基于聲表面波器件的無線遠(yuǎn)距識別系統(tǒng)方案設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

摘要：介紹了一種基于聲表面波器件的無線遠(yuǎn)距識別系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。對聲表面波技術(shù)及聲表面波傳感器作了簡要的介紹，針對某無線遠(yuǎn)距識別系統(tǒng)作了詳細(xì)的分析，并給出了測試結(jié)果。

１ ＳＡＷ技術(shù)簡介

聲表面波ＳＡＷ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）是英國物理學(xué)家瑞利在１９世紀(jì)８０年代研究地震波的過程中偶爾發(fā)現(xiàn)的一種能量集中于地表面?zhèn)鞑サ穆暡?。１９６５年，美國的懷特和沃爾特默在?yīng)用物理雜志上發(fā)表題為“一種新型聲表面波聲——電轉(zhuǎn)化器”的論文，取得了聲表面波技術(shù)的關(guān)鍵性突破，能在壓電材料表面激勵聲表面波的金屬叉指換能器ＩＤＴ（Ｉｎｔｅｒ－ｄｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）的發(fā)明，大大加速了聲表面波技術(shù)的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了許多各具特色的聲表面波器件，使這門年輕的學(xué)科逐步發(fā)展成為一門新興的、聲學(xué)和電子學(xué)相結(jié)合的邊緣學(xué)科。

ＳＡＷ最早的應(yīng)用是在廣播、電視領(lǐng)域作頻率穩(wěn)定的濾波器之用?，F(xiàn)在聲表面波技術(shù)的應(yīng)用已涉及到許多學(xué)科領(lǐng)域，如地震學(xué)、天文學(xué)、雷達(dá)通信及廣播電視中的信號處理、航空航天、石油勘探和無損檢測等。

２ 聲表面波傳感器標(biāo)簽的識別原理

聲表面波傳感器的基本組成如圖１所示。其天線接收到高頻（９１５ＭＨｚ中心頻率）激勵后經(jīng)過叉指換能器ＩＤＴ（ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）將電磁波轉(zhuǎn)化成聲表面波，然后經(jīng)過一系列反射器（可編程，包含了識別碼）反射回來，再經(jīng)叉指換能器轉(zhuǎn)化成電磁波經(jīng)天線發(fā)射出去，完成反射過程。

３ 收發(fā)器的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

３．１ 大時寬帶寬乘積信號

匹配濾波器理論指導(dǎo)下提出的線性調(diào)頻脈沖壓縮技術(shù)，是在寬脈沖內(nèi)附加線性調(diào)頻已擴(kuò)展信號的頻帶，從而提供了一種時寬和帶寬乘積大于１的信號，稱為大時寬帶寬乘積信號。

線性調(diào)頻脈沖具有近似矩形的幅頻特性和近似平方律的相頻特性。同時具有可選擇的“時寬帶寬積”，普通脈沖信號是單一載頻信號，它的時寬帶寬積是固定的，大約等于１。而線性調(diào)頻脈沖信號的時寬和帶寬都可以做得很寬，使得時寬帶寬積可以做得很大。

大時寬帶寬乘積信號由于應(yīng)用寬脈沖，系統(tǒng)的多普勒分辨力可同時得到提高，有利于克服峰值功率限制，充分利用發(fā)射設(shè)備的平均功率，提高信號的能量，有利于增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。對有源噪聲干擾來說，由于信號的帶寬很大，迫使干擾及發(fā)射寬帶噪聲，從而降低了干擾的譜密度。對于回答式干擾，也由于采用了復(fù)雜的脈內(nèi)調(diào)制，在信號的延遲、放大、轉(zhuǎn)發(fā)過程中會產(chǎn)生更大的畸變，從而得到一定的抑制。至于消極干擾則由于提高了系統(tǒng)的分辨能力，抗干擾性能也有一定的改善。

    ３．２ 系統(tǒng)方框圖    從圖４可看到展寬器件的情況，高頻部分先到達(dá)，得到的是由高頻向低頻變化（１７５ＭＨｚ～１５５ＭＨｚ）的延遲時間為１μｓ的負(fù)斜率線性調(diào)頻脈沖。

根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)要求，筆者設(shè)計的某識別系統(tǒng)的接收器和發(fā)送器實(shí)現(xiàn)框圖分別如圖２、圖３所示。

３．３ 系統(tǒng)各部分介紹

(１)本 振

７５０ＭＨｚ及１６５ＭＨｚ本振通過鎖相環(huán)產(chǎn)生，穩(wěn)定度在１０－７量級，作為激勵傳感器的發(fā)射信號和檢測回波信號時延的基準(zhǔn)在系統(tǒng)中起著重要作用。

(２)脈沖的擴(kuò)展

１６５ＭＨｚ的本振脈沖，經(jīng)過開關(guān)截?。埃?mu;ｓ寬度的脈沖，經(jīng)放大、帶通濾波后，得到一個鐘形脈沖，送到ＳＡＷ擴(kuò)展器。ＳＡＷ擴(kuò)展器的激勵脈沖可以是一個寬度小于８ｎｓ的窄脈沖，也可以是一個帶有載波的鐘形脈沖，為了得到較大的功率，在此選用了鐘形脈沖。

擴(kuò)展器的原理圖如圖４所示。主要由壓電晶片（這里采用了ＬｉＴａＯ３晶體）和光刻在其表面上的叉指換能器組成。觸發(fā)脈沖輸入換能器后，由逆壓電效應(yīng)激勵出聲表面波。傳播到輸出換能器后，由壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換成與叉指條周期一一對應(yīng)的電磁波。由于聲表面波到達(dá)換能器時間上的差異，得到了一組頻率按線性變化的展寬電脈沖。

(３)天線、ＧａＡｓ射頻開關(guān)、發(fā)射和接收

從ＳＡＷ擴(kuò)展器輸出的線性調(diào)頻脈沖經(jīng)過放大濾波后，由天線發(fā)射出去。

發(fā)射天線與接收天線共用，需要一轉(zhuǎn)換開關(guān)?；夭ㄐ盘柕奈⑷跻笙到y(tǒng)接收機(jī)本地噪聲信號必須很小，因此，要求開關(guān)應(yīng)有很高的隔離度（通斷比），否則，本機(jī)振蕩信號會竄入接收機(jī)而淹沒有用信號。由于系統(tǒng)頻率高達(dá)９１５ＭＨｚ，普通的模擬開關(guān)無法滿足隔離度的要求。本系統(tǒng)采用了ＧａＡｓ射頻開關(guān)，這種開關(guān)具有較高的隔離度、較低的插損、開關(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn)。

天線具有比較窄的方向角，以盡量避免在識別范圍內(nèi)同時出現(xiàn)兩個識別卡的情形。發(fā)射出的信號若遇到ＳＡＷ識別卡，會反射回一系列脈沖，脈沖的數(shù)量和間隔由識別卡本身的結(jié)構(gòu)決定。本系統(tǒng)中使用的是２４／４８位的識別碼。

(４)脈沖壓縮

由天線接收的脈沖信號經(jīng)過下變頻、帶通、放大后送到ＳＡＷ壓縮器，壓縮器的原理與擴(kuò)展器類似，輸出換能器的叉指排列與擴(kuò)展器的共軛，由低頻向高頻變化（１５５ＭＨｚ～１７５ＭＨｚ）。當(dāng)展寬脈沖進(jìn)來后，由于時間上的差異，使各頻率的信號同時到達(dá)叉指換能器相應(yīng)的位置而輸出一個被壓縮的脈沖。脈沖的能量按布喇格函數(shù)分布。

通過使用ＳＡＷ擴(kuò)展器和壓縮器，增大了信號的時寬帶寬積，從而獲得了大約１３ｄＢ的處理增益，提高了系統(tǒng)的多普勒分辨力；由于時域上的展寬，充分利用發(fā)射設(shè)備的平均功率，提高信號能量，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力。

(５)Ａ／Ｄ采樣與ＤＳＰ數(shù)據(jù)處理

由ＳＡＷ壓縮器輸出的信號包含了ＳＡＷ識別卡的信息，經(jīng)過Ａ／Ｄ采樣后由ＤＳＰ提取識別卡的信息就完成了識別過程。

４ 測 試

測試用的識別卡有２４條反射器，可以形成２４位的識別碼，收發(fā)器每隔１２μｓ發(fā)射一個１μｓ的詢問脈沖。經(jīng)過識別卡反射回一組編碼脈沖。若對應(yīng)位為１，則對應(yīng)反射器反射回波；若為０則不反射。這樣由有無回波脈沖就可以判斷出該位為１或者０。

編碼為１的返回脈沖比編碼為０的返回脈沖大２０ｄＢｍ左右，通過信號的處理可以得到很低的誤碼率，可以快速準(zhǔn)確地識別目標(biāo)。

聲表面波器件的引入，使系統(tǒng)性能得到了很大的提高。識別距離可以達(dá)到２０ｍ，可用于不停車車輛自動收費(fèi)識別系統(tǒng)、路標(biāo)識別系統(tǒng)、鐵路車輛車號識別以及列車準(zhǔn)確?？靠刂频认到y(tǒng)。