中心論題：
- SAW技術(shù)簡(jiǎn)介
- 聲表面波傳感器標簽的識別原理
- 收發(fā)器的系統實(shí)現
解決方案：
- 本 振
- 脈沖的擴展
- 天線(xiàn)、GaAs射頻開(kāi)關(guān)、發(fā)射和接收
- 脈沖壓縮
- A/D采樣與DSP數據處理
SAW技術(shù)簡(jiǎn)介
聲表面波SAW(Surface Acoustic Wave)是英國物理學(xué)家瑞利在19世紀80年代研究地震波的過(guò)程中偶爾發(fā)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(fā)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(shù)的關(guān)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-digital Transducer)的發(fā)明，大大加速了聲表面波技術(shù)的發(fā)展，相繼出現了許多各具特色的聲表面波器件，使這門(mén)年輕的學(xué)科逐步發(fā)展成為一門(mén)新興的?聲學(xué)和電子學(xué)相結合的邊緣學(xué)科。
SAW最早的應用是在廣播、電視領(lǐng)域作頻率穩定的濾波器之用?，F在聲表面波技術(shù)的應用已涉及到許多學(xué)科領(lǐng)域，如地震學(xué)、天文學(xué)、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(wú)損檢測等。
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(xiàn)接收到高頻(915MHz中心頻率)激勵后經(jīng)過(guò)叉指換能器IDT(interdigital transducer)將電磁波轉化成聲表面波，然后經(jīng)過(guò)一系列反射器(可編程，包含了識別碼)反射回來(lái)，再經(jīng)叉指換能器轉化成電磁波經(jīng)天線(xiàn)發(fā)射出去，完成反射過(guò)程。
收發(fā)器的系統實(shí)現
a.大時(shí)寬帶寬乘積信號
匹配濾波器理論指導下提出的線(xiàn)性調頻脈沖壓縮技術(shù)，是在寬脈沖內附加線(xiàn)性調頻已擴展信號的頻帶，從而提供了一種時(shí)寬和帶寬乘積大于1的信號，稱(chēng)為大時(shí)寬帶寬乘積信號。
線(xiàn)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(shí)具有可選擇的“時(shí)寬帶寬積”，普通脈沖信號是單一載頻信號，它的時(shí)寬帶寬積是固定的，大約等于1。而線(xiàn)性調頻脈沖信號的時(shí)寬和帶寬都可以做得很寬，使得時(shí)寬帶寬積可以做得很大。
大時(shí)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(shí)得到提高，有利于克服峰值功率限制，充分利用發(fā)射設備的平均功率，提高信號的能量，有利于增強系統的抗干擾能力。對有源噪聲干擾來(lái)說(shuō)，由于信號的帶寬很大，迫使干擾及發(fā)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(fā)過(guò)程中會(huì )產(chǎn)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。
b.系統方框圖
根據系統指標要求，筆者設計的某識別系統的接收器和發(fā)送器實(shí)現框圖分別如圖2、圖3所示。
c.系統各部分介紹
本 振:750MHz及165MHz本振通過(guò)鎖相環(huán)產(chǎn)生，穩定度在10-7量級，作為激勵傳感器的發(fā)射信號和檢測回波信號時(shí)延的基準在系統中起著(zhù)重要作用。
脈沖的擴展:165MHz的本振脈沖，經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)截取0.1μs寬度的脈沖，經(jīng)放大?帶通濾波后，得到一個(gè)鐘形脈沖，送到SAW擴展器。SAW擴展器的激勵脈沖可以是一個(gè)寬度小于8ns的窄脈沖，也可以是一個(gè)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(fā)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(shí)間上的差異，得到了一組頻率按線(xiàn)性變化的展寬電脈沖。
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(shí)間為1μs的負斜率線(xiàn)性調頻脈沖。
天線(xiàn):從SAW擴展器輸出的線(xiàn)性調頻脈沖經(jīng)過(guò)放大濾波后，由天線(xiàn)發(fā)射出去。
GaAs射頻開(kāi)關(guān):發(fā)射天線(xiàn)與接收天線(xiàn)共用，需要一轉換開(kāi)關(guān)?；夭ㄐ盘柕奈⑷跻笙到y接收機本地噪聲信號必須很小，因此，要求開(kāi)關(guān)應有很高的隔離度(通斷比)，否則，本機振蕩信號會(huì )竄入接收機而淹沒(méi)有用信號。由于系統頻率高達915MHz，普通的模擬開(kāi)關(guān)無(wú)法滿(mǎn)足隔離度的要求。本系統采用了GaAs射頻開(kāi)關(guān)，這種開(kāi)關(guān)具有較高的隔離度?較低的插損?開(kāi)關(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn)。
發(fā)射和接收:天線(xiàn)具有比較窄的方向角，以盡量避免在識別范圍內同時(shí)出現兩個(gè)識別卡的情形。發(fā)射出的信號若遇到SAW識別卡，會(huì )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。
脈沖壓縮:由天線(xiàn)接收的脈沖信號經(jīng)過(guò)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(lèi)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(jìn)來(lái)后，由于時(shí)間上的差異，使各頻率的信號同時(shí)到達叉指換能器相應的位置而輸出一個(gè)被壓縮的脈沖。脈沖的能量按布喇格函數分布。
通過(guò)使用SAW擴展器和壓縮器，增大了信號的時(shí)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(shí)域上的展寬，充分利用發(fā)射設備的平均功率，提高信號能量，增強了系統的抗干擾能力。
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(jīng)過(guò)A/D采樣后由DSP提取識別卡的信息就完成了識別過(guò)程。
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(fā)器每隔12μs發(fā)射一個(gè)1μs的詢(xún)問(wèn)脈沖。經(jīng)過(guò)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(wú)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(guò)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(chē)車(chē)輛自動(dòng)收費識別系統?路標識別系統?鐵路車(chē)輛車(chē)號識別以及列車(chē)準確?？靠刂频认到y。
