基于FPGA的UWB雷达PPM调制解调系统

UWB雷达(超宽带雷达)在心脏病学、呼吸、发声机能方面的应用;尤其是对发声声带的探测,可以远程监控对象的说话的一举一动或者默读的声带震动,并通过计算机的处理,可以探测某人的说的话或思想。

美国国防部的研究机构DARPA(国防高级研究计划局)正致力于一个称为“高级语音编码”的计划，旨在用通过说话人的神经和声带肌肉运动，而不是声音本身，来识别语音的无声感应器来取代麦克风。

摘要

对微功率超宽带雷达的定义、原理、特点进行了讨论和描述，并利用本课题组研制的超宽带雷达进行了人体实验。实验结果表明采用这种技术能够检测到人体的呼吸和心跳信号，这种方法不需要任何电极和传感器接触人体，实现了对人体生命信号的无创检测.
与激光、红外探测和声波探测技术相比，利用超宽带雷达检测人体的生命信号不受环境温度、热物的影响，能有效穿透介质，较好地解决了激光、红外探测受温度影响严重、遇物体阻挡失效及误报翠高的司越，也克服超声探测受环境杂物反射干扰、水、冰、量土阻挡失效的问题。超宽带雷达能够在l时和平时得到广泛的应用，如：战后伤员自探寻、地震或塌方后人员的探寻、传染病.
1995年3月23日，美国麻省理工学院(MIT)从事了题目为雷达听诊器的教学项目的工作。1996年1月，在Sci．enceandTechnologyReview杂志上，通过照片和实验数据较好地描述UWB雷达在生物医学上的应用，并介绍了一种由美国斯坦福尼亚大学LawrenceLivermoreNationallaboratory(LLNL)研制的特殊超宽带雷达(微功率脉冲雷达，MicmpowerImpulseRadar(MIR))，可以检测到人体的呼吸和心跳信号，并采用距离门(RangGating)技术进行断层扫描(最小距离为2cm)，可以最大程度地抑制外界环境的干扰对人体呼吸、心跳信号的影响，采用高增益的天线最大作用距离为1oomIq。1996年10月12日研究所的McEwan研究项目：人体监测、成像的装置与方法获得美国专利一项(专利号为US5573012)，该装置能够将检测到人体的心脏、肺、动脉、声带的相关信号转换成声音信号，可以装在室内为人体生理参数监护仪使用目。1998年1月16日，McEwan的该研究项目又获得美国专利一项(专利号为US5766208)~。McEwan开创了超宽带雷达的先河，由他研制的MIR至今在美国共申请到56项专利，在全世界共有214项专利或应用专利。从1999年开始，由于超宽带雷达的小体积、低功耗、低成本、高空间分辨率等特点，超宽带雷达在生物医学研究中取得突破性的进展，主要在心脏病学(心脏监护)、产科学(婴儿监护)、儿科(婴儿猝死综合征监护)、呼吸内科(障碍性睡眠呼吸暂停监护)、脑外科(颅内血肿监护)等领域开始应用。2002年2月美国的FCC允许该技术应用于商用后，许多公司都在投入一定的人力、物力、财力来开发和研究相关领域的超宽带雷达。

UWB标准现状分析

UWB是一种短距离的无线通讯方式，在10米以内的范围里以至少100Mbps的速率传输数据。这种通讯方式比较适合在家庭内部使用，市场应用前景非常广阔，因此围绕UWB的标准之争从一开始就非常激烈。曾经有二十几个标准参与竞争，今天只剩下了两个。它们是来自Freescale的DS-UWB和由TI倡导的MBOA。

从技术上来讲，MBOA和DS-CDMA是无法彼此妥协的，DS-UWB曾提出一个通用信令模式，希望与MBOA兼容。但这种模式显然在技术上无法实现，所以被MBOA、IEEE和无线USB协会拒绝。MBOA在最近的一次表决中占了约10%的优势，但仍然没有达到75%的绝对多数。

从产品上来讲，DS-UWB在开始的时候走在了前面。它的样品在2004年初的时候已经在拉斯维加斯的消费电子展上展出，但看来之后的进展比较缓慢，当时存在的问题今天依然存在，例如功耗很大、需要两根天线分别收发、在天线与接收器中间有阻挡时会出现花屏等。而另一方的MBOA正迎头赶上，来自Staccato公司芯片级的物理层芯片（PHY）在2004年的第一季度已经完成，八、九月份的时候，配合TI公司可编程门阵列（FPGA）的媒体存取控制器（MAC）已经可以工作。FPGA还不是芯片级的产品，是在芯片生产之前用来验证和测试逻辑功能的，完全芯片级的平台要到今年年底实现。这将是两个芯片的方案，相比较于DS-UWB目前的四芯片方案在成本、体积和功耗上占有较大的优势。

在理解UWB的时候有必要知道UWB不仅仅指的是DS-CDMA或MBOA，他们仅仅是处于UWB完整架构的最底层。让我们看一下除了这最底下的一层，UWB还有哪些内容。

Wireless USB:无线USB；

Wireless 1394:无线1394；

Application Profile:应用层协议子集；

DLNA compliant: DLNA兼容，DLNA是数字化客厅网络联盟的缩写（Digital Living Network Alliance）；

PAL:协议适应层,（Protocol Adaption Layer）；

UPnP/IP:即插即用多媒体IP电话；

Wimedia Convergence Platform: Wimedia汇聚平台。Wimedia是无线多媒体的缩写（Wireless Multimedia）；

DS-CDMA or MBOA Specification: DS-CDMA或MBOA规格。DS-CDMA是直接序列CDMA的缩写（Direct Sequence）；MBOA是多频带OFDM联盟的缩写（Multi-Band OFDM Alliance）。

DS-CDMA或MBOA相当于物理层，位于整个架构的最底层，她还分成两个子层，即物理层（PHY）和物理层的控制器层（MAC）。在其上面是WiMedia的汇聚层，有点类似于链路层或事务层，介于物理层和应用层的中间。在WiMedia汇聚层的上面就是应用层面的无线USB、无线1394和其他的应用环境，这些层多已被IEEE802.15.3a确认。

无线USB的规格将在今年年底之前颁布，这里大家首先要弄清楚这个无线USB的标准是得到USB IF确认的，而并不是之前由Cypress公司推出的那个企业标准。无线USB的推动者小组成员包括英特尔、惠普、微软、德州仪器、飞利浦、三星、NEC和Agere。它们将负责建造一个与USB兼容的应用软件栈，以及和1394及WiMedia合作创建分享UWB射频的规则。

获得USB的支持和支持USB对UWB是非常重要的，大家都知道USB的应用已经非常普遍，但现在的USB外设都是有线的，需要通过一根线缆与PC主机相连，例如打印机、数码相机和外置硬盘等。这个数字非常巨大，今天已经有15亿条USB的线缆存在于我们的生活中，而这个数字到2006年时将大幅增长到35亿，这表示有差不多这个数量的USB设备和主机。无线USB的目的是消除线缆，而用无线的方式收发信号。在PC主机和外设这两端依然以USB的方式工作，所以必须有一个与USB兼容的应用软件栈。而无线发射这一块需要使用UWB的射频，由于1394的设备和其他设备（非USB和1394）也需要通过UWB的射频来进行无线收发，他们将在WiMedia这一层汇聚，不管原来是什么信号，在经过WiMedia汇聚层后转换成相同的信号传送给物理层发射。换句话说，就是要分享UWB射频。

MBOA已经得到无线USB的批准，而DS-CDMA尚未，这对于DS-CDMA是一个严重的缺憾。

同样1394也是非常重要的，特别是在消费电子市场上。我们今天比较熟悉的1394设备是数码摄像机（Camcorder或DV），1394与USB最大的不同是外设与外设之间可以直接通讯。USB采用主/从的架构，比较多见的主机是PC机，而其他外设都是从设备，他们或直接或经由集线器（Hub）连到主机，所有的操作必须由主机来主导，这很适合于PC及其周边设备的应用，但显然不适合于消费电子产品的互联；1394采用对等的架构（peer-to-peer），联网的设备彼此之间都可以通讯，例如机顶盒和DVD机可以同时播放，而电视机和刻录机可以选择其中的任何一个节目源，而这并不需要一台主机的控制。今天在市场上已经有3亿条1394的线缆，这个数字将随着数字电视的普及在今后几年中大幅增长。

与无线USB不同，无线1394对DS-CDMA和MBOA都支持。无线1394的主任成员较之于无线USB的推动者小组成员的范围要更广泛一些，尽管英特尔和飞利浦不在其中，但有索尼、松下、三菱这样的消费电子制造巨头，也有苹果、昆腾和牛津半导体（昆腾是做硬盘的）这样的PC及其外设制造商，还有软件商，像Mindready、Vividlogic和Newnex等，以及Molex。它们将负责构建一个1394协议适应层（PAL）以支持400Mbps的无线1394，还要与WiMedia协会合作以实现兼容性和互操作性。

WiMedia协会的任务看起来比较多一些，它需要建立一套程序用于认证和保证互操作性；要能支持多协议的架构，比如无线USB、无线1394和DLNA，要支持公平竞争和传输数据的安全性；要支持即插即用和建立基于IP的应用程序栈来支持多媒体数据流。该协会成员包括英特尔、惠普、德州仪器、飞利浦、三星、LG、意法半导体、夏普、柯达等,摩托罗拉亦在此成员之列中。

所以我们应该看到所谓的UWB是一个完整的系统，而不仅仅是现在人们热衷讨论的DS-CDMA或MBOA。只有充分理解这一点才算是理解了真正的UWB，而只有全面地支持所有这些协议层，才可以说是一个完整的UWB系统。

回到DS-CDMA或MBOA的标准之争，我们究竟如何去判断孰优孰劣呢？其实两方面都有各自的优缺点。DS-CDMA技术是单频带方式或窄脉冲方式，多个传输任务可共享整个频带的频率，对现有的、许可频带内的用户造成的干扰比较少，成本可以做得比较低、上市的时间较短，易于实现低功耗、低速数据流的无线传输，可实现更高速的无线数据传输，应用于媒体流及大量的数据传输；MBOA技术是多频带方式，技术上易于实现、功耗很低，频带的利用率高，多个频率子带并列，可以避开某些频带、灵活配置，速率的扩展性好。

以无线电频率管理来说，有两个基本的原则：1.新的无线电技术不得对已有的无线电台（系统）造成有害干扰；2.受到干扰不得提出保护要求，既要能忍受已有无线电台的各种干扰。这对于DS-CDMA比较头疼，因为它使用整个3.1-10.6GHz频段，而有些无线技术就使用其中的一些频率，例如802.11p的载频是5.8GHz；而MBOA使用多个频率子带，可以很方便地避开这个频率。

在市场推广方面，两个阵营分别组建了自己的联盟，都建有自己的网站。DS-UWB组建的联盟是UWB论坛（UWB FORUM），网站地址是。MBOA的组织就是这个名称，网站地址是。

UWB论坛目前有77家会员，其中有十几家高校和研究所，占了近15%。MBOA联盟已有170多个成员，几乎集中了所有的大型跨国公司和集团，这是一种优势，因为开发、推广、应用一个新的技术和产品需要大量的投入，远远不是一二家企业所能承受的。而且UWB一个很重要的应用是把家庭中的电器产品连接成微微网（Piconet），需要有大量的电器产品支持，这就要求有大批的家用电器和计算机制造商提供这样的产品。

那么UWB的现状究竟是如何的呢？还有多久用户才能享受到这一新技术和新标准带来的全新体验呢？其实新技术、新产品的开发需要经过以下四个阶段：1.芯片阶段；2.模块阶段；3.系统阶段；4.产品阶段。DS-UWB已处于模块阶段，而MBOA刚刚进入芯片阶段。用户仍需要等待一段时间。即便是达到了产品阶段，还需要经受市场的考验，不然重蹈蓝牙技术的覆辙，昙花未现便已凋零，不管谁赢得了标准之争也只能是一个失败的尝试，这需要整个产业链的共同努力。

撇开UWB内部的标准之争，我们还应该看到在数字化家庭这样一个应用领域UWB还远远谈不上一花独放。802.11也正在跃跃欲试，WLAN的劣势是她的传输速率比较低和对多媒体数据流的支持不够，但传输距离长却是她的优势。802.11正在试图突破这些技术瓶颈，能否在不久的将来实现值得我们关注。UWB传输距离短的局限（10米）也使得她只能构建微微网，即便在一个家庭内部也无法真正实现网络化，这需要结合有线的传输技术，例如1394a/b、USB2.0或USB OTG。有线技术同样具有很多的优点，比如电磁干扰小、传输稳定、安全性高等等，另一个优势是这些标准已经成熟，产品经受过市场的考验，也符合消费者的使用习惯。另外, 在关注UWB的同时，开发其他更实用与更迫切的数字接口技术也逐步提上日程。

基于FPGA的UWB雷达PPM调制解调系统

超宽带UWB无线通信技术是一种基于直接发射窄脉冲的新技术,因其具有低功耗、良好的抗干扰和抗多径能力、穿透性能好等特点,特别适用于隐藏活动目标检测和近距离数据传输.用于检测隐藏活动目标的超宽带雷达就是基于基带无载波极窄脉冲的,有着广阔的应用前景.对比超宽带的多种调制解调方式选取了脉冲位置调制.介绍了使用Verilog语言在FPGA上实现PPM调制解调器,实现了UWB雷达发送窄脉冲进行基带调制.