摘 要： 設計了一種IR-UWB室內定位系統原理樣機的射頻收發機，發射機將1 ns的窄脈沖調制到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。所設計的系統通過測試，原理驗證樣機定位精度優于40 cm，達到設計要求。
關鍵詞： IR-UWB室內定位；射頻收發機；隧道二極管
無線定位和物體跟蹤在現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、系統復雜度低、能提供精確定位精度等優點，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室內定位系統的射頻收發機，標簽采用低功耗的脈沖發生器和通信芯片；接收機采用基于隧道二極管的非相干檢波方式[1]，降低了系統的復雜度。本文最后給出了PCB測量結果。
1 系統結構以及定位過程描述
根據UWB定位系統所要實現的功能，本系統采用多點定位的方式，系統框圖如圖1所示。定位采用TDOA（到達時間差）方式。該系統由待定位標簽（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分布，控制臺與每個傳感器通過網線連接起來，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展現了系統的內部結構。
控制臺發出標簽編號通過網線傳遞給主傳感器的基帶模塊，基帶部分的FPGA發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
2.1 標簽部分
針對室內定位系統中的實際需求，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[2]。
TI公司的CC2510芯片是一種低成本的無線片上系統，芯片中主要集成了一個標準的8051MCU和一個無線收發模塊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脈沖發生器、功率放大器（PA）三部分組成。CC2510和PA都處于常態休眠狀態以降低功耗。被傳感器呼叫喚醒并成功握手通信后，CC2510發送使能信號控制PA進入工作狀態并發送周期為2 μs的方波給脈沖發生器。
脈沖發生器使用實驗室設計的一款芯片[3]，芯片中窄脈沖產生部分結構如圖4所示。
該傳感器中隧道二極管工作在零偏壓檢波狀態，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，它的反向導通能力遠大于正向，而且沒有閾值，因此無需偏置就可以實現高效率的檢波。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中用延遲鎖相環進行鎖相。
驗證系統定位精度要求優于40 cm，即時間分辨率1.3 ns，需要750 MHz的等效時鐘。系統采用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，FPGA每2 μs檢測到一次信號，與脈沖發送速度相吻合。
圖11中顯示的是鎖相環對信號進行鎖相的結果，0E表示第14路鎖相環最先鎖定脈沖信號，FPGA輸出5位數據01110，并將數據通過網線傳遞給控制臺進行定位計算。
本文設計了一種IR-UWB室內定位系統的射頻收發機，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，大大降低了系統實現的難度。經過測試證明在室內環境下，能夠為實現小型化、低功耗定位系統提供原理驗證樣機。
參考文獻
[1] 王俊，黃志臻，王衛東，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）.