文摘

为解码来自不同传感器的异步响应信号的叠加,它是一个挑战来实现相关码分复用(CDM)为基础的无源无线声表面波(看到)多传感器系统。因此,本文开发的芯片上的相关器方案。与传统的CDM-based系统相比,这部小说计划允许相关性操作在看到传感器,而不是读者。因此,响应信号到达读者是互相关的结果在芯片上。然后读者容易区分与询问信号的传感器。工作原理、信号分析和描述小说的仿真方案。仿真结果表明传感器的响应信号的相关性。明确提出了尖脉冲响应信号,当传感器代码与询问代码。模拟验证芯片上的可行性相关器的概念。

1。介绍

由于其固有的工作能力在严酷的环境下,完全被动的无线操作可靠、不需维护的生命周期中,声表面波(看到)传感器有多种应用,包括结构健康监测、环境感知、轮胎压力监测(1- - - - - -3]。一般来说,这些应用程序需要几个看到传感器与读者一起工作,指定信息。这些传感器操作没有任何电池和与读者进行无线通信。这些特点可以提高许多类型的应用程序的方便和耐用性。一个典型的无源无线多传感器系统如图1。当一个信号从读者发送到达传感器,它转换成看到完成每个传感器感应操作。从所有的传感器响应信号反馈给读者,数据收集。然后,分布式监测任务完成由被动无线多传感器系统。


图1
一个被动的无线多传感器系统。

在看到多传感器系统中,一个主要挑战是传感器之间的交流碰撞。从不同传感器响应信号之间的强干扰使读者很难区分从每个传感器的信号。这种碰撞问题类似于观察无线通信系统;和典型的方法来解决它是频分复用、时分多路复用(TDM),空间分复用、码分复用(CDM) (4]。频分复用,包括分配一个惟一的载波频率传感器,是该方法主要用于商业看到传感器。然而,频带的缺乏严重限制了多传感器系统的能力。基于自然看到了芯片的延时,TDM响应延迟时间分为几个插槽。每个时间段都是分配给一个不同的传感器,和响应信号来自不同传感器的识别不同的延迟(5,6]。然而,看到传感器的延迟时间是限制芯片尺寸和传播损耗;因此TDM看到系统的容量是有限的。空间分割多路复用是基于空间聚焦传感器的数量降到最低,降低碰撞概率。因此,读者需要15到18分贝的特殊天线增益、波束宽度20°和30°之间实现空间聚焦。然而,由于其原理、碰撞不可避免完全用这种方法。码分复用,在多传感器系统中,使用基于传感器的正交性的代码,如正交频编码或脉冲位置编码,发生在读者和相关操作。歧视传感器代码,读者要求确定每个响应信号的准确到达时间同步互相关检测之前,这是困难的被动无线看到系统(7,8]。因此,异步相关CDM-based看见多传感器系统的一个重大挑战。一些研究人员一直在研究的问题选择一组表现出非常低的互关联的代码,完成异步相关操作。然而,对于代码长度有限,很难选择一套大型代码(9]。

解决异步相关操作,本文提出了相关器集成了传感器芯片,与一个独特的代码分配一组正交的代码。在每个传感器实现相关操作,而不是读者。读者发出询问信号与传感器对应的编码和调制的载波。传感器的正交性的代码,相关性是由相关器实现安静地在每个传感器芯片,分别。的反应传感器覆盖的询问信号反馈给读者。传感器对应的询问信号决定结果的相关性。因此,芯片上的相关器法提出了适用于无源无线多传感器系统。

2。工作原理

这部小说看到多传感器系统的工作原理如图2。读者可以实现询问信号的生成和传播,从传感器响应信号的接收,决定一个匹配的传感器。每个传感器接收询问信号,转换成看到。则由相关器实现传感和关联的传感器芯片和相关的结果是改变了读者。被动的操作功能,所有的操作传感器由指状组合型完成传感器(idt)。


图2
小说看了多传感器系统的工作原理示意图。

的初始体现了传感器结构示意图见图3。传感器包含两个集群的idt压电衬底。为了减少损失,周期性结构 idt等于波长 输入信号的频率 。idt都连接到总线的并行天线。为了实现对芯片的相关性,IDT分为正确的集群 组,每个组包含 双电极。 和 都是整数变量。没有任何相邻组之间的差距。如图3,所有的测序IDT组连接到公共汽车线路单极或有极性,这是由二进制代码分配。例如,+ 1表明单极和−1表示有极性。在multisenor系统中,每个传感器的二进制代码,代码称为传感器,采用正交编码。图3显示了一个传感器结构代码 。因此,上述结构可以实现相关操作输入编码信号和传感器之间的代码。相关的时变乘法计算是通过利用看到延误和极性的不同组的踊跃参与。乘法的积累相关计算结果是由总线实现结构连接踊跃参与。


图3
6-bit代码看到传感器的示意图。

当系统运行时,读者发出询问信号和一个叫审问的二进制代码的代码。编码的询问信号的天线接收到传感器和达到踊跃参与的两个集群。然后,一系列的信号转换是通过传感器芯片上的踊跃参与。

左边的集群,看到信号转换编码的询问信号的IDT和向右传播集群IDT后几毫秒延迟时间。IDT看到信号转换成一个电信号,同时询问代码和传感器之间的互相关运算代码是通过正确的踊跃参与集群的结构。电气信号互相关的结果包含操作。

右边集群,踊跃参与编码的实现互相关操作的询问信号首先启动一个看见信号互相关的结果对应操作。然后看到信号转导到左集群IDT的电信号。

双方产生的电信号的传感器芯片由总线总结和对读者通过天线。对传感器码的正交性在多传感器系统中,如果询问代码与传感器相匹配的代码,那么响应信号从传感器芯片显示了峰值;其他响应信号表示为噪声。因此,读者可以歧视的传感器与询问代码从返回的信号。当所有代码在一组正交码发送询问信号分别通过读者,每个传感器系统的成功访问和歧视。

此外,尖峰信号反应的相匹配的传感器可以被读者解调。然后读取信号传感器感知的各种阶段的峰值信号。因此,从不同传感器响应信号之间的干扰问题解决方法的芯片上的相关操作。然后,一个被动的无线看到多传感器系统是通过相关器设计的传感器芯片上。

3所示。信号分析

理论分析提出了基于信号传输过程中看到相关器。为了执行相关操作,审问审问信号是一个复合的代码和载波信号。定义的载波信号 的符号时间询问代码 按照传感器结构。为了简化分析,相关器的输入信号传感器,从询问接收信号的天线,可以被定义为 在哪里 载波信号的第一个象征时间 , 是一个合成的系数序列询问代码和传播损失和指定简单的询问代码,然后呢 随着代码数量的符号,询问信号的长度。当 和 每组2和6,分别一个信号的例子吗 在时域图所示4,询问代码设置 。


图4
询问信号的一个例子。

为了推断分析简单和方便,输入信号 也可以被描述为 在哪里 , 是另一个表达式的审问和符号宽度等于代码吗 和 与单周期正弦载波信号。

基于 IDT的函数模型,定期对电极的IDT相当于一系列独立波来源(10]。然后,如图5,看到信号从电磁波可以简化的叠加所产生的信号的所有电极对踊跃参与。输入信号的频率 匹配IDT的周期性结构,看到IDT可以推导出输出信号 在哪里 IDT的变换系数, 是IDT的电极对的数量,然后呢 显示正确的一对看到向右传播。


图5
电信号的转换。

看到了左集群IDT沿衬底表面传播正确的集群的速度 的距离 。假设传感器的长度询问代码的代码是一样的 的双IDT在传感器代码的象征 。

如图6,正确的集群IDT检测信号转移到电荷信号 压电效应。 所产生的费用的总和所有电极对可以推导出 在哪里 ,看到传感器的综合系数序列代码和传播损失,是简单地定义为传感器宽度等于代码与象征 和 是另一个表达式的审问和符号宽度等于代码吗 和 是看到的变换系数信号。设置 ,然后


图6
从看到转变为电信号。

为 , , 作为一个整数属于 ,然后 。基于这一事实, 设置为零,什么时候 或 。因此, 在哪里 的互相关函数是哪一个 和 。那么当前的输出正确的集群IDT推导出

因此,传感器的响应信号,被读者询问,询问代码和传感器之间的互相关函数的代码。

当一个传感器代码 询问代码是相同的 , 的互相关函数 和 有一个明确的峰值在哪里 。然后, 。为 ,信号 有一个尖脉冲间隔的吗 。当一个传感器代码不一样质问代码,代码集的正交性,响应信号的审讯是不规则和低振幅。因此,一个传感器与代码 可以通过询问信号和杰出的代码 。因此,看到多传感器系统中的碰撞问题可以解决通过使用一个相关器在每个传感器芯片和一组传感器代码展示高自相关和互相关性能低;这个要求不太严格的比传统的CDM-based系统中使用。

4所示。仿真实验

看到了多传感器系统的六个传感器,例如,传感器代码长度 被认为是16,每个传感器的代码是随机选择见表吗1。的符号长度传感器代码是49周期长度的踊跃参与。那么多的电极对IDT的左派和右派集群每个传感器设置为10和784年,分别。

表1
16位传感器代码的例子。

歧视传感器1,询问信号如图7被定义为传感器1代码调制的载波信号。符号之间的空间保留,避免码间干扰后IDT转换。询问的所有传感器接收信号,转换成看到信号的踊跃参与,和每个IDT的输出如图8。新兴的符号的梯形振幅波是由于引起的时间延迟IDT长度。


图7
从读者询问信号发送。

图8
询问信号转导的踊跃参与。

当询问信号转化为锯idt和传播相关器的传感器,互关联每个传感器芯片上完成。所有的异步响应每个传感器的信号叠加的读者,由于不同的传感器和读者之间的距离。基于提出的信号分析,每个传感器的响应信号模拟和响应的延迟信号随机决定的。仿真结果如图9。异步响应信号叠加在读者展示一个清晰的尖脉冲,这是由传感器1的自相关代码生成。虽然从不同的传感器响应信号是异步的,传感器1可以区分读者从响应信号。


图9
审讯产生的响应信号与传感器1的代码。

类似地,如果传感器2需要歧视,询问信号传感器2代码使用调制的载波信号。传感器的响应信号到达读者如图10和一个尖脉冲验证传感器2的存在。通过相同的方法,传感器响应信号如图3是歧视的11。因此,使用片上相关器系统,intersensor干扰的问题可以解决在一个被动的无线多传感器系统。


图10
审讯与传感器产生的响应信号2的代码。

图11
审讯产生的响应信号与传感器3的代码。

5。结论

在传统CDM-based被动无线看到多传感器系统,传感器的响应信号在读者的相关操作。然而,对于来自不同传感器的异步响应信号的叠加,很难实现这一相关性。为了解决这个问题,一个芯片上的相关器方案。与传统的CDM-based系统相比,在这本小说的方案中,相关性发生在看到传感器芯片,而不是读者。然后,响应信号到达读者互相关的结果在芯片。读者可以很容易的区分与询问信号的传感器。基于新颖的方案,工作原理,信号分析和仿真。三个例子给出了显示所有传感器的响应信号不同的询问信号。响应中有明显的尖脉冲信号,由相关的传感器生成的代码相匹配的询问信号。模拟结果验证芯片上的可行性相关器的概念,这有助于增加大量的并发操作传感器。 Future developments will focus on the fabrication process of the SAW correlator chip, performance testing, and potential applications.

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者要感谢支持中国国家自然科学基金(批准号51505499)和中国江苏省自然科学基金(批准号BK20150712)。