基于聲表面波器件的無線遠距識別系統方案設計與實現

　　摘要：介紹了一種基于聲表面波器件的無線遠距識別系統的實現。對聲表面波技術及聲表面波傳感器作了簡要的介紹，針對某無線遠距識別系統作了詳細的分析，并給出了測試結果。
　　
　　１、ＳＡＷ技術簡介
　　
　　聲表面波ＳＡＷ（ＳｕｒｆａｃｅＡｃｏｕｓｔｉｃＷａｖｅ）是英國物理學家瑞利在１９世紀８０年代研究地震波的過程中偶爾發現的一種能量集中于地表面傳播的聲波。１９６５年，美國的懷特和沃爾特默在應用物理雜志上發表題為“一種新型聲表面波聲——電轉化器”的論文，取得了聲表面波技術的關鍵性突破，能在壓電材料表面激勵聲表面波的金屬叉指換能器ＩＤＴ（Ｉｎｔｅｒ－ｄｉｇｉｔａｌＴｒａｎｓｄｕｃｅｒ）的發明，大大加速了聲表面波技術的發展，相繼出現了許多各具特色的聲表面波器件，使這門年輕的學科逐步發展成為一門新興的、聲學和電子學相結合的邊緣學科。
　　
　　ＳＡＷzui早的應用是在廣播、電視領域作頻率穩定的濾波器之用。現在聲表面波技術的應用已涉及到許多學科領域，如地震學、天文學、雷達通信及廣播電視中的信號處理、航空航天、石油勘探和無損檢測等。　　
　　２、聲表面波傳感器標簽的識別原理
　　
　　聲表面波傳感器的基本組成如圖１所示。其天線接收到高頻（９１５ＭＨｚ中心頻率）激勵后經過叉指換能器ＩＤＴ（ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）將電磁波轉化成聲表面波，然后經過一系列反射器（可編程，包含了識別碼）反射回來，再經叉指換能器轉化成電磁波經天線發射出去，完成反射過程。　　
　　３、收發器的系統實現
　　
　　３．１大時寬帶寬乘積信號
　　
　　匹配濾波器理論指導下提出的線性調頻脈沖壓縮技術，是在寬脈沖內附加線性調頻已擴展信號的頻帶，從而提供了一種時寬和帶寬乘積大于１的信號，稱為大時寬帶寬乘積信號。
　　
　　線性調頻脈沖具有近似矩形的幅頻特性和近似平方律的相頻特性。同時具有可選擇的“時寬帶寬積”，普通脈沖信號是單一載頻信號，它的時寬帶寬積是固定的，大約等于１。而線性調頻脈沖信號的時寬和帶寬都可以做得很寬，使得時寬帶寬積可以做得很大。
　　
　　大時寬帶寬乘積信號由于應用寬脈沖，系統的多普勒分辨力可同時得到提高，有利于克服峰值功率限制，充分利用發射設備的平均功率，提高信號的能量，有利于增強系統的抗*力。對有源噪聲干擾來說，由于信號的帶寬很大，迫使干擾及發射寬帶噪聲，從而降低了干擾的譜密度。對于回答式干擾，也由于采用了復雜的脈內調制，在信號的延遲、放大、轉發過程中會產生更大的畸變，從而得到一定的抑制。至于消極干擾則由于提高了系統的分辨能力，抗干擾性能也有一定的改善。
　　
　　３．２系統方框圖從圖４可看到展寬器件的情況，高頻部分先到達，得到的是由高頻向低頻變化（１７５ＭＨｚ～１５５ＭＨｚ）的延遲時間為１μｓ的負斜率線性調頻脈沖。
　　
　　根據系統指標要求，筆者設計的某識別系統的接收器和發送器實現框圖分別如圖２、圖３所示。
　　
　　３．３系統各部分介紹
　　
　　（１）本振
　　
　　７５０ＭＨｚ及１６５ＭＨｚ本振通過鎖相環產生，穩定度在１０－７量級，作為激勵傳感器的發射信號和檢測回波信號時延的基準在系統中起著重要作用。
　　
　　（２）脈沖的擴展
　　
　　１６５ＭＨｚ的本振脈沖，經過開關截取０．１μｓ寬度的脈沖，經放大、帶通濾波后，得到一個鐘形脈沖，送到ＳＡＷ擴展器。ＳＡＷ擴展器的激勵脈沖可以是一個寬度小于８ｎｓ的窄脈沖，也可以是一個帶有載波的鐘形脈沖，為了得到較大的功率，在此選用了鐘形脈沖。
　　
　　擴展器的原理圖如圖４所示。主要由壓電晶片（這里采用了ＬｉＴａＯ３晶體）和光刻在其表面上的叉指換能器組成。觸發脈沖輸入換能器后，由逆壓電效應激勵出聲表面波。傳播到輸出換能器后，由壓電效應轉換成與叉指條周期一一對應的電磁波。由于聲表面波到達換能器時間上的差異，得到了一組頻率按線性變化的展寬電脈沖。
　　
　　（３）天線、ＧａＡｓ射頻開關、發射和接收
　　
　　從ＳＡＷ擴展器輸出的線性調頻脈沖經過放大濾波后，由天線發射出去。
　　
　　發射天線與接收天線共用，需要一轉換開關。回波信號的微弱要求系統接收機本地噪聲信號必須很小，因此，要求開關應有很高的隔離度（通斷比），否則，本機振蕩信號會竄入接收機而淹沒有用信號。由于系統頻率高達９１５ＭＨｚ，普通的模擬開關無法滿足隔離度的要求。本系統采用了ＧａＡｓ射頻開關，這種開關具有較高的隔離度、較低的插損、開關速度快等優點。
　　
　　天線具有比較窄的方向角，以盡量避免在識別范圍內同時出現兩個識別卡的情形。發射出的信號若遇到ＳＡＷ識別卡，會反射回一系列脈沖，脈沖的數量和間隔由識別卡本身的結構決定。本系統中使用的是２４／４８位的識別碼。
　　
　　（４）脈沖壓縮
　　
　　由天線接收的脈沖信號經過下變頻、帶通、放大后送到ＳＡＷ壓縮器，壓縮器的原理與擴展器類似，輸出換能器的叉指排列與擴展器的共軛，由低頻向高頻變化（１５５ＭＨｚ～１７５ＭＨｚ）。當展寬脈沖進來后，由于時間上的差異，使各頻率的信號同時到達叉指換能器相應的位置而輸出一個被壓縮的脈沖。脈沖的能量按布喇格函數分布。
　　
　　通過使用ＳＡＷ擴展器和壓縮器，增大了信號的時寬帶寬積，從而獲得了大約１３ｄＢ的處理增益，提高了系統的多普勒分辨力；由于時域上的展寬，充分利用發射設備的平均功率，提高信號能量，增強了系統的抗*力。
　　
　　（５）Ａ／Ｄ采樣與ＤＳＰ數據處理
　　
　　由ＳＡＷ壓縮器輸出的信號包含了ＳＡＷ識別卡的信息，經過Ａ／Ｄ采樣后由ＤＳＰ提取識別卡的信息就完成了識別過程。　　
　　４、測試
　　
　　測試用的識別卡有２４條反射器，可以形成２４位的識別碼，收發器每隔１２μｓ發射一個１μｓ的詢問脈沖。經過識別卡反射回一組編碼脈沖。若對應位為１，則對應反射器反射回波；若為０則不反射。這樣由有無回波脈沖就可以判斷出該位為１或者０。
　　
　　編碼為１的返回脈沖比編碼為０的返回脈沖大２０ｄＢｍ左右，通過信號的處理可以得到很低的誤碼率，可以快速準確地識別目標。
　　
　　聲表面波器件的引入，使系統性能得到了很大的提高。識別距離可以達到２０ｍ，可用于不停車車輛自動收費識別系統、路標識別系統、鐵路車輛車號識別以及列車準確停靠控制等系統。