超宽带窄脉冲发射芯片及应用系统电路实现

超宽带(Ultra-wideband，UWB)是近年来备受关注的一种全新的无线通信技术，其利用极大带宽、极低功耗的无线信号来传输高速信息。超宽带技术通常利用极窄的脉冲信号(宽度小于1ns)来进行数据传输，脉冲信号的时间分辨率很高，可用于精确的定位应用，精度可达到厘米量级。  

本文利用单片机和自主设计的TH-UWB02超宽带发射芯片实现了一个超宽带窄脉冲发射机电路，能够发送高速率的窄脉冲超宽带脉冲序列，由接收机解调后可以实现高速数据的无线传输，可用于无线数据传输、射频标签等领域。
  
电路设计  

本文介绍的超宽带窄脉冲发射机采用TH-UWB02实现窄脉冲信号的产生和信号调制，工作电压为1.8V时，能够在每个输入数据的上升沿产生脉冲宽度小于0.5ns、峰-峰值高于700mV的超宽带脉冲，脉冲重复频率由输入数据的频率决定，最高可达800Mpps。TH-UWB02芯片的数据输入方式为LVDS信号，在低速时也可以直接以CMOS信号输入。
  
系统的控制芯片采用MSP430F123，该单片机是 16位RISC处理器，由于采用全静态电路设计，在低至1.8V电压供电时，其工作频率可在DC"4MHz之间随意选择，工作状态下每MIPS消耗的电流小于250mA，休眠状态下电流可以减小到0.7mA，而从休眠模式转入工作模式仅需要6ms。该单片机具备8KB的Flash和256B的RAM空间，内置16位计时器、22个GPIO和一个包络检测ADC，另外还有一个通用同步异步串行接口(USART)，可满足复杂的应用设计要求。  

系统中利用了MSP430F123单片机的USART接口(工作在SPI模式)，把数据输出端口直接连接到TH-UWB02的数据输入端口，时钟、片选信号不用。在系统时钟为4MHz时，USART接口输出的数据速率最高为4Mbps，调制产生重复速率4Mpps的窄脉冲信号，脉冲发送间隔时间为250ns，能有效抑制多径信道的码间干扰效应。  

TH-UWB02芯片产生的脉冲为高斯脉冲，其信号频带为DC"1.5GHz，为了满足通过超宽带天线发射的要求，通过采用脉冲整形电路，可以把脉冲进行微分整形，信号频带为500MHz"2.0GHz。设计中，脉冲整形电路采用一个简单的高通滤波器实现。  

图1给出了系统的简化原理图，系统主要由电源、MSP430F123单片机、超宽带发射芯片、简单的滤波整形电路组成。系统采用了单个锂锰纽扣电池供电，锂锰纽扣电池输出电压标称为3.0V，但实际上在使用时间长时电压会有所下降，终止电压一般高于2.0V。  

  
图1 窄脉冲超宽带发射电路的简化原理图  

MSP430F123单片机的工作电压为1.8V"3.6V，因此可以直接由电池供电;TH-UWB02的工作电压是1.3V"2.5V，考虑到其工作电流很小(发射瞬间约为20mA。

技术特色  

本文所设计的超宽带窄脉冲发射机具有以下特色：  

超低功耗  

系统中采用的MSP430F123单片机和超宽带发射芯片均为极低功耗的器件。实际测量结果表明，单片机工作状态下(脉冲发射期间，重复频率1Mpps)，平均功耗仅约为2mW，而休眠状态下几乎不消耗电流。在合适的信息发射速率下，系统可以采用常见的200mAh锂锰纽扣电池供电工作1年以上。  

高定位精度  

脉冲超宽带利用亚ns的窄脉冲信号传递信息，接收机可利用其极高的时间分辨率来精确定位信号源(发射机)。相关研究表明，通过采用较好的定位算法，定位精度可达厘米量级，比普通的无线定位技术定位精度高出一个数量级以上。  

图2给出了重复频率为500Mpps时超宽带发射芯片TH-UWB02的输出波形，图中显示，发射机产生的窄脉冲信号宽度约为500ps。  

  
图2 超宽带窄脉冲信号测试结果  

低功率谱密度  

本系统发射的脉冲信号功率谱密度与脉冲重复频率有关，在脉冲重复频率高达50Mpps时，实际测量的脉冲信号波形和功率谱密度曲线如图3所示。图中Data为输入信号，Vpulse为产生的窄脉冲信号，PSD为窄脉冲信号的功率谱，由图可见，在重复频率为50Mpps时，脉冲的功率谱密度仍然低于-41.3dBm/MHz。由于功率谱密度是信号功率在时域上的平均，在脉冲重复频率更低时，其功率谱密度也相应地减小。  

  
图3 重复频率50Mpps的超宽带窄脉冲信号测试  

结语  

本文介绍的超宽带窄脉冲发射机实现了窄脉冲超宽带信号的产生和调制，具有极低功耗、低功率谱密度、低成本等特点，以及精确定位能力，可用于无线数据传输、射频标签等众多领域，具有重要的应用价值。同时，自主设计生产的TH-UWB02超宽带发射芯片也具有重要的应用价值。下一步的工作目标包括实现相应的接收机和完整的应用系统。