摘 要： 设计了一种IR-UWB室内定位系统原理样机的射频收发机，发射机将1 ns的窄脉冲调制到4 GHz，接收机使用隧道二极管检波，检波包络通过比较器判决后将信号传给基带进行处理。所设计的系统通过测试，原理验证样机定位精度优于40 cm，达到设计要求。
关键词： IR-UWB室内定位；射频收发机；隧道二极管
无线定位和物体跟踪在现代社会中具有越来越多的应用需求。IR-UWB（脉冲超宽带）技术由于功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点，在众多无线定位技术中脱颖而出，成为无线定位技术的热点。
本文设计了一种低复杂度、低功耗的IR-UWB室内定位系统的射频收发机，标签采用低功耗的脉冲发生器和通信芯片；接收机采用基于隧道二极管的非相干检波方式[1]，降低了系统的复杂度。本文最后给出了PCB测量结果。
1 系统结构以及定位过程描述
根据UWB定位系统所要实现的功能，本系统采用多点定位的方式，系统框图如图1所示。定位采用TDOA（到达时间差）方式。该系统由待定位标签（Tag）、传感器和控制台构成。其中传感器位置固定已知，标签在传感器范围内分布，控制台与每个传感器通过网线连接起来，不同传感器之间由时间同步线连接以保证时间同步，系统框架如图1所示。
为降低功耗，标签工作采用睡眠唤醒方式。即定位之前所有标签休眠，每1 s醒来一次。主传感器呼叫待定位标签并与其完成通信，完成通信后，该标签进行定位过程。这种设计大大减小了标签上的功耗。图2展现了系统的内部结构。
控制台发出标签编号通过网线传递给主传感器的基带模块，基带部分的FPGA发送定位命令给通信芯片并开始呼叫待定位标签。睡眠标签每秒自动唤醒一次，完成握手通信，若无法完成握手通信，则更换主传感器。通信完成之后开始进行定位过程。
2 各模块具体实现
2.1 标签部分
针对室内定位系统中的实际需求，标签采用电池供电，这对标签的小型化和低功耗提出了要求。本设计的标签和传感器通信采用低功耗通信芯片CC2510实现[2]。
TI公司的CC2510芯片是一种低成本的无线片上系统，芯片中主要集成了一个标准的8051MCU和一个无线收发模块CC2500芯片，整个芯片面积只有6 mm×6 mm，适用于对体积有限制的场合。芯片工作在2.4 GHz免费频段上，接收和发射信号时的电流分别为17.1 mA和18.5 mA，休眠时的电流只有0.5 μA。
标签由CC2510芯片、IR-UWB脉冲发生器、功率放大器（PA）三部分组成。CC2510和PA都处于常态休眠状态以降低功耗。被传感器呼叫唤醒并成功握手通信后，CC2510发送使能信号控制PA进入工作状态并发送周期为2 μs的方波给脉冲发生器。
脉冲发生器使用实验室设计的一款芯片[3]，芯片中窄脉冲产生部分结构如图4所示。
该传感器中隧道二极管工作在零偏压检波状态，检波增益高，电路结构简单。
在对超宽带信号进行检波时，由于检波输入信号和输出包络均为纳秒、亚纳秒量级，因此要求检波器工作在上吉赫兹的带宽上，检波电容在皮法量级，为提高接收机性能，也要求检波器具有较高的检波效率和灵敏度。
隧道二极管检波器（Backward tunnel diode detector）是一种适合于极窄脉冲检波的二极管检波器，它的反向导通能力远大于正向，而且没有阈值，因此无需偏置就可以实现高效率的检波。图7是一个隧道二极管检波器的典型电路，电感在输入端作为高频负载，信号经过隧道二极管整流后在输出端进行RC滤波，在小信号检波时符合平方率检波。
VGA放大后的信号经过比较器判决和脉冲展宽之后在基带部分的FPGA中用延迟锁相环进行锁相。
验证系统定位精度要求优于40 cm，即时间分辨率1.3 ns，需要750 MHz的等效时钟。系统采用30 MHz的时钟作为同步时钟，由于FPGA的DCM资源限制（一块FPGA 8个DCM），验证系统采用2块FPGA（16个DCM）构成32相DLL，等效采样时钟为960 MHz。图10是用逻辑分析仪测量的FPGA输出，从图中可以看到，FPGA每2 μs检测到一次信号，与脉冲发送速度相吻合。
图11中显示的是锁相环对信号进行锁相的结果，0E表示第14路锁相环最先锁定脉冲信号，FPGA输出5位数据01110，并将数据通过网线传递给控制台进行定位计算。
本文设计了一种IR-UWB室内定位系统的射频收发机，标签采用睡眠唤醒来降低功耗；传感器上采用了隧道二极管检波的非相关检波方式，大大降低了系统实现的难度。经过测试证明在室内环境下，能够为实现小型化、低功耗定位系统提供原理验证样机。
参考文献
[1] 王俊，黄志臻，王卫东，等.基于峰值检测的脉冲超宽带信号接收方法[J].中国科学技术大学学报，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）.