Virtex-5推動(dòng)超寬帶通信和測距的發(fā)展

自2002年美國聯(lián)邦通信委員會(huì)授權(quán)可以無執(zhí)照使用超寬帶(UWB)無線電技術(shù)以來，大多數(shù)采用該技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用(如無線USB)，都是基于用于高數(shù)據(jù)速率傳輸?shù)念l域調(diào)制技術(shù)(如OFDM)。UWB這種成熟的技術(shù)還可用于納秒級(jí)的超短脈沖數(shù)據(jù)傳輸。這種被稱為脈沖無線電(IR)的系統(tǒng)可通過調(diào)制諸如位置或者振幅等脈沖參數(shù)來傳輸信息。同時(shí)，通過測量脈沖的傳輸時(shí)間，還可以進(jìn)行精確到厘米的測距。這為物流(包裹跟蹤)、制造、搜救(如與救火隊(duì)員的通信與定位)或智能導(dǎo)游等不同領(lǐng)域內(nèi)的大量新型位置感知應(yīng)用開辟了廣闊的新天地。

圖1：該系統(tǒng)由非定制的賽靈思ML506板與定制的UWB子板連接而成。

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歐洲的PULSERS二期是一項(xiàng)由業(yè)界主導(dǎo)的UWB無線電技術(shù)合作項(xiàng)目，參與的重要行業(yè)和學(xué)術(shù)組織有30家，旨在設(shè)計(jì)和實(shí)施一種可實(shí)現(xiàn)每秒百萬比特的數(shù)據(jù)傳輸速率、測距精度達(dá)4厘米的IR-UWB通信和測距系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一整套相同的自主節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)通信并確定與其之間的距離。每個(gè)節(jié)點(diǎn)由一個(gè)定制UWB子板與一個(gè)現(xiàn)成的賽靈思ML506開發(fā)板上(見圖1)連接而成。Virtex-5 SXT架構(gòu)的卓越性能與MicroBlaze軟處理器的靈活性相得益彰，使得我們?cè)趩蝹�(gè)FPGA內(nèi)即可部署整個(gè)基帶信號(hào)鏈及所有高級(jí)系統(tǒng)層。

圖2：由三個(gè)信標(biāo)槽組成的周期信標(biāo)幀夾雜在跳時(shí)幀之間。

IR-UWB通信和測距

該系統(tǒng)使用支持四種可能的時(shí)間位移(4-PPM)的簡單脈沖定位調(diào)制來傳輸信息，其中每個(gè)脈沖編碼兩個(gè)數(shù)據(jù)位。如圖2所示，脈沖將分組為幀并在預(yù)定義的信標(biāo)幀和跳時(shí)幀組成的柵格中傳輸。每個(gè)信標(biāo)幀包含三個(gè)相同的可讓客戶用來進(jìn)行測距或者通信的信標(biāo)槽。我們?cè)�本�?jì)劃將跳時(shí)幀用于基于跳時(shí)編碼的高數(shù)據(jù)速率傳輸，不過我們將在此后的產(chǎn)品使用該技術(shù)，而現(xiàn)在所有的數(shù)據(jù)傳輸只在信標(biāo)幀中進(jìn)行。

我們現(xiàn)在用雙向測距的方法進(jìn)行測距。雙向測距是通過測量從發(fā)送測距請(qǐng)求到從遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)(見下表)收到回復(fù)的時(shí)間延遲來實(shí)現(xiàn)的。測距請(qǐng)求一般在信標(biāo)槽1中發(fā)送，而測距回復(fù)則一般返回到信標(biāo)槽3中。這給予了遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)一個(gè)完整的信標(biāo)槽間隔(信標(biāo)槽2，大約33微秒)來處理收到的測距請(qǐng)求并計(jì)劃輸回的測距答復(fù)。

表1：UWB通信和測距系統(tǒng)的特性。

系統(tǒng)架構(gòu)

超寬帶子板上帶有脈沖發(fā)射器和非相干接收器ASIC，這是我們專門采用IHP的0.25微米SiGe：C BiCMOS技術(shù)為該項(xiàng)目設(shè)計(jì)的。

如圖3所示，用來產(chǎn)生UWB脈沖的發(fā)射器ASIC能夠?qū)λ�產(chǎn)生脈沖的振幅和位置進(jìn)行調(diào)制。其包括的3.84GHz計(jì)數(shù)器可以精確地計(jì)劃輸出脈沖的傳輸時(shí)間并測量所接收脈沖的到達(dá)時(shí)間。

圖3：UWB脈沖由7.68GHz的載波和高斯包絡(luò)構(gòu)成。

接收路徑在接收器ASIC中分為兩支。帶寬相對(duì)較窄(120MHz)的第一個(gè)分支主要用于通信和不太精確的脈沖計(jì)時(shí)，而精確的脈沖計(jì)時(shí)則通過采用全脈沖帶寬(750MHz)的第二個(gè)分支來完成。傳入的脈沖由該分支上的高速比較器來加以探測。其輸出結(jié)果可觸發(fā)運(yùn)行在發(fā)射器ASIC內(nèi)部的3.84GHz計(jì)數(shù)器的讀出。因此，每個(gè)接收到的脈沖到達(dá)時(shí)間可以260皮秒分辨率進(jìn)行測量，也即空間分辨率大約為8厘米。

子板與Virtex-5 FPGA內(nèi)的基帶模塊通過兩條120MHz的數(shù)據(jù)總線進(jìn)行通信。通信(COMM)總線負(fù)責(zé)傳輸ADC樣本，而到達(dá)時(shí)間總線負(fù)責(zé)傳輸與收到的脈沖相關(guān)的高分辨率時(shí)間戳。兩條總線都會(huì)通過XC95144XV CPLD，雖然并非必需，但其仍不失為一個(gè)出色的調(diào)試工具。我們可以設(shè)定CPLD在通往FPGA的總線上輸出一系列偽隨機(jī)數(shù)字。然后我們利用CPLD輸出來調(diào)節(jié)FPGA的輸入時(shí)序并驗(yàn)證總線線路的完整性。如果在不了解傳輸數(shù)據(jù)序列的前提下驗(yàn)證總線線路將會(huì)非常困難。

在FPGA內(nèi)部，基帶模塊(見圖4)同時(shí)負(fù)責(zé)對(duì)發(fā)出的脈沖進(jìn)行編碼并解碼收到的脈沖。而基帶模塊的傳輸相對(duì)簡單，主要包括外部(CRC)和內(nèi)部(卷積)編碼。接收部分的實(shí)施還另外涉及一個(gè)信道估計(jì)器和一個(gè)定制的Viterbi解碼器，因而要占用更多的資源�；鶐�模塊通過處理器局部總線(PLB)接口與處理器系統(tǒng)相連接。

圖4：基帶模塊的接受(頂部)和傳輸鏈。

眾所周知，可編程邏輯比軟件更難調(diào)試，不過配置有集成邏輯分析器和總線分析器的ChipScopeTM Pro工具將能在調(diào)試期間為我們助上一臂之力。事實(shí)證明該邏輯分析器非常有用，因其可同時(shí)獲取突發(fā)COMM和到達(dá)時(shí)間樣本，從而為MATLAB模擬器提供真實(shí)環(huán)境下的數(shù)據(jù)。而總線分析器則有助于調(diào)試一些與基帶模塊PLB接口有關(guān)的問題。

處理器系統(tǒng)

處理器系統(tǒng)可通過Xilinx Platform Studio(XPS)設(shè)計(jì)工具中的基礎(chǔ)系統(tǒng)構(gòu)建器(Base System Builder)向?qū)Ъ右陨�成，這可使我們獲得一個(gè)完美的起始工作系統(tǒng)。隨后，我們逐步修改基本系統(tǒng)，以獲得圖1所示FPGA部分的系統(tǒng)。這些修改工作此外還涉及轉(zhuǎn)換到差分時(shí)鐘輸入并將基帶模塊連接至PLB。

該軟件應(yīng)用運(yùn)行在Xilkernel頂部的嵌入式MicroBlaze處理器中，Xilkernel是一種非常適用于小型應(yīng)用的最小實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。該應(yīng)用可分為同時(shí)運(yùn)行的三個(gè)線程：UWB線程管理基帶模塊的配置和運(yùn)行；在系統(tǒng)處于數(shù)據(jù)傳輸模式時(shí)，應(yīng)用線程負(fù)責(zé)獲取并播放音頻內(nèi)容；

RS232線程負(fù)責(zé)與運(yùn)行演示圖形用戶界面的外部PC進(jìn)行通信。

由于XPS使用的GNU開發(fā)鏈在其他一些平臺(tái)上也可應(yīng)用，我們可以很方便地在主機(jī)PC(如使用Cygwin環(huán)境)上，而非在嵌入式目標(biāo)上編譯并測試與硬件無關(guān)的代碼模塊。這樣一來，調(diào)試工作就變得非常容易了。只有最終的測試工作需要在嵌入式目標(biāo)上完成，而采用如GDB之類的源代碼級(jí)調(diào)試器會(huì)受益頗多。賽靈思的應(yīng)用指南《XAPP1037》為我們提供了許多有用的軟件調(diào)試技巧。

該系統(tǒng)當(dāng)初預(yù)計(jì)的距離范圍在25至30米之間，但受一些存在于UWB ASIC中的硬件問題的限制，目前的標(biāo)稱距離僅為3米。不過，我們還是能夠同時(shí)展示該系統(tǒng)強(qiáng)大的通信和測距功能，而這些功能就是該項(xiàng)目的成功之處。

將來可能還要重新設(shè)計(jì)UWB ASIC以增加系統(tǒng)的操作距離并實(shí)施多點(diǎn)定位功能，將測距系統(tǒng)發(fā)展為真正的室內(nèi)定位系統(tǒng)。

如欲了解更多信息，敬請(qǐng)?jiān)L問：http://www.imst.deldelforschung_pul.php；或發(fā)郵件至：luediger@imst.de。

雙向測距解說

在脈沖無線電UWB系統(tǒng)中應(yīng)用的雙向測距技術(shù)應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B之間的距離是通過下列技術(shù)確定的(見圖)：節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送測距請(qǐng)求，并啟動(dòng)高分辨率時(shí)鐘(3.84GHz)；節(jié)點(diǎn)B在信號(hào)傳輸延遲prop后收到測距請(qǐng)求，該延遲與節(jié)點(diǎn)A和B之間的距離成正比；節(jié)點(diǎn)B在已知的處理延遲proc后將測距答復(fù)發(fā)送回節(jié)點(diǎn)A。

在收到測距答復(fù)后，節(jié)點(diǎn)A在時(shí)間rtt停止時(shí)鐘。隨后，即可根據(jù)下面公式：

計(jì)算出單程信號(hào)傳輸延遲，再乘以光速后，就得到了A和B之間的距離。

3.84GHz時(shí)鐘的260皮秒時(shí)間分辨率為可實(shí)現(xiàn)大約8厘米的空間分辨率。不過，由于無線信號(hào)在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間被傳輸了兩次，因而可以4cm的分辨率確定距離。

在知道自身與三個(gè)非共線參考節(jié)點(diǎn)的距離之后，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可計(jì)算出其2D位置。而使用4個(gè)非共面的參考節(jié)點(diǎn)，甚至可確定出其3D位置。

作者：Guy Eschemann

森海塞爾電氣股份公司研發(fā)工程師

Guy.Eschemann@gmai.com

Heinz Ludiger

IMST GmbH項(xiàng)目經(jīng)理

Luediger@imst.de

Birgit Kull

IMST GmbH資深科學(xué)家

Kull@imst.de