目錄

1 摘要

2 P440軟件

2.1 P440嵌入式軟件

2.2 應用程序接口（APIs）

2.3 圖形用戶接口（GUIs）與示例代碼

2.4 作為開發工具的APIs和GUIs

2.4.1 使用RangeNet測距

2.4.2 使用RangeNet組網

2.4.3 單基站雷達和MRM RET軟件

2.4.4 雙基地雷達與CAT（信道分析工具）傳播

2.5 組網：RangeNet與RangeNet Lite的比較

2.6 軟件支持

3 模塊硬件各功能區圖解

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

4.3.3 兩種方式供電

4.3.4 機箱接地

4.3.5 融合（保險絲）接地和數字接地

4.3.6 P440供電要求

4.4 主機和P440接口選擇

4.4.1 USB 2.0高速設備

4.4.2 用戶串口

4.4.3 SPI

4.4.4 以太網和IP地址

4.4.5 CAN

4.5 GPIO

4.6 天線端口

4.7 射頻發射和接收特性

4.8 可選功率放大器

4.9 指示燈

4.10 熱量管理

5 機械接口

6 技術規格

6.1 關鍵性能參數總結

6.2 P440射頻模塊的最大工作范圍

6.3 測距速率

6.4 精密測距精度、準確度和偏置

6.4.1視距條件下的精密度和準確度

6.4.3偏置和校準

6.5 粗略距離估算（CRE）的測距精密度和準確度

6.6 數據通信速率和吞吐量

6.7 P440雷達的工作范圍

6.8 P440版本差異

7 Broadspec 天線

1 摘要

PulsOn 440模塊（簡稱P440）是一種波段在3.1G到4.8GHz之間的超寬帶無線收發器，它可以實現如下功能：

·采用雙向飛行時間（TW-TOF）方式在2個或者2個以上的模塊之間進行測距，測量準確度可達3厘米，刷新率最高為125Hz 。

·可以在兩個或多個模塊之間實現通信。

·可作為單基地雷達，雙基地雷達或者多基地雷達工作。

·可同時執行四種功能（測距、數據傳輸、單基地雷達和多基地雷達）。

·發射功率極?。ā?0uW）。

·具備用優化雙向飛行時間測距的組網功能，網絡測距可以采用ALOHA（隨機）或者TDMA（時分多址）協議。

·支持多達11個獨立信道，因此可以實現CDMA(Code Division Multiple Access碼分多址)組網?？梢约尤敫嘈诺?。

·P440可以和前幾代產品的（P400，P410以及P412）進行互操作。硬件設計的運行要求完全符合所有工業級溫度范圍（-40℃至85℃），同時也可在晃動或者高頻震動的環境中運行。

·天線射頻的輻射強度符合美國FCC的15條規定，同時遵循歐洲電信標準化協會的條款302065協議。

P440與所有P400系列的成員相同，是一種相干無線收發器，也就是說每一個發射脈沖的能量可以相加來增加接收信號的信號噪聲比（SNR）。每一次發射脈沖數量翻倍時，接收信號的信噪比也會翻倍（大約增加3dB），其代價是完成整個信號的的傳輸時間也隨之加倍。發射強度并沒有增加，但更多發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射，包括測距，雷達以及通信。

用戶可以通過USB、串口、SPI、網口或者CAN等方式連接模塊，通過下達API指令控制和監測模塊的工作。USB驅動程序支持Windows Vista 32/64、Windows 7 32/64以及Windows 8 32/64系統以及Windows 10操作系統。Unix和OS X系統不需要一個專門的USB驅動程序。P440會自動顯示為一個串行設備。

API提供了所有用戶用于設計可操作多個模塊組成的雷達傳感器或者測距射頻網絡的指令和功能。

為了協助用戶展示P440在作為測距模塊或者雷達傳感器時的性能，Time Domain提供了基于PC端的可以運行所有API指令的用戶圖形界面（GUIs），還可實現如下功能：

·為編程人員列舉一個可視化的、應用主機使用API指令和P440通信的示例軟件。

·讓用戶評估模塊的測距通信性能。

·讓用戶通過使用運動濾波、檢測處理器的例子以及原始數據與經處理的雷達掃描數據的圖形顯示來評估模塊的雷達性能。

·讓系統分析人員觀察、采集并記錄下原始的測距數據或者雷達數據，以方便其針對項目開發優化算法。

·讓用戶搭建一個多個P440測距傳感器的網絡。

模塊同時提供用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學習如何使用API和P440交互，然后根據自己應用的需要編寫應用程序。

這個技術已經被廣泛運用，以下僅列舉部分案例：

·軌道車輛安全距離實時顯示

·讓機器人在自動跟隨時和引導者保持安全距離

·為機器人提供位置信息

·無人機飛行導航

·在隧道內和礦井下精確定位車輛

·工程車輛的防碰撞

·定位并跟蹤區域內人員

·精確測量條形結構的長度

·精確測量大樓內特殊（或貴重）物體的位置

·跟蹤工廠內叉車等

·可用于博士論文或者博士后論文的研究項目

·可用于本科階段在射頻、雷達以及信號處理等領域的教學工作

本文詳細介紹了P440模塊的軟件與硬件，敘述內容可細分為以下幾個部分：

第二章： P440軟件

第三章：模塊硬件各功能區圖解

第四章：電子電路接口

第五章：機械接口

第六章：技術規格

第七章：Broadspec天線

2 P440軟件

P440軟件章節包含5項內容：

·基于P440的嵌入式軟件

·定義模塊連接主機處理器接口的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據分析工具

·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P440模塊的系統高效進行測距和通信提供網絡支持

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，開發板上的處理器主要有3種功能：

·用于發送和接收超寬帶脈沖

·處理所有與主機（PC或者單片機等）間的通信行為，通信格式可由3種API設定，以達到為具體應用定制的目的。用戶可以選擇5種連接方式實現模塊與主機的連接：USB，串口，網口，SPI以及CAN。

·當模塊用于組網時，開發板上的處理器可以：

    1）承擔對通信內容與測距請求的時序安排功能

    2）為主機提供數據狀態實時信息

    3）處理由主機發送的監控命令

這樣可以提高測距刷新率，減輕主機處理器負擔。

關于嵌入式軟件，更多信息請查看文檔：320-087 Using the USB and Serial Interfaces

2.2 應用程序接口（APIs）

本產品配有3種API：

·  測距與組網指令，包含在文檔320-0313 RangeNet API Specification中

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

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

這樣的區分純粹是認為的。實際上P440的內置軟件能夠處理全部三種API。如果模塊的內置代碼有更新的話，那么所有三種API的指令也會相應更新。此外，用戶在開發時可以根據需要調用任意一個或者所有API中的指令。例如在創建測距網絡時加入雙基地雷達和多基地雷達，還能進行數據通信。

API指令的高層特點將在2.4章節“作為開發工具的APIs和GUIs”中討論。

2.3 圖形用戶接口（GUIs）與示例代碼

想要完全掌握一組API（本文中其實是三組為一套）的所有指令是很耗費時間的，尤其當這樣的API具有大量設置指令時更為明顯。為了加速這一進程，Time Domain為用戶準備了三套GUI作為示例，可在PC端運行并且能夠執行所有API指令。這些API指令集可以展示收到的數據，讓用戶能夠記錄下所有主機發出或者接收到的API指令與數據。每一個GUI均對應于一組API：

·RangeNet RET 可用于展示主機控制下的點對點測距與通信以及P440控制下的組網測距操作。

·MRM RET 可用于展示單基地雷達的功能。

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

另外，時域公司還為每一個GUI的應用領域配備了C語言示例代碼與MATLAB示例代碼。C語言版本使嵌入式開發人員快速學習和P440通信，MATLAB版本則旨在讓系統分析人員快速架構實驗以調研和評估性能。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容：

Ranging and Network（RangeNet）

·150-0117 – RangeNet C Sample Applications

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

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

·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手冊與快速入門手冊，用來示例設備的操作。熟讀這些文檔后，用戶基本上可以在30分鐘內學會操作測距、操作網絡、操作單基地雷達或者捕捉雙基地雷達掃描數據和射頻通信信道波形。手冊文檔清單如下：

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 作為開發工具的APIs和GUIs

本章節從高層次總結了API并將討論如何以GUI作為開發工具。

一般來說，GUI是一種直觀的數據表達形式。這些GUI可以讓用戶實現很多功能，比如配置P440，發起測距或者雷達請求，進入或者離開網絡，改變睡眠狀態，測量溫度，以及顯示狀態、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據以及模塊與主機之間的通信情況。雷達的GUI更是能夠對接收數據進行帶通濾波，并提供運動濾波與檢測濾波處理。

2.4.1 使用RangeNet測距

測距組網API允許用戶配置P440并進行測距。事實上，它支持3種測距方式，本章節將會討論它們。然而測距采用的方式沒有獲取基本數據的技術重要。P440用很多接收器將接收信號數字化，產生接收數據的波形圖。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1：一個典型的接收波形：信號幅度（相對強度）對應于時間（61ps增量）

這個特點很有用，原因如下：

·過采樣可以對數據作關聯處理，以得到可靠的亞厘米級的測距估值。

·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）判斷信號是否為視距（LOS）傳播，（b）確定信號是否被壓縮，（c）判斷受損信號是受多徑效應還是菲涅爾效應影響，這個在圖2中會有描述。

·可以測量第一個到達脈沖的信號強度，而不是最大的多徑信號的強度。

·可以測量背景噪聲的水平，結合信號強度的測量，可以得到接收信號的信噪比等相關數據

·可以獲取接收波形特性，給出估算測距的誤差估值。

圖2 ：在不同環境下以61ps間隔（2倍奈奎斯特速率）捕獲的接收波形

這個基本功能可以形成如下三種測距類型：

精確測距（PRM）：該類型使用TW-TOF（雙向飛行時間）測距技術，通常具有高精度，同時也會有距離誤差范圍以及潛在誤差的警告標志。用戶可以根據提供的測距誤差范圍估值啟動卡曼濾波，也可以通過警告功能濾除非精確數值。

粗略距離估計（CRE）：該類型類似于RSSI（接收信號強度指數）距離估算，由連續波射頻測距系統產生，這種系統把接收信號的強度和距離聯系起來。當然，兩者也有兩個不同點，首先，這里所講的信號強度是基于第一個到達脈沖的強度，而非整個過程中強度最大的那個，這確保了系統不會使用結構多徑效應導致的較強信號來計算距離從而導致錯誤數值；其次，這類信號強度是基于上一次成功測距的PRM數值自動校準過的。

最新回聲距離（ELR）：這是一種系統中在另外兩個模塊之間精確測距PRM數據。換句話說，每當一個模塊取得PRM時，它會將上一次的測量數據廣播給區域內其它模塊。例如，如果A模塊測量了它與B模塊之間的距離，當它啟動與其它模塊的測距行為時，它還會將這個測量結果報告給C、D、E模塊......這也是一種替代性的通過系統自動發布距離信息的方法。

最后，P440通過API指令為主機處理器提供可用的測距值，誤差標志，距離誤差估值，信號強度，背景噪聲以及波形信息。

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

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

·測距請求可以是單次的，可以是固定次數的，也可以是連續不斷的。

·展示接收信號強度、噪音強度以及信噪比。

·當所讀數據不可靠時，會顯示一個有質量標準的警告。

·可以計算性能統計數據。例如，如果用戶發出了有限次數的測距請求，那么GUI可以計算出測距成功率、測距均值、測距標準差、平均信噪比以及信噪比的標準差。這些統計數據有助于用戶決定系統工作質量。系統也可以根據質量標準對接收數據進行過濾，提供相同的統計數據。

·判斷區域內是否存在干擾源。

·可以對一個給定的連接進行校準，從而步補償原測量中固有的偏差。

·允許客戶快速進入并發送數據。

·允許客戶接收并顯示數據。

·可以記錄下P440與主機之間的所有的交換數據。

·當某個模塊在區域內沒有直接參與其他模塊之間的測距時，通過該模塊可以得到其他模塊之間的測距值。

圖3：GUI顯示的典型波形

記錄數據的功能可以讓用戶繪制圖表建立性能和距離關系函數，這是一個可以評估給定區域內信號傳播質量的優秀工具。圖4中的數據是當模塊間的距離增加時采集的，其中一個模塊保持靜止，另一個模塊緩慢移動，圖4繪制出了信號、噪音以及信噪比作為分隔距離函數的圖形。從該圖中可以得出以下幾個信息：

·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。

·噪音水平是常數，因此在附近沒有明顯干擾源。

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

2.4.2 使用RangeNet組網

操作一個只有兩個模塊的系統是很簡單的，操作多個模塊會復雜得多。例如：

·系統中模塊的數量可能會隨時間而變化，進入系統的模塊需要被感知，離開系統的模塊則需要從網絡內移除。

·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。有的模塊可能發起和響應測距請求，有的只發送請求，有的只響應請求，有的模塊只與系統中的子系統通信等。

 RangeNet 的API允許用戶在定義一個網絡的同時，定義網絡內模塊的行為，而在網絡的操作由P440來控制。具體來說，P440負責調度測距請求，保持一個所有鄰居的數據庫，在主機與網絡之間傳遞信息。這樣的話，主機只需要負責監控管理，從而大大減輕了主機負擔。

RangeNet API為用戶提供提供了可以定義并監控網絡的工具，例如：

1）網絡可以定義使用兩種不同的時分協議：ALOHA（隨機）或者TDMA（時分多址）協議。

2）如果使用的是ALOHA協議，那么信號發送的平均間隔時間和間隔時間的隨機變化都是可以定義的?；谙到y內模塊的數量，平均間隔時間可以手動或者自動壓縮。收發行為可以在具體每個模塊基礎上進行限制，有的模塊既收又發，有的只發或者只收（這里的受是指響應）。另外，還可以限制某些模塊使它們只和部分網絡成員進行交互。盡管大部分ALOHA網絡效率為19%，我們這個ALOHA網絡效率接近38%，使其等效于一個時隙ALOHA系統的性能。

3）如果使用的是TDMA協議，用戶可以定義一個時隙表用來指定模塊在何時與哪個模塊進行交互，采用的參數是什么。圖5展示了一個時隙表的例子，這個系統內有4個節點（100、101、102和103），其中設定100和101與任意其它3個模塊進行測距，而102與100以及101進行測距。

圖5：一個典型的RangeNet 時隙表

P440處理器負責保持系統同步，同步精度可達1μs。

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

·由于P440網絡能夠安排測距請求時序，因此避免了主機與模塊的頻繁通信，從而提高了測距速率。

·P440網絡維持了鄰近模塊的數據庫。除了記錄有網絡內所有成員的信息與距離，該數據庫還包含了大量統計數據以及其他有用的信息，例如信噪比，行進速度，有效測量速率，信號質量等。

·該網絡還利用了簡單測距應用的回聲距離（ELR）及粗略距離估計（CRE）這兩個特性，用在網絡中有其特殊的作用。ELR利用網絡內所有單元都能接收任何傳輸信號的特性，即當一個模塊對某個模塊的測距請求進行響應時，它還會同時發送上一次成功測距行為中的測距值與對應的模塊編號。這類信息向區域內所有單元廣播。因此這個機制向系統中所有單元發布了網絡距離信息。CRE同樣利用了傳輸的廣播特性。當模塊接收到一次信號后，它會自動生成波形掃描并測量第一個到達脈沖的強度，而不是RSSI情況下的任何信號的峰值強度。其次，RSSI幾乎不會被校準，而CRE會以上次與目標模塊進行成功的TW-TOF測距后的數據為基準進行一次校準。雖然CRE的精度無法與TW-TOF測量的精度相比，其精度水平在大部分情況下已經夠用，而且還具有在不產生成本的情況下擴展網絡信息的益處。

盡管這些工具都有很強大的功能，其內在的復雜度會讓僅僅通過API來展示和操作變得困難。RangeNet GUI可以填補這個缺陷。它不僅可以讓用戶對系統進行配置，同時還提供了一種方法讓用戶可以方便地保存不同的配置，監控結果，評估網絡內每條連接關系的性能，監控鄰近模塊數據庫。例如，RangeNet允許用戶

·定義所有類型配置信息（包括TDMA時隙表，測距配置細節，ALOHA協議設置信息，鄰近數據庫特征等），將配置信息載入進P440，保存配置信息至硬盤并隨時調用。

·以用戶需要的刷新率監控數據庫。圖6舉例說明了一個4個節點系統的數據庫，注意其中統計數據的范圍以及容量。如果想了解每個版塊的具體細節，請查看文檔RangeNet 用戶指導手冊。

·發送，接收以及顯示數據。

·顯示某條連接的掃描波形。

圖6：一個典型的4模塊系統鄰近數據庫 

2.4.3 單基站雷達和MRM RET軟件

單基站雷達的API允許用戶配置雷達參數，發射脈沖以及測量回波。配置的參數包括：

·信道

·發射天線設置

·發射功率

·一次測量集成的脈沖數

·期待的接收射頻掃描的持續時間

最后一個參數值需要討論一下。用戶可以決定雷達回波的哪個部分可以用來作測量并報告。另外，這部分不需要是連續的，也不需要相同的積分率。例如，可以測量相應于這些距離的雷達回波：

·距離天線10米以內

·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回波產生速率，此外，這些掃描無論在雷達快時間或者雷達慢時間都是相干的。通過運用希爾伯特變換，這些雷達回波可以后處理為I型和Q型數據流。

MRM RET GUI可以讓用戶做到：

·定義所有配置參數并載入模塊，將這些參數存入P440，將配置參數存入磁盤或者從磁盤調取

·啟動雷達信號發射

·采集，展示，把接收的數據記錄到磁盤

另外，MRM RET GUI還有一個相關的任務：

·對接收數據進行帶通濾波

·進行運動濾波

·進行檢測濾波

·報告的檢測點以及首先到達的檢測點

濾波任務提供了基本的運動濾波功能，允許用戶調整濾波常數。根據需要，用戶可以記錄和原始數據一起的所有這些信息。

需要注意的是，這類濾波本質上是通用型的，沒有針對特殊應用做優化。它只是為系統開發人員提供一個范例，這些濾波的源代碼可以在MRM RET用戶指導手冊中找到。

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

示例1  I/Q多普勒處理：MATLAB Sample Application #3（含在開發包中）可以讓用戶練習幾種雷達模式。其中一個操作模式可以測量來自動目標的回波，然后運用I/Q多普勒處理繪制出一張距離與多普勒頻移對比圖，如圖7：

圖7：動點的距離與其多普勒頻移對比圖

示例2  SAR（合成孔徑）成像：來自漢茨維爾市阿拉巴馬大學的本科生們用雷達以及步進電機做出了一張合成孔徑雷達成像（SAR Imaging）圖，圖像內容是以鋁制蘇打汽水罐排列成的該大學名稱首字母字樣。實驗結果如圖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：一個來自德克薩斯州大學奧斯汀分校的團隊用雷達模塊畫出了一個風車葉片的逆合成孔徑雷達成像，如圖9：

圖8：旋轉風車葉片的ISAR成像——（a）實驗搭建（b）風車葉片實際形狀

（c）葉片建模圖（d）葉片狀ISAR成像

2.4.4 雙基地雷達與CAT（信道分析工具）傳播

CAT的API以及GUI允許用戶將P440模塊作為一個雙基地雷達或者通信傳播工具。這比較容易實現，因為兩種應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。通信工程師會通過觀察掃描圖樣，指出第一個到達脈沖，然后指出多徑是由于信道其他反射物造成的。他還會根據該波形計算出信道的傳播延遲，評估多徑的碼間串擾影響。一個雷達工程師在觀察同樣的掃描圖樣，指出第一個到達脈沖，然后指出圖中的多徑反射是由區域內固有的雜波與多目標造成的。隨后他會用多普勒處理或者運動濾波將雜波與目標分開。

圖10：通信或者雷達工程師都可用的捕獲波形圖

鑒于這一情況，我們最好還是忽略它在不同運用中的差異性，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，發射功率來發射任意數量的數據包以及接收來自另一個單元的數據包。接收端可以對用戶感興趣進行評估的那部分波形進行測量并給出報告。例如，用戶可以請求在一個脈沖開始前50ns啟動記錄波形，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還允許用戶指定其它分辨率。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，它們唯一的區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

由于發射的信號可以被區域內的任意一臺無線電接收設備獲取到，因此系統可以存在一個發射端與多個接收端。根據用戶的意圖，它可以是一臺空間分布的多基地雷達陣列，也可以作為一種為射頻傳播建?？焖偎鸭瘮祿膬炐惴椒?。

API還有兩個重要功能：（1）用戶可以傳輸長達1000字節的固定數據模式；（2）P440還可以給出信號信噪比的報告。

GUI可以讓用戶對模塊進行設置，啟動發射，然后采集、顯示以及記錄數據。當然該軟件還可以報告并記錄下很多其它類型的統計數據，比如誤包率，誤碼率，發送的數據包數量，發送的碼元，以及信噪比（Eb/No）等。

2.5 組網：RangeNet與RangeNet Lite的比較

RangeNet Lite 是RangeNet的限制節點的簡化版，用來幫助用戶在考慮是否購買授權或購買全版本的RangeNet前對該軟件進行評估和測試。所有的測距和定位開發包、PulsON實驗室已經超級實驗室已經都包含了RangeNet Lite。在該軟件支持RangeNet的所有特性，只是其節點數量被鎖定為不超過10個。更具體地說，系統中加入的前10臺節點設備可以正常運轉，他們可以正常加入或者離開網絡。但是第11臺以及所有隨后加入的模塊將不會被系統識別。這些新加入的設備可以運轉，但可能會干擾前10臺設備，并顯著降低前10臺設備的網絡性能。

如果想獲取關于如何將RangeNet Lite升級為全功能的RangeNet的信息，請聯系北京華星北斗智控技術有限公司。

2.6 軟件支持

Time Domain承諾在硬件平臺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，而應該是能夠驅動硬件的軟件豐富性。軟件改進包含嵌入式軟件（在這里UWB技術的基礎功能可以作調整）和API界面（可在此基礎上加入上層軟件）。

看一下近年來的版本：

2010——用P400展示測距功能

2011——加入單基站雷達功能

2012——測距性能增強

2013——加入信道分析和雙基地/多基地雷達功能

2014——加入支持基于TDMA或者ALOHA協議的組網功能的RangeNet

2015——加入RangeNet簡化版

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

3 模塊硬件各功能區圖解

 本章節將在一個高層次提供并討論P440硬件各個功能區，如圖13。關于各式各樣的接口信息的細節將在第四章敘述。

圖13：P440硬件功能區圖解

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標準外置電源，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信息。

用戶可以通過不同接口接入模塊，如USB、SPI、網口，串口或者CAN。10個GPIO管腳可用。如果SPI接口未被使用，那么這些管腳可以被設置為額外的5根GPIO管腳，使其數量達到總計15根。

另外，用戶可以讓模塊報告電路板的溫度。

目前有多種可實現的物理方式連接至P440，這些方式包括USB連接器，以太網RJ45連接器，鎖式連接器以及3種夾層連接器。詳情請閱讀第四章。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備。詳情請閱讀第五章。

兩個SMA連接器是用來連接天線的，大多數測距應用只需要安裝一根天線，當然也有需要兩根天線提供更多功能的情況。大部分雷達應用需要兩根天線。

處理器通過數字基帶FPGA接口控制UWB的前端，其中FPGA作為數字基帶能夠配置并控制時域公司完全集成前端（FIFE）UWB ASIC，從而能夠發射與接收數據包并計算距離和發送/接收數據。

關于射頻部分，有四點需要注意：

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

·收發開關支持以下幾種配置方案：A端口收發，B端口收發，A端口發B端口收，A端口收B端口發。

·接收鏈含有一系列的放大器以及帶通濾波器。

·有一個可選用的功率放大器能夠用來提高發射信號的功率達10dB。詳細的信息可以在第4章-電子電路接口部分查到。這個選項一般只是用作實驗或者評估。用作其它目的時可能會因超過美國的功率限值而違規。在其它國家使用功率放大器，即使是做實驗，可能也需要等到該國有關部門批準。

4 電子電路接口

本章將詳細介紹P440各式各樣的電子電路接口，一個標準的P440具有以下外接端口：

·兩個天線端口

·通信端口有低速串行接口、USB2.0、以太網接口、CAN以及SPI

·多達15個GPIO管腳外接端口

·電源接口（4.5V到48V），接地端以及機殼接地端

    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。

數據通信系統、GPIO以及供電系統的物理接口是通過以下系列連接器實現的（如圖14）：

·3個夾層連接器

·1個鎖定連接器

·1個以太網RJ45連接器

·2個USB端口（1個只用于供電，1個只用于數據傳輸）

·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潔。于是，我們允許空載一些不必要的組件，從而節省了一些運行成本并將電路板最小化（這樣的配置雖然可能但不是標準的，只有在某個應用的用量超過1000個單元時我們才會考慮）。對于標準可選配置的細節，請閱讀第八章（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，模塊的機殼物理接地端在指定的固定螺絲孔內，如圖14（若想了解更詳細的信息，請閱讀4.3節——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，通過一個或者多個夾層連接器通信

以下列舉一些電子連接方式：

選項1：USB——用戶可以通過USB 數據接口（J5）與USB供電接口（J13）接入電路板。

選項2：以太網——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?.4.5--以太網和IP地址查詢怎樣分配IP地址。

選項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。在下一節我們會詳細介紹鎖式連接器的插腳引線以及用于匹配連接器的各個管腳號。

選項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。下一節會詳細介紹。

選項5：以太網夾層連接器——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MAC信號線，但這需要用戶在載板上提供一個以太網PHY芯片。

上述連接方式中有一些支持GPIO管腳，在下一節會詳細描述。

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。

所有信號線均配有靜電放電（ESD）保護（接觸放電為±8kV，氣隙放電為±15kV）。信號線電壓值為直流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，會對P440造成損壞。用戶務必避免這類損壞，不僅是因為會對系統系能造成影響，而且這樣的故障不在保修范圍內。

有些夾層連接器標記了“保留”，這些排針的功能可能會隨時間變化。如果用戶需要把P440裝在載板上，那么最好是將這些有“保留”標記的排針與載板落點連接，而非用落點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在第五章——機械圖解中說明。

最后，有必要說明一下關于串行發射和接受（TX/RX）線的方向問題?！坝脩舸蠺X”意思是從P440發射到主機，“用戶串行RX”意思是P440從主機接收。 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——用戶級夾層連接器

SPI用戶需要注意SPI中斷線在用戶級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——以太網夾層連接器

圖15d：J6——工業級夾層連接器

    工業級夾層連接器具有可供用戶隨意使用的GPIO排針與接地排針，其余排針未對用戶開放。所有這些排針都是激活的，工廠用他們來做生產線測試。用戶可以使用這個連接器但是必須注意切勿把保留排針與任何信號線，接地線或者供電線連接，否則會對模塊造成極其嚴重的損壞。

圖15e：J7——用戶級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在開發包里或者實驗室里是作為“無線電套件”提供的而每一個單個模塊是一個工業模塊。這兩種供電方式的不同之處是配置選項。作為套件的P440通過USB供電端口（J13）供電。作為工業模塊的P440既可以通過鎖式連接器（J11）也可以通過用戶級夾層連接器（J10）給電路板供電。套件不能通過鎖式連接器或者用戶級夾層連接器供電，工業模塊不能通過USB供電端口供電。

這是一項安全功能旨在確保用戶不會無意中在通過鎖式連接器接入高達48V電源的同時又通過USB供電端口接入5V的電源，否則有可能導致P440和任何通過USB數據口和P440相連的電腦產生嚴重損壞。

4.3.2 反極性保護

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

4.3.3 兩種方式供電

    有兩種技術可以給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供電的同時，通過J10用戶級夾層連接器上的電源串口針（Power_Enable_H）打開或者關閉P440電壓調節閥。這樣的技術讓用戶可以在不用物理斷連的情況下對模塊進行硬重啟。

4.3.4 機箱接地

    P440配備了機殼接地功能，六個安裝孔在頂部、底部以及孔內經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系統有連接。只有一個特殊的安裝孔是通過一個0.01μF電容與1.0MOhm電阻并聯組合與數字接地端連接的。該特殊孔的位置請看圖14。

4.3.5 融合（保險絲）接地和數字接地

    給模塊供電相對簡單，而讓模塊接地則有些微妙。微妙之處就在于保險絲接地與數字接地的區別。按照常識，一般都會選擇保險絲接地而非數字接地。對于那些通常只通過網口或者USB口接入模塊、通過USB供電口給模塊供電的用戶來說，這不是他們關心的問題。如果P440已經通過鎖式連接器或者用戶級夾層連接器集成到一個產品中去，這也不是什么問題。

如果用戶試圖使用以太網連接器或者工業級夾層連接器的GPIO排針，那可能會出現問題。通常保險絲接地是第一選擇，但在某些情況下連接數字地會更好。對于那些想使用這些連接器的用戶，可以聯系廠家更詳細地討論這個問題。

4.3.6 P440供電要求

    一個標準P440在連續工作時要求大約2W的功率，然而還有另外兩個因素需要考慮。首先電子元器件的能耗會隨溫度的變化而變化，其次調節器的效率會隨著輸入電壓的升高而降低?；旧险{節器被設計為在工作電壓5V時效率最高。

圖16展示了兩個不同的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得的，注意模塊在作為接收器工作時需要比作為發射器工作時需要更多的能量。這些數據具有典型性。

圖16：兩塊代表性的P440（紅和藍）工作時能耗作為溫度的函數曲線，工作狀態分為發射（左）和接收（右）

圖17表明電路板上調節器的效率是怎樣隨著輸入電壓變化而變化的，這項數據是在模塊處于發射狀態并且板子上的溫度傳感器顯示溫度為37℃時測量的。

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，系統設計者需要將以上兩個因素考慮在內，并留有安全邊際。例如，一個工作電壓為5V，板子最大工作溫度為85℃的模塊需要的輸入功率至少為2.8W；而相同的系統置于48V和85℃的條件下時，則至少需要1.44倍功率即4.032W。然而這些數據并未包含在任何應用中可能需要的額外的安全邊際。

    P440還具有一個閑置狀態，該狀態下模塊既不發射也不接收，能耗降低約30%。

4.4 主機和P440接口選擇

P440支持5種不同的主接口：USB、串口、SPI、網口和CAN。寬廣的接口選擇能讓用戶在具體應用中自由地試驗并優化系統通信方式。這些接口方式的性能在總結如下。具體的串口針排列信息請看4.2節——連接器引腳。

關于P440的通信協議，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官網上也有相關信息。

4.4.1 USB 2.0高速設備

P440通過USB數據端口（J5）支持USB 2.0高速設備。當使用J5時，記住這個端口只能向P440開放數據通訊線。如若供電，還需通過USB供電端口（J13）、鎖式連接器（J11）或者用戶級夾層連接器的21號管腳。

USB端口的數據傳輸速度最大可達480Mbps，不過這個最大有效吞吐量是受多方面因素限制的，比如主機速度、USB驅動程序的具體實現方式、P440的處理開銷以及主機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/發送器（UART）串口。接口最大傳輸速度為115.2kbps，同時支持9.6、19.2、38.4以及57.6kbps的傳輸速率。默認速率為115.2kbps。

事實上最大速率很大程度上取決于系統驅動電纜電容的能力。如果使用短線或者外部線路驅動器，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端的串口電路的限制。電纜的最大長度需根據經驗來確定，Time Domain測試發現一段750px的纜線能夠相當穩定支持460.8kbps的傳輸速度。

用戶串口設置在鎖式連接器（J11），用戶級夾層連接器（J10），以及用戶級串行排針（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損壞P440。

4.4.3 SPI

SPI接口設計信號操作電壓為3.3V TTL電平，最大時鐘頻率為16.0MHz。這種連接方式實際的數據流量受到各種通信損耗的限制。不過一個未經優化的系統仍然可以達到6~7Mbps的傳送速率。

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

圖18：SPI的互聯信號

SPI端口先以8位字節形式發送MSb（最高有效位），時鐘的空閑狀態為高。如圖19所示，數據在時鐘的下降沿（前緣）傳播，在上升沿（后緣）取樣。

圖19：信號時序圖解

主機設置SPI芯片選項低（上述信號中的CSn），并且平移一個8位命令，可能隨后是數據。命令的第一位（MSb）已設置好，如果第二位也被設置，那么該命令就是一個讀命令，否則為寫命令，這些命令已在圖20中列出。芯片選項在整個過程中需激活并且保持為低，需要在8位邊界上。各種時序圖已在圖21中列出，圖22為時序約束。

圖20：SPI命令結構

圖21：時序圖解

圖22：時序約束

4.4.4 以太網和IP地址

10/100以太網口連接方式可在RJ45標準以太網口實現，也可在以太網夾層連接器（J8）中作為以太網RMII信號線實現。因此，RMII信號線無法直接連接，需要用戶加入載板以及一個以太網PHY芯片。

以太口的通信速率不僅受限于以太網10/100協議，還取決于連接電腦的處理能力以及各種系統開銷。比如，當傳送雷達掃描信號時，一臺低端筆記本通常能夠達到的最大速率大約為2Mbps。如果是一臺更快的計算機并且運行不受顯示或者其他用戶界面功能拖累的C代碼，那么速度可能會提升到4倍?？梢圆榭碪WB雷達C程序樣例150-0107D MRM C Sample Application以獲取更多信息。這個文件可以在Time Domain官網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是作為開發包或者PulsOn實驗室部件使用，它的IP地址的出廠設置為192.168.1.X，其中X標注在模塊RJ45網口的標簽上；如果P440以“工業模式”采購，那么它的IP由DHCP分配。

作為附注，模塊的節點名設置方式與上面的方式類似。如果模塊作為一個開發包部件，節點識別號（ID）會被設置為X，如果是“工業模式”，節點識別號（ID）會在工廠設置，還可以通過系統提供的API或者GUI來設置。

關于如何通過以太口連接P440以及如何改變IP和節點識別號（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數據線驅動器提供的，該驅動提供一個5V差分信號，最大傳送速率為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。這些管腳的狀態以及方向可通過軟件API來控制。

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

圖23：GPIO和相關的連接器和排針位置

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

4.6 天線端口

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

    P440上的一個射頻轉換開關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端口發送/接收

2）A端口發送，B端口接收

3）B端口發送/接收

4）B端口發送，A端口接收

由超寬帶FIFE芯片產生的射頻能量通過射頻傳輸轉換開關到達天線然后從天線發射出去。這么做的時候有一部分能量會通過轉換開關泄漏出去直接發送給接收端。實際上，發射天線收到的能量也會通過轉換開關泄漏出去直接發送給接收端。通常情況下這并不是大問題，但我們仍然建議用戶隔離轉換開關，這樣可以少泄漏大約20dB的能量。

當端口接入一根SMA線或者天線時，切記別擰過緊，否則會對電路板造成損壞。當然也不能太松，否則會影響工作性能。只要保證連接器之間用手適當擰緊，系統就可正常工作。

P440擬使用時域公司Broadspec天線，若使用其他天線，需要重新取得相關證書以確保遵循射頻類管理規則。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/或連接器都會改變端口與天線相位中心之間的射頻飛行時間電氣距離。沒有正確計入這些變化都會導致測距偏差或者偏置誤差。

4.7 射頻發射和接收特性

P440有兩個版本可用，一個符合美國FCC條例15.519發射掩模的限制，一個符合歐盟ETSI EN條例302 065掩模限制。

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

歐盟和美國版的設備在接收特性上是相同的，都使用相同的采用雙通/ LNA結構的帶寬濾波器。一個單個的帶通濾波器的特性如以下圖24所示。

圖24：一個帶通濾波信號的特性

4.8 可選功率放大器

P440可以加入一個功率放大器，能夠提高發射功率大約10db。在一些場合比如評估或者研究活動中時，這個功能是有價值的，但這個選項有兩個非常重要的注意事項。

首先，加入功放對發射功率的增幅會超出大多數國家的條規限制，比如在美國或者歐盟國家，帶有這類功放的商品很難被認證。

其次，這類功放不僅會增加帶內發射功率，也會增加帶外功率，但是兩者的增幅不一定是線性關系。

有功放的模塊不攜帶一個聯邦通訊委員會認證標志。

若是需要在實驗或者研究項目中使用該功能，使用者需確認獲取當局權威機構的許可。

4.9 指示燈

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

網口燈（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，燈滅表明無連接。

UWB指示燈（在RJ45插槽側面）：

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

·綠色燈（超寬帶工作狀態）：按如下方式進行亮滅切換：

測距或者組網初始化請求數據包傳送；

測距或者組網初始化響應數據包傳送；

測距或者組網初始化傳送數據包；

初始化組網發送信標；

初始化CAT數據包發射；

初始化CAT數據包接收；

完成一次MRM單基站雷達掃描；

FPGA燈（與UWB指示燈在模塊同一側，位于對面邊緣）：

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

以下是關于模塊接通電源后指示燈狀態的描述。當接入電源后，FPGA指示燈會以2Hz的頻率閃爍，同時UWB指示燈的綠色燈不亮而藍色燈亮。藍色燈亮持續約5秒，這段時間是模塊啟動的時間。啟動完成后藍色燈約每2秒閃爍1次，而綠色燈則會在模塊每發送1個數據包時閃爍1次。任何不包含在上述過程內的亮燈情況均可視為模塊錯誤或者故障。

4.10 熱量管理

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

P440內置有溫度傳感器，可報告板子溫度。用戶需監視溫度傳感器，確保板子不要在超過最大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致板子升溫的效果：

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

案例2：周圍環境23℃，板子裸置于空氣不流動的桌面上——電路板溫度41℃；

案例3：周圍環境23℃，安裝在Time Domain公司標配外殼內——電路板溫度47℃。

5 機械接口

    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，方括號內為相應的國際單位即毫米。表2則列出了所有連接器的零件號以及和它們相配合的零件的零件號。

圖29：P440電路板尺寸

6個固定孔內徑為0.125英寸（3.175毫米），配合4#螺絲大小。護墊外徑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）。

固定孔數量、尺寸以及分布位置足以滿足大多數情況下的防振需求。有些用戶已經在極富挑戰性的應用中成功地驗證了模塊的抗振性能。

電路板是根據IPC二級標準制造的，孔徑以及中心的公差都符合這項標準。

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，設計者要小心，不要在底板上0.125英寸（3.17毫米）范圍內放置任何元件。那片區域是禁用區，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。

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

表2：連接器零件編號

*以上SMA、USB以及0.1英寸串口針均為標準元器件，用戶可以有多樣選擇。怎樣選擇依賴于具體的應用。幸運的是，對于我們想得到的幾乎所有應用，我們都有選項。

6 技術規格

6.1 關鍵性能參數總結

表3：

表3：P440性能特性

P440的設計有可能會改變。6.8描述了怎樣決定電路板的版本號，也指出了版本差異。

6.2 P440射頻模塊的最大工作范圍

實際應用中的測量距離會受到多種因素影響，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，菲涅爾地面反彈會使信號強度增加從而增加了整個測距范圍。當PII調整至8并且天線離地2.5m時，模塊所能測得最大距離可達600m。圖34展示了一個例子。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撲結構提供了顯著的天線增益，所測距離可達1000m。曾有一位用戶在隧道內（并非完全視距）測得3000m的距離。

有時候菲涅爾相消干涉也會成為主導因子，看圖34中100m處的極小值。在這個點菲涅爾取消處在最大值。而如果系統此刻工作在低很多的PII上，接收的信噪比SNR會降低，甚至到某一點信噪比SNR過低導致測距失敗。請注意在圖30中當SNR降低至15dB以下后模塊無法正常工作。作為論證的基礎我們不妨假設模塊工作的SNR界限在24dB處（事實上這一降幅可以通過將PII從8調整至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低于接收機工作所要求的22dB的門檻。

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

若想測量長距離，必須將菲涅爾效應考慮在內。如果測距環境中菲涅爾效應既無助益也非阻礙，那么測距操作將被設為使用自由空間傳播模型；如果菲涅爾效應既有助益也存在阻礙，假定菲涅爾取消沒有深到導致問題，那么最大測距距離取決于菲涅爾增強。

環境中射頻噪音的大小也是一個限制因素。在圖34中，藍色線表示測得的噪音大小，它是接收端位置的函數。若該參數比圖中數值高9dB，那么接收端接收的信號SNR會降低9dB。在這種情況下，圖34所示的相應最大測距距離為200m左右，并且在90~120m區間內有缺口。若環境中存在超強的帶外發射機或者與P440同一頻帶的發射機時，噪音會增加。

如果假設環境中不存在噪音等因素，那么一個配有標配天線的標準版P440的測距范圍如表4所示，分為自由空間和開闊地面兩類性能欄。開闊地面性能欄內的數據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為地面反射不是一個因素。自由空間的例子包括在兩架遠離地面并且相互距離很短（<70m）的無人機之間的測距操作，在這種情況下，菲涅爾增益不太顯著。

自由空間數據是用兩個相距1m的模塊計算出來的，環境內噪音低，并置有固定衰減器提供距離衰減。這種情況下的最大測距距離意味著在這個距離上測量成功率超過98%。如果進一步增加距離，那么成功率就會降低。如果可以接受成功率為50%，那么最大測距距離可提高20%。開闊地面數據是將模塊置于實際的開放區域內通過實驗獲取的。

表4：在不同的積分率設置情況下P440測距系統在自由空間和空曠地面上的最大測距距離

6.3 測距速率

測距對話時間是發動一次雙向飛行時間TW-TOF測距所需的時間，最大測距速率受限于主機到P440用來發起測距請求所需的開銷。這個開銷會限制下表中大約30%的測量值。如果通過RangeNet來處理測距請求，這個開銷會被消除。

表5中所示的最大測距速率是兩個模塊做為一個網絡進行操作獲取的，網絡包含一個單一請求者和一個單一響應者。

表5：在符合發射功率規定前提下的數據和測距性能特點

6.4 精密測距精度、準確度和偏置

6.4.1視距條件下的精密度和準確度

視距條件下的測距精密度和準確度規格，是基于一個龐大測距項目獲取的。項目進行了20000測量，測量環境為空曠地面，實際距離從2英尺到300英尺，PII從4到8，傳輸增益從0設置到63，接收信號包括線性的和被壓縮的。所引用值是所有測量值的綜合計算結果，包括部分在設置不合理情況下的測量值，例如在最短距離上采用最大發射功率進行測距。此結果可作為系統測距精密度和準確度的保守估計。

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

本項測量活動在2011年實施，我們之后對測距算法進行了多次重大改進?？偩龋òň芏群推担┮驯豢辈旒壖す怛炞C。雖然測試是在有限的范圍內，結果表明，整體的測量精度大大優于在本規范中引用的值。測試結果是在開闊地面統計出的，總精度接近25px。雖然測試的規模很有限，不足以在已發布的規范確認這些改善，但用戶應該可以期待和我們測試類似的結果，特別是在類似的環境下進行的測試。

如果把操作限制到一個較窄的應用領域，用戶已經取得了更高的性能表現。一個用戶報告的精度為0.5厘米，而另一份報告則為2毫米的精度。

6.4.2非視距條件下的精密度和準確度

Time Domain并未給出在非視距環境下的規格數據，是因為這類條件包含太多不確定性。比如在木結構和石膏墻的建筑物內進行測量，所得結果雖然不如在視距條件下那么好，但比較接近。這是因為木材和石膏板沒有使P440頻率的射頻信號明顯衰減或分散。另一個射頻傳播譜的極端是在金屬船艙內進行測試。由于金屬阻擋射頻傳播，所以測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驗確定。不得不說的是，我們周期性地測量我們辦公空間的一側到另一側的距離（大約30米，不僅是非視距環境還有大量的金屬遮擋），測距精度優于±1米。

6.4.3偏置和校準

TW-TOF的精密度（標準偏差）和準確度（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量時使用的是標準Broadspec天線和90度SMA接口。       P440在出廠時的偏值將被降至幾厘米，這確保用戶在做測量時，所得結果與使用激光測距儀的結果接近。上述結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，大部分用戶都會對測量結果滿意。此外，測距結果在工作溫度范圍內都不會有實質性的改變。

有時需要使用不同的電纜、連接器或者天線，此時偏置會變化。此外在有些應用中對歸零調整的精度要求比通常出廠設置還高。在這些情況下均需針對單個P440進行偏置調整。應用說明320-0327 Distributed Calibration of Time Domain UWB Radios描述了這個過程。用戶一旦算出了需要校準的厘米數后，需要將這一數值轉化為皮秒數，通過API指令RCM_Set_Config_Request或者RangeNet RET界面中的配置標簽進行操作。轉化公式如下：

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，那么需要將對應于那個天線端口的天線延遲（antenna delay）值提高3341ps。

6.5 粗略距離估算（CRE）的測距精密度和準確度

有三個重要因素會影響CRE的精密度和準確度：射頻信道的穩定性、輻射方向變化以及信號強度。

如果射頻信道穩定，CRE的準確度接近于參照系精密測距PRM。如果模塊在移動，引起相應的天線輻射方向發生改變，那么信道也會隨時發生變化。所以在這種情況下經常對PRM做校準才能使信道漂移的影響減小。變化率也即漂移隨著節點速度和方向的變化而變化，必須根據實際經驗來確定。

隨機效應，包括抽樣變異，會讓一個測得的靜止節點的信號強度變化高達10%。CRE的誤差是發射端和接收端距離的函數很大程度是由噪音在強度越弱的信號中占比越高。這意味著短距離測量時10%CRE標準偏置誤差在遠距離測量時會增加到30%，因此CRE不適用于超過100m的距離測量。在這些距離上，信號強度隨距離的變化是非常小的，可以小于在任何給定的點的平均讀數讀取變化。此外，在超過約100米的距離上通常會遇到菲涅爾增強。在這種情況下，信噪比會隨距離增加，這在圖34中有說明。

6.6 數據通信速率和吞吐量

P440無論做為測距無線電還是雷達均已做了優化。盡管P440即能夠用來傳輸大量數據，但要以犧牲測距更新率為代價。同樣重要需要注意的是，數據傳輸限制在每個數據包最多1000個字節。雖然更少的字節可以被發送，但是當每個數據包發送的字節最大化時，吞吐量達到最高。在不同的吞吐量上限以及不同的PII等級下，數據傳輸最大速率也不同，表6顯示了PII脈沖綜合指數和數據吞吐量之間的關系。

表6：不同的脈沖積分和緩沖區大小的吞吐量

還應注意的是，比特率會有幾個百分點的差異，取決于所選的碼信道。

6.7 P440雷達的工作范圍

UWB雷達的偵測范圍主要受以下幾個因素影響：天線、周圍環境、雜波、目標大小以及目標移動特征，以及用戶開發的信號處理算法的魯棒性。本文檔引用的探測范圍已有用戶實測證實，代表了接近迄今為止未使用復雜處理算法的最大探測范圍。受限于合法最大發射功率的用戶以及無法改動天線的用戶應將表3中的數據大小減半。

如需進行深入的了解，Time Domain官網有一個已被驗證的P440雷達探測范圍公式。

6.8 P440版本差異

P440的設計經常地會有輕微改進或者改變，版本或者任何修訂號會在每一個P440的條形碼中顯示，如圖35：

圖35：P440的版本號顯示在條形碼中，圖例中為修訂A版

以下是自本數據表發布以來的各個偏差/更改/改進的修訂版本號列表

P440 修訂A 版：

l  不支持通過夾層連接器的以太網數據傳輸

l  不推薦在溫度界限上使用模塊，曾有失效報告；避免在極端的戶外溫度下使用模塊

l  避免在高振動中使用模塊

l  如果在高振動或者極端溫度下發生故障，請聯系我們

P440 修訂B 版：

l  不支持通過夾層連接器的以太網數據傳輸

7 Broadspec 天線

P440標配天線是Broadspec天線 ，如圖36所示。模塊也適用其他各種標準天線或者用戶定制天線。唯一的電氣要求就是使用的天線有一個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，這兩個參數任何一個都可能影響認證。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。這些會對測距算法的性能造成影響。

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

P440可以在單天線模式線工作（發射和接收），也可以同時使用兩根天線（一個發射另一個接收）。

Broadcast天線（~3dBi）提供全方向發射和接收模式，支持頻率為3.1~5.3GHz。它帶有一個標準的SMA公接頭，尺寸為3.0 X 63.5 X 1.6mm。如果訂購的是開發包，我們會提供一個90度連接器，如圖36。

圖36：Broadcast天線及其相位中心