器，由于采用全靜態(tài)電路設(shè)計(jì)，在低至1.8V電壓供電時(shí)，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(jī)具備8KB的Flash和256B的RAM空間，內(nèi)置16位計(jì)時(shí)器、22個(gè)GPIO和一個(gè)包絡(luò)檢測(cè)ADC，另外還有一個(gè)通用同步異步串行接口(USART)，可滿足復(fù)雜的應(yīng)用設(shè)計(jì)要求。

　　系統(tǒng)中利用了MSP430F123單片機(jī)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(shí)鐘、片選信號(hào)不用。在系統(tǒng)時(shí)鐘為4MHz時(shí)，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(hào)，脈沖發(fā)送間隔時(shí)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(hào)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(jìn)行微分整形，信號(hào)頻帶為500MHz~2.0GHz。設(shè)計(jì)中，脈沖整形電路采用一個(gè)簡(jiǎn)單的高通濾波器實(shí)現(xiàn)。

　　圖1給出了系統(tǒng)的簡(jiǎn)化原理圖，系統(tǒng)主要由電源、MSP430F123單片機(jī)、超寬帶發(fā)射芯片、簡(jiǎn)單的濾波整形電路組成。系統(tǒng)采用了單個(gè)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(shí)際上在使用時(shí)間長時(shí)電壓會(huì)有所下降，終止電壓一般高于2.0V。

　　MSP430F123單片機(jī)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，其它時(shí)間<100mA)，可利用單片機(jī)的I/O供電，并用一個(gè)簡(jiǎn)單的二極管降壓，把I/O輸出電壓降低0.7V使用，但需要注意TH-UWB02芯片的電源濾波。

　　技術(shù)特色

　　本文所設(shè)計(jì)的超寬帶窄脈沖發(fā)射機(jī)具有以下特色：

　　超低功耗

　　系統(tǒng)中采用的MSP430F123單片機(jī)和超寬帶發(fā)射芯片均為極低功耗的器件。實(shí)際測(cè)量結(jié)果表明，單片機(jī)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(hào)傳遞信息，接收機(jī)可利用其極高的時(shí)間分辨率來精確定位信號(hào)源(發(fā)射機(jī))。相關(guān)研究表明，通過采用較好的定位算法，定位精度可達(dá)厘米量級(jí)，比普通的無線定位技術(shù)定位精度高出一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

　　圖2給出了重復(fù)頻率為500Mpps時(shí)超寬帶發(fā)射芯片TH-UWB02的輸出波形，圖中顯示，發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的窄脈沖信號(hào)寬度約為500ps。

　　 圖2 超寬帶窄脈沖信號(hào)測(cè)試結(jié)果

　　低功率譜密度

　　本系統(tǒng)發(fā)射的脈沖信號(hào)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(dá)50Mpps時(shí)，實(shí)際測(cè)量的脈沖信號(hào)波形和功率譜密度曲線如圖3所示。圖中Data為輸入信號(hào)，Vpulse為產(chǎn)生的窄脈沖信號(hào)，PSD為窄脈沖信號(hào)的功率譜，由圖可見，在重復(fù)頻率為50Mpps時(shí)，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(hào)功率在時(shí)域上的平均，在脈沖重復(fù)頻率更低時(shí)，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(hào)測(cè)試

　　結(jié)語

　　本文介紹的超寬帶窄脈沖發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)了窄脈沖超寬帶信號(hào)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(diǎn)，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(jià)值。同時(shí)，自主設(shè)計(jì)生產(chǎn)的TH-UWB02超寬帶發(fā)射芯片也具有重要的應(yīng)用價(jià)值。下一步的工作目標(biāo)包括實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的接收機(jī)和完整的應(yīng)用系統(tǒng)。

　　參考文獻(xiàn)：

　　1 FCC First Report and Order, FCC 02-48, February 14, 2002

　　2 Robert J. Fontana, "Recent System Applications of Short-Pulse Ultra-Wideband (UWB) Technology", IEEE Trans. On Microwave Theory and Techniques, Vol. 52, No. 9, pp. 2087-2104, Sep 2004