傳感芯片，則我們得到了防碰撞性能為m的采用碼分機(jī)制的SAW無線傳感器。
[0129]2.5閱讀器要求
[0130]由于采用了相關(guān)換能器作為傳感器芯片的換能裝置，閱讀器發(fā)出的詢問脈沖，也必須是編碼脈沖，且能變換編碼來匹配應(yīng)答器。所以閱讀器的發(fā)射端需增加碼生成和調(diào)制部件，如圖10。
[0131]三、采用時(shí)分機(jī)制實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)防碰撞功能的SAW延遲線型無線傳感器
[0132]采用時(shí)分機(jī)制實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)防碰撞功能，已有實(shí)際應(yīng)用，如前述德國艾迪克?萊默克診斷公司(LDIC)架空輸電線溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測的RITHERM無線無源SAW溫度傳感系統(tǒng)。圖6A和圖6B左為其芯片示意，采用了延遲反射型結(jié)構(gòu)，不同芯片上反射柵組，距離輸入叉指換能器距離(起始延遲距離)不同，防碰撞數(shù)僅為5 (圖6A和圖6B)。
[0133]3.1 天線
[0134]如前述，延遲線型傳感芯片的天線可以有兩種方式:收發(fā)共用單天線和收發(fā)分離雙天線形式。
[0135]收發(fā)共用單天線形式，輸入相關(guān)換能器與輸出相關(guān)叉指換能器組的匯流電極連在一起，如圖4所示。由于共用天線，除輸出相關(guān)換能器組產(chǎn)生的主電磁回波串外，由于輸出相關(guān)換能器反射回來并被輸入換能器再轉(zhuǎn)換的二次電磁回波串也會(huì)附加在上述主電磁回波串后。如果輸出相關(guān)換能器組較長，主回波后部會(huì)和二次回波前部疊加，形成明顯干擾。當(dāng)然，二次回波幅度比主回波小許多，干擾效應(yīng)影響不大。
[0136]收發(fā)分離天線雙天線形式，輸入換能器與輸出相關(guān)換能器組的匯流電極不連在一起，各自接一天線，如圖5所示。這克服了上述收發(fā)共用天線形式的不足，但付出了成本代價(jià)。
[0137]3.2采用巴克碼相關(guān)換能器作為輸出換能器
[0138]采用偽隨機(jī)編碼的相關(guān)換能器代替常用均勻叉指換能器作為聲表面波延遲線型無線傳感器應(yīng)答器芯片的輸出叉指換能器，是一種擴(kuò)頻通信中匹配相關(guān)接收技術(shù)應(yīng)用。
[0139]3.2.1擴(kuò)頻通信
[0140]閱讀器接收應(yīng)答器傳感回波，實(shí)質(zhì)就是一種單向模擬信息通信應(yīng)用。信息傳輸?shù)目煽啃裕峭ㄐ偶夹g(shù)的基本問題，是指通信系統(tǒng)可靠地傳輸信息的能力，可用整個(gè)系統(tǒng)的輸出信噪比來衡量的，取決于通信系統(tǒng)的抗干擾能力。
[0141]信息理論中的香農(nóng)信道容量公式明確表明，信道中傳輸系統(tǒng)的信噪比下降時(shí)，可以用增加系統(tǒng)傳輸帶寬的辦法來保持系統(tǒng)無差錯(cuò)傳輸信息能力，由此催生了擴(kuò)頻通信技術(shù)。
[0142]擴(kuò)頻通信，即擴(kuò)展頻譜通信，是圍繞提高信息傳輸可靠性而提出的一種有別于常規(guī)通信系統(tǒng)的新技術(shù)。它將待傳輸信息信號(hào)的頻譜用某個(gè)特定的擴(kuò)頻函數(shù)(與待傳輸?shù)男畔⑿盘?hào)無關(guān))擴(kuò)展頻譜后成為寬頻帶信號(hào)，然后送入信道中傳輸；在接收端再利用相應(yīng)的技術(shù)將擴(kuò)展了的頻譜進(jìn)行壓縮，恢復(fù)為原來待傳輸信息信號(hào)的帶寬，從而達(dá)到傳輸信息目的。它有兩個(gè)特點(diǎn):
[0143].傳輸信號(hào)的帶寬遠(yuǎn)大于被傳輸?shù)脑夹畔⑿盘?hào)的帶寬；
[0144]?傳輸信號(hào)的帶寬主要由擴(kuò)頻函數(shù)決定，此擴(kuò)頻函數(shù)通常為偽隨機(jī)編碼信號(hào)。
[0145]3.2.2偽隨機(jī)碼
[0146]香農(nóng)指出，在高斯白噪聲干擾情況下，在平均功率受限信道中，實(shí)現(xiàn)有效和可靠通信的最佳信號(hào)是具有白噪聲統(tǒng)計(jì)特性的信號(hào)，這是因?yàn)榘自肼曅盘?hào)具有理想的S函數(shù)自相關(guān)特性。
[0147]偽隨機(jī)碼(pseudorandom code)又稱偽噪聲碼(pseudo noise code)，簡稱 PN碼，是一種工程上能實(shí)現(xiàn)的具有類似白噪聲特性的碼。
[0148]大多數(shù)偽隨機(jī)碼是長周期碼，在通信和雷達(dá)中廣泛應(yīng)用，具有優(yōu)良的抗干擾性能。作為傳感器芯片應(yīng)用，碼長越短越好，巴克碼是優(yōu)選。
[0149]3.2.3 巴克碼
[0150]巴克碼(Barker code)是一種非周期碼，它具有優(yōu)秀的自相關(guān)特性:自相關(guān)函數(shù)峰高等于碼長，而旁瓣絕對(duì)值不大于I。表明巴克碼是一個(gè)非周期偽隨機(jī)碼。
[0151]目前已知的巴克碼只有區(qū)區(qū)九種，且長度短，最長已知為十三位。用nHxxx表示碼長η的巴克碼(十六進(jìn)制)如下:
[0152]2H0，2H1，3H1，4H01，4H02，5H02，7H0D，I1H0ED，13H00CA。
[0153]作為通信碼，要求其平衡值(碼元對(duì)稱性，即不同碼值碼元數(shù)目的差)要小，以及旁瓣比值低，較實(shí)用的巴克碼為3H1，7H0D，11H0ED。
[0154]3.2.4巴克碼相關(guān)換能器
[0155]以七位巴克碼HOD = (0001101)為例，該巴克碼平衡值僅為I。其自相關(guān)函數(shù)如圖11所示，相關(guān)峰高7，底部寬度為一個(gè)碼元；自相關(guān)函數(shù)的旁瓣絕對(duì)高度為1，即為主峰的七分之一。
[0156]采用七位巴克碼極性調(diào)制編碼的相關(guān)換能器，如圖7所示，其碼元長為4個(gè)波長。
[0157]3.2.5巴克碼相關(guān)換能器輸出
[0158]用巴克碼相關(guān)換能器作為延遲線型傳感器的輸出換能器，在輸入換能器產(chǎn)生的激勵(lì)聲脈沖的作用下，將得到攜帶傳感信息的電磁回波調(diào)制脈沖，如圖12所示。為簡化，認(rèn)為激勵(lì)聲脈沖極窄，未計(jì)入對(duì)輸出調(diào)制脈沖的展寬效應(yīng)。
[0159]3.2.5 優(yōu)點(diǎn)
[0160]通用聲表面波延遲線型無線傳感器，其輸出叉指換能器是均勻叉指換能器。其產(chǎn)生的電磁傳感回波特征就是輸入叉指換能器所產(chǎn)生的聲脈沖的時(shí)延并展寬的仿形重復(fù)。每個(gè)脈沖展寬是由于輸出換能器的長度，致使回波檢測精度下降。
[0161]采用巴克碼相關(guān)換能器作為聲表面波延遲線型傳感芯片的輸出換能器，生成的傳感回波被巴克碼調(diào)制，使信息信號(hào)頻譜展寬，成為擴(kuò)頻通信技術(shù)應(yīng)用，具有擴(kuò)頻通信技術(shù)的所有優(yōu)點(diǎn):
[0162]抗干擾性能好。具有極強(qiáng)的抗人為寬帶干擾、窄帶瞄準(zhǔn)式干擾、中繼轉(zhuǎn)發(fā)式干擾等能力；對(duì)多徑干擾不敏感。
[0163]頻譜密度低，對(duì)其他通信系統(tǒng)的干擾小。
[0164]回波相關(guān)解調(diào)后的回波峰窄，有利于提高傳感信息檢測靈敏度。
[0165]3.3芯片布局
[0166]除輸入叉指換能器外，由芯片上輸出相關(guān)換能器組布局不同，可以有兩種方式:串聯(lián)和并聯(lián)，簡稱為串聯(lián)時(shí)分機(jī)制和并聯(lián)時(shí)分機(jī)制。
[0167]圖6A和圖6B所示的德國艾迪克.萊默克診斷公司(LDIC)架空輸電線溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測的RITHERM無線無源SAW溫度傳感系統(tǒng)芯片，采用串聯(lián)時(shí)分機(jī)制，即不同芯片上的回波產(chǎn)生機(jī)構(gòu)作為整體，沿聲道方向依次排列。由圖6A和圖6B可知，其防碰撞功能為五。
[0168]本發(fā)明采用了巴克碼相關(guān)換能器作為輸出換能器，其長度較通常的均勻換能器要長。這對(duì)采用串聯(lián)時(shí)分機(jī)制芯片是不利的:大大減小了時(shí)基容量。因此不推薦應(yīng)用串聯(lián)時(shí)分輸出換能器布局方式。
[0169]圖12，圖13為并聯(lián)時(shí)分機(jī)制示意，即不同芯片上的輸出相關(guān)換能器組是沿聲道方向交叉排列，因而，不同芯片的回波，在同時(shí)獲取時(shí)，也是交叉顯示的。
[0170]圖12中，由上至下的四列，表示以不同的起始回波延遲時(shí)間區(qū)分的時(shí)分機(jī)制芯片，以1，2，3，…，η表示不同芯片；由圖可知，本例的防碰撞功能η = 9，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可以達(dá)到數(shù)十，甚至一百。
[0171]每個(gè)芯片的輸出換能器組由三個(gè)輸出換能器構(gòu)成，以a，b，c表示，順序排列在芯片表面波聲道上。
[0172]圖12最下圖，表示當(dāng)所有應(yīng)答器同時(shí)被相關(guān)接收時(shí)的回波脈沖顯示，清楚標(biāo)識(shí)出各應(yīng)答器的回依次為 la，2a，3a，…，na ;lb，2b，3b，…，nb ;lc，2c，3c，...，nc0
[0173]圖12為單天線結(jié)構(gòu)，圖13為雙天線結(jié)構(gòu)，其輸出換能器布局是相同的。
[0174]注意，圖11，圖12，和圖13中最下圖與其上的各子圖的內(nèi)容不同，最下圖的橫坐標(biāo)是回波時(shí)域表示，而其上各子圖為芯片輸出換能器組的幾何位置表示，兩者只有對(duì)應(yīng)關(guān)系。
[0175]3.4輸出叉指換能器組設(shè)計(jì)
[0176]延遲線型傳感器的檢測原理是:待測傳感量變化時(shí)，聲表面波回波間距也發(fā)生變化，檢測其變化，就得到待測傳感信息。
[0177]輸入換能器與第一個(gè)輸出換能器的距離，記為L0，表示該芯片的起始回波延遲距離。對(duì)延遲線型結(jié)構(gòu)，實(shí)際起始回波延遲時(shí)間(設(shè)Vs為聲表面波速)為:
[0178]TO = L0/Vs
[0179]一般大于lus，以保證閱讀器抗干擾能力。顯見，比延遲反射型傳感芯片的延遲時(shí)延小了一半，也就是說，要達(dá)到延遲反射型型芯片一樣的抗干擾效果，LO要加長一倍，使得芯片長度增加明顯。
[0180]從理論上說，一個(gè)輸出換能器的回波，就可以獲得傳感信息。但由于:
[0181].應(yīng)答器與閱讀器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，造成起始回波延遲時(shí)間的誤差；
[0182].芯片的溫度特性，會(huì)導(dǎo)致TO的變化；
[0183].芯片制作工藝容差，導(dǎo)致不同批次芯片有差異。
[0184]所以，作為傳感芯片，至少有兩個(gè)輸出叉指換能器構(gòu)成輸出換能器組，起始回波延遲時(shí)間和回波間時(shí)距分別作為應(yīng)答器區(qū)分和傳感信息檢測數(shù)據(jù)。設(shè)LI為兩輸出換能器間距，則回波間時(shí)距為:
[0185]Tl = Ll/Vs
[0186]在一次近似下，認(rèn)為Tl與待傳感信息量s有線性關(guān)系，線性系數(shù)為alpha:
[0187]Tl(s) = Tl (s0) * {1+alp