基于脈沖時(shí)域反射的傳輸路徑特性探測

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1、測繪信息網(wǎng)www.othermap.com基于脈沖時(shí)域反射的傳輸路徑特性探測陳小忠12吳海濤1盧曉春1黃寧12(1.中國科學(xué)院國家授時(shí)中心臨潼710600；2.中國科學(xué)院研究生院北京100039)摘要：利用脈沖信號(hào)時(shí)域反射的特征，可以實(shí)現(xiàn)對傳輸路徑特征的探測，但直接測量的分辨率較低。本文引入等效采樣技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了時(shí)間信號(hào)的放大測量，從而獲得了3mm的距離分辨率。在設(shè)計(jì)中，利用射頻三極管來產(chǎn)生脈沖信號(hào)，利用二極管實(shí)現(xiàn)采樣，利用高集成度COMS器件實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理，降低了功耗和系統(tǒng)成本。關(guān)鍵詞：時(shí)域反射等效采樣距離測量1引言脈沖信號(hào)在傳播只導(dǎo)致信號(hào)幅度上的衰減[1]，但傳輸路

2、徑中電導(dǎo)率不連續(xù)將導(dǎo)致脈沖信號(hào)波形的反射。脈沖的該特點(diǎn)，可用于反傳輸路徑特征的測量。通常，人們通過測量發(fā)射脈沖和反射脈沖的時(shí)間間隔來確定不連續(xù)點(diǎn)的距離。高精度的測量需要借助復(fù)雜的、昂貴的高精度時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)。這樣一來，提高了系統(tǒng)的復(fù)雜度，不利于系統(tǒng)集成。并且測量的結(jié)果只能反映反射點(diǎn)的位置，不能反映反射點(diǎn)的反射強(qiáng)度。本文采用等效采樣技術(shù)，不僅實(shí)現(xiàn)了時(shí)間的發(fā)大測試，而且可以配合模擬放大電路，實(shí)現(xiàn)幅度的放大測量。2測量原理脈沖信號(hào)以表面波的形式在波導(dǎo)外表面?zhèn)鬏?，表面波遇到電?dǎo)率不連續(xù)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射，反射系數(shù)由（1）式?jīng)Q定；（1）式中，為反射系數(shù)，Z1為反射面以下部分波

3、導(dǎo)的特征阻抗，Z0為反射面以上部分的特征阻抗。在波導(dǎo)中，Z與成反比，為波導(dǎo)所在介質(zhì)的相對介電常數(shù)。利用這一特征，可以通過測量反射脈沖的幅度來確定波導(dǎo)所在介質(zhì)的介電常數(shù)。表面波在波導(dǎo)中的傳播速度滿足關(guān)系。其中，C為光在真空中的傳播速度，為波導(dǎo)材料的相對介電常數(shù)。UWB脈沖信號(hào)沿波導(dǎo)以速度傳輸?shù)椒瓷涿?，脈沖經(jīng)反射面反射后，又以的速度沿波導(dǎo)反射回發(fā)射點(diǎn)。發(fā)射脈沖和反射脈沖到達(dá)發(fā)射點(diǎn)的時(shí)間間隔為，則有，其中L為發(fā)射面到反射點(diǎn)的距離，為表面波在反射面以上部分波導(dǎo)中的傳輸速度。根據(jù)，可通過對時(shí)間間隔的測量，來實(shí)現(xiàn)對距離的測量。并且時(shí)間間隔的測量精度，決定了距離的測量精度，。假設(shè)，

4、要獲得3mm的測距精度（），，即時(shí)間間隔的測量精度要達(dá)到20ps。精度小于20ps的時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器較為復(fù)雜，也較昂貴，不利于系統(tǒng)集成。3時(shí)間放大技術(shù)考慮到反射面不會(huì)有很大的瞬時(shí)變化，可以采用等效采樣技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)間信號(hào)的放大測量。等效采樣過程如圖1所示，脈沖信號(hào)的重復(fù)頻率（PRFT）設(shè)定為500，002Hz，采樣脈沖的重復(fù)頻率（PRFS）設(shè)定為500，000Hz。發(fā)射脈沖和反射脈沖經(jīng)疊加后，進(jìn)入采樣保持和濾波單元，采樣后的信號(hào)和采樣前的信號(hào)在外形上保持一致，但時(shí)間坐標(biāo)被放大了，具體的時(shí)間放大系數(shù)為：（2）測繪信息網(wǎng)www.othermap.com放大后的時(shí)間測量精度為，

5、與放大前的時(shí)間測量精度的關(guān)系如（3）式所示；（3）要保證（3mm的測距精度），只需保證。如果對時(shí)間放大后的信號(hào)進(jìn)行AD采樣處理，則采樣速率只需為()。為了防止反射脈沖和發(fā)射脈沖的交疊，反射面到發(fā)射點(diǎn)的距離不能過大，最大距離由PRFT決定：（4）在本設(shè)計(jì)中，PRFT=500,000Hz，則。如果要增大測量距離，可以通過減小UWB脈沖的重復(fù)頻率（PRFT）。圖1等效采樣過程圖解4系統(tǒng)架構(gòu)根據(jù)以上的測量原理，可以設(shè)計(jì)出測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，如圖2所示。時(shí)基系統(tǒng)為數(shù)據(jù)處理器提供系統(tǒng)時(shí)鐘（J），為發(fā)射脈沖和采樣脈沖提供具有相對穩(wěn)定的脈沖重復(fù)時(shí)鐘（A和E），J、A和E都可以溯源到同

6、一個(gè)振蕩器上，從而保證整個(gè)測量系統(tǒng)的時(shí)鐘是全同步的。本設(shè)計(jì)中，。發(fā)射脈沖和采樣脈沖都是基于射頻三極管的高斯脈沖[4]。觸發(fā)信號(hào)經(jīng)過微分電路，轉(zhuǎn)變?yōu)楹姓?、?fù)脈沖的信號(hào)，用該信號(hào)來驅(qū)動(dòng)射頻三極管的“開”與“關(guān)”，并通過電容的充、放電形成窄脈沖。如果需要獲得寬度更窄的脈沖，可以采用階躍恢復(fù)二極管SRD來實(shí)現(xiàn)[5][6]。測繪信息網(wǎng)www.othermap.com采樣和保持是利用二極管、電容和電阻來實(shí)現(xiàn)的，發(fā)射脈沖和反射脈沖經(jīng)疊加后，送到二極管的陽極，采樣脈沖接在二極管的陰極。采樣脈沖信號(hào)相對于待采樣脈沖信號(hào)有一個(gè)1V左右的反向直流偏置，以確保待采樣脈沖到來時(shí)，二極管能夠正

7、向?qū)āｋ娙莺碗娮栌糜诒３趾推交蓸有盘?hào)。采樣保持后的信號(hào)經(jīng)過濾波和放大，直接送入AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣。在采樣結(jié)果中搜尋相對峰值點(diǎn)，可以確定發(fā)射脈沖和反射脈沖的位置。根據(jù)兩個(gè)峰值點(diǎn)之間的采樣數(shù)目（N）和采樣速率（f），可以計(jì)算得到經(jīng)時(shí)間放大后的脈沖時(shí)間間隔（），從而得到放大前的脈沖時(shí)間間隔（），繼而得到距離（）。根據(jù)兩個(gè)峰值點(diǎn)的幅值，可以獲得反射系數(shù)，利用（1）式，可以求出反射面以下部分波導(dǎo)的特征阻抗，再利用Z與成反比的關(guān)系，可以確定波導(dǎo)所在介質(zhì)的介電常數(shù)。設(shè)計(jì)中，我們采用12位的ADC，采用200kHz的采樣速率。測試結(jié)果表明，幅度分辨率為0.001