基于脉冲时域反射的传输路径特性探测.doc

测绘信息网基于脉冲时域反射的传输路径特性探测陈小忠1 2 吴海涛 1卢晓春1 黄宁1 2(1.中国科学院国家授时中心 临潼 710600；2.中国科学院研究生院 北京 100039)摘 要：利用脉冲信号时域反射的特征，可以实现对传输路径特征的探测，但直接测量的分辨率较低。本文引入等效采样技术，实现了时间信号的放大测量，从而获得了3mm的距离分辨率。在设计中，利用射频三极管来产生脉冲信号，利用二极管实现采样，利用高集成度coms器件实现信号处理，降低了功耗和系统成本。关键词：时域反射 等效采样 距离测量1 引言脉冲信号在传播只导致信号幅度上的衰减1 ，但传输路径中电导率不连续将导致脉冲信号波形的反射。脉冲的该特点，可用于反传输路径特征的测量。通常，人们通过测量发射脉冲和反射脉冲的时间间隔来确定不连续点的距离。高精度的测量需要借助复杂的、昂贵的高精度时间间隔计数器来实现。这样一来，提高了系统的复杂度，不利于系统集成。并且测量的结果只能反映反射点的位置，不能反映反射点的反射强度。本文采用等效采样技术，不仅实现了时间的发大测试，而且可以配合模拟放大电路，实现幅度的放大测量。2 测量原理脉冲信号以表面波的形式在波导外表面传输，表面波遇到电导率不连续时，会产生反射，反射系数由（1）式决定； （1）式中，为反射系数，z1为反射面以下部分波导的特征阻抗，z0为反射面以上部分的特征阻抗。在波导中，z与成反比，为波导所在介质的相对介电常数。利用这一特征，可以通过测量反射脉冲的幅度来确定波导所在介质的介电常数。表面波在波导中的传播速度满足关系。其中，c为光在真空中的传播速度，为波导材料的相对介电常数。uwb脉冲信号沿波导以速度传输到反射面，脉冲经反射面反射后，又以的速度沿波导反射回发射点。发射脉冲和反射脉冲到达发射点的时间间隔为，则有，其中l为发射面到反射点的距离，为表面波在反射面以上部分波导中的传输速度。根据，可通过对时间间隔的测量，来实现对距离的测量。并且时间间隔的测量精度，决定了距离的测量精度，。假设，要获得3mm的测距精度（），即时间间隔的测量精度要达到20ps。精度小于20ps的时间间隔计数器较为复杂，也较昂贵，不利于系统集成。3 时间放大技术考虑到反射面不会有很大的瞬时变化，可以采用等效采样技术实现时间信号的放大测量。等效采样过程如图1所示，脉冲信号的重复频率（prft）设定为500，002hz，采样脉冲的重复频率（prfs）设定为500，000hz。发射脉冲和反射脉冲经叠加后，进入采样保持和滤波单元，采样后的信号和采样前的信号在外形上保持一致，但时间坐标被放大了，具体的时间放大系数为： （2）放大后的时间测量精度为，与放大前的时间测量精度的关系如（3）式所示； （3）要保证（3mm的测距精度），只需保证。如果对时间放大后的信号进行ad采样处理，则采样速率只需为()。为了防止反射脉冲和发射脉冲的交叠，反射面到发射点的距离不能过大，最大距离由prft决定： （4）在本设计中，prft=500,000hz，则。如果要增大测量距离，可以通过减小uwb脉冲的重复频率（prft）。图1 等效采样过程图解4 系统架构根据以上的测量原理，可以设计出测量系统的结构框图，如图2所示。时基系统为数据处理器提供系统时钟（j），为发射脉冲和采样脉冲提供具有相对稳定的脉冲重复时钟（a和e），j、a和e都可以溯源到同一个振荡器上，从而保证整个测量系统的时钟是全同步的。本设计中，。发射脉冲和采样脉冲都是基于射频三极管的高斯脉冲4。触发信号经过微分电路，转变为含有正、负脉冲的信号，用该信号来驱动射频三极管的“开”与 “关”，并通过电容的充、放电形成窄脉冲。如果需要获得宽度更窄的脉冲，可以采用阶跃恢复二极管srd来实现56。采样和保持是利用二极管、电容和电阻来实现的，发射脉冲和反射脉冲经叠加后，送到二极管的阳极，采样脉冲接在二极管的阴极。采样脉冲信号相对于待采样脉冲信号有一个1v左右的反向直流偏置，以确保待采样脉冲到来时，二极管能够正向导通。电容和电阻用于保持和平滑采样信号。采样保持后的信号经过滤波和放大，直接送入ad转换器进行采样。在采样结果中搜寻相对峰值点，可以确定发射脉冲和反射脉冲的位置。根据两个峰值点之间的采样数目（n）和采样速率（f），可以计算得到经时间放大后的脉冲时间间隔（），从而得到放大前的脉冲时间间隔（），继而得到距离（）。根据两个峰值点的幅值，可以获得反射系数，利用（1）式，可以求出反射面以下部分波导的特征阻抗，再利用z与成反比的关系，可以确定波导所在介质的介电常数。设计中，我们采用12位的adc，采用200khz的采样速率。测试结果表明，幅度分辨率为0.0013v，时间分辨率为，距离的分辨率为3mm。5 结论本文中我们利用脉冲信号时域反射的特征，采用时间放大技术，实现了对传输路径特性的探测，距离分辨率为3mm。通过减小发射脉冲和采样脉冲的频差或提高ad采样速率，可以进一步提高距离分辨率。采用12位adc实现模数转换，达到了0.0013v的幅度分辨率。设计中，采用全同步时间系统（所有的时钟都可以塑源到同一个振荡器），以保证测量精度不受外界环境的影响；采用射频三极管来产生脉冲信号，采样二极管来进行采样，减低了系统的成本和复杂度；采用高精成度的cmos器件实现信号的处理，减低了系统的功耗。参考文献1siwiak k, ultra-wideband radio technology. 20042yao yuqi. a time-domain ray model for predicting indoor wideband radio channel propagation characteristics. universal personal communication record. 1997.conference record.1997 ieee 6th international conference. oct.1997；2 :848-8523 汪洋,陈萍,孙亚楠,唐王旬.uwb脉冲信号时域反射特性研究.信息安全与通信保密,2005.6 4 杨峰,薛泉,陈志豪.一种基于射频三极管的高斯脉冲发生器的设计, 2005 vol.26 no.105lee j s，nguyen cnovel low-cost ultra-wideband，ultra-short-pulse transmitter with mesfet impulse-sharping circuity for reduced distortion and improved pulse repetition ratejieee microwave wireless compon lett，2001，11(5)：208-210 6