Virtex-5推动超宽带通信和测距的发展

自2002年美国联邦通信委员会授权可以无执照使用超宽带(UWB) 无线电技术以来，大多数采用该技术的商业应用(如无线USB)，都是基于用于高数据速率传输的频域调制技术(如OFDM)。UWB这种成熟的技术还可用于纳秒级的超短脉冲数据传输。这种被称为脉冲无线电(IR)的系统可通过调制诸如位置或者振幅等脉冲参数来传输信息。同时，通过测量脉冲的传输时间，还可以进行精确到厘米的测距。这为物流(包裹跟踪)、制造、搜救(如与救火队员的通信与定位)或智能导游等不同领域内的大量新型位置感知应用开辟了广阔的新天地。

图1：该系统由非定制的赛灵思ML506板与定制的UWB子板连接而成

欧洲的PULSERS二期是一项由业界主导的UWB无线电技术合作项目，参与的重要行业和学术组织有30家，旨在设计和实施一种可实现每秒百万比特的数据传输速率、测距精度达4厘米的IR-UWB通信和测距系统。该系统由一整套相同的自主节点组成，每个节点都可以与网络中的其他节点通信并确定与其之间的距离。每个节点由一个定制UWB子板与一个现成的赛灵思ML506开发板上(见图1)连接而成。Virtex-5 SXT架构的卓越性能与MicroBlaze软处理器的灵活性相得益彰，使得我们在单个FPGA内即可部署整个基带信号链及所有高级系统层。

图2：由三个信标槽组成的周期信标帧夹杂在跳时帧之间

IR-UWB通信和测距

该系统使用支持四种可能的时间位移(4-PPM)的简单脉冲定位调制来传输信息，其中每个脉冲编码两个数据位。如图2所示，脉冲将分组为帧并在预定义的信标帧和跳时帧组成的栅格中传输。每个信标帧包含三个相同的可让客户用来进行测距或者通信的信标槽。我们原本计划将跳时帧用于基于跳时编码的高数据速率传输，不过我们将在此后的产品使用该技术，而现在所有的数据传输只在信标帧中进行。

我们现在用双向测距的方法进行测距。双向测距是通过测量从发送测距请求到从远程节点(见下表)收到回复的时间延迟来实现的。测距请求一般在信标槽1中发送，而测距回复则一般返回到信标槽3中。这给予了远程节点一个完整的信标槽间隔(信标槽2，大约33微秒)来处理收到的测距请求并计划输回的测距答复。

系统架构

超宽带子板上带有脉冲发射器和非相干接收器ASIC，这是我们专门采用IHP的0.25微米SiGe：C BiCMOS技术为该项目设计的。

如图3所示，用来产生UWB脉冲的发射器ASIC能够对所产生脉冲的振幅和位置进行调制。其包括的3.84GHz计数器可以精确地计划输出脉冲的传输时间并测量所接收脉冲的到达时间。

图3：UWB脉冲由7.68GHz的载波和高斯包络构成

接收路径在接收器ASIC中分为两支。带宽相对较窄(120MHz)的第一个分支主要用于通信和不太精确的脉冲计时，而精确的脉冲计时则通过采用全脉冲带宽 (750MHz)的第二个分支来完成。传入的脉冲由该分支上的高速比较器来加以探测。其输出结果可触发运行在发射器ASIC内部的3.84GHz计数器的读出。因此，每个接收到的脉冲到达时间可以260皮秒分辨率进行测量，也即空间分辨率大约为8厘米。

子板与Virtex-5 FPGA内的基带模块通过两条120MHz的数据总线进行通信。通信(COMM)总线负责传输ADC样本，而到达时间总线负责传输与收到的脉冲相关的高分辨率时间戳。两条总线都会通过XC95144XV CPLD，虽然并非必需，但其仍不失为一个出色的调试工具。我们可以设定CPLD在通往FPGA的总线上输出一系列伪随机数字。然后我们利用CPLD输出来调节FPGA的输入时序并验证总线线路的完整性。如果在不了解传输数据序列的前提下验证总线线路将会非常困难。

在FPGA 内部，基带模块(见图4)同时负责对发出的脉冲进行编码并解码收到的脉冲。而基带模块的传输相对简单，主要包括外部(CRC)和内部(卷积)编码。接收部分的实施还另外涉及一个信道估计器和一个定制的Viterbi解码器，因而要占用更多的资源。基带模块通过处理器局部总线(PLB)接口与处理器系统相连接。

图4：基带模块的接受(顶部)和传输链。

计算出单程信号传输延迟，再乘以光速后，就得到了A和B之间的距离。

3.84GHz时钟的260皮秒时间分辨率为可实现大约8厘米的空间分辨率。不过，由于无线信号在两个节点之间被传输了两次，因而可以4cm的分辨率确定距离。

在知道自身与三个非共线参考节点的距离之后，移动节点可计算出其2D位置。而使用4个非共面的参考节点，甚至可确定出其3D位置。

作者：森海塞尔电气股份公司研发工程师Guy Eschemann，Guy.Eschemann@gmai.com；IMST GmbH项目经理Heinz Ludiger，Luediger@imst.de；IMST GmbH资深科学家Birgit Kull，Kull@imst.de