433MHz聲表面波傳感系統(tǒng)信號處理的研究

文博，施龍超，陳素紫，丘葦婷，張連波

（1.北京理工大學珠海學院信息學院，廣東 珠海 518088；2.北京理工大學光電學院，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換元件，在激勵信號的作用下，將感知到的被測物理量調(diào)制到無線電信號。由于無源無線聲表面波傳感器體積小、重量輕、無需電源，同時可以無線連接，所以其廣泛應用于壓力、溫度、扭矩、加速度、流量與氣體測量領域。

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，左側裝置為閱讀器，右側裝置為聲音表面波（SAW）傳感器，其中諧振型溫度傳感器中間的結構為叉指換能器（IDT），兩側布置有反射柵，兩個反射柵構成聲學諧振腔，上下兩端布置有天線用來接收閱讀器發(fā)出的激勵信號。

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

1 閱讀器信號處理系統(tǒng)的設計

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

圖2 閱讀器信號處理系統(tǒng)結構

1.1 信號源

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

1.2 激勵信號發(fā)射模塊

信號源產(chǎn)生的一路基帶信號首先送到鎖相環(huán)進行倍頻（32倍），得到射頻激勵信號（433MHz附近），繼而經(jīng)過一級功放PA1，信號功率放大為10dBm，二級功放PA2將發(fā)射信號放大到30dBm。開關S1可以隔離基帶信號與發(fā)射模塊，一旦二者通路被阻斷，發(fā)射的射頻激勵信號會立即消失，因此可以控制發(fā)射信號的持續(xù)時間。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)射信號處理模塊

1.3 信號接收模塊

信號源產(chǎn)生的另外一路基帶信號首先送到鎖相環(huán)進行倍頻（64倍），得到本振信號，然后與接收到的回波信號進行混頻，再進行中頻放大與低通濾波，準備進行ADC。由于聲表面波傳感器回波信號微弱，信號接收鏈路采用了二級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 接收信號處理模塊

1.4 控制與回波信號處理模塊

控制與回波信號處理模塊實現(xiàn)在Altera Cyclone IV FPGA上，具體結構見圖5所示，包含A/D采樣、FFT預處理、FFT、回波信號頻率估計以及控制與時鐘。該模塊首先將信號接收模塊接收到的回波信號做A/D轉換，然后將采集到的數(shù)據(jù)段做預處理，目的是滿足FFT IP核的輸入時序。接著將數(shù)據(jù)段做FFT處理，并估計出回波信號的頻偏。

圖5 控制與回波信號處理模塊結構

2 系統(tǒng)測試

2.1 發(fā)射信號測試

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

圖6 激勵信號波形圖

激勵信號的時域與頻域如圖7所示，可以看出單音信號的頻率純凈度很好，頻率誤差小于9ppm。

圖7 激勵信號與頻譜

2.2 接收信號FFT與頻率估計

回波信號的測量使用Altera QuartussII軟件中虛擬示波器功能，測量到的回波信號在圖8中可見，其中采樣獲得的回波信號（AD_OUT）在sink_sop與sink_eop之間。FPGA做完FFT之后，會進行頻率估計，當出現(xiàn)index_valid脈沖的時候，說明回波信號頻率已經(jīng)估計完畢。

圖8 接收機回波信號波形圖

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

表1 回波頻率測量與誤差數(shù)據(jù)

3 結語

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域的應用越來越普遍，本文針對此類傳感系統(tǒng)設計并實現(xiàn)了通用的的信號處理系統(tǒng)，包括信號源、發(fā)射信號處理模塊、接收信號處理模塊與控制與回波信號處理模塊。為了使信號處理系統(tǒng)的適應性更靈活，使用可編程邏輯器件進行電路配置、控制以及回波信號處理，最后通過系統(tǒng)測試證實了信號處理系統(tǒng)的可行性。后續(xù)會使用數(shù)字信號處理技術，進一步提升回波信號的頻率測量精度，同時增強微弱信號的檢測能力。