自2002年美國聯(lián)邦通信委員會授權(quán)可以無執(zhí)照使用超寬帶(UWB) 無線電技術(shù)以來，大多數(shù)采用該技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用(如無線USB)，都是基于用于高數(shù)據(jù)速率傳輸?shù)念l域調(diào)制技術(shù)(如OFDM)。UWB這種成熟的技術(shù)還可用于納秒級的超短脈沖數(shù)據(jù)傳輸。這種被稱為脈沖無線電(IR)的系統(tǒng)可通過調(diào)制諸如位置或者振幅等脈沖參數(shù)來傳輸信息。同時，通過測量脈沖的傳輸時間，還可以進行精確到厘米的測距。這為物流(包裹跟蹤)、制造、搜救(如與救火隊員的通信與定位)或智能導(dǎo)游等不同領(lǐng)域內(nèi)的大量新型位置感知應(yīng)用開辟了廣闊的新天地。
圖1：該系統(tǒng)由非定制的賽靈思ML506板與定制的UWB子板連接而成。 歐洲的PULSERS二期是一項由業(yè)界主導(dǎo)的UWB無線電技術(shù)合作項目，參與的重要行業(yè)和學術(shù)組織有30家，旨在設(shè)計和實施一種可實現(xiàn)每秒百萬比特的數(shù)據(jù)傳輸速率、測距精度達4厘米的IR-UWB通信和測距系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一整套相同的自主節(jié)點組成，每個節(jié)點都可以與網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點通信并確定與其之間的距離。每個節(jié)點由一個定制UWB子板與一個現(xiàn)成的賽靈思ML506開發(fā)板上(見圖1)連接而成。Virtex-5 SXT架構(gòu)的卓越性能與MicroBlaze軟處理器的靈活性相得益彰，使得我們在單個FPGA內(nèi)即可部署整個基帶信號鏈及所有高級系統(tǒng)層。
圖2：由三個信標槽組成的周期信標幀夾雜在跳時幀之間。 IR-UWB通信和測距 該系統(tǒng)使用支持四種可能的時間位移(4-PPM)的簡單脈沖定位調(diào)制來傳輸信息，其中每個脈沖編碼兩個數(shù)據(jù)位。如圖2所示，脈沖將分組為幀并在預(yù)定義的信標幀和跳時幀組成的柵格中傳輸。每個信標幀包含三個相同的可讓客戶用來進行測距或者通信的信標槽。我們原本計劃將跳時幀用于基于跳時編碼的高數(shù)據(jù)速率傳輸，不過我們將在此后的產(chǎn)品使用該技術(shù)，而現(xiàn)在所有的數(shù)據(jù)傳輸只在信標幀中進行。 我們現(xiàn)在用雙向測距的方法進行測距。雙向測距是通過測量從發(fā)送測距請求到從遠程節(jié)點(見下表)收到回復(fù)的時間延遲來實現(xiàn)的。測距請求一般在信標槽1中發(fā)送，而測距回復(fù)則一般返回到信標槽3中。這給予了遠程節(jié)點一個完整的信標槽間隔(信標槽2，大約33微秒)來處理收到的測距請求并計劃輸回的測距答復(fù)。
表1：UWB通信和測距系統(tǒng)的特性。 系統(tǒng)架構(gòu) 超寬帶子板上帶有脈沖發(fā)射器和非相干接收器ASIC，這是我們專門采用IHP的0.25微米SiGe：C BiCMOS技術(shù)為該項目設(shè)計的。 如圖3所示，用來產(chǎn)生UWB脈沖的發(fā)射器ASIC能夠?qū)λa(chǎn)生脈沖的振幅和位置進行調(diào)制。其包括的3.84GHz計數(shù)器可以精確地計劃輸出脈沖的傳輸時間并測量所接收脈沖的到達時間。
圖3：UWB脈沖由7.68GHz的載波和高斯包絡(luò)構(gòu)成。 接收路徑在接收器ASIC中分為兩支。帶寬相對較窄(120MHz)的第一個分支主要用于通信和不太精確的脈沖計時，而精確的脈沖計時則通過采用全脈沖帶寬 (750MHz)的第二個分支來完成。傳入的脈沖由該分支上的高速比較器來加以探測。其輸出結(jié)果可觸發(fā)運行在發(fā)射器ASIC內(nèi)部的3.84GHz計數(shù)器的讀出。因此，每個接收到的脈沖到達時間可以260皮秒分辨率進行測量，也即空間分辨率大約為8厘米。 子板與Virtex-5 FPGA內(nèi)的基帶模塊通過兩條120MHz的數(shù)據(jù)總線進行通信。通信(COMM)總線負責傳輸ADC樣本，而到達時間總線負責傳輸與收到的脈沖相關(guān)的高分辨率時間戳。兩條總線都會通過XC95144XV CPLD，雖然并非必需，但其仍不失為一個出色的調(diào)試工具。我們可以設(shè)定CPLD在通往FPGA的總線上輸出一系列偽隨機數(shù)字。然后我們利用CPLD輸出來調(diào)節(jié)FPGA的輸入時序并驗證總線線路的完整性。如果在不了解傳輸數(shù)據(jù)序列的前提下驗證總線線路將會非常困難。 在FPGA 內(nèi)部，基帶模塊(見圖4)同時負責對發(fā)出的脈沖進行編碼并解碼收到的脈沖。而基帶模塊的傳輸相對簡單，主要包括外部(CRC)和內(nèi)部(卷積)編碼。接收部分的實施還另外涉及一個信道估計器和一個定制的Viterbi解碼器，因而要占用更多的資源�；鶐K通過處理器局部總線(PLB)接口與處理器系統(tǒng)相連接。
圖4：基帶模塊的接受(頂部)和傳輸鏈。 眾所周知，可編程邏輯比軟件更難調(diào)試，不過配置有集成邏輯分析器和總線分析器的ChipScopeTM Pro工具將能在調(diào)試期間為我們助上一臂之力。事實證明該邏輯分析器非常有用，因其可同時獲取突發(fā)COMM和到達時間樣本，從而為MATLAB模擬器提供真實環(huán)境下的數(shù)據(jù)。而總線分析器則有助于調(diào)試一些與基帶模塊PLB接口有關(guān)的問題。 處理器系統(tǒng) 處理器系統(tǒng)可通過Xilinx Platform Studio(XPS)設(shè)計工具中的基礎(chǔ)系統(tǒng)構(gòu)建器(Base System Builder)向?qū)Ъ右陨桑@可使我們獲得一個完美的起始工作系統(tǒng)。隨后，我們逐步修改基本系統(tǒng)，以獲得圖1所示FPGA部分的系統(tǒng)。這些修改工作此外還涉及轉(zhuǎn)換到差分時鐘輸入并將基帶模塊連接至PLB。 該軟件應(yīng)用運行在Xilkernel頂部的嵌入式 MicroBlaze處理器中，Xilkernel是一種非常適用于小型應(yīng)用的最小實時操作系統(tǒng)。該應(yīng)用可分為同時運行的三個線程：UWB線程管理基帶模塊的配置和運行；在系統(tǒng)處于數(shù)據(jù)傳輸模式時，應(yīng)用線程負責獲取并播放音頻內(nèi)容； RS232線程負責與運行演示圖形用戶界面的外部PC進行通信。 由于XPS使用的GNU開發(fā)鏈在其他一些平臺上也可應(yīng)用，我們可以很方便地在主機PC(如使用Cygwin環(huán)境)上，而非在嵌入式目標上編譯并測試與硬件無關(guān)的代碼模塊。這樣一來，調(diào)試工作就變得非常容易了。只有最終的測試工作需要在嵌入式目標上完成，而采用如GDB之類的源代碼級調(diào)試器會受益頗多。賽靈思的應(yīng)用指南《XAPP1037》為我們提供了許多有用的軟件調(diào)試技巧。 該系統(tǒng)當初預(yù)計的距離范圍在25至30米之間，但受一些存在于UWB ASIC中的硬件問題的限制，目前的標稱距離僅為3米。不過，我們還是能夠同時展示該系統(tǒng)強大的通信和測距功能，而這些功能就是該項目的成功之處。 將來可能還要重新設(shè)計UWB ASIC以增加系統(tǒng)的操作距離并實施多點定位功能，將測距系統(tǒng)發(fā)展為真正的室內(nèi)定位系統(tǒng)。 如欲了解更多信息，敬請訪問：http://www.imst.deldelforschung_pul.php；或發(fā)郵件至：luediger@imst.de。 雙向測距解說 在脈沖無線電UWB系統(tǒng)中應(yīng)用的雙向測距技術(shù)應(yīng)用中，節(jié)點A和節(jié)點B之間的距離是通過下列技術(shù)確定的(見圖)：節(jié)點A向節(jié)點B發(fā)送測距請求，并啟動高分辨率時鐘(3.84GHz)；節(jié)點B在信號傳輸延遲prop后收到測距請求，該延遲與節(jié)點A和B之間的距離成正比；節(jié)點B在已知的處理延遲proc后將測距答復(fù)發(fā)送回節(jié)點A。 在收到測距答復(fù)后，節(jié)點A在時間rtt停止時鐘。隨后，即可根據(jù)下面公式：
計算出單程信號傳輸延遲，再乘以光速后，就得到了A和B之間的距離。 3.84GHz時鐘的260皮秒時間分辨率為可實現(xiàn)大約8厘米的空間分辨率。不過，由于無線信號在兩個節(jié)點之間被傳輸了兩次，因而可以4cm的分辨率確定距離。 在知道自身與三個非共線參考節(jié)點的距離之后，移動節(jié)點可計算出其2D位置。而使用4個非共面的參考節(jié)點，甚至可確定出其3D位置。 作者：森海塞爾電氣股份公司研發(fā)工程師Guy Eschemann，Guy.Eschemann@gmai.com；IMST GmbH項目經(jīng)理Heinz Ludiger，Luediger@imst.de；IMST GmbH資深科學家Birgit Kull，Kull@imst.de |
