一種基于無載波脈沖超寬帶技術(shù)的有源定位標簽的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于無載波脈沖超寬帶有源定位標簽的通信裝置，該裝置包括電源控制電路，調(diào)制電路，脈沖發(fā)生器電路和超寬帶印刷天線，其特征在于，所述電源控制電路分別接入調(diào)制電路和脈沖發(fā)生器電路，信號經(jīng)過調(diào)制電路和脈沖發(fā)生器電路形成二階微分高斯脈沖信號輸出，經(jīng)由超寬帶印刷天線發(fā)射出去。本實用新型采用的無載波通信方式大大簡化了整體電路結(jié)構(gòu)，采用脈沖發(fā)生器電路，降低了脈沖的直流分量和低頻分量，提高了脈沖的頻譜利用率，彌補了傳統(tǒng)無載波通信體制中頻譜利用率低的缺陷。
【專利說明】一種基于無載波脈沖超寬帶技術(shù)的有源定位標簽

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及超寬帶無線通信領(lǐng)域，具體涉及一種基于無載波脈沖超寬帶技術(shù) 的有源定位標簽。

【背景技術(shù)】
[0002] 超寬帶技術(shù)是一種采用亞納秒級窄脈沖信號進行數(shù)據(jù)通信的無線基帶傳輸技術(shù)， 由于其具有商速率，低功耗和低成本等優(yōu)點，使其在精確定位、探地雷達、無損檢測等諸多 領(lǐng)域有著光明的應(yīng)用前景。
[0003] 目前超寬帶無線通信的實現(xiàn)方案主要有無載波脈沖方案、單載波DS-CDMA方案和 MB-TFI-0FDM方案。其中后兩種方案頻譜利用率高，系統(tǒng)性能也較穩(wěn)定，但因需要對載波進 行調(diào)制，其電路結(jié)構(gòu)復雜，硬件實現(xiàn)難度較大，實現(xiàn)成本也較高。無載波脈沖方案為UWB通 信的傳統(tǒng)方式，也是目前文獻中介紹得最多的方式，在這種方案中，通信裝置產(chǎn)生基帶窄脈 沖序列，基帶窄脈沖序列直接發(fā)送到空中，而無需對載波進行調(diào)制，其結(jié)構(gòu)簡單，功耗小，定 位精度高，實現(xiàn)成本低，但在FCC關(guān)于UWB通信功率譜的規(guī)定下，頻譜利用率不高。這可以 通過脈沖波形優(yōu)化設(shè)計加以改善。但目前這方面的研究還沒有十分理想的可實用的結(jié)果。
[0004] 因此在無載波脈沖超寬帶通信裝置中，窄脈沖發(fā)生器是其核心部件，它是決定系 統(tǒng)通信質(zhì)量和可行性的重要因素，同時也是研究的重點和難點所在。產(chǎn)生脈沖的方式有多 種，有基于數(shù)字邏輯器件冒險競爭效應(yīng)采用異或門和與門來產(chǎn)生窄脈沖，有利用射頻三極 管結(jié)合微分電路產(chǎn)生窄脈沖，有利用雪崩管的雪崩效應(yīng)產(chǎn)生窄脈沖，也有利用階躍恢復二 極管（SRD)的階躍恢復特性產(chǎn)生高斯窄脈沖。這些器件產(chǎn)生窄脈沖的原理不同，其具體實 現(xiàn)方式也各異，但大多都電路結(jié)構(gòu)復雜，且產(chǎn)生的脈沖在電壓轉(zhuǎn)換率，對稱性等方面有不 足。
[0005] 中國專利號CN1753399A "基于雙載波的超寬帶無線通信方法及其裝置"（東南大 學，畢國光，張在琢等）給出了一種基于載波的無線收發(fā)信機，該信機由十多個模塊構(gòu)成， 其電路實現(xiàn)起來較為復雜。
[0006] 文獻"ULTRAWIDEBAND MONOCYCLE PULSE GENERATOR WITH DUAL RESISTIVE LOADED SHUNT STUBS" (Ma TG，Wu C J, Cheng P K，et al. Ultra-wideband monocycle pulse generator with dual resistive loaded shunt stubs[J]. Microwave and Optical Technology Letters, 2007, 49(2) :459-462.)給出了一種基于 SRD 串聯(lián)結(jié)構(gòu)的一階微分窄 脈沖產(chǎn)生電路。該電路采用雙并聯(lián)枝節(jié)獲得了一階微分的窄脈沖，雙電阻加載使脈沖的振 鈴更小，但脈沖的峰峰值不足600mV，電壓轉(zhuǎn)換率較低。
[0007] 文獻 "NOVEL LOW COST HIGHER ORDER DERIVEA CTIVE GAUSSIAN PULSE GERAT0R CIRCUIT，'（Low Z N, Cheong J H, Law C L. Novel low cost higher order derivative Gaussian pulse generator circuit[C]//Communications Systems, 2004. ICCS2004. The Ninth International Conference on. IEEE, 2004:30-34.)給出了一種基于并聯(lián) SRD 結(jié)構(gòu) 產(chǎn)生高斯窄脈沖，通過5階的帶通濾波器成形，實現(xiàn)了高階微分的高斯脈沖，但是帶通濾波 器成形網(wǎng)絡(luò)增加了電路尺寸，提高了成本。
[0008] 從目前的研究來看，還沒有理想的技術(shù)方案來實現(xiàn)一種結(jié)構(gòu)簡單，且性能良好的 基于無載波脈沖超寬帶有源定位標簽的通信裝置。 實用新型內(nèi)容
[0009] 本實用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種電路結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，性能較好，且 體積小，重量輕的基于無載波脈沖超寬帶有源定位標簽的通信裝置。
[0010] 為解決上述技術(shù)問題，本實用新型采用的技術(shù)方案是，該基于無載波脈沖超寬帶 有源定位標簽的通信裝置包括電源控制電路，調(diào)制電路，脈沖發(fā)生器電路和超寬帶印刷天 線，所述電源控制電路分別接入調(diào)制電路和脈沖發(fā)生器電路，信號經(jīng)過調(diào)制電路和脈沖發(fā) 生器電路形成二階微分高斯脈沖信號輸出，經(jīng)由超寬帶印刷天線發(fā)射出去。
[0011] 與有載波方式相比，無需本振電路的變頻，通信裝置的電路中只有電源控制電路， 調(diào)制電路和脈沖發(fā)生器電路，三個主要模塊，產(chǎn)生的二階微分高斯脈沖（納秒窄脈沖）信號 有豐富高頻分量，可直接由超寬帶印刷天線輻射出去，從而大大簡化了電路結(jié)構(gòu)，體積小， 重量輕，實現(xiàn)起來更加容易。
[0012] 進一步的改進在于，該基于無載波脈沖超寬帶有源定位標簽的通信裝置采用先調(diào) 制后成形的工作方式，所述調(diào)制電路將信號進行調(diào)制之后，接入所述脈沖發(fā)生器電路輸入 端，產(chǎn)生二階微分高斯脈沖信號之后由輸出端輸出，經(jīng)由超寬帶印刷天線發(fā)射出去。
[0013] 進一步的改進在于，該裝置采用先成形后調(diào)制的工作方式，所述脈沖發(fā)生器電路 將信號進行脈沖成形后產(chǎn)生二階微分高斯脈沖信號，接入所述調(diào)制電路輸入端，經(jīng)調(diào)制電 路調(diào)制后，經(jīng)由超寬帶印刷天線發(fā)射出去。
[0014] 無載波脈沖超寬帶和有載波超寬帶方式相比，主要有以下幾方面的優(yōu)點：
[0015] 1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、低功耗、低成本及更小的尺寸。無載波脈沖超寬帶采用納秒甚至 亞納秒的窄脈沖攜帶數(shù)據(jù)信息，極窄的脈沖含有豐富的高頻分量，可直接由天線輻射。有載 波超寬帶體制，發(fā)射時需將基帶數(shù)據(jù)和本地振蕩器混頻，調(diào)制到高頻載波上，經(jīng)上變頻至發(fā) 射頻率發(fā)射。因此，無載波體制和有載波體制相比，無需混頻和本振模塊，降低了系統(tǒng)的復 雜度、成本及功耗，有助于設(shè)備的小型化。
[0016] 2、更寬的帶寬。脈沖所占據(jù)的帶寬主要由脈沖上升沿和下降沿的時間決定，設(shè)計 良好的極窄脈沖，帶寬可達1GHz?2GHz，甚至更寬。在有載波體制中，通常將FCC免授權(quán)的 3. 1GHz?10. 6GHz的頻段分成若干個子帶，每個子帶占據(jù)500MHz的帶寬。在滿足FCC輻射 功率譜密度的前提下，更寬的帶寬意味著更大的功率、更遠的作用距離。另外，基于超寬帶 技術(shù)的高精度實時定位系統(tǒng)，定位精度與帶寬有關(guān)，2GHz的帶寬定位精度可達15cm。
[0017] 無載波超寬帶系統(tǒng)本質(zhì)上屬于基帶傳輸系統(tǒng)，在基帶傳輸系統(tǒng)中，調(diào)制主要是脈 沖在某個時刻的開關(guān)或者位置的改變，脈沖成形的過程本質(zhì)上是將較寬的脈沖壓縮為窄脈 沖。采用先調(diào)制后成形的方式，即時間間隔均勻的時鐘信號經(jīng)調(diào)制電路由數(shù)據(jù)信號控制某 個時刻開關(guān)或位置偏移，然后將調(diào)制好的脈沖在原位置壓縮形成窄脈沖。先成形后調(diào)制的 方式，即先將均勻時間間隔的時鐘信號壓縮成窄脈沖，然后經(jīng)調(diào)制電路由數(shù)據(jù)信息控制脈 沖在某時刻開關(guān)或位置移動。原理上，兩種方式是等價的。
[0018] 無載波系統(tǒng)調(diào)制可通過單片機由軟件控制脈沖在時間軸上的位置移動或開關(guān)，有 載波系統(tǒng)的調(diào)制，本質(zhì)上是頻譜的搬移，需要額外的硬件支撐。
[0019] 進一步的改進在于，所述電源控制電路采用紐扣電池供電，進一步減小了體積，替 換電池也方便。
[0020] 進一步的改進在于，所述調(diào)制電路采用ΤΗ-PPM或PAM或00K調(diào)制。
[0021] 進一步的改進在于，所述脈沖發(fā)生器電路采用基于SRD的二階微分高斯脈沖發(fā)生 器電路，包括由串聯(lián)電容C1與并聯(lián)電阻R1構(gòu)成的微分電路，由并聯(lián)階躍恢復二極管SRD1、 串聯(lián)電容C2、并聯(lián)電阻R2、串聯(lián)階躍恢復二極管SRD2構(gòu)成的窄脈沖發(fā)生電路，由微帶短路 枝節(jié)、串聯(lián)電容C3構(gòu)成的二階微分高斯脈沖成形電路。
[0022] 采用SRD的二階微分高斯脈沖發(fā)生器電路，能夠產(chǎn)生亞納秒級二階微分的脈沖信 號，由于時域上脈沖寬度很窄，在頻域上能夠得到豐富的諧波分量，其功率-10dB帶寬約 5. 6GHz，脈沖的直流分量及低頻分量較小，頻譜利用率高，另外采用平面電路設(shè)計，電路簡 單、體積小易于集成，適合短距離超寬帶無線通信系統(tǒng)。
[0023] 與傳統(tǒng)的高斯脈沖發(fā)生器相比，本實用新型采用的基于SRD的二階微分高斯脈沖 發(fā)生器電路結(jié)構(gòu)更加簡單，更加易于調(diào)試與實現(xiàn)；且產(chǎn)生的亞納秒級、二階微分高斯脈沖信 號，頻譜利用率高，脈沖對稱性好，振鈴??；采用SRD脈沖發(fā)生技術(shù)，通過多次微分，降低了 脈沖的直流分量和低頻分量，提高了脈沖的頻譜利用率，彌補了傳統(tǒng)無載波通信體制中頻 譜利用率低的缺陷。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024] 以下結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本實用新型做進一步的詳細說明。
[0025] 圖1為本實用新型基于ΤΗ-PPM的超寬帶有源標簽的結(jié)構(gòu)框圖；
[0026] 圖2為本實用新型基于ΤΗ-PPM的超寬帶有源標簽的調(diào)制流程圖；
[0027] 圖3為本實用新型基于ΤΗ-PPM的超寬帶有源標簽的電原理圖；
[0028] 圖4為數(shù)據(jù)經(jīng)過ΤΗ-PPM調(diào)制后的脈沖波形測試圖；
[0029] 圖5為本實用新型基于ΤΗ-PPM的超寬帶有源標簽輸出端的脈沖波形測試圖；
[0030] 其中，1-電源控制電路；2-調(diào)制電路；3-脈沖發(fā)生器電路；4-超寬帶印刷天線。

【具體實施方式】
[0031] 整個基于無載波脈沖超寬帶有源定位標簽的通信裝置由電源控制電路1，調(diào)制電 路2,脈沖發(fā)生器電路3和超寬帶印刷天線4構(gòu)成，電源控制電路1分別接入調(diào)制電路2和 脈沖發(fā)生器電路3,信號經(jīng)過調(diào)制電路2和脈沖發(fā)生器電路3形成二階微分高斯脈沖信號 輸出，經(jīng)由超寬帶印刷天線4發(fā)射出去，具體有兩種工作方式，采用先調(diào)制后成形的工作方 式，所述調(diào)制電路將信號進行調(diào)制之后，接入所述脈沖發(fā)生器電路輸入端，產(chǎn)生二階微分高 斯脈沖信號之后由輸出端輸出，經(jīng)由超寬帶印刷天線發(fā)射出去；或者采用先成形后調(diào)制的 工作方式，所述脈沖發(fā)生器電路將信號進行脈沖成形后產(chǎn)生二階微分高斯脈沖信號，接入 所述調(diào)制電路輸入端，經(jīng)調(diào)制電路調(diào)制后，經(jīng)由超寬帶印刷天線發(fā)射出去。
[0032] 如圖1所示的是采用先調(diào)制后成形的工作方式，電源控制電路1采用紐扣電池供 電，調(diào)制電路2采用ΤΗ-PPM (也可以采用PAM或00K調(diào)制）。
[0033] 發(fā)射信號的調(diào)制方式不僅決定了整個系統(tǒng)的可靠性和有效性，也影響了信號的頻 譜特性以及后端接收機的復雜度等。因此為了保證超寬帶無線通信系統(tǒng)的可靠性，必須要 對發(fā)射的超寬帶信號進行適當?shù)?、高效的調(diào)制。
[0034] 超寬帶脈沖信號的調(diào)制方式有多種調(diào)制方式，例如脈沖位置（PPM)方式，但不限 于 PPM 調(diào)制，TH-PPM(Time Topping Pulse Position Modulation)是最常用的超寬帶調(diào)制 方式之一，其在周期脈沖串中引入隨機時移，并用位置的不同代表不同的信息。使離散功率 譜線得到了一定程度的平滑，并隨著TH碼的周期增大，功率譜中的離散譜線將進一步得到 平滑。
[0035] 典型的ΤΗ-PPM調(diào)制信號波形表達式為： ·+〇〇
[0036] ^(0= ~α?ε) J=-tX)
[0037] 其中，整數(shù)值序列 c = (···，cQ, q，…Cj, cj+1，…）、二進制序列 a = (···，aQ, ai，… 8^」+1，?）、Τ。和ε是常量，對所有的c/^+ε <TS，通常ε <T。。
[0038] 本實用新型通過對單片機編程來實現(xiàn)TH-PPM的調(diào)制，程序流程圖如圖2所示。首 先進行程序初始化，定義輸出端口，設(shè)定定時/計數(shù)器的工作模式；接著設(shè)定標簽數(shù)據(jù)信 息、跳時碼序列、碼元時間和PPM偏移量，根據(jù)TH-PPM調(diào)制表達式計算每位數(shù)據(jù)信息的偏移 位置并將其存入到特定的存儲器中；然后從存儲器中讀取數(shù)據(jù)，利用定時/計數(shù)器的定時 功能完成特定時間的延時，當定時器溢出時，在特定的輸出端口輸出一個脈沖。
[0039] 程序經(jīng)過軟件調(diào)試和硬件測試無誤，寫入微控制器以便后續(xù)的脈沖發(fā)生器電路使 用。
[0040] 基于TH-PPM的超寬帶有源標簽的電原理圖如圖3所示，調(diào)制電路2的輸出端接入 脈沖發(fā)生器電路3。脈沖發(fā)生器電路3由微分電路、脈沖發(fā)生電路與脈沖成形電路依次組 成，微分電路由串聯(lián)電容C1與并聯(lián)電阻R1構(gòu)成，電阻R1另一腳接地；微分電路的輸出端接 脈沖發(fā)生電路的輸入端，脈沖發(fā)生電路由并聯(lián)階躍恢復二極管SRD1、串聯(lián)電容C2、并聯(lián)電 阻R2、串聯(lián)階躍恢復二極管SRD2構(gòu)成，SRD1與R2的另一腳均接地；窄脈沖發(fā)生電路輸出端 接脈沖成形電路，脈沖成形電路由微帶短路枝節(jié)、串聯(lián)電容C3構(gòu)成。脈沖成形電路輸出端 接入天線。
[0041] 將整個電路制作在相對介電常數(shù)為4. 2、厚度0. 6mm的FR-4介質(zhì)基片上，整個電路 大小約25mmX 45mm，采用3V紐扣電池做為電源控制電路1對調(diào)制電路2與脈沖發(fā)生器電 路3供電，使用AgilentInfiniiMax90000系列示波器對調(diào)制電路2與脈沖發(fā)生器電路3的 輸出結(jié)果分別進行了時域測量，其結(jié)果如圖4與圖5所示。
[0042] 得到的TH-PPM基帶脈沖序列如圖4所示，每個脈沖的相對位置與理論計算所得有 些誤差，這是由于在實測的過程中，導線的長短對信號的傳輸有一定的延時，這些都是在可 以接受的誤差范圍內(nèi)。
[0043] 圖5所示為脈沖發(fā)生器電路3形成的二階微分高斯脈沖，脈沖峰-峰值約1. 2V， 50%幅度的脈沖寬度約450ps，脈沖的振鈴較低約-17dB，波形對稱性較好。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于無載波脈沖超寬帶技術(shù)的有源定位標簽，該基于無載波脈沖超寬帶技術(shù)的 有源定位標簽包括電源控制電路，調(diào)制電路，脈沖發(fā)生器電路和超寬帶印刷天線，其特征在 于，所述電源控制電路分別接入調(diào)制電路和脈沖發(fā)生器電路，信號經(jīng)過調(diào)制電路和脈沖發(fā) 生器電路形成二階微分高斯脈沖信號輸出，經(jīng)由超寬帶印刷天線發(fā)射出去。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無載波脈沖超寬帶技術(shù)的有源定位標簽，其特征在于， 該基于無載波脈沖超寬帶技術(shù)的有源定位標簽采用先調(diào)制后成形的工作方式，所述調(diào)制電 路將信號進行調(diào)制之后，接入所述脈沖發(fā)生器電路輸入端，產(chǎn)生二階微分高斯脈沖信號之 后由輸出端輸出，經(jīng)由超寬帶印刷天線發(fā)射出去。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無載波脈沖超寬帶技術(shù)的有源定位標簽，其特征在于， 該基于無載波脈沖超寬帶技術(shù)的有源定位標簽采用先成形后調(diào)制的工作方式，所述脈沖發(fā) 生器電路將信號進行脈沖成形后產(chǎn)生二階微分高斯脈沖信號，接入所述調(diào)制電路輸入端， 經(jīng)調(diào)制電路調(diào)制后，經(jīng)由超寬帶印刷天線發(fā)射出去。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無載波脈沖超寬帶技術(shù)的有源定位標簽，其特征在于， 所述電源控制電路采用紐扣電池供電。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2-4任一項所述的基于無載波脈沖超寬帶技術(shù)的有源定位標簽，其特 征在于，所述調(diào)制電路采用ΤΗ-PPM或PAM或00K調(diào)制。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于無載波脈沖超寬帶技術(shù)的有源定位標簽，其特征在于， 所述脈沖發(fā)生器電路采用基于SRD的二階微分高斯脈沖發(fā)生器電路，包括由串聯(lián)電容C1與 并聯(lián)電阻R1構(gòu)成的微分電路，由并聯(lián)階躍恢復二極管SRD1、串聯(lián)電容C2、并聯(lián)電阻R2、串聯(lián) 階躍恢復二極管SRD2構(gòu)成的窄脈沖發(fā)生電路，由微帶短路枝節(jié)、串聯(lián)電容C3構(gòu)成的二階微 分高斯脈沖成形電路。
【文檔編號】H04B1/7163GK203883826SQ201420220175
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年4月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月30日
【發(fā)明者】李冀, 肖巖, 袁子倫, 陳燕林 申請人:鄭州聯(lián)睿電子科技有限公司