超寬帶窄脈沖發(fā)射芯片及應用系統電路實(shí)現

　　摘 要：本文給出了一個(gè)基于自主知識產(chǎn)權芯片實(shí)現的超寬帶窄脈沖發(fā)射電路及測試結果，通過(guò)超低功耗單片機MSP430F123控制超寬帶脈沖發(fā)射機芯片，可實(shí)現高速率數據的無(wú)線(xiàn)發(fā)射，所采用的超寬帶發(fā)射機芯片基于0.18mm CMOS工藝設計和實(shí)現，能夠以0~800Mpps的脈沖重復頻率產(chǎn)生寬度約為500ps的超寬帶窄脈沖信號，經(jīng)過(guò)脈沖整形電路后，信號的頻譜在500MHz~1.5GHz之間，發(fā)射功率譜密度低于-41.3dBm/MHz。

　　關(guān)鍵詞：超寬帶;窄脈沖;射頻標簽;無(wú)線(xiàn)通信芯片

　　前言

　　超寬帶(Ultra-wideband，UWB)是近年來(lái)備受關(guān)注的一種全新的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，其利用極大帶寬、極低功耗的無(wú)線(xiàn)信號來(lái)傳輸高速信息。超寬帶技術(shù)通常利用極窄的脈沖信號(寬度小于1ns)來(lái)進(jìn)行數據傳輸，脈沖信號的時(shí)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(fā)射芯片實(shí)現了一個(gè)超寬帶窄脈沖發(fā)射機電路，能夠發(fā)送高速率的窄脈沖超寬帶脈沖序列，由接收機解調后可以實(shí)現高速數據的無(wú)線(xiàn)傳輸，可用于無(wú)線(xiàn)數據傳輸、射頻標簽等領(lǐng)域。

　　電路設計

　　本文介紹的超寬帶窄脈沖發(fā)射機采用TH-UWB02實(shí)現窄脈沖信號的產(chǎn)生和信號調制，工作電壓為1.8V時(shí)，能夠在每個(gè)輸入數據的上升沿產(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L(cháng)VDS信號，在低速時(shí)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(tài)電路設計，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(shí)器、22個(gè)GPIO和一個(gè)包絡(luò )檢測ADC，另外還有一個(gè)通用同步異步串行接口(USART)，可滿(mǎn)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(shí)鐘、片選信號不用。在系統時(shí)鐘為4MHz時(shí)，USART接口輸出的數據速率最高為4Mbps，調制產(chǎn)生重復速率4Mpps的窄脈沖信號，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。

　　TH-UWB02芯片產(chǎn)生的脈沖為高斯脈沖，其信號頻帶為DC~1.5GHz，為了滿(mǎn)足通過(guò)超寬帶天線(xiàn)發(fā)射的要求，通過(guò)采用脈沖整形電路，可以把脈沖進(jìn)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(gè)簡(jiǎn)單的高通濾波器實(shí)現。

　　圖1給出了系統的簡(jiǎn)化原理圖，系統主要由電源、MSP430F123單片機、超寬帶發(fā)射芯片、簡(jiǎn)單的濾波整形電路組成。系統采用了單個(gè)鋰錳紐扣電池供電，鋰錳紐扣電池輸出電壓標稱(chēng)為3.0V，但實(shí)際上在使用時(shí)間長(cháng)時(shí)電壓會(huì )有所下降，終止電壓一般高于2.0V。

　　圖1 窄脈沖超寬帶發(fā)射電路的簡(jiǎn)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(fā)射瞬間約為20mA，其它時(shí)間<100mA)，可利用單片機的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

　　本文所設計的超寬帶窄脈沖發(fā)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(fā)射芯片均為極低功耗的器件。實(shí)際測量結果表明，單片機工作狀態(tài)下(脈沖發(fā)射期間，重復頻率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，系統可以采用常見(jiàn)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(shí)間分辨率來(lái)精確定位信號源(發(fā)射機)。相關(guān)研究表明，通過(guò)采用較好的定位算法，定位精度可達厘米量級，比普通的無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)定位精度高出一個(gè)數量級以上。

　　圖2給出了重復頻率為500Mpps時(shí)超寬帶發(fā)射芯片TH-UWB02的輸出波形，圖中顯示，發(fā)射機產(chǎn)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(fā)射的脈沖信號功率譜密度與脈沖重復頻率有關(guān)，在脈沖重復頻率高達50Mpps時(shí)，實(shí)際測量的脈沖信號波形和功率譜密度曲線(xiàn)如圖3所示。圖中Data為輸入信號，Vpulse為產(chǎn)生的窄脈沖信號，PSD為窄脈沖信號的功率譜，由圖可見(jiàn)，在重復頻率為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功率在時(shí)域上的平均，在脈沖重復頻率更低時(shí)，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(yǔ)

　　本文介紹的超寬帶窄脈沖發(fā)射機實(shí)現了窄脈沖超寬帶信號的產(chǎn)生和調制，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(wú)線(xiàn)數據傳輸、射頻標簽等眾多領(lǐng)域，具有重要的應用價(jià)值。同時(shí)，自主設計生產(chǎn)的TH-UWB02超寬帶發(fā)射芯片也具有重要的應用價(jià)值。下一步的工作目標包括實(shí)現相應的接收機和完整的應用系統?！?/P>

　　參考文獻：

　　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