DSP在無線傳感系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　1. 引言

　　在現(xiàn)代信息社會(huì)中，目標(biāo)辨識(shí)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。例如超市中貨物的識(shí)別、圖書館中書刊的識(shí)別、銀行磁卡等都是目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)用的實(shí)例。尤其是近年來，自動(dòng)識(shí)別方法在許多服務(wù)領(lǐng)域、在貨物銷售與后勤分配方面、在商業(yè)部門、在生產(chǎn)企業(yè)和材料流通領(lǐng)域、在智能交通管理等方面得到了快速的普及和推廣。

　　在幾年前，條形碼——紙帶在識(shí)別系統(tǒng)領(lǐng)域引起了一場革命并得到了廣泛的認(rèn)同與應(yīng)用。但是隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，這種技術(shù)在越來越多的情況下不能滿足人們的需求了。條形碼雖然便宜，但它的不足之處在于存儲(chǔ)能力小以及不能改寫。目前，另一種廣泛使用的技術(shù)是接觸式IC卡（電話IC卡、銀行卡），它是將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一塊硅芯片里。然而，在許多情況下，機(jī)械觸點(diǎn)的接通是不可靠的。特別是對于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)或不可觸及的目標(biāo)更顯得無能為力。于是研究更好的目標(biāo)識(shí)別技術(shù)尤其是非接觸識(shí)別技術(shù)，有了它深刻的現(xiàn)實(shí)意義。

　　近年來，非接觸識(shí)別已經(jīng)逐步發(fā)展成為一個(gè)獨(dú)立的跨學(xué)科的專業(yè)領(lǐng)域。這個(gè)專業(yè)領(lǐng)域與任何傳統(tǒng)學(xué)科都不相同。它將大量來自完全不同專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)綜合到一起：如高頻技術(shù)、電磁兼容性、半導(dǎo)體技術(shù)、數(shù)據(jù)保護(hù)和密碼學(xué)、電信、制造技術(shù)和許多專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。基于聲表面波技術(shù)的辨識(shí)標(biāo)簽由于具有無線、無源、抗干擾能力強(qiáng)與傳輸距離長等特點(diǎn)，成為當(dāng)前非接觸識(shí)別技術(shù)中很有特色的一種，具有廣泛的市場前景。

　　在無線電傳感系統(tǒng)需要對射頻頻帶寬度的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這就要求系統(tǒng)。自從大規(guī)模集成技術(shù)的得到廣泛應(yīng)用以來，數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)在功能、處理速度和處理能力方面都取得了劃時(shí)代的突破 ,并廣泛應(yīng)用在數(shù)據(jù)通信、信號(hào)處理等技術(shù)領(lǐng)域中 ,展示了其獨(dú)特的應(yīng)用潛力。

　　本文討論的無線傳感裝置就是采用了定點(diǎn)DSP芯片TMS320C6201進(jìn)行計(jì)算和控制，具有高速的數(shù)字運(yùn)算能力和高速的數(shù)據(jù)通信能力。

　　2. 工作原理

　　聲表面波無源辨識(shí)標(biāo)簽主要由壓電基片、叉指換能器、天線和反射極組成。辨識(shí)標(biāo)簽工作原理如圖1所示。通過帶主動(dòng)式天線的射頻信號(hào)發(fā)射出高頻脈沖信號(hào)后，辨識(shí)標(biāo)簽傳感器經(jīng)由其天線接收，該信號(hào)傳至叉指換能器，由于基片的逆壓電效應(yīng)，換能器激發(fā)出同頻的SAW，該SAW沿基片表面?zhèn)鞑?，到達(dá)一系列緊密排列編碼的反射柵后，部分能量得以反射回叉指換能器，通過基片的壓電效應(yīng)再次轉(zhuǎn)變成電磁波由天線發(fā)射回來，接收系統(tǒng)即可得到一系列編碼的高頻回波信號(hào)（如圖2所示），由收發(fā)單元接收和信號(hào)處理后以辨識(shí)不同的目標(biāo)。

　　聲表面波標(biāo)簽傳感器的反射極可看作是條形碼般的編碼裝置，如在反射極區(qū)域能布置32條標(biāo)簽條，則回波信號(hào)可得到232個(gè)狀態(tài)，可分別表示不同編號(hào)的車輛、集裝箱、工件、人或動(dòng)物等目標(biāo)以供識(shí)別。

　　為提高辨識(shí)目標(biāo)的種類，在大容量的反射柵的情況下，降低辨識(shí)標(biāo)簽的插入損耗，提高反射信號(hào)的能量，從而提高無線接收信號(hào)的信噪比是實(shí)用化的關(guān)鍵。

　　3. 硬件結(jié)構(gòu)

　　此硬件設(shè)計(jì)采用了軟件無線電的中心思想，即構(gòu)造一個(gè)具有開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺(tái)，將各種功能，如工作頻段、調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等用軟件來完成，并使寬帶A/D和D/A轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線，以研制出具有高度靈活性、開放性的新一代無線通信系統(tǒng)，其組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 聲表面波無線傳感系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　由圖3可見，其結(jié)構(gòu)主要由天線、射頻前端、寬帶A/D-D/A轉(zhuǎn)換器、通用和專用數(shù)字信號(hào)處理器以及各種軟件組成。射頻前端在發(fā)射時(shí)主要完成上變頻、濾波、功率放大等任務(wù)，接收時(shí)實(shí)現(xiàn)濾波、放大、下變頻等功能。模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化后的處理任務(wù)完全由DSP軟件承擔(dān)。

　　天線/射線部分：

　　信號(hào)收發(fā)系統(tǒng)包括高頻發(fā)送電路、高頻接收電路、快速切換開關(guān)、天線和中頻調(diào)制解調(diào)器等。在高頻信號(hào)的發(fā)送和接收電路中常使用的方式有三種：二次變頻式、一次變頻式和直接變頻式。二次變頻式采用兩個(gè)中頻，一個(gè)較高的中頻（第一中頻）用來提高抗干擾性能，而另一個(gè)較低中頻（第二中頻）用來提供大的放大量，高增益和穩(wěn)定性都容易得到保證，但其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜且組合頻率干擾比較嚴(yán)重；直接變頻結(jié)構(gòu)實(shí)際上不使用中頻放大，接收機(jī)直接變換移頻鍵控（FSK）的fc+f與fc-f的頻率成分為數(shù)字輸出比特電流，所有濾波工作都在低頻完成，它易于大規(guī)模集成化，使器件能大幅度小型化，但其內(nèi)部存在不平衡信號(hào)和寄生干擾等問題；一次變頻方式只需一個(gè)本振，因而電路簡單，頻率穩(wěn)定度也較高，但需用一個(gè)中頻同時(shí)實(shí)現(xiàn)高增益與高穩(wěn)定性，與二次變頻方式相比，整機(jī)使用的元器件可減少，便于集成化。本系統(tǒng)同時(shí)考慮系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和調(diào)試方便，采用一次變頻的超外差式電路。系統(tǒng)中頻(IF)選擇為70MHz，系統(tǒng)的射頻(RF)為270MHz。

　　高頻發(fā)送電路主要有高頻振蕩器、緩沖放大器、上行變換器和功率放大器等部分組成，其作用是將一等幅的調(diào)制信號(hào)作為聲表面波標(biāo)簽傳感器的激勵(lì)信號(hào)通過天線發(fā)送出去；高頻接收電路有低噪聲放大器、下行變換器、寬帶增益等，其任務(wù)是將天線感應(yīng)到的聲表面波標(biāo)簽的高頻反射信號(hào)解調(diào)出其正交分量Q和同相分量I。

　　快速切換開關(guān)的作用是讓高頻信號(hào)單向傳輸。在發(fā)送時(shí)，信號(hào)從功率放大器傳向天線，有效地阻止它對接收支路的影響；而從天線過來的接收信號(hào)能有效地傳向接收回路。天線發(fā)射和接收電磁波的能力，與天線結(jié)構(gòu)、尺寸、使用的頻率有關(guān)，從電性能要求來說，要求天線有更大的尺寸，結(jié)構(gòu)上也可以更復(fù)雜一點(diǎn)，收、發(fā)天線宜分開。但從造型、實(shí)用角度看，又要求天線簡單、小巧。這是一對矛盾，往往犧牲電性能，讓天線服從造型的要求。系統(tǒng)可采用簡單的線天線作為信號(hào)的收發(fā)天線。

　　考慮到發(fā)射信號(hào)的功率受固定值的限制，因此，提高接收機(jī)的靈敏度尤為重要。在高頻電路中還應(yīng)包括一些相應(yīng)的匹配電路和濾波器，調(diào)整高頻匹配元件，使其工作于匹配狀態(tài)，使之發(fā)揮最佳效能。

　　數(shù)據(jù)處理部分：

　　雙通道高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是聲表面波自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為識(shí)別系統(tǒng)的前端，用于采集聲表面波標(biāo)簽反射回波并經(jīng)濾波處理后的I、Q兩路信號(hào)。

　　如圖3所示，信號(hào)處理部分采用工作頻率為200MHz的TMS320C6201作為核心。采樣的時(shí)序由FPGA XCS20XL控制完成，主要包括控制天線的發(fā)射/接收開關(guān)切換、在接收傳感器信息時(shí)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換、并將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)到4K