目錄

1 摘要

2 P440軟件

2.1 P440嵌入式軟件

2.2 應(yīng)用程序接口（APIs）

2.3 圖形用戶接口（GUIs）與示例代碼

2.4 作為開發(fā)工具的APIs和GUIs

2.4.1 使用RangeNet測(cè)距

2.4.2 使用RangeNet組網(wǎng)

2.4.3 單基站雷達(dá)和MRM RET軟件

2.4.4 雙基地雷達(dá)與CAT（信道分析工具）傳播

2.5 組網(wǎng)：RangeNet與RangeNet Lite的比較

2.6 軟件支持

3 模塊硬件各功能區(qū)圖解

4 電子電路接口

4.1 連接P440

4.2 連接器引腳

4.3 接電與接地單元

4.3.1 通過USB電源插孔和鎖定與夾層連接器供電 

4.3.2 反極性保護(hù)

4.3.3 兩種方式供電

4.3.4 機(jī)箱接地

4.3.5 融合（保險(xiǎn)絲）接地和數(shù)字接地

4.3.6 P440供電要求

4.4 主機(jī)和P440接口選擇

4.4.1 USB 2.0高速設(shè)備

4.4.2 用戶串口

4.4.3 SPI

4.4.4 以太網(wǎng)和IP地址

4.4.5 CAN

4.5 GPIO

4.6 天線端口

4.7 射頻發(fā)射和接收特性

4.8 可選功率放大器

4.9 指示燈

4.10 熱量管理

5 機(jī)械接口

6 技術(shù)規(guī)格

6.1 關(guān)鍵性能參數(shù)總結(jié)

6.2 P440射頻模塊的工作范圍

6.3 測(cè)距速率

6.4 精密測(cè)距精度、準(zhǔn)確度和偏置

6.4.1視距條件下的精密度和準(zhǔn)確度

6.4.3偏置和校準(zhǔn)

6.5 粗略距離估算（CRE）的測(cè)距精密度和準(zhǔn)確度

6.6 數(shù)據(jù)通信速率和吞吐量

6.7 P440雷達(dá)的工作范圍

6.8 P440版本差異

7 Broadspec 天線

1 摘要

PulsOn 440模塊（簡(jiǎn)稱P440）是一種波段在3.1G到4.8GHz之間的超寬帶無線收發(fā)器，它可以實(shí)現(xiàn)如下功能：

·采用雙向飛行時(shí)間（TW-TOF）方式在2個(gè)或者2個(gè)以上的模塊之間進(jìn)行測(cè)距，測(cè)量準(zhǔn)確度可達(dá)50px，刷新率為125Hz 。

·可以在兩個(gè)或多個(gè)模塊之間實(shí)現(xiàn)通信。

·可作為單基地雷達(dá)，雙基地雷達(dá)或者多基地雷達(dá)工作。

·可同時(shí)執(zhí)行四種功能（測(cè)距、數(shù)據(jù)傳輸、單基地雷達(dá)和多基地雷達(dá)）。

·發(fā)射功率極?。ā?0uW）。

·具備用優(yōu)化雙向飛行時(shí)間測(cè)距的組網(wǎng)功能，網(wǎng)絡(luò)測(cè)距可以采用ALOHA（隨機(jī)）或者TDMA（時(shí)分多址）協(xié)議。

·支持多達(dá)11個(gè)獨(dú)立信道，因此可以實(shí)現(xiàn)CDMA(Code Division Multiple Access碼分多址)組網(wǎng)?？梢约尤敫嘈诺?。

·P440可以和前幾代產(chǎn)品的（P400，P410以及P412）進(jìn)行互操作。硬件設(shè)計(jì)的運(yùn)行要求*符合所有工業(yè)級(jí)溫度范圍（-40℃至85℃），同時(shí)也可在晃動(dòng)或者高頻震動(dòng)的環(huán)境中運(yùn)行。

·天線射頻的輻射強(qiáng)度符合美國FCC的15條規(guī)定，同時(shí)遵循歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)的條款302065協(xié)議。

P440與所有P400系列的成員相同，是一種相干無線收發(fā)器，也就是說每一個(gè)發(fā)射脈沖的能量可以相加來增加接收信號(hào)的信號(hào)噪聲比（SNR）。每一次發(fā)射脈沖數(shù)量翻倍時(shí)，接收信號(hào)的信噪比也會(huì)翻倍（大約增加3dB），其代價(jià)是完成整個(gè)信號(hào)的的傳輸時(shí)間也隨之加倍。發(fā)射強(qiáng)度并沒有增加，但更多發(fā)射脈沖的能量被相加起來，改善了接收性能。上述原理適用于任何發(fā)射，包括測(cè)距，雷達(dá)以及通信。

用戶可以通過USB、串口、SPI、網(wǎng)口或者CAN等方式連接模塊，通過下達(dá)API指令控制和監(jiān)測(cè)模塊的工作。USB驅(qū)動(dòng)程序支持Windows Vista 32/64、Windows 7 32/64以及Windows 8 32/64系統(tǒng)以及Windows 10操作系統(tǒng)。Unix和OS X系統(tǒng)不需要一個(gè)專門的USB驅(qū)動(dòng)程序。P440會(huì)自動(dòng)顯示為一個(gè)串行設(shè)備。

API提供了所有用戶用于設(shè)計(jì)可操作多個(gè)模塊組成的雷達(dá)傳感器或者測(cè)距射頻網(wǎng)絡(luò)的指令和功能。

為了協(xié)助用戶展示P440在作為測(cè)距模塊或者雷達(dá)傳感器時(shí)的性能，Time Domain提供了基于PC端的可以運(yùn)行所有API指令的用戶圖形界面（GUIs），還可實(shí)現(xiàn)如下功能：

·為編程人員列舉一個(gè)可視化的、應(yīng)用主機(jī)使用API指令和P440通信的示例軟件。

·讓用戶評(píng)估模塊的測(cè)距通信性能。

·讓用戶通過使用運(yùn)動(dòng)濾波、檢測(cè)處理器的例子以及原始數(shù)據(jù)與經(jīng)處理的雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)的圖形顯示來評(píng)估模塊的雷達(dá)性能。

·讓系統(tǒng)分析人員觀察、采集并記錄下原始的測(cè)距數(shù)據(jù)或者雷達(dá)數(shù)據(jù)，以方便其針對(duì)項(xiàng)目開發(fā)優(yōu)化算法。

·讓用戶搭建一個(gè)多個(gè)P440測(cè)距傳感器的網(wǎng)絡(luò)。

模塊同時(shí)提供用C語言和MATLAB編寫的兩種示例代碼，用來演示模塊的接口和性能。編程人員可以從用戶圖形界面和示例程序?qū)W習(xí)如何使用API和P440交互，然后根據(jù)自己應(yīng)用的需要編寫應(yīng)用程序。

這個(gè)技術(shù)已經(jīng)被廣泛運(yùn)用，以下僅列舉部分案例：

·軌道車輛安全距離實(shí)時(shí)顯示

·讓機(jī)器人在自動(dòng)跟隨時(shí)和保持安全距離

·為機(jī)器人提供位置信息

·無人機(jī)飛行導(dǎo)航

·在隧道內(nèi)和礦井下精確定位車輛

·工程車輛的防碰撞

·定位并跟蹤區(qū)域內(nèi)人員

·精確測(cè)量條形結(jié)構(gòu)的長度

·精確測(cè)量大樓內(nèi)特殊（或貴重）物體的位置

·跟蹤工廠內(nèi)叉車等

·可用于博士論文或者博士后論文的研究項(xiàng)目

·可用于本科階段在射頻、雷達(dá)以及信號(hào)處理等領(lǐng)域的教學(xué)工作

本文詳細(xì)介紹了P440模塊的軟件與硬件，敘述內(nèi)容可細(xì)分為以下幾個(gè)部分：

第二章： P440軟件

第三章：模塊硬件各功能區(qū)圖解

第四章：電子電路接口

第五章：機(jī)械接口

第六章：技術(shù)規(guī)格

第七章：Broadspec天線

2 P440軟件

P440軟件章節(jié)包含5項(xiàng)內(nèi)容：

·基于P440的嵌入式軟件

·定義模塊連接主機(jī)處理器接口的API

·提供GUI用于（1）闡述P440的操作方法（2）作為描述模塊性能的數(shù)據(jù)分析工具

·為用戶提供能滿足其定制要求的C語言與MATLAB示例代碼

·為含有多個(gè)P440模塊的系統(tǒng)高效進(jìn)行測(cè)距和通信提供網(wǎng)絡(luò)支持

2.1 P440嵌入式軟件

P440模塊是一種集成了微處理器的超寬帶平臺(tái)，開發(fā)板上的處理器主要有3種功能：

·用于發(fā)送和接收超寬帶脈沖

·處理所有與主機(jī)（PC或者單片機(jī)等）間的通信行為，通信格式可由3種API設(shè)定，以達(dá)到為具體應(yīng)用定制的目的。用戶可以選擇5種連接方式實(shí)現(xiàn)模塊與主機(jī)的連接：USB，串口，網(wǎng)口，SPI以及CAN。

·當(dāng)模塊用于組網(wǎng)時(shí)，開發(fā)板上的處理器可以：

    1）承擔(dān)對(duì)通信內(nèi)容與測(cè)距請(qǐng)求的時(shí)序安排功能

    2）為主機(jī)提供數(shù)據(jù)狀態(tài)實(shí)時(shí)信息

    3）處理由主機(jī)發(fā)送的監(jiān)控命令

這樣可以提高測(cè)距刷新率，減輕主機(jī)處理器負(fù)擔(dān)。

關(guān)于嵌入式軟件，更多信息請(qǐng)查看文檔：320-087 Using the USB and Serial Interfaces

2.2 應(yīng)用程序接口（APIs）

本產(chǎn)品配有3種API：

·  測(cè)距與組網(wǎng)指令，包含在文檔320-0313 RangeNet API Specification中

·  單基地雷達(dá)指令，包含在文檔320-0298 Monostatic Radar API Specification 中

·  雙基地雷達(dá)與信道建模指令，包含在文檔330-0305 Channel Analysis Tool API Specification中

這樣的區(qū)分純粹是認(rèn)為的。實(shí)際上P440的內(nèi)置軟件能夠處理全部三種API。如果模塊的內(nèi)置代碼有更新的話，那么所有三種API的指令也會(huì)相應(yīng)更新。此外，用戶在開發(fā)時(shí)可以根據(jù)需要調(diào)用任意一個(gè)或者所有API中的指令。例如在創(chuàng)建測(cè)距網(wǎng)絡(luò)時(shí)加入雙基地雷達(dá)和多基地雷達(dá)，還能進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

API指令的高層特點(diǎn)將在2.4章節(jié)“作為開發(fā)工具的APIs和GUIs”中討論。

2.3 圖形用戶接口（GUIs）與示例代碼

想要*掌握一組API（本文中其實(shí)是三組為一套）的所有指令是很耗費(fèi)時(shí)間的，尤其當(dāng)這樣的API具有大量設(shè)置指令時(shí)更為明顯。為了加速這一進(jìn)程，Time Domain為用戶準(zhǔn)備了三套GUI作為示例，可在PC端運(yùn)行并且能夠執(zhí)行所有API指令。這些API指令集可以展示收到的數(shù)據(jù)，讓用戶能夠記錄下所有主機(jī)發(fā)出或者接收到的API指令與數(shù)據(jù)。每一個(gè)GUI均對(duì)應(yīng)于一組API：

·RangeNet RET 可用于展示主機(jī)控制下的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)測(cè)距與通信以及P440控制下的組網(wǎng)測(cè)距操作。

·MRM RET 可用于展示單基地雷達(dá)的功能。

·Channel Analysis Tool (CAT) 可用于展示（a）雙基地雷達(dá)或者多基地雷達(dá)（b）信道傳播分析功能。

另外，時(shí)域公司還為每一個(gè)GUI的應(yīng)用領(lǐng)域配備了C語言示例代碼與MATLAB示例代碼。C語言版本使嵌入式開發(fā)人員快速學(xué)習(xí)和P440通信，MATLAB版本則旨在讓系統(tǒng)分析人員快速架構(gòu)實(shí)驗(yàn)以調(diào)研和評(píng)估性能。上述示例代碼中還含有解析器，以供用戶從日志文件中提取信息。

示例代碼部分主要是以下內(nèi)容：

Ranging and Network（RangeNet）

·150-0117 – RangeNet C Sample Applications

·150-0123 – RangeNet Localization Demo (基于MATLAB的可執(zhí)行代碼)

·150-0124 – Localization Demo (命令行可執(zhí)行代碼)

·150-0118 – RangeNet MATLAB Sample Applications

·150-0103 – Ranging C Sample Applications

·150-0104 – Ranging MATLAB Sample Applications

Monostatic Radar

· 150-0107 MRM C Sample Application

· 150-0108 MRM Sample MATLAB Applications

Channel Propagation Analysis

· CATCIR Delivery Files

每一款軟件都配有用戶指導(dǎo)手冊(cè)與快速入門手冊(cè)，用來示例設(shè)備的操作。熟讀這些文檔后，用戶基本上可以在30分鐘內(nèi)學(xué)會(huì)操作測(cè)距、操作網(wǎng)絡(luò)、操作單基地雷達(dá)或者捕捉雙基地雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)和射頻通信信道波形。手冊(cè)文檔清單如下：

Ranging and Network (RangeNet):

o 320-0314 RangeNet Quick Start Guide

o 320-0320 RangeNet User Guide

Monostatic Radar:

o 320-0301 MRM Quick Start Guide

o 320-0300 MRM User Guide

Bistatic / Multistatic Radar and Channel Analysis: 

o 320-0304 CAT Quick Start Guide

o 320-0303 CAT User Guide

2.4 作為開發(fā)工具的APIs和GUIs

本章節(jié)從高層次總結(jié)了API并將討論如何以GUI作為開發(fā)工具。

一般來說，GUI是一種直觀的數(shù)據(jù)表達(dá)形式。這些GUI可以讓用戶實(shí)現(xiàn)很多功能，比如配置P440，發(fā)起測(cè)距或者雷達(dá)請(qǐng)求，進(jìn)入或者離開網(wǎng)絡(luò)，改變睡眠狀態(tài)，測(cè)量溫度，以及顯示狀態(tài)、軟硬件版本等有用的信息。除此以外，用戶還可以通過這些GUI顯示和記錄采集的數(shù)據(jù)以及模塊與主機(jī)之間的通信情況。雷達(dá)的GUI更是能夠?qū)邮諗?shù)據(jù)進(jìn)行帶通濾波，并提供運(yùn)動(dòng)濾波與檢測(cè)濾波處理。

2.4.1 使用RangeNet測(cè)距

測(cè)距組網(wǎng)API允許用戶配置P440并進(jìn)行測(cè)距。事實(shí)上，它支持3種測(cè)距方式，本章節(jié)將會(huì)討論它們。然而測(cè)距采用的方式?jīng)]有獲取基本數(shù)據(jù)的技術(shù)重要。P440用很多接收器將接收信號(hào)數(shù)字化，產(chǎn)生接收數(shù)據(jù)的波形圖。這類波形圖的采樣率為61ps，是尼奎斯特速率的兩倍（如圖1所舉的案例）。

圖1：一個(gè)典型的接收波形：信號(hào)幅度（相對(duì)強(qiáng)度）對(duì)應(yīng)于時(shí)間（61ps增量）

這個(gè)特點(diǎn)很有用，原因如下：

·過采樣可以對(duì)數(shù)據(jù)作關(guān)聯(lián)處理，以得到可靠的亞厘米級(jí)的測(cè)距估值。

·通過分析獲取波形的形狀，可以得到信道的重要特征，比如（a）判斷信號(hào)是否為視距（LOS）傳播，（b）確定信號(hào)是否被壓縮，（c）判斷受損信號(hào)是受多徑效應(yīng)還是菲涅爾效應(yīng)影響，這個(gè)在圖2中會(huì)有描述。

·可以測(cè)量個(gè)到達(dá)脈沖的信號(hào)強(qiáng)度，而不是的多徑信號(hào)的強(qiáng)度。

·可以測(cè)量背景噪聲的水平，結(jié)合信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)量，可以得到接收信號(hào)的信噪比等相關(guān)數(shù)據(jù)

·可以獲取接收波形特性，給出估算測(cè)距的誤差估值。

圖2 ：在不同環(huán)境下以61ps間隔（2倍奈奎斯特速率）捕獲的接收波形

這個(gè)基本功能可以形成如下三種測(cè)距類型：

精確測(cè)距（PRM）：該類型使用TW-TOF（雙向飛行時(shí)間）測(cè)距技術(shù)，通常具有高精度，同時(shí)也會(huì)有距離誤差范圍以及潛在誤差的警告標(biāo)志。用戶可以根據(jù)提供的測(cè)距誤差范圍估值啟動(dòng)卡曼濾波，也可以通過警告功能濾除非精確數(shù)值。

粗略距離估計(jì)（CRE）：該類型類似于RSSI（接收信號(hào)強(qiáng)度指數(shù)）距離估算，由連續(xù)波射頻測(cè)距系統(tǒng)產(chǎn)生，這種系統(tǒng)把接收信號(hào)的強(qiáng)度和距離聯(lián)系起來。當(dāng)然，兩者也有兩個(gè)不同點(diǎn)，首先，這里所講的信號(hào)強(qiáng)度是基于個(gè)到達(dá)脈沖的強(qiáng)度，而非整個(gè)過程中強(qiáng)度的那個(gè)，這確保了系統(tǒng)不會(huì)使用結(jié)構(gòu)多徑效應(yīng)導(dǎo)致的較強(qiáng)信號(hào)來計(jì)算距離從而導(dǎo)致錯(cuò)誤數(shù)值；其次，這類信號(hào)強(qiáng)度是基于上一次成功測(cè)距的PRM數(shù)值自動(dòng)校準(zhǔn)過的。

回聲距離（ELR）：這是一種系統(tǒng)中在另外兩個(gè)模塊之間精確測(cè)距PRM數(shù)據(jù)。換句話說，每當(dāng)一個(gè)模塊取得PRM時(shí)，它會(huì)將上一次的測(cè)量數(shù)據(jù)廣播給區(qū)域內(nèi)其它模塊。例如，如果A模塊測(cè)量了它與B模塊之間的距離，當(dāng)它啟動(dòng)與其它模塊的測(cè)距行為時(shí)，它還會(huì)將這個(gè)測(cè)量結(jié)果報(bào)告給C、D、E模塊......這也是一種替代性的通過系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)布距離信息的方法。

最后，P440通過API指令為主機(jī)處理器提供可用的測(cè)距值，誤差標(biāo)志，距離誤差估值，信號(hào)強(qiáng)度，背景噪聲以及波形信息。

RangeNet的GUI能夠執(zhí)行每一條API指令，從而允許用戶進(jìn)行配置模塊和測(cè)距等操作。該GUI另外還加入了更高層次的系統(tǒng)軟件性能，具體如下：

·捕捉波形并將其展示于屏幕上，同時(shí)能夠記錄并保存至硬盤中。圖3展示了一個(gè)GUI顯示的代表性波形。

·測(cè)距請(qǐng)求可以是單次的，可以是固定次數(shù)的，也可以是連續(xù)不斷的。

·展示接收信號(hào)強(qiáng)度、噪音強(qiáng)度以及信噪比。

·當(dāng)所讀數(shù)據(jù)不可靠時(shí)，會(huì)顯示一個(gè)有質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的警告。

·可以計(jì)算性能統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。例如，如果用戶發(fā)出了有限次數(shù)的測(cè)距請(qǐng)求，那么GUI可以計(jì)算出測(cè)距成功率、測(cè)距均值、測(cè)距標(biāo)準(zhǔn)差、平均信噪比以及信噪比的標(biāo)準(zhǔn)差。這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)有助于用戶決定系統(tǒng)工作質(zhì)量。系統(tǒng)也可以根據(jù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，提供相同的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

·判斷區(qū)域內(nèi)是否存在干擾源。

·可以對(duì)一個(gè)給定的連接進(jìn)行校準(zhǔn)，從而步補(bǔ)償原測(cè)量中固有的偏差。

·允許客戶快速進(jìn)入并發(fā)送數(shù)據(jù)。

·允許客戶接收并顯示數(shù)據(jù)。

·可以記錄下P440與主機(jī)之間的所有的交換數(shù)據(jù)。

·當(dāng)某個(gè)模塊在區(qū)域內(nèi)沒有直接參與其他模塊之間的測(cè)距時(shí)，通過該模塊可以得到其他模塊之間的測(cè)距值。

圖3：GUI顯示的典型波形

記錄數(shù)據(jù)的功能可以讓用戶繪制圖表建立性能和距離關(guān)系函數(shù)，這是一個(gè)可以評(píng)估給定區(qū)域內(nèi)信號(hào)傳播質(zhì)量的優(yōu)秀工具。圖4中的數(shù)據(jù)是當(dāng)模塊間的距離增加時(shí)采集的，其中一個(gè)模塊保持靜止，另一個(gè)模塊緩慢移動(dòng)，圖4繪制出了信號(hào)、噪音以及信噪比作為分隔距離函數(shù)的圖形。從該圖中可以得出以下幾個(gè)信息：

·在40米，60米以及100米處有菲涅爾抵消。

·在略大于120米處有菲涅爾增強(qiáng)。

·噪音水平是常數(shù)，因此在附近沒有明顯干擾源。

圖4：信號(hào)（綠色）、噪音（藍(lán)色）以及信噪比（紅色）作為距離的函數(shù)（注意菲涅爾抵消與增強(qiáng)）

2.4.2 使用RangeNet組網(wǎng)

操作一個(gè)只有兩個(gè)模塊的系統(tǒng)是很簡(jiǎn)單的，操作多個(gè)模塊會(huì)復(fù)雜得多。例如：

·系統(tǒng)中模塊的數(shù)量可能會(huì)隨時(shí)間而變化，進(jìn)入系統(tǒng)的模塊需要被感知，離開系統(tǒng)的模塊則需要從網(wǎng)絡(luò)內(nèi)移除。

·需要有一種方法防止模塊互相干擾。

·不是所有模塊都需要行為相同。有的模塊可能發(fā)起和響應(yīng)測(cè)距請(qǐng)求，有的只發(fā)送請(qǐng)求，有的只響應(yīng)請(qǐng)求，有的模塊只與系統(tǒng)中的子系統(tǒng)通信等。

 RangeNet 的API允許用戶在定義一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)，定義網(wǎng)絡(luò)內(nèi)模塊的行為，而在網(wǎng)絡(luò)的操作由P440來控制。具體來說，P440負(fù)責(zé)調(diào)度測(cè)距請(qǐng)求，保持一個(gè)所有鄰居的數(shù)據(jù)庫，在主機(jī)與網(wǎng)絡(luò)之間傳遞信息。這樣的話，主機(jī)只需要負(fù)責(zé)監(jiān)控管理，從而大大減輕了主機(jī)負(fù)擔(dān)。

RangeNet API為用戶提供提供了可以定義并監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的工具，例如：

1）網(wǎng)絡(luò)可以定義使用兩種不同的時(shí)分協(xié)議：ALOHA（隨機(jī)）或者TDMA（時(shí)分多址）協(xié)議。

2）如果使用的是ALOHA協(xié)議，那么信號(hào)發(fā)送的平均間隔時(shí)間和間隔時(shí)間的隨機(jī)變化都是可以定義的?；谙到y(tǒng)內(nèi)模塊的數(shù)量，平均間隔時(shí)間可以手動(dòng)或者自動(dòng)壓縮。收發(fā)行為可以在具體每個(gè)模塊基礎(chǔ)上進(jìn)行限制，有的模塊既收又發(fā)，有的只發(fā)或者只收（這里的受是指響應(yīng)）。另外，還可以限制某些模塊使它們只和部分網(wǎng)絡(luò)成員進(jìn)行交互。盡管大部分ALOHA網(wǎng)絡(luò)效率為19%，我們這個(gè)ALOHA網(wǎng)絡(luò)效率接近38%，使其等效于一個(gè)時(shí)隙ALOHA系統(tǒng)的性能。

3）如果使用的是TDMA協(xié)議，用戶可以定義一個(gè)時(shí)隙表用來模塊在何時(shí)與哪個(gè)模塊進(jìn)行交互，采用的參數(shù)是什么。圖5展示了一個(gè)時(shí)隙表的例子，這個(gè)系統(tǒng)內(nèi)有4個(gè)節(jié)點(diǎn)（100、101、102和103），其中設(shè)定100和101與任意其它3個(gè)模塊進(jìn)行測(cè)距，而102與100以及101進(jìn)行測(cè)距。

圖5：一個(gè)典型的RangeNet 時(shí)隙表

P440處理器負(fù)責(zé)保持系統(tǒng)同步，同步精度可達(dá)1μs。

·由于P440支持多個(gè)信道，因此可以在CDMA（碼分多址）覆蓋下使用上述任意兩個(gè)協(xié)議之一。

·由于P440網(wǎng)絡(luò)能夠安排測(cè)距請(qǐng)求時(shí)序，因此避免了主機(jī)與模塊的頻繁通信，從而提高了測(cè)距速率。

·P440網(wǎng)絡(luò)維持了鄰近模塊的數(shù)據(jù)庫。除了記錄有網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有成員的信息與距離，該數(shù)據(jù)庫還包含了大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及其他有用的信息，例如信噪比，行進(jìn)速度，有效測(cè)量速率，信號(hào)質(zhì)量等。

·該網(wǎng)絡(luò)還利用了簡(jiǎn)單測(cè)距應(yīng)用的回聲距離（ELR）及粗略距離估計(jì)（CRE）這兩個(gè)特性，用在網(wǎng)絡(luò)中有其特殊的作用。ELR利用網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有單元都能接收任何傳輸信號(hào)的特性，即當(dāng)一個(gè)模塊對(duì)某個(gè)模塊的測(cè)距請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng)時(shí)，它還會(huì)同時(shí)發(fā)送上一次成功測(cè)距行為中的測(cè)距值與對(duì)應(yīng)的模塊編號(hào)。這類信息向區(qū)域內(nèi)所有單元廣播。因此這個(gè)機(jī)制向系統(tǒng)中所有單元發(fā)布了網(wǎng)絡(luò)距離信息。CRE同樣利用了傳輸?shù)膹V播特性。當(dāng)模塊接收到一次信號(hào)后，它會(huì)自動(dòng)生成波形掃描并測(cè)量個(gè)到達(dá)脈沖的強(qiáng)度，而不是RSSI情況下的任何信號(hào)的峰值強(qiáng)度。其次，RSSI幾乎不會(huì)被校準(zhǔn)，而CRE會(huì)以上次與目標(biāo)模塊進(jìn)行成功的TW-TOF測(cè)距后的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)進(jìn)行一次校準(zhǔn)。雖然CRE的精度無法與TW-TOF測(cè)量的精度相比，其精度水平在大部分情況下已經(jīng)夠用，而且還具有在不產(chǎn)生成本的情況下擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)信息的益處。

盡管這些工具都有很強(qiáng)大的功能，其內(nèi)在的復(fù)雜度會(huì)讓僅僅通過API來展示和操作變得困難。RangeNet GUI可以*這個(gè)缺陷。它不僅可以讓用戶對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置，同時(shí)還提供了一種方法讓用戶可以方便地保存不同的配置，監(jiān)控結(jié)果，評(píng)估網(wǎng)絡(luò)內(nèi)每條連接關(guān)系的性能，監(jiān)控鄰近模塊數(shù)據(jù)庫。例如，RangeNet允許用戶

·定義所有類型配置信息（包括TDMA時(shí)隙表，測(cè)距配置細(xì)節(jié)，ALOHA協(xié)議設(shè)置信息，鄰近數(shù)據(jù)庫特征等），將配置信息載入進(jìn)P440，保存配置信息至硬盤并隨時(shí)調(diào)用。

·以用戶需要的刷新率監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫。圖6舉例說明了一個(gè)4個(gè)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，注意其中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的范圍以及容量。如果想了解每個(gè)版塊的具體細(xì)節(jié)，請(qǐng)查看文檔RangeNet 用戶指導(dǎo)手冊(cè)。

·發(fā)送，接收以及顯示數(shù)據(jù)。

·顯示某條連接的掃描波形。

圖6：一個(gè)典型的4模塊系統(tǒng)鄰近數(shù)據(jù)庫 

2.4.3 單基站雷達(dá)和MRM RET軟件

單基站雷達(dá)的API允許用戶配置雷達(dá)參數(shù)，發(fā)射脈沖以及測(cè)量回波。配置的參數(shù)包括：

·信道

·發(fā)射天線設(shè)置

·發(fā)射功率

·一次測(cè)量集成的脈沖數(shù)

·期待的接收射頻掃描的持續(xù)時(shí)間

個(gè)參數(shù)值需要討論一下。用戶可以決定雷達(dá)回波的哪個(gè)部分可以用來作測(cè)量并報(bào)告。另外，這部分不需要是連續(xù)的，也不需要相同的積分率。例如，可以測(cè)量相應(yīng)于這些距離的雷達(dá)回波：

·距離天線10米以內(nèi)

·距離天線10到20米

·從10到20米，從30到40米，從50到55米

·從10到20米，積分率256：1以及從40到50米，積分率2048：1

MRM的API同樣能夠讓用戶決定雷達(dá)回波產(chǎn)生速率，此外，這些掃描無論在雷達(dá)快時(shí)間或者雷達(dá)慢時(shí)間都是相干的。通過運(yùn)用希爾伯特變換，這些雷達(dá)回波可以后處理為I型和Q型數(shù)據(jù)流。

MRM RET GUI可以讓用戶做到：

·定義所有配置參數(shù)并載入模塊，將這些參數(shù)存入P440，將配置參數(shù)存入磁盤或者從磁盤調(diào)取

·啟動(dòng)雷達(dá)信號(hào)發(fā)射

·采集，展示，把接收的數(shù)據(jù)記錄到磁盤

另外，MRM RET GUI還有一個(gè)相關(guān)的任務(wù)：

·對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行帶通濾波

·進(jìn)行運(yùn)動(dòng)濾波

·進(jìn)行檢測(cè)濾波

·報(bào)告的檢測(cè)點(diǎn)以及首先到達(dá)的檢測(cè)點(diǎn)

濾波任務(wù)提供了基本的運(yùn)動(dòng)濾波功能，允許用戶調(diào)整濾波常數(shù)。根據(jù)需要，用戶可以記錄和原始數(shù)據(jù)一起的所有這些信息。

需要注意的是，這類濾波本質(zhì)上是通用型的，沒有針對(duì)特殊應(yīng)用做優(yōu)化。它只是為系統(tǒng)開發(fā)人員提供一個(gè)范例，這些濾波的源代碼可以在MRM RET用戶指導(dǎo)手冊(cè)中找到。

該軟件以及相關(guān)的示例代碼可以讓用戶多途徑練習(xí)使用模塊，以下列舉三個(gè)例子僅供參考：

示例1  I/Q多普勒處理：MATLAB Sample Application #3（含在開發(fā)包中）可以讓用戶練習(xí)幾種雷達(dá)模式。其中一個(gè)操作模式可以測(cè)量來自動(dòng)目標(biāo)的回波，然后運(yùn)用I/Q多普勒處理繪制出一張距離與多普勒頻移對(duì)比圖，如圖7：

圖7：動(dòng)點(diǎn)的距離與其多普勒頻移對(duì)比圖

示例2  SAR（合成孔徑）成像：來自漢茨維爾市阿拉巴馬大學(xué)的本科生們用雷達(dá)以及步進(jìn)電機(jī)做出了一張合成孔徑雷達(dá)成像（SAR Imaging）圖，圖像內(nèi)容是以鋁制蘇打汽水罐排列成的該大學(xué)名稱首字母字樣。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8：

圖8：排列成“UAH”字樣的汽水罐的SAR成像

示例3 ISAR（逆合成孔徑）成像：一個(gè)來自德克薩斯州大學(xué)*分校的團(tuán)隊(duì)用雷達(dá)模塊畫出了一個(gè)風(fēng)車葉片的逆合成孔徑雷達(dá)成像，如圖9：

圖8：旋轉(zhuǎn)風(fēng)車葉片的ISAR成像——（a）實(shí)驗(yàn)搭建（b）風(fēng)車葉片實(shí)際形狀

（c）葉片建模圖（d）葉片狀I(lǐng)SAR成像

2.4.4 雙基地雷達(dá)與CAT（信道分析工具）傳播

CAT的API以及GUI允許用戶將P440模塊作為一個(gè)雙基地雷達(dá)或者通信傳播工具。這比較容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)閮煞N應(yīng)用僅僅是看待同一件事的不同方法而已?？紤]一下圖10中的圖表。通信工程師會(huì)通過觀察掃描圖樣，指出個(gè)到達(dá)脈沖，然后指出多徑是由于信道其他反射物造成的。他還會(huì)根據(jù)該波形計(jì)算出信道的傳播延遲，評(píng)估多徑的碼間串?dāng)_影響。一個(gè)雷達(dá)工程師在觀察同樣的掃描圖樣，指出個(gè)到達(dá)脈沖，然后指出圖中的多徑反射是由區(qū)域內(nèi)固有的雜波與多目標(biāo)造成的。隨后他會(huì)用多普勒處理或者運(yùn)動(dòng)濾波將雜波與目標(biāo)分開。

圖10：通信或者雷達(dá)工程師都可用的捕獲波形圖

鑒于這一情況，我們還是忽略它在不同運(yùn)用中的差異性，而專注于CAT API和GUI的功能。

API允許用戶選擇信道、天線、積分率，發(fā)射功率來發(fā)射任意數(shù)量的數(shù)據(jù)包以及接收來自另一個(gè)單元的數(shù)據(jù)包。接收端可以對(duì)用戶感興趣進(jìn)行評(píng)估的那部分波形進(jìn)行測(cè)量并給出報(bào)告。例如，用戶可以請(qǐng)求在一個(gè)脈沖開始前50ns啟動(dòng)記錄波形，并在脈沖后145ps停止（如圖10），需要注意的是該波形的分辨率是61ps。CAT的API還允許用戶其它分辨率。例如，我們可以以4ps的間隔去獲取波形，以下圖11和圖12是兩種波形，它們的區(qū)別便是一方分辨率為61ps，另一方為4ps。

圖11：分辨率為61ps的捕獲波形

圖12：分辨率為4ps的捕獲波形

由于發(fā)射的信號(hào)可以被區(qū)域內(nèi)的任意一臺(tái)無線電接收設(shè)備獲取到，因此系統(tǒng)可以存在一個(gè)發(fā)射端與多個(gè)接收端。根據(jù)用戶的意圖，它可以是一臺(tái)空間分布的多基地雷達(dá)陣列，也可以作為一種為射頻傳播建?？焖偎鸭瘮?shù)據(jù)的優(yōu)秀方法。

API還有兩個(gè)重要功能：（1）用戶可以傳輸長達(dá)1000字節(jié)的固定數(shù)據(jù)模式；（2）P440還可以給出信號(hào)信噪比的報(bào)告。

GUI可以讓用戶對(duì)模塊進(jìn)行設(shè)置，啟動(dòng)發(fā)射，然后采集、顯示以及記錄數(shù)據(jù)。當(dāng)然該軟件還可以報(bào)告并記錄下很多其它類型的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，比如誤包率，誤碼率，發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量，發(fā)送的碼元，以及信噪比（Eb/No）等。

2.5 組網(wǎng)：RangeNet與RangeNet Lite的比較

RangeNet Lite 是RangeNet的限制節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)化版，用來幫助用戶在考慮是否購買或購買全版本的RangeNet前對(duì)該軟件進(jìn)行評(píng)估和測(cè)試。所有的測(cè)距和定位開發(fā)包、PulsON實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)超級(jí)實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)都包含了RangeNet Lite。在該軟件支持RangeNet的所有特性，只是其節(jié)點(diǎn)數(shù)量被鎖定為不超過10個(gè)。更具體地說，系統(tǒng)中加入的臺(tái)節(jié)點(diǎn)設(shè)備可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，他們可以正常加入或者離開網(wǎng)絡(luò)。但是第11臺(tái)以及所有隨后加入的模塊將不會(huì)被系統(tǒng)識(shí)別。這些新加入的設(shè)備可以運(yùn)轉(zhuǎn)，但可能會(huì)干擾臺(tái)設(shè)備，并顯著降低臺(tái)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)性能。

如果想獲取關(guān)于如何將RangeNet Lite升級(jí)為全功能的RangeNet的信息，請(qǐng)聯(lián)系北京華星北斗智控技術(shù)有限公司。

2.6 軟件支持

Time Domain承諾在硬件平臺(tái)保持功能全面的軟件支持。我們相信UWB的成功大部分原因并非高效的硬件性能，而應(yīng)該是能夠驅(qū)動(dòng)硬件的軟件豐富性。軟件改進(jìn)包含嵌入式軟件（在這里UWB技術(shù)的基礎(chǔ)功能可以作調(diào)整）和API界面（可在此基礎(chǔ)上加入上層軟件）。

看一下近年來的版本：

2010——用P400展示測(cè)距功能

2011——加入單基站雷達(dá)功能

2012——測(cè)距性能增強(qiáng)

2013——加入信道分析和雙基地/多基地雷達(dá)功能

2014——加入支持基于TDMA或者ALOHA協(xié)議的組網(wǎng)功能的RangeNet

2015——加入RangeNet簡(jiǎn)化版

通過加入新的重要的軟件功能來持續(xù)提升UWB的能力是Time Domain的目標(biāo)。

3 模塊硬件各功能區(qū)圖解

 本章節(jié)將在一個(gè)高層次提供并討論P(yáng)440硬件各個(gè)功能區(qū)，如圖13。關(guān)于各式各樣的接口信息的細(xì)節(jié)將在第四章敘述。

圖13：P440硬件功能區(qū)圖解

P440需從直流電源供電，供電功率不能高于2.5W，供電電壓在4.5V到48V之間?？梢允褂肨ime Domain標(biāo)準(zhǔn)外置電源，電池，或者用戶提供的電源（充電寶）。指示燈顯示了模塊的狀態(tài)信息。

用戶可以通過不同接口接入模塊，如USB、SPI、網(wǎng)口，串口或者CAN。10個(gè)GPIO管腳可用。如果SPI接口未被使用，那么這些管腳可以被設(shè)置為額外的5根GPIO管腳，使其數(shù)量達(dá)到總計(jì)15根。

另外，用戶可以讓模塊報(bào)告電路板的溫度。

目前有多種可實(shí)現(xiàn)的物理方式連接至P440，這些方式包括USB連接器，以太網(wǎng)RJ45連接器，鎖式連接器以及3種夾層連接器。詳情請(qǐng)閱讀第四章。夾層連接器適合于直接與用戶的電路板相配。配合夾層連接器可以按照不同的配合高度來訂購，從而允許用戶在P440下方在他們的載板上安裝薄型設(shè)備。詳情請(qǐng)閱讀第五章。

兩個(gè)SMA連接器是用來連接天線的，大多數(shù)測(cè)距應(yīng)用只需要安裝一根天線，當(dāng)然也有需要兩根天線提供更多功能的情況。大部分雷達(dá)應(yīng)用需要兩根天線。

處理器通過數(shù)字基帶FPGA接口控制UWB的前端，其中FPGA作為數(shù)字基帶能夠配置并控制時(shí)域公司*集成前端（FIFE）UWB ASIC，從而能夠發(fā)射與接收數(shù)據(jù)包并計(jì)算距離和發(fā)送/接收數(shù)據(jù)。

關(guān)于射頻部分，有四點(diǎn)需要注意：

·FIFE脈沖發(fā)生器帶有一個(gè)可變衰減器，該衰減器允許用戶把發(fā)射功率降為低于法規(guī)限值大約20dB。不同單元的下降值會(huì)略有不同。

·收發(fā)開關(guān)支持以下幾種配置方案：A端口收發(fā)，B端口收發(fā)，A端口發(fā)B端口收，A端口收B端口發(fā)。

·接收鏈含有一系列的放大器以及帶通濾波器。

·有一個(gè)可選用的功率放大器能夠用來提高發(fā)射信號(hào)的功率達(dá)10dB。詳細(xì)的信息可以在第4章-電子電路接口部分查到。這個(gè)選項(xiàng)一般只是用作實(shí)驗(yàn)或者評(píng)估。用作其它目的時(shí)可能會(huì)因超過美國的功率限值而違規(guī)。在其它國家使用功率放大器，即使是做實(shí)驗(yàn)，可能也需要等到該國有關(guān)部門批準(zhǔn)。

4 電子電路接口

本章將詳細(xì)介紹P440各式各樣的電子電路接口，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的P440具有以下外接端口：

·兩個(gè)天線端口

·通信端口有低速串行接口、USB2.0、以太網(wǎng)接口、CAN以及SPI

·多達(dá)15個(gè)GPIO管腳外接端口

·電源接口（4.5V到48V），接地端以及機(jī)殼接地端

    P440還具有5種指示燈，其中3種在電路板上，另外2中在RJ45插槽上。

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、GPIO以及供電系統(tǒng)的物理接口是通過以下系列連接器實(shí)現(xiàn)的（如圖14）：

·3個(gè)夾層連接器

·1個(gè)鎖定連接器

·1個(gè)以太網(wǎng)RJ45連接器

·2個(gè)USB端口（1個(gè)只用于供電，1個(gè)只用于數(shù)據(jù)傳輸）

·1組0.1英寸的DIP排針

    這樣的排列為用戶提供了很大的靈活性。然而，有些用戶還想讓這些接口更加簡(jiǎn)潔。于是，我們?cè)试S空載一些不必要的組件，從而節(jié)省了一些運(yùn)行成本并將電路板最小化（這樣的配置雖然可能但不是標(biāo)準(zhǔn)的，只有在某個(gè)應(yīng)用的用量超過1000個(gè)單元時(shí)我們才會(huì)考慮）。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)可選配置的細(xì)節(jié)，請(qǐng)閱讀第八章（配置和訂購信息）。

圖14：P440正反面主要接口裝配圖

    最后要說的是，模塊的機(jī)殼物理接地端在的固定螺絲孔內(nèi)，如圖14（若想了解更詳細(xì)的信息，請(qǐng)閱讀4.3節(jié)——接電與接地單元）。

4.1 連接P440

用戶可以通過多種方式連接模塊，比如：

·通過USB或者網(wǎng)口直接接入

·定制一根特殊線纜，通過鎖定連接器接入

·將模塊安放在載板上，通過一個(gè)或者多個(gè)夾層連接器通信

以下列舉一些電子連接方式：

選項(xiàng)1：USB——用戶可以通過USB 數(shù)據(jù)接口（J5）與USB供電接口（J13）接入電路板。

選項(xiàng)2：以太網(wǎng)——用戶可以通過RJ45以太端口接入模塊，并通過USB供電接口（J13）為模塊供電?？稍谡鹿?jié)4.4.5--以太網(wǎng)和IP地址查詢?cè)鯓臃峙銲P地址。

選項(xiàng)3：鎖式連接器——用戶可以通過SPI、串口或者CAN等方式使用鎖式連接器接入模塊。該連接器還能供電與接地。在下一節(jié)我們會(huì)詳細(xì)介紹鎖式連接器的插腳引線以及用于匹配連接器的各個(gè)管腳號(hào)。

選項(xiàng)4：用戶夾層連接器——該連接器可支持SPI、用戶串口與CAN，同樣可以供電與接地。下一節(jié)會(huì)詳細(xì)介紹。

選項(xiàng)5：以太網(wǎng)夾層連接器——該連接器可以用于供電與接地，并提供所有用于與模塊通信的以太網(wǎng)MAC信號(hào)線，但這需要用戶在載板上提供一個(gè)以太網(wǎng)PHY芯片。

上述連接方式中有一些支持GPIO管腳，在下一節(jié)會(huì)詳細(xì)描述。

4.2 連接器引腳

圖15a、15b、15c、15d和15e顯示了各類連接器的管腳。

所有信號(hào)線均配有靜電放電（ESD）保護(hù)（接觸放電為±8kV，氣隙放電為±15kV）。信號(hào)線電壓值為直流3.3V，直流1.8V，或者CAN方式下的特殊壓值，輸入電壓不可為其他值。若這些線過載高電壓或者高電流，會(huì)對(duì)P440造成損壞。用戶務(wù)必避免這類損壞，不僅是因?yàn)闀?huì)對(duì)系統(tǒng)系能造成影響，而且這樣的故障不在保修范圍內(nèi)。

有些夾層連接器標(biāo)記了“保留”，這些排針的功能可能會(huì)隨時(shí)間變化。如果用戶需要把P440裝在載板上，那么是將這些有“保留”標(biāo)記的排針與載板落點(diǎn)連接，而非用落點(diǎn)連接至載板上的其他走線。

所有連接器以及和它們相配的零件號(hào)在第五章——機(jī)械圖解中說明。

最后，有必要說明一下關(guān)于串行發(fā)射和接受（TX/RX）線的方向問題。“用戶串行TX”意思是從P440發(fā)射到主機(jī)，“用戶串行RX”意思是P440從主機(jī)接收。 所有的用戶串行線路工作電壓是3.3V。

圖15a：J11——鎖式連接器

圖15b：J10——用戶級(jí)夾層連接器

SPI用戶需要注意SPI中斷線在用戶級(jí)夾層連接器中為排針4，而在鎖式連接器中為排針2

圖15c：J8——以太網(wǎng)夾層連接器

圖15d：J6——工業(yè)級(jí)夾層連接器

    工業(yè)級(jí)夾層連接器具有可供用戶隨意使用的GPIO排針與接地排針，其余排針未對(duì)用戶開放。所有這些排針都是激活的，工廠用他們來做生產(chǎn)線測(cè)試。用戶可以使用這個(gè)連接器但是必須注意切勿把保留排針與任何信號(hào)線，接地線或者供電線連接，否則會(huì)對(duì)模塊造成極其嚴(yán)重的損壞。

圖15e：J7——用戶級(jí)0.1英寸串口

圖15f：J11鎖式連接器引腳分配

圖15g：J10夾層連接器引腳分配

圖15h：用戶級(jí)串口管腳分配

4.3 接電與接地單元

4.3.1 通過USB電源插孔和鎖定與夾層連接器供電

P440在開發(fā)包里或者實(shí)驗(yàn)室里是作為“無線電套件”提供的而每一個(gè)單個(gè)模塊是一個(gè)工業(yè)模塊。這兩種供電方式的不同之處是配置選項(xiàng)。作為套件的P440通過USB供電端口（J13）供電。作為工業(yè)模塊的P440既可以通過鎖式連接器（J11）也可以通過用戶級(jí)夾層連接器（J10）給電路板供電。套件不能通過鎖式連接器或者用戶級(jí)夾層連接器供電，工業(yè)模塊不能通過USB供電端口供電。

這是一項(xiàng)安全功能旨在確保用戶不會(huì)無意中在通過鎖式連接器接入高達(dá)48V電源的同時(shí)又通過USB供電端口接入5V的電源，否則有可能導(dǎo)致P440和任何通過USB數(shù)據(jù)口和P440相連的電腦產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p壞。

4.3.2 反極性保護(hù)

    電源輸入（VCC_Main）具有反極性保護(hù)功能，并且可以通過任何4.5V和48V之間的電壓驅(qū)動(dòng)。

4.3.3 兩種方式供電

    有兩種技術(shù)可以給P440供電。一種是直接通過電源連接器間連接或者斷連，一種是在給模塊持續(xù)供電的同時(shí)，通過J10用戶級(jí)夾層連接器上的電源串口針（Power_Enable_H）打開或者關(guān)閉P440電壓調(diào)節(jié)閥。這樣的技術(shù)讓用戶可以在不用物理斷連的情況下對(duì)模塊進(jìn)行硬重啟。

4.3.4 機(jī)箱接地

    P440配備了機(jī)殼接地功能，六個(gè)安裝孔在頂部、底部以及孔內(nèi)經(jīng)過鍍銅處理而不是覆蓋絲印，它們不與任何接地層或者信號(hào)系統(tǒng)有連接。只有一個(gè)特殊的安裝孔是通過一個(gè)0.01μF電容與1.0MOhm電阻并聯(lián)組合與數(shù)字接地端連接的。該特殊孔的位置請(qǐng)看圖14。

4.3.5 融合（保險(xiǎn)絲）接地和數(shù)字接地

    給模塊供電相對(duì)簡(jiǎn)單，而讓模塊接地則有些微妙。微妙之處就在于保險(xiǎn)絲接地與數(shù)字接地的區(qū)別。按照常識(shí)，一般都會(huì)選擇保險(xiǎn)絲接地而非數(shù)字接地。對(duì)于那些通常只通過網(wǎng)口或者USB口接入模塊、通過USB供電口給模塊供電的用戶來說，這不是他們關(guān)心的問題。如果P440已經(jīng)通過鎖式連接器或者用戶級(jí)夾層連接器集成到一個(gè)產(chǎn)品中去，這也不是什么問題。

如果用戶試圖使用以太網(wǎng)連接器或者工業(yè)級(jí)夾層連接器的GPIO排針，那可能會(huì)出現(xiàn)問題。通常保險(xiǎn)絲接地是選擇，但在某些情況下連接數(shù)字地會(huì)更好。對(duì)于那些想使用這些連接器的用戶，可以聯(lián)系廠家更詳細(xì)地討論這個(gè)問題。

4.3.6 P440供電要求

    一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)P440在連續(xù)工作時(shí)要求大約2W的功率，然而還有另外兩個(gè)因素需要考慮。首先電子元器件的能耗會(huì)隨溫度的變化而變化，其次調(diào)節(jié)器的效率會(huì)隨著輸入電壓的升高而降低?；旧险{(diào)節(jié)器被設(shè)計(jì)為在工作電壓5V時(shí)高。

圖16展示了兩個(gè)不同的P440由5V電源供電條件下能耗隨溫度變化而變化的情況。顯示的溫度是由電路板上的溫度傳感器測(cè)得的，注意模塊在作為接收器工作時(shí)需要比作為發(fā)射器工作時(shí)需要更多的能量。這些數(shù)據(jù)具有典型性。

圖16：兩塊代表性的P440（紅和藍(lán)）工作時(shí)能耗作為溫度的函數(shù)曲線，工作狀態(tài)分為發(fā)射（左）和接收（右）

圖17表明電路板上調(diào)節(jié)器的效率是怎樣隨著輸入電壓變化而變化的，這項(xiàng)數(shù)據(jù)是在模塊處于發(fā)射狀態(tài)并且板子上的溫度傳感器顯示溫度為37℃時(shí)測(cè)量的。

圖17：P440能耗隨供電電壓的增長而增長

    在為模塊選取電源時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者需要將以上兩個(gè)因素考慮在內(nèi)，并留有安全邊際。例如，一個(gè)工作電壓為5V，板子工作溫度為85℃的模塊需要的輸入功率至少為2.8W；而相同的系統(tǒng)置于48V和85℃的條件下時(shí)，則至少需要1.44倍功率即4.032W。然而這些數(shù)據(jù)并未包含在任何應(yīng)用中可能需要的額外的安全邊際。

    P440還具有一個(gè)閑置狀態(tài)，該狀態(tài)下模塊既不發(fā)射也不接收，能耗降低約30%。

4.4 主機(jī)和P440接口選擇

P440支持5種不同的主接口：USB、串口、SPI、網(wǎng)口和CAN。寬廣的接口選擇能讓用戶在具體應(yīng)用中自由地試驗(yàn)并優(yōu)化系統(tǒng)通信方式。這些接口方式的性能在總結(jié)如下。具體的串口針排列信息請(qǐng)看4.2節(jié)——連接器引腳。

關(guān)于P440的通信協(xié)議，在各種Time Domain API說明書、各類C與MATLAB樣例代碼、以及文檔《Using the USB and Serial Interfaces》中都有定義。以上資源均由交付光盤提供，在Time Domain上也有相關(guān)信息。

4.4.1 USB 2.0高速設(shè)備

P440通過USB數(shù)據(jù)端口（J5）支持USB 2.0高速設(shè)備。當(dāng)使用J5時(shí)，記住這個(gè)端口只能向P440開放數(shù)據(jù)通訊線。如若供電，還需通過USB供電端口（J13）、鎖式連接器（J11）或者用戶級(jí)夾層連接器的21號(hào)管腳。

USB端口的數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)480Mbps，不過這個(gè)有效吞吐量是受多方面因素限制的，比如主機(jī)速度、USB驅(qū)動(dòng)程序的具體實(shí)現(xiàn)方式、P440的處理開銷以及主機(jī)處理器的處理開銷等。

4.4.2 用戶串口

用戶串行接口是工作在3.3V TTL邏輯電平上的RS-232通用異步接收器/發(fā)送器（UART）串口。接口傳輸速度為115.2kbps，同時(shí)支持9.6、19.2、38.4以及57.6kbps的傳輸速率。默認(rèn)速率為115.2kbps。

事實(shí)上速率很大程度上取決于系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電纜電容的能力。如果使用短線或者外部線路驅(qū)動(dòng)器，通信速率可提高至2倍至921.6kbps。不過在這樣更快速度下工作還受到主機(jī)端的串口電路的限制。電纜的長度需根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來確定，Time Domain測(cè)試發(fā)現(xiàn)一段750px的纜線能夠相當(dāng)穩(wěn)定支持460.8kbps的傳輸速度。

用戶串口設(shè)置在鎖式連接器（J11），用戶級(jí)夾層連接器（J10），以及用戶級(jí)串行排針（J7）上。

串行接口使用3.3伏的邏輯電平。不要把5伏串行電纜連接到P440上，實(shí)際上不要讓P440連接任何工作電壓值大于3.3伏的串行電纜。增加的電壓將物理性地?fù)p壞P440。

4.4.3 SPI

SPI接口設(shè)計(jì)信號(hào)操作電壓為3.3V TTL電平，時(shí)鐘頻率為16.0MHz。這種連接方式實(shí)際的數(shù)據(jù)流量受到各種通信損耗的限制。不過一個(gè)未經(jīng)優(yōu)化的系統(tǒng)仍然可以達(dá)到6~7Mbps的傳送速率。

SPI輸出端包含5種信號(hào)，其中4種是典型的SPI信號(hào)：CLK，CSn，MOSI以及MISO，每一個(gè)都帶有一個(gè)100K的上拉電阻使其電壓至3.3 V。第五種信號(hào)（INT）活性高，用于顯示數(shù)據(jù)存在于從屬輸出FIFO。INT信號(hào)沒有上拉電阻，不是在初始上電時(shí)被驅(qū)動(dòng)的。圖18顯示了這些信號(hào)。SPI從動(dòng)RX與TX的FIFO速度為4K x 8。

圖18：SPI的互聯(lián)信號(hào)

SPI端口先以8位字節(jié)形式發(fā)送MSb（有效位），時(shí)鐘的空閑狀態(tài)為高。如圖19所示，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的下降沿（前緣）傳播，在上升沿（后緣）取樣。

圖19：信號(hào)時(shí)序圖解

主機(jī)設(shè)置SPI芯片選項(xiàng)低（上述信號(hào)中的CSn），并且平移一個(gè)8位命令，可能隨后是數(shù)據(jù)。命令的（MSb）已設(shè)置好，如果第二位也被設(shè)置，那么該命令就是一個(gè)讀命令，否則為寫命令，這些命令已在圖20中列出。芯片選項(xiàng)在整個(gè)過程中需激活并且保持為低，需要在8位邊界上。各種時(shí)序圖已在圖21中列出，圖22為時(shí)序約束。

圖20：SPI命令結(jié)構(gòu)

圖21：時(shí)序圖解

圖22：時(shí)序約束

4.4.4 以太網(wǎng)和IP地址

10/100以太網(wǎng)口連接方式可在RJ45標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)口實(shí)現(xiàn)，也可在以太網(wǎng)夾層連接器（J8）中作為以太網(wǎng)RMII信號(hào)線實(shí)現(xiàn)。因此，RMII信號(hào)線無法直接連接，需要用戶加入載板以及一個(gè)以太網(wǎng)PHY芯片。

以太口的通信速率不僅受限于以太網(wǎng)10/100協(xié)議，還取決于連接電腦的處理能力以及各種系統(tǒng)開銷。比如，當(dāng)傳送雷達(dá)掃描信號(hào)時(shí)，一臺(tái)低端筆記本通常能夠達(dá)到的速率大約為2Mbps。如果是一臺(tái)更快的計(jì)算機(jī)并且運(yùn)行不受顯示或者其他用戶界面功能拖累的C代碼，那么速度可能會(huì)提升到4倍?？梢圆榭碪WB雷達(dá)C程序樣例150-0107D MRM C Sample Application以獲取更多信息。這個(gè)文件可以在Time Domain或者您獲得的光盤上找到。

模塊的IP分配有兩種方式。如果P440是作為開發(fā)包或者PulsOn實(shí)驗(yàn)室部件使用，它的IP地址的出廠設(shè)置為192.168.1.X，其中X標(biāo)注在模塊RJ45網(wǎng)口的標(biāo)簽上；如果P440以“工業(yè)模式”采購，那么它的IP由DHCP分配。

作為附注，模塊的節(jié)點(diǎn)名設(shè)置方式與上面的方式類似。如果模塊作為一個(gè)開發(fā)包部件，節(jié)點(diǎn)識(shí)別號(hào)（ID）會(huì)被設(shè)置為X，如果是“工業(yè)模式”，節(jié)點(diǎn)識(shí)別號(hào)（ID）會(huì)在工廠設(shè)置，還可以通過系統(tǒng)提供的API或者GUI來設(shè)置。

關(guān)于如何通過以太口連接P440以及如何改變IP和節(jié)點(diǎn)識(shí)別號(hào)（ID），可以在文檔320-0328 Connecting to P440 with Ethernet中查到。

4.4.5 CAN

P440的CAN接口是由TI SN65HVD231 CAN數(shù)據(jù)線驅(qū)動(dòng)器提供的，該驅(qū)動(dòng)提供一個(gè)5V差分信號(hào)，傳送速率為1Mbps。

4.5 GPIO

P440有15根用戶可以定義的通用輸入輸出串口針。大部分3.3V直流電壓下工作，但有幾個(gè)工作電壓為1.8V。大約一半來自ARM處理器，其余的接入FPGA。這些串口針可以定義為輸入、輸出或者具有一個(gè)特殊功能。SPI管腳是特殊功能的管腳。如果用戶不選擇使用SPI接口，那么這些SPI管腳可以被再分配用于通用功能。這些管腳的狀態(tài)以及方向可通過軟件API來控制。

這些GPIO管腳不是與某個(gè)具體的連接器相關(guān)而是通過不同的連接器分布。有些管腳多個(gè)連接器都有。圖23列出了各種GPIO管腳及其相關(guān)連接器與編號(hào)。

圖23：GPIO和相關(guān)的連接器和排針位置

    目前還沒有相關(guān)軟件支持（例如API指令）用以控制GPIO狀態(tài)。同SPI線的功能是固定的，只能用于SPI。

4.6 天線端口

    P440具有兩個(gè)天線端口，指派為端口A與端口B。每個(gè)端口所用的連接器為標(biāo)準(zhǔn)極性母頭SMA連接器（Digi-Key零件號(hào)J801-ND）。兩個(gè)端口啟用單天線或者雙天線工作模式。

    P440上的一個(gè)射頻轉(zhuǎn)換開關(guān)控制射頻電子如何與連接器連接，通常有以下四種模式：

1）A端口發(fā)送/接收

2）A端口發(fā)送，B端口接收

3）B端口發(fā)送/接收

4）B端口發(fā)送，A端口接收

由超寬帶FIFE芯片產(chǎn)生的射頻能量通過射頻傳輸轉(zhuǎn)換開關(guān)到達(dá)天線然后從天線發(fā)射出去。這么做的時(shí)候有一部分能量會(huì)通過轉(zhuǎn)換開關(guān)泄漏出去直接發(fā)送給接收端。實(shí)際上，發(fā)射天線收到的能量也會(huì)通過轉(zhuǎn)換開關(guān)泄漏出去直接發(fā)送給接收端。通常情況下這并不是大問題，但我們?nèi)匀唤ㄗh用戶隔離轉(zhuǎn)換開關(guān)，這樣可以少泄漏大約20dB的能量。

當(dāng)端口接入一根SMA線或者天線時(shí)，切記別擰過緊，否則會(huì)對(duì)電路板造成損壞。當(dāng)然也不能太松，否則會(huì)影響工作性能。只要保證連接器之間用手適當(dāng)擰緊，系統(tǒng)就可正常工作。

P440擬使用時(shí)域公司Broadspec天線，若使用其他天線，需要重新取得相關(guān)證書以確保遵循射頻類管理規(guī)則。也可以加入饋線以延長天線與端口的距離。要注意，使用替代天線、額外的固定衰減器、額外的電纜線和/或連接器都會(huì)改變端口與天線相位中心之間的射頻飛行時(shí)間電氣距離。沒有正確計(jì)入這些變化都會(huì)導(dǎo)致測(cè)距偏差或者偏置誤差。

4.7 射頻發(fā)射和接收特性

P440有兩個(gè)版本可用，一個(gè)符合美國FCC條例15.519發(fā)射掩模的限制，一個(gè)符合歐盟ETSI EN條例302 065掩模限制。

兩個(gè)版本的主要不同之處在于發(fā)射脈沖的性質(zhì)。掩模帶邊沿比美版更嚴(yán)格，因此需要更嚴(yán)格的濾波，波形在頻率特性上顯得更狹窄，在時(shí)間特性上顯得更長（包含更多的波瓣）。

歐盟和美國版的設(shè)備在接收特性上是相同的，都使用相同的采用雙通/ LNA結(jié)構(gòu)的帶寬濾波器。一個(gè)單個(gè)的帶通濾波器的特性如以下圖24所示。

圖24：一個(gè)帶通濾波信號(hào)的特性

4.8 可選功率放大器

P440可以加入一個(gè)功率放大器，能夠提高發(fā)射功率大約10db。在一些場(chǎng)合比如評(píng)估或者研究活動(dòng)中時(shí)，這個(gè)功能是有價(jià)值的，但這個(gè)選項(xiàng)有兩個(gè)非常重要的注意事項(xiàng)。

首先，加入功放對(duì)發(fā)射功率的增幅會(huì)超出大多數(shù)國家的條規(guī)限制，比如在美國或者歐盟國家，帶有這類功放的商品很難被認(rèn)證。

其次，這類功放不僅會(huì)增加帶內(nèi)發(fā)射功率，也會(huì)增加帶外功率，但是兩者的增幅不一定是線性關(guān)系。

有功放的模塊不攜帶一個(gè)聯(lián)邦通訊委員會(huì)認(rèn)證標(biāo)志。

若是需要在實(shí)驗(yàn)或者研究項(xiàng)目中使用該功能，使用者需確認(rèn)獲取當(dāng)局機(jī)構(gòu)的許可。

4.9 指示燈

P440具有5種指示燈，圖14標(biāo)出了它們的具體位置。以下是對(duì)這些指示燈功能的說明。

網(wǎng)口燈（在RJ45插槽背面）：

·綠色燈：燈亮表明傳輸速率為100Mbps，燈滅表明傳輸速率為10Mbps。

·黃色燈：燈亮表明連接有效，閃爍表明處于工作狀態(tài)，燈滅表明無連接。

UWB指示燈（在RJ45插槽側(cè)面）：

·藍(lán)色燈（自檢燈）：低速閃爍（約0.5Hz）表明模塊工作正常，高速閃爍（約10Hz）或者持續(xù)亮或者不亮表明自檢失敗，模塊出現(xiàn)問題。

·綠色燈（超寬帶工作狀態(tài)）：按如下方式進(jìn)行亮滅切換：

測(cè)距或者組網(wǎng)初始化請(qǐng)求數(shù)據(jù)包傳送；

測(cè)距或者組網(wǎng)初始化響應(yīng)數(shù)據(jù)包傳送；

測(cè)距或者組網(wǎng)初始化傳送數(shù)據(jù)包；

初始化組網(wǎng)發(fā)送信標(biāo)；

初始化CAT數(shù)據(jù)包發(fā)射；

初始化CAT數(shù)據(jù)包接收；

完成一次MRM單基站雷達(dá)掃描；

FPGA燈（與UWB指示燈在模塊同一側(cè)，位于對(duì)面邊緣）：

·綠色燈：閃爍表明FPGA裝載完畢，可作為基帶使用，準(zhǔn)備好發(fā)射或者接收信號(hào)；燈滅表明FPGA有問題或者在低功耗睡眠模式。

以下是關(guān)于模塊接通電源后指示燈狀態(tài)的描述。當(dāng)接入電源后，F(xiàn)PGA指示燈會(huì)以2Hz的頻率閃爍，同時(shí)UWB指示燈的綠色燈不亮而藍(lán)色燈亮。藍(lán)色燈亮持續(xù)約5秒，這段時(shí)間是模塊啟動(dòng)的時(shí)間。啟動(dòng)完成后藍(lán)色燈約每2秒閃爍1次，而綠色燈則會(huì)在模塊每發(fā)送1個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)閃爍1次。任何不包含在上述過程內(nèi)的亮燈情況均可視為模塊錯(cuò)誤或者故障。

4.10 熱量管理

P440的功耗約為2W，可參考一部普通的手機(jī)功耗。盡管功耗不大，這些能量足以加熱整個(gè)板子。在某些條件下，這可能會(huì)帶來問題。比如模塊在密封的盒子內(nèi)工作，周圍環(huán)境溫度很高，同時(shí)還有陽光照射加熱，那么產(chǎn)生的熱量就會(huì)使板子溫度上升到超過電路板的耐熱極限。

P440內(nèi)置有溫度傳感器，可報(bào)告板子溫度。用戶需監(jiān)視溫度傳感器，確保板子不要在超過耐熱極限溫度的情況下工作。

以下列舉一些模塊自我加熱導(dǎo)致板子升溫的效果：

案例1：周圍環(huán)境23℃，板子裸置于空氣輕微流動(dòng)的桌面上——電路板溫度32℃；

案例2：周圍環(huán)境23℃，板子裸置于空氣不流動(dòng)的桌面上——電路板溫度41℃；

案例3：周圍環(huán)境23℃，安裝在Time Domain公司標(biāo)配外殼內(nèi)——電路板溫度47℃。

5 機(jī)械接口

    下面四張圖分別展示了電路板尺寸、主要元件高度以及所有連接器的位置與大小。尺寸均采用英制單位即英寸，方括號(hào)內(nèi)為相應(yīng)的單位即毫米。表2則列出了所有連接器的零件號(hào)以及和它們相配合的零件的零件號(hào)。

圖29：P440電路板尺寸

6個(gè)固定孔內(nèi)徑為0.125英寸（3.175毫米），配合4#螺絲大小。護(hù)墊外徑0.25英寸（6.35毫米），孔位中心距離最近的電子元件或者印刷電路最小為0.14英寸（3.556毫米）。

固定孔數(shù)量、尺寸以及分布位置足以滿足大多數(shù)情況下的防振需求。有些用戶已經(jīng)在極富挑戰(zhàn)性的應(yīng)用中成功地驗(yàn)證了模塊的抗振性能。

電路板是根據(jù)IPC二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)制造的，孔徑以及中心的公差都符合這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。

圖30：夾層連接器的位置

如圖30與圖31顯示所有突出電路板之外的零件的尺寸，包括RF SMA連接器、鎖式連接器、USB小口連接器以及RJ45以太網(wǎng)連接器。

圖31：限制垂直高度的元件

     如果用戶需要將模塊置于某載板上，設(shè)計(jì)者要小心，不要在底板上0.125英寸（3.17毫米）范圍內(nèi)放置任何元件。那片區(qū)域是禁用區(qū)，用來給模塊底部元件保留空間的。注意若使用夾層連接器，和它配合的部件長度不一。通過選擇長度適宜的連接器插入部件，用戶能夠在模塊下面容留很多種不同的零件而不必觸及禁用區(qū)。

圖32：P440模塊背面電源接口與I/O接口的位置及其尺寸

圖33：射頻SMA連接器的位置與尺寸

表2顯示了P440連接器和與它們相配的零件的零件號(hào)

表2：連接器零件編號(hào)

*以上SMA、USB以及0.1英寸串口針均為標(biāo)準(zhǔn)元器件，用戶可以有多樣選擇。怎樣選擇依賴于具體的應(yīng)用。幸運(yùn)的是，對(duì)于我們想得到的幾乎所有應(yīng)用，我們都有選項(xiàng)。

6 技術(shù)規(guī)格

6.1 關(guān)鍵性能參數(shù)總結(jié)

表3：

表3：P440性能特性

P440的設(shè)計(jì)有可能會(huì)改變。6.8描述了怎樣決定電路板的版本號(hào)，也指出了版本差異。

6.2 P440射頻模塊的工作范圍

實(shí)際應(yīng)用中的測(cè)量距離會(huì)受到多種因素影響，包括天線離地高度、各類干擾、菲涅爾效應(yīng)的相長干涉與相消干涉等。例如在空曠地面，菲涅爾地面反彈會(huì)使信號(hào)強(qiáng)度增加從而增加了整個(gè)測(cè)距范圍。當(dāng)PII調(diào)整至8并且天線離地2.5m時(shí)，模塊所能測(cè)得距離可達(dá)600m。圖34展示了一個(gè)例子。也有例外的情況，例如，如果天線安置在理想位置或者地面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供了顯著的天線增益，所測(cè)距離可達(dá)1000m。曾有一位用戶在隧道內(nèi)（并非*視距）測(cè)得3000m的距離。

有時(shí)候菲涅爾相消干涉也會(huì)成為主導(dǎo)因子，看圖34中100m處的極小值。在這個(gè)點(diǎn)菲涅爾取消處在值。而如果系統(tǒng)此刻工作在低很多的PII上，接收的信噪比SNR會(huì)降低，甚至到某一點(diǎn)信噪比SNR過低導(dǎo)致測(cè)距失敗。請(qǐng)注意在圖30中當(dāng)SNR降低至15dB以下后模塊無法正常工作。作為論證的基礎(chǔ)我們不妨假設(shè)模塊工作的SNR界限在24dB處（事實(shí)上這一降幅可以通過將PII從8調(diào)整至5來完成），用黑色虛線代表這一限值。于是我們可以看出，模塊在0~90m以及120~210m處可以正常工作，但是在90~120m卻不能，其原因是噪比SNR低于接收機(jī)工作所要求的22dB的門檻。

圖34：100m處的菲涅爾取消會(huì)限制測(cè)距性能。如果工作信噪比要求是圖中黑線所示的23dB，那么最遠(yuǎn)測(cè)距可達(dá)210m但是在90m和120m之間無法測(cè)距。

若想測(cè)量長距離，必須將菲涅爾效應(yīng)考慮在內(nèi)。如果測(cè)距環(huán)境中菲涅爾效應(yīng)既無助益也非阻礙，那么測(cè)距操作將被設(shè)為使用自由空間傳播模型；如果菲涅爾效應(yīng)既有助益也存在阻礙，假定菲涅爾取消沒有深到導(dǎo)致問題，那么測(cè)距距離取決于菲涅爾增強(qiáng)。

環(huán)境中射頻噪音的大小也是一個(gè)限制因素。在圖34中，藍(lán)色線表示測(cè)得的噪音大小，它是接收端位置的函數(shù)。若該參數(shù)比圖中數(shù)值高9dB，那么接收端接收的信號(hào)SNR會(huì)降低9dB。在這種情況下，圖34所示的相應(yīng)測(cè)距距離為200m左右，并且在90~120m區(qū)間內(nèi)有缺口。若環(huán)境中存在*的帶外發(fā)射機(jī)或者與P440同一頻帶的發(fā)射機(jī)時(shí)，噪音會(huì)增加。

如果假設(shè)環(huán)境中不存在噪音等因素，那么一個(gè)配有標(biāo)配天線的標(biāo)準(zhǔn)版P440的測(cè)距范圍如表4所示，分為自由空間和開闊地面兩類性能欄。開闊地面性能欄內(nèi)的數(shù)據(jù)得益于地面反射造成的菲涅爾相長干涉，自由空間性能欄則是因?yàn)榈孛娣瓷洳皇且粋€(gè)因素。自由空間的例子包括在兩架遠(yuǎn)離地面并且相互距離很短（<70m）的無人機(jī)之間的測(cè)距操作，在這種情況下，菲涅爾增益不太顯著。

自由空間數(shù)據(jù)是用兩個(gè)相距1m的模塊計(jì)算出來的，環(huán)境內(nèi)噪音低，并置有固定衰減器提供距離衰減。這種情況下的測(cè)距距離意味著在這個(gè)距離上測(cè)量成功率超過98%。如果進(jìn)一步增加距離，那么成功率就會(huì)降低。如果可以接受成功率為50%，那么測(cè)距距離可提高20%。開闊地面數(shù)據(jù)是將模塊置于實(shí)際的開放區(qū)域內(nèi)通過實(shí)驗(yàn)獲取的。

表4：在不同的積分率設(shè)置情況下P440測(cè)距系統(tǒng)在自由空間和空曠地面上的測(cè)距距離

6.3 測(cè)距速率

測(cè)距對(duì)話時(shí)間是發(fā)動(dòng)一次雙向飛行時(shí)間TW-TOF測(cè)距所需的時(shí)間，測(cè)距速率受限于主機(jī)到P440用來發(fā)起測(cè)距請(qǐng)求所需的開銷。這個(gè)開銷會(huì)限制下表中大約30%的測(cè)量值。如果通過RangeNet來處理測(cè)距請(qǐng)求，這個(gè)開銷會(huì)被消除。

表5中所示的測(cè)距速率是兩個(gè)模塊做為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行操作獲取的，網(wǎng)絡(luò)包含一個(gè)單一請(qǐng)求者和一個(gè)單一響應(yīng)者。

表5：在符合發(fā)射功率規(guī)定前提下的數(shù)據(jù)和測(cè)距性能特點(diǎn)

6.4 精密測(cè)距精度、準(zhǔn)確度和偏置

6.4.1視距條件下的精密度和準(zhǔn)確度

視距條件下的測(cè)距精密度和準(zhǔn)確度規(guī)格，是基于一個(gè)龐大測(cè)距項(xiàng)目獲取的。項(xiàng)目進(jìn)行了20000測(cè)量，測(cè)量環(huán)境為空曠地面，實(shí)際距離從2英尺到300英尺，PII從4到8，傳輸增益從0設(shè)置到63，接收信號(hào)包括線性的和被壓縮的。所引用值是所有測(cè)量值的綜合計(jì)算結(jié)果，包括部分在設(shè)置不合理情況下的測(cè)量值，例如在最短距離上采用發(fā)射功率進(jìn)行測(cè)距。此結(jié)果可作為系統(tǒng)測(cè)距精密度和準(zhǔn)確度的保守估計(jì)。

測(cè)距精度可通過多次取均值來提高，測(cè)量6次一般可把準(zhǔn)確度提高一倍左右，超過6次測(cè)量取平均精度只有邊際改善。

本項(xiàng)測(cè)量活動(dòng)在2011年實(shí)施，我們之后對(duì)測(cè)距算法進(jìn)行了多次重大改進(jìn)?？偩龋òň芏群推担┮驯豢辈旒?jí)激光驗(yàn)證。雖然測(cè)試是在有限的范圍內(nèi)，結(jié)果表明，整體的測(cè)量精度大大優(yōu)于在本規(guī)范中引用的值。測(cè)試結(jié)果是在開闊地面統(tǒng)計(jì)出的，總精度接近25px。雖然測(cè)試的規(guī)模很有限，不足以在已發(fā)布的規(guī)范確認(rèn)這些改善，但用戶應(yīng)該可以期待和我們測(cè)試類似的結(jié)果，特別是在類似的環(huán)境下進(jìn)行的測(cè)試。

如果把操作限制到一個(gè)較窄的應(yīng)用領(lǐng)域，用戶已經(jīng)取得了更高的性能表現(xiàn)。一個(gè)用戶報(bào)告的精度為0.5厘米，而另一份報(bào)告則為2毫米的精度。

6.4.2非視距條件下的精密度和準(zhǔn)確度

Time Domain并未給出在非視距環(huán)境下的規(guī)格數(shù)據(jù)，是因?yàn)檫@類條件包含太多不確定性。比如在木結(jié)構(gòu)和石膏墻的建筑物內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，所得結(jié)果雖然不如在視距條件下那么好，但比較接近。這是因?yàn)槟静暮褪喟鍥]有使P440頻率的射頻信號(hào)明顯衰減或分散。另一個(gè)射頻傳播譜的是在金屬船艙內(nèi)進(jìn)行測(cè)試。由于金屬阻擋射頻傳播，所以測(cè)距的范圍受限于房間的大小。在非視距條件下操作必須憑經(jīng)驗(yàn)確定。不得不說的是，我們周期性地測(cè)量我們辦公空間的一側(cè)到另一側(cè)的距離（大約30米，不僅是非視距環(huán)境還有大量的金屬遮擋），測(cè)距精度優(yōu)于±1米。

6.4.3偏置和校準(zhǔn)

TW-TOF的精密度（標(biāo)準(zhǔn)偏差）和準(zhǔn)確度（偏移誤差）在6.1的表3中已列出，在6.4.1中有討論。

需要注意的是偏置測(cè)量時(shí)使用的是標(biāo)準(zhǔn)Broadspec天線和90度SMA接口。       P440在出廠時(shí)的偏值將被降至幾厘米，這確保用戶在做測(cè)量時(shí)，所得結(jié)果與使用激光測(cè)距儀的結(jié)果接近。上述結(jié)果假定是在理想視距條件下，未受壓縮，未受菲涅爾取消或者菲涅爾放大的影響，滿足了這些條件，大部分用戶都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果滿意。此外，測(cè)距結(jié)果在工作溫度范圍內(nèi)都不會(huì)有實(shí)質(zhì)性的改變。

有時(shí)需要使用不同的電纜、連接器或者天線，此時(shí)偏置會(huì)變化。此外在有些應(yīng)用中對(duì)歸零調(diào)整的精度要求比通常出廠設(shè)置還高。在這些情況下均需針對(duì)單個(gè)P440進(jìn)行偏置調(diào)整。應(yīng)用說明320-0327 Distributed Calibration of Time Domain UWB Radios描述了這個(gè)過程。用戶一旦算出了需要校準(zhǔn)的厘米數(shù)后，需要將這一數(shù)值轉(zhuǎn)化為皮秒數(shù)，通過API指令RCM_Set_Config_Request或者RangeNet RET界面中的配置標(biāo)簽進(jìn)行操作。轉(zhuǎn)化公式如下：

0.2993mm延遲=1皮秒

換句話說，如果你在天線端口與天線之間加入一根1m長的電纜線，那么需要將對(duì)應(yīng)于那個(gè)天線端口的天線延遲（antenna delay）值提高3341ps。

6.5 粗略距離估算（CRE）的測(cè)距精密度和準(zhǔn)確度

有三個(gè)重要因素會(huì)影響CRE的精密度和準(zhǔn)確度：射頻信道的穩(wěn)定性、輻射方向變化以及信號(hào)強(qiáng)度。

如果射頻信道穩(wěn)定，CRE的準(zhǔn)確度接近于參照系精密測(cè)距PRM。如果模塊在移動(dòng)，引起相應(yīng)的天線輻射方向發(fā)生改變，那么信道也會(huì)隨時(shí)發(fā)生變化。所以在這種情況下經(jīng)常對(duì)PRM做校準(zhǔn)才能使信道漂移的影響減小。變化率也即漂移隨著節(jié)點(diǎn)速度和方向的變化而變化，必須根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來確定。

隨機(jī)效應(yīng)，包括抽樣變異，會(huì)讓一個(gè)測(cè)得的靜止節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度變化高達(dá)10%。CRE的誤差是發(fā)射端和接收端距離的函數(shù)很大程度是由噪音在強(qiáng)度越弱的信號(hào)中占比越高。這意味著短距離測(cè)量時(shí)10%CRE標(biāo)準(zhǔn)偏置誤差在遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)會(huì)增加到30%，因此CRE不適用于超過100m的距離測(cè)量。在這些距離上，信號(hào)強(qiáng)度隨距離的變化是非常小的，可以小于在任何給定的點(diǎn)的平均讀數(shù)讀取變化。此外，在超過約100米的距離上通常會(huì)遇到菲涅爾增強(qiáng)。在這種情況下，信噪比會(huì)隨距離增加，這在圖34中有說明。

6.6 數(shù)據(jù)通信速率和吞吐量

P440無論做為測(cè)距無線電還是雷達(dá)均已做了優(yōu)化。盡管P440即能夠用來傳輸大量數(shù)據(jù)，但要以犧牲測(cè)距更新率為代價(jià)。同樣重要需要注意的是，數(shù)據(jù)傳輸限制在每個(gè)數(shù)據(jù)包最多1000個(gè)字節(jié)。雖然更少的字節(jié)可以被發(fā)送，但是當(dāng)每個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送的字節(jié)時(shí)，吞吐量達(dá)到。在不同的吞吐量上限以及不同的PII等級(jí)下，數(shù)據(jù)傳輸速率也不同，表6顯示了PII脈沖綜合指數(shù)和數(shù)據(jù)吞吐量之間的關(guān)系。

表6：不同的脈沖積分和緩沖區(qū)大小的吞吐量

還應(yīng)注意的是，比特率會(huì)有幾個(gè)百分點(diǎn)的差異，取決于所選的碼信道。

6.7 P440雷達(dá)的工作范圍

UWB雷達(dá)的偵測(cè)范圍主要受以下幾個(gè)因素影響：天線、周圍環(huán)境、雜波、目標(biāo)大小以及目標(biāo)移動(dòng)特征，以及用戶開發(fā)的信號(hào)處理算法的魯棒性。本文檔引用的探測(cè)范圍已有用戶實(shí)測(cè)證實(shí)，代表了接近迄今為止未使用復(fù)雜處理算法的探測(cè)范圍。受限于合法發(fā)射功率的用戶以及無法改動(dòng)天線的用戶應(yīng)將表3中的數(shù)據(jù)大小減半。

如需進(jìn)行深入的了解，Time Domain有一個(gè)已被驗(yàn)證的P440雷達(dá)探測(cè)范圍公式。

6.8 P440版本差異

P440的設(shè)計(jì)經(jīng)常地會(huì)有輕微改進(jìn)或者改變，版本或者任何修訂號(hào)會(huì)在每一個(gè)P440的條形碼中顯示，如圖35：

圖35：P440的版本號(hào)顯示在條形碼中，圖例中為修訂A版

以下是自本數(shù)據(jù)表發(fā)布以來的各個(gè)偏差/更改/改進(jìn)的修訂版本號(hào)列表

P440 修訂A 版：

l  不支持通過夾層連接器的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸

l  不推薦在溫度界限上使用模塊，曾有失效報(bào)告；避免在的戶外溫度下使用模塊

l  避免在高振動(dòng)中使用模塊

l  如果在高振動(dòng)或者溫度下發(fā)生故障，請(qǐng)聯(lián)系我們

P440 修訂B 版：

l  不支持通過夾層連接器的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸

7 Broadspec 天線

P440標(biāo)配天線是Broadspec天線 ，如圖36所示。模塊也適用其他各種標(biāo)準(zhǔn)天線或者用戶定制天線。的電氣要求就是使用的天線有一個(gè)50ohm的SMA連接器。

使用不同的天線很有可能改變波束模式和增益，這兩個(gè)參數(shù)任何一個(gè)都可能影響認(rèn)證。使用不同的天線可以改變相位線性度和影響脈沖形狀和完整性。這些會(huì)對(duì)測(cè)距算法的性能造成影響。

然而，所有的發(fā)射設(shè)置都假定P440連接到Broadcast天線。若使用其他天線（包括使用饋線的情況）需要重新做射頻規(guī)范認(rèn)證。

P440可以在單天線模式線工作（發(fā)射和接收），也可以同時(shí)使用兩根天線（一個(gè)發(fā)射另一個(gè)接收）。

Broadcast天線（~3dBi）提供全方向發(fā)射和接收模式，支持頻率為3.1~5.3GHz。它帶有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的SMA公接頭，尺寸為3.0 X 63.5 X 1.6mm。如果訂購的是開發(fā)包，我們會(huì)提供一個(gè)90度連接器，如圖36。

圖36：Broadcast天線及其相位中心