433MHz声表面波传感系统信号处理的研究
2018-10-15文博施龙超陈素紫丘苇婷张连波
文博，施龙超，陈素紫，丘苇婷，张连波
（1.北京理工大学珠海学院信息学院，广东 珠海 518088；2.北京理工大学光电学院，北京 100081）
无源无线声表面波传感系统属于非接触式测量系统，声表面波传感器利用声表面波器件为转换元件，在激励信号的作用下，将感知到的被测物理量调制到无线电信号。由于无源无线声表面波传感器体积小、重量轻、无需电源，同时可以无线连接，所以其广泛应用于压力、温度、扭矩、加速度、流量与气体测量领域。
图1 声表面波传感系统示意图
图1为声表面传感系统示意图，左侧装置为阅读器，右侧装置为声音表面波（SAW）传感器，其中谐振型温度传感器中间的结构为叉指换能器（IDT），两侧布置有反射栅，两个反射栅构成声学谐振腔，上下两端布置有天线用来接收阅读器发出的激励信号。
现以某型工作于433MHz的声表面波传感系统阅读器为例，介绍其信号处理系统的设计与系统测试。
1 阅读器信号处理系统的设计
阅读器信号处理系统的结构如图2所示，其中包含信号源、发射信号处理模块、接收信号处理模块，以及控制与回波信号处理模块。发射信号处理模块主要用于发射特定的射频信号，激励声表面波传感器产生谐振；接收信号模块用于接收声表面波传感器谐振后产生的回波信号；控制与回波处理模块主要产生控制信号，同时测量回波信号的频率。
图2 阅读器信号处理系统结构
1.1 信号源
信号源采用AD9850产生两路低频基带信号，然后经过PLL倍频为发射激励信号或者接收本振信号。AD9850内部包括可编程DDS系统、高性能DAC及高速比较器，能实现全数字编程控制的频率合成器和时钟发生器。AD9850接上精密时钟源，可产生一个频谱纯净、频率和相位都可编程控制的模拟正弦波输出。
1.2 激励信号发射模块
信号源产生的一路基带信号首先送到锁相环进行倍频（32倍），得到射频激励信号（433MHz附近），继而经过一级功放PA1，信号功率放大为10dBm，二级功放PA2将发射信号放大到30dBm。开关S1可以隔离基带信号与发射模块，一旦二者通路被阻断，发射的射频激励信号会立即消失，因此可以控制发射信号的持续时间。其中PA1可以采用单芯片发射芯片中的内置功放，PA2的增益为20dB。如图3所示。
图3 发射信号处理模块
1.3 信号接收模块
信号源产生的另外一路基带信号首先送到锁相环进行倍频（64倍），得到本振信号，然后与接收到的回波信号进行混频，再进行中频放大与低通滤波，准备进行ADC。由于声表面波传感器回波信号微弱，信号接收链路采用了二级LNA放大，其中LNA1的增益为15dB，LNA2的增益在13～48dB之间，可以与AGC功能搭配使用。如图4所示。
图4 接收信号处理模块
1.4 控制与回波信号处理模块
控制与回波信号处理模块实现在Altera Cyclone IV FPGA上，具体结构见图5所示，包含A/D采样、FFT预处理、FFT、回波信号频率估计以及控制与时钟。该模块首先将信号接收模块接收到的回波信号做A/D转换，然后将采集到的数据段做预处理，目的是满足FFT IP核的输入时序。接着将数据段做FFT处理，并估计出回波信号的频偏。
图5 控制与回波信号处理模块结构
2 系统测试
2.1 发射信号测试
测试中使用的激励信号发射频率为433MHz，发射时序控制见上文，周期为200us，占空比为1/4，使用示波器测量的时域激励信号波形见图6所示，满足了设计要求。
图6 激励信号波形图
激励信号的时域与频域如图7所示，可以看出单音信号的频率纯净度很好，频率误差小于9ppm。
图7 激励信号与频谱
2.2 接收信号FFT与频率估计
回波信号的测量使用Altera QuartussII软件中虚拟示波器功能，测量到的回波信号在图8中可见，其中采样获得的回波信号（AD_OUT）在sink_sop与sink_eop之间。FPGA做完FFT之后，会进行频率估计，当出现index_valid脉冲的时候，说明回波信号频率已经估计完毕。
图8 接收机回波信号波形图
在回波频率测试中，产生了433MHz、433.2MHz、433.4MHz、433.6MHz、433.8MHz 与434MHz共六个频率的信号，信号处理后测量的信号频率误差见表1所示，出现误差的原因是FFT的频域分辨率只能达到8MHz/128，即62.5kHz。
表1 回波频率测量与误差数据
3 结语
目前无源无线声表面波传感系统在测温、测压、测扭矩以及气体测量领域的应用越来越普遍，本文针对此类传感系统设计并实现了通用的的信号处理系统，包括信号源、发射信号处理模块、接收信号处理模块与控制与回波信号处理模块。为了使信号处理系统的适应性更灵活，使用可编程逻辑器件进行电路配置、控制以及回波信号处理，最后通过系统测试证实了信号处理系统的可行性。后续会使用数字信号处理技术，进一步提升回波信号的频率测量精度，同时增强微弱信号的检测能力。
