無線無源聲表面波傳感器射頻收發(fā)及信號(hào)處理系統(tǒng)研究.pdf

1、無線無源聲表面波傳感器是一種新型的傳感器，具有環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)、傳感器無需供電、結(jié)構(gòu)簡單、可陣列化多目標(biāo)參數(shù)測量、可靠性高等特點(diǎn)，應(yīng)用范圍非常廣泛，已開始在溫度、壓力等領(lǐng)域有所進(jìn)展，將來隨著傳感器制備工藝的進(jìn)步和與之相匹配的射頻收發(fā)及信號(hào)處理系統(tǒng)的完善，無線無源聲表面波傳感器將在高溫高速轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)境、生物傳感、柔性電子等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。
　　無線無源聲表面波傳感器由射頻收發(fā)及信號(hào)處理系統(tǒng)、聲表面波器件（含天線）兩大部分構(gòu)成。其基本原

2、理是射頻收發(fā)系統(tǒng)向聲表面波器件無線發(fā)射一電磁波“問詢信號(hào)”，該問詢信號(hào)被聲表面波器件接收并轉(zhuǎn)化為聲波信號(hào)在壓電材料中傳輸、反射、再傳輸（傳輸特性會(huì)受器件周圍的溫度、壓力等感知量的影響）、并重新轉(zhuǎn)化為電磁波信號(hào)形成“反射信號(hào)”，該反射信號(hào)再由射頻收發(fā)系統(tǒng)接收，并經(jīng)由信號(hào)處理系統(tǒng)處理，從而獲取聲表面波器件所處環(huán)境的感知量信息。
　　根據(jù)所需測量感知量的不同，可采用不同結(jié)構(gòu)和材料的聲表面波器件，同時(shí)往往需要不同的射頻收發(fā)及信號(hào)處理系統(tǒng)與

3、之相匹配，但這樣一來會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。因此，本項(xiàng)目的目的是設(shè)計(jì)一個(gè)通用性強(qiáng)、擴(kuò)展性好的射頻收發(fā)及信號(hào)處理系統(tǒng)，驗(yàn)證用的聲表面波器件則由微電子所的其他研究團(tuán)隊(duì)提供?；诖?，本文從傳感測量原理和聲表面波器件的特性出發(fā)，主要研究了相應(yīng)的“問詢信號(hào)”產(chǎn)生與無線發(fā)射系統(tǒng)、“反射信號(hào)”無線接收系統(tǒng)、“反射信號(hào)”分析與處理系統(tǒng)三方面的內(nèi)容，從系統(tǒng)指標(biāo)開始，設(shè)計(jì)、制備、并測試了這一無線無源聲表面波傳感器射頻收發(fā)及信號(hào)處理系統(tǒng)，測試結(jié)果與理論分析

4、符合良好，并對(duì)無線溫度傳感這一典型應(yīng)用進(jìn)行了驗(yàn)證。論文的主要?jiǎng)?chuàng)新之處在于:采用FPGA（Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列）可編程控制射頻收發(fā)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，如發(fā)射機(jī)問詢信號(hào)的頻率、脈沖周期及脈沖寬度、接收機(jī)的本振頻率等，并同時(shí)用FPGA實(shí)現(xiàn)了聲表面波傳感信號(hào)的處理，使得設(shè)計(jì)的無線收發(fā)和信號(hào)處理系統(tǒng)具有較強(qiáng)的通用性和靈活性，不但能適用于不同頻率的聲表面波器件，也方便將來對(duì)系統(tǒng)的升級(jí)更新，具有較大

5、的實(shí)用價(jià)值。
　　論文的主要工作和成果有:
　　1.理論分析了無線無源聲表面波傳感器的工作機(jī)理，并結(jié)合聲表面波器件的傳感特性，設(shè)計(jì)了與聲表面波傳感器相匹配的射頻收發(fā)及信號(hào)處理系統(tǒng)方案。
　　2.設(shè)計(jì)、制備并測試了基于PLL（Phase Locked Loop，鎖相環(huán)）原理的射頻發(fā)射系統(tǒng)。發(fā)射系統(tǒng)所產(chǎn)生問詢信號(hào)的頻率通過FPGA控制PLL芯片完成，問詢信號(hào)的脈沖寬度與周期通過FPGA控制射頻開關(guān)的導(dǎo)通與截止實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)中用

6、FPGA設(shè)定的問詢信號(hào)工作頻率分別為433.5MHz、434MHz和434.5MHz，實(shí)測結(jié)果:信號(hào)工作頻率為433.503MHz、434.003MHz和434.503MHz。實(shí)驗(yàn)中用434.003MHz的頻率信號(hào)測試功率放大和問詢信號(hào)的脈沖寬度與周期，實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明信號(hào)可放大至10.11dBm，問詢信號(hào)脈沖寬度為100us，周期為1ms，與FPGA上設(shè)定值相同。
　　3.設(shè)計(jì)、制備并測試了基于直接下變頻原理的正交解調(diào)射頻接收系

7、統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)中通過FPGA設(shè)定接收系統(tǒng)的本振頻率為433MHz，并用其解調(diào)信號(hào)源產(chǎn)生的434MHz信號(hào)，實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果:解調(diào)得到的信號(hào)頻率為1.00248MHz，符合設(shè)計(jì)要求。
　　4.設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證了基于FIR（Finite Impulse Response，有限脈沖響應(yīng)）算法模塊、FFT（Fast Fourier Transform，快速傅里葉變換）算法模塊和CORDIC（COordinated Rotation DIgital

8、Computer，坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計(jì)算法）算法模塊的信號(hào)處理系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)中在FPGA上設(shè)計(jì)FIR模塊的截止頻率為5MHz，阻帶衰減不小于30dB，通帶紋波不大于3dB;FFT模塊為1024點(diǎn)FFT變換;CORDIC算法模塊將FFT的復(fù)數(shù)輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為幅值信號(hào)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證通過modelsim與matlab的聯(lián)合仿真進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明FPGA上相關(guān)模塊的參數(shù)結(jié)果與matlab上的仿真結(jié)果一致。
　　5.針對(duì)無線溫度傳感這一典型應(yīng)用，系統(tǒng)驗(yàn)