基于声表面波延迟线的相位解调器设计

郑泽渔,黄 松,陈正林

(1.中国电子科技集团公司第二十六研究所,重庆 400060;2.西北大学 信息科学与技术学院,陕西 西安 710127)

0 引言

物联网 (IoT) 是由嵌入传感器、软件、硬件等设备组成的网络。为了解决能源问题,能量收集和无线电力传输已被应用于延长物联网设备的有限寿命。基于无线电波反向散射的通信被提议用于低功率物联网设备,因其可利用环境中已有的射频信号(如Wi-Fi, LoRa等)通信,而无需物联网设备自身产生高频载波,所以能量需求低且部署成本低[1-9]。在此条件下,现有的反向散射通信系统只具备低功耗的包络检波功能,用于下行通信与同步,严重限制了系统的应用。本文提出了一种基于声表面波延迟线的相位解调器,使低功耗设备具有相位解调的能力。

1 解调器原理

相移键控通过信号的相位信息传输数字信号,而信号的幅度和频率保持不变。以BPSK调制为例,BPSK将载波信号的初始相位调制为0和π以表示0、1信息。解调方框图如图1所示。解调时,BPSK一般采用相干解调法,利用混频器将与BPSK信号同频同相的相干载波和BPSK信号相乘,最后得到载波信号的相位信息。整个解调过程中需要产生相干载波信号并进行载波同步,一般利用锁相环等高功耗器件提取载波并进行相位同步。然而低能量需求和低制造成本的IoT节点不会配置这些器件。典型的反向散射系统一般只有一个简单的检波电路,所以无法进行相位解调。

图1 解调方框图

为了在低功耗设备上实现相位解调,则需将调相转化为调幅信号。恒幅、同频信号可以利用相干干涉将信号的相位变化转化为信号的幅度变化。如图2所示,两信号A1、A2存在相位差Δφ,因此,这两个信号之和的幅度(A)与Δφ有关。

图2 信号合成向量图

假设接收到的BPSK信号为S(t),得到延迟信号为S(t-t1),利用原信号与延迟信号的相对相位差即可实现对BPSK信号的解调。假设接收信号S(t)为

S(t)=e-j[2πft+φ(t)]

(1)

延迟信号S(t-t1)为

S(t-t1)=e-j[2πf(t-t1)+φ(t-t1)]

(2)

相位差为

Δφ=2πft1+φ(t)-φ(t-t1)

(3)

其中:

(4)

和信号的绝对幅度变化不仅受叠加信号间相位差的影响,同时也受延迟时间t1的影响。

对于BPSK调制信号,由于调制符号的相位有0和π两种,当延迟时间t1=1/f(其中f为符号速率)时,不同时刻t(0

A(包络幅度与瞬时信号的幅值变化)与叠加信号S(t)、S(t-τ)的相位差有关。设S(t)和S(t-τ)的相位差Δφ为

Δφ=2πfτ+φ(t)-φ(t-τ)

(5)

式中:2πfτ为延迟带来的固定相位差;φ(t)为t时刻对应符号的相位。

利用相位差使合成信号的幅度变化,并以此判断原始信号的调制相位,如图3所示。由图可看出,以信号S(t)为时间基准,假设延迟时间τ

图3 延迟相加

设S(t)的调制相位为mi∈{ω1,ω2,…,ωn},其调制序列为M={m1,m2,…,mn},则:

1) 当0

2) 当(T-τ)

3) 在T

为实现解调,对于任意mi-mi-1(mi≠mi-1)或mi+1-mi(mi+1≠mi)都必须有不同的Δφ(0<Δφ<π),其对应合成信号的幅度也不同。

根据上述结论对BPSK调制做如下分析:BPSK调制相位为mi∈{0,π},∀|mi-mj|=0或π,即对于任意时刻φ(t)-φ(t-τ)为0或π时,信号S(t)和S(t-τ)存在Δφ1=2πfτ和Δφ2=2πfτ+π(0<Δφ≤π)两种相位差。为了实现最好的解码效果,需使Δφ1=π,Δφ2=0。这两种相位差下的幅度差值最大,解调效果最好,此时τ=1/2f(τ=f/2或τ=1/(2f))。当τ=1/4f(τ=f/4或是τ=1/(4f))时,两相位差相同,不能实现解调。图4为仿真结果。表1为两种相位差下的信号幅度。由表可知,根据幅度与Δφ间的关系即可解调。

图4 仿真结果

表1 两种相位差下的信号幅度

2 延迟线方案

实现解调器设计需要一个能够产生延迟信号的器件,本文采用声表面波(SAW)延迟线实现延迟功能[10]。SAW延迟线由压电基片和在其表面设置的2个IDT组成,如图5所示。图中,IDT1将电信号转换为声波信号,传播路程L,再由IDT2完成声电转换。由于声音信号在介质中的传播速度远小于电磁波的传播速度,由此可以实现时间的延迟,其主要指标如表2所示。

图5 延迟线结构图

表2 延迟线指标

3 解调电路设计

整个解调电路的结构示意图如图6所示。为了减小延迟信号的能量损耗,解调电路采用双接收天线。一路信号通过延迟线产生延迟信号,为了均衡两路信号,使和信号的效果达到最佳,在延迟线的前端接一个功放,用于补偿延迟线对于输入信号的衰减。在其后端接一个两等分功率分配器,用于合并原信号和延迟信号。通过包络检波器提取基带信号,最后利用抽样判决器得到解调信号,实现调相信号的解调。

图6 解调电路结构图

4 实验与结果分析

图7、8是延迟线的测试结果。延迟线在频率2.695～3 GHz内的延迟时间可达到1 μs,延迟时间误差小于11 ns,满足解调所需的延迟时间。理论上,基于延迟线的延迟相加方法可以实现相位调制速率大于500 kHz的解调。

图7 延迟时间

图8 插入损耗

图9是延迟信号与原信号经合路器叠加后的实验测试结果。该实验中发送端采用BPSK对信息1,1,-1,1进行调制,调制速率为500 kHz,延迟线的延迟时间为1 μs。由图可见,解调器的延迟信号与原信号经合路器叠加后的结果符合理论。

图9 原信号与延迟信号叠加的测试结果

5 结束语

本文设计了一种基于声表面波延迟线的相位解调器,延迟线实现了频率2.695～3 GHz内1 μs的延迟时间;在此基础上,设计了一个低功耗的解调电路,实现了对采用BPSK调制的、调制速率为500 kHz和1 MHz的信号的解调。理论上,通过调整延迟线的延迟时间可实现任意速率的调相信号解调。利用信号前后两个符号的相位差可将调相信号转化为调幅信号,接收端无需进行复杂的去载波操作即可实现相位解调。这有望用于低功耗的无线电波反向散射的下行通信,具有良好的应用前景。