433MHz聲表面波傳感系統(tǒng)信號(hào)處理的研究

文博，施龍超，陳素紫，丘葦婷，張連波

（1.北京理工大學(xué)珠海學(xué)院信息學(xué)院，廣東 珠海 518088；2.北京理工大學(xué)光電學(xué)院，北京 100081）

無源無線聲表面波傳感系統(tǒng)屬于非接觸式測量系統(tǒng)，聲表面波傳感器利用聲表面波器件為轉(zhuǎn)換元件，在激勵(lì)信號(hào)的作用下，將感知到的被測物理量調(diào)制到無線電信號(hào)。由于無源無線聲表面波傳感器體積小、重量輕、無需電源，同時(shí)可以無線連接，所以其廣泛應(yīng)用于壓力、溫度、扭矩、加速度、流量與氣體測量領(lǐng)域。

圖1 聲表面波傳感系統(tǒng)示意圖

圖1為聲表面?zhèn)鞲邢到y(tǒng)示意圖，左側(cè)裝置為閱讀器，右側(cè)裝置為聲音表面波（SAW）傳感器，其中諧振型溫度傳感器中間的結(jié)構(gòu)為叉指換能器（IDT），兩側(cè)布置有反射柵，兩個(gè)反射柵構(gòu)成聲學(xué)諧振腔，上下兩端布置有天線用來接收閱讀器發(fā)出的激勵(lì)信號(hào)。

現(xiàn)以某型工作于433MHz的聲表面波傳感系統(tǒng)閱讀器為例，介紹其信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與系統(tǒng)測試。

1 閱讀器信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

閱讀器信號(hào)處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中包含信號(hào)源、發(fā)射信號(hào)處理模塊、接收信號(hào)處理模塊，以及控制與回波信號(hào)處理模塊。發(fā)射信號(hào)處理模塊主要用于發(fā)射特定的射頻信號(hào)，激勵(lì)聲表面波傳感器產(chǎn)生諧振；接收信號(hào)模塊用于接收聲表面波傳感器諧振后產(chǎn)生的回波信號(hào)；控制與回波處理模塊主要產(chǎn)生控制信號(hào)，同時(shí)測量回波信號(hào)的頻率。

圖2 閱讀器信號(hào)處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 信號(hào)源

信號(hào)源采用AD9850產(chǎn)生兩路低頻基帶信號(hào)，然后經(jīng)過PLL倍頻為發(fā)射激勵(lì)信號(hào)或者接收本振信號(hào)。AD9850內(nèi)部包括可編程DDS系統(tǒng)、高性能DAC及高速比較器，能實(shí)現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成器和時(shí)鐘發(fā)生器。AD9850接上精密時(shí)鐘源，可產(chǎn)生一個(gè)頻譜純凈、頻率和相位都可編程控制的模擬正弦波輸出。

1.2 激勵(lì)信號(hào)發(fā)射模塊

信號(hào)源產(chǎn)生的一路基帶信號(hào)首先送到鎖相環(huán)進(jìn)行倍頻（32倍），得到射頻激勵(lì)信號(hào)（433MHz附近），繼而經(jīng)過一級(jí)功放PA1，信號(hào)功率放大為10dBm，二級(jí)功放PA2將發(fā)射信號(hào)放大到30dBm。開關(guān)S1可以隔離基帶信號(hào)與發(fā)射模塊，一旦二者通路被阻斷，發(fā)射的射頻激勵(lì)信號(hào)會(huì)立即消失，因此可以控制發(fā)射信號(hào)的持續(xù)時(shí)間。其中PA1可以采用單芯片發(fā)射芯片中的內(nèi)置功放，PA2的增益為20dB。如圖3所示。

圖3 發(fā)射信號(hào)處理模塊

1.3 信號(hào)接收模塊

信號(hào)源產(chǎn)生的另外一路基帶信號(hào)首先送到鎖相環(huán)進(jìn)行倍頻（64倍），得到本振信號(hào)，然后與接收到的回波信號(hào)進(jìn)行混頻，再進(jìn)行中頻放大與低通濾波，準(zhǔn)備進(jìn)行ADC。由于聲表面波傳感器回波信號(hào)微弱，信號(hào)接收鏈路采用了二級(jí)LNA放大，其中LNA1的增益為15dB，LNA2的增益在13～48dB之間，可以與AGC功能搭配使用。如圖4所示。

圖4 接收信號(hào)處理模塊

1.4 控制與回波信號(hào)處理模塊

控制與回波信號(hào)處理模塊實(shí)現(xiàn)在Altera Cyclone IV FPGA上，具體結(jié)構(gòu)見圖5所示，包含A/D采樣、FFT預(yù)處理、FFT、回波信號(hào)頻率估計(jì)以及控制與時(shí)鐘。該模塊首先將信號(hào)接收模塊接收到的回波信號(hào)做A/D轉(zhuǎn)換，然后將采集到的數(shù)據(jù)段做預(yù)處理，目的是滿足FFT IP核的輸入時(shí)序。接著將數(shù)據(jù)段做FFT處理，并估計(jì)出回波信號(hào)的頻偏。

圖5 控制與回波信號(hào)處理模塊結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)測試

2.1 發(fā)射信號(hào)測試

測試中使用的激勵(lì)信號(hào)發(fā)射頻率為433MHz，發(fā)射時(shí)序控制見上文，周期為200us，占空比為1/4，使用示波器測量的時(shí)域激勵(lì)信號(hào)波形見圖6所示，滿足了設(shè)計(jì)要求。

圖6 激勵(lì)信號(hào)波形圖

激勵(lì)信號(hào)的時(shí)域與頻域如圖7所示，可以看出單音信號(hào)的頻率純凈度很好，頻率誤差小于9ppm。

圖7 激勵(lì)信號(hào)與頻譜

2.2 接收信號(hào)FFT與頻率估計(jì)

回波信號(hào)的測量使用Altera QuartussII軟件中虛擬示波器功能，測量到的回波信號(hào)在圖8中可見，其中采樣獲得的回波信號(hào)（AD_OUT）在sink_sop與sink_eop之間。FPGA做完FFT之后，會(huì)進(jìn)行頻率估計(jì)，當(dāng)出現(xiàn)index_valid脈沖的時(shí)候，說明回波信號(hào)頻率已經(jīng)估計(jì)完畢。

圖8 接收機(jī)回波信號(hào)波形圖

在回波頻率測試中，產(chǎn)生了433MHz、433.2MHz、433.4MHz、433.6MHz、433.8MHz 與434MHz共六個(gè)頻率的信號(hào)，信號(hào)處理后測量的信號(hào)頻率誤差見表1所示，出現(xiàn)誤差的原因是FFT的頻域分辨率只能達(dá)到8MHz/128，即62.5kHz。

表1 回波頻率測量與誤差數(shù)據(jù)

3 結(jié)語

目前無源無線聲表面波傳感系統(tǒng)在測溫、測壓、測扭矩以及氣體測量領(lǐng)域的應(yīng)用越來越普遍，本文針對(duì)此類傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了通用的的信號(hào)處理系統(tǒng)，包括信號(hào)源、發(fā)射信號(hào)處理模塊、接收信號(hào)處理模塊與控制與回波信號(hào)處理模塊。為了使信號(hào)處理系統(tǒng)的適應(yīng)性更靈活，使用可編程邏輯器件進(jìn)行電路配置、控制以及回波信號(hào)處理，最后通過系統(tǒng)測試證實(shí)了信號(hào)處理系統(tǒng)的可行性。后續(xù)會(huì)使用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，進(jìn)一步提升回波信號(hào)的頻率測量精度，同時(shí)增強(qiáng)微弱信號(hào)的檢測能力。