CN113055036B - 一种三天线空间定位脉冲射频超宽带接收电路设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三天线空间定位脉冲射频超宽带接收电路设计方法，属于无线空间定位技术领域，用于解决脉冲射频超宽带定位系统的定位复杂、成本高的问题。包括一个晶振、三组射频超宽带接收器电路、三组锁相环电路、三个天线和基带，晶振与均三组锁相环电路电性连接，三组锁相环电路分别与三组射频超宽带接收器电路电性连接，三组射频超宽带接收器电路分别与三个天线电性连接，垂线上的两个天线之间的距离为天线接收信号的二分之一波长，三组射频超宽带接收器电路均连接在基带上；本发明可快速计算射频超宽带发射器电路的空间夹角，有效精准定位射频超宽带发射器电路的空间位置，定位系统的简易化、成本低。

Description

一种三天线空间定位脉冲射频超宽带接收电路设计方法

技术领域

本发明属于微电子设计技术领域，涉及一种三天线空间定位脉冲射频超宽带接收电路设计方法。

背景技术

超宽带技术(UWB，Ultra Wide Band)技术是一种新型的无线通信技术。它通过对具有很陡上升和下降时间的冲激脉冲进行直接调制，使信号具有GHz量级的带宽。

超宽带在早期被用来应用在近距离高速数据传输，近年来国外开始利用其亚纳秒级超窄脉冲来做近距离精确室内定位。

超宽带定位方法一般是通过TODA即“到达时间差”来进行发射器Tx和接收器Rx之间的定位，对于定位空间方位的时候，一般是通过多个Rx和1个Tx定位进行空间三角计算。该方法能够实现较为精准的空间方位定位。但是多个Rx往往会增加一定的系统成本和系统的体积。

因此，本发明提出了通过多天线的设计方法来实现Tx的空间方位定位，即能够实现只采用一个电路结构或者芯片对超宽带信号发射器Tx的空间角度定位大大简化整个系统的复杂度和成本。

发明内容

本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种三天线空间定位脉冲射频超宽带接收电路设计方法，该装置要解决的技术问题是：如何实现脉冲射频超宽带定位系统的简易化，节省电路空间和节约成本。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：

一种三天线空间定位脉冲射频超宽带接收电路设计方法，包括一个晶振、三组通用的射频超宽带接收器电路、三组锁相环电路、三个天线和基带，所述晶振与三组锁相环电路电性连接，三组锁相环电路分别与三组射频超宽带接收器电路电性连接，三组射频超宽带接收器电路分别与三个天线电性连接，且三个天线之间的排布形成90°的“L”型，垂线上的两个天线之间的距离为天线接收信号的二分之一波长，天线接收来自空中的电磁辐射，三组射频超宽带接收器电路均连接在基带上。

本发明的工作原理是：一个晶振用于提供基准时钟信号，与锁相环电路相连，锁相环电路用于将时钟信号分频，分频后的信号传给通用的射频超宽带接收器电路，每个射频超宽带接收器电路可以外接一个天线，射频超宽带接收器电路能够通过外接天线获取射频脉冲信号，并进行降噪、混频、过滤、模数转换等步骤后将信号传递给基带，然后信号传递至基带进行数据处理，三个天线由于空间位置不一样所接收脉冲射频超宽带信号会产生时间上的相位差。

所述晶振为能够产生电路工作所必须时钟频率信号的石英晶体谐振器，一切指令的执行都是建立在这个基础上的。

所述锁相环电路可接收来自晶振的时钟信号或者频率信号，锁相环电路的内部通过调谐振荡器以产生目标频率的负反馈控制，而产生特定频率和相位的信号。

所述射频超宽带接收器电路的脉冲射频超宽带的频率带宽很宽、脉冲极窄，射频超宽带接收器电路的接收器是用来接收脉冲超宽带信号的电路或芯片；射频超宽带接收器电路的混频步骤需要将射频超宽带接收器电路中的信号与锁相环电路所提供的时钟信号或者频率信号进行混频处理。

所述电磁辐射为由射频超宽带发射器电路发射的脉冲超宽带信号，垂线上相邻的两个天线接收到的脉冲射频超宽带信号存在相位差，射频超宽带接收器电路与天线之间通过阻抗为50Ω导线连接；天线之间收到的脉冲射频超宽带信号相位差为p，射频超宽带发射器电路为Tx。

所述基带为对脉冲射频超宽带信号进行数字处理的电路或芯片，脉冲射频超宽带信号通过基带进行处理后数据才能被其他处理器处理。

所述晶振用于提供基准时钟信号，与锁相环电路相连，锁相环电路用于将时钟信号分频，分频后的信号传给通用的射频超宽带接收器电路，每个射频超宽带接收器电路可以外接一个天线，射频超宽带接收器电路将接收的射频超宽带信号处理后与锁相环电路提供的分频信号进行混频处理后，进行其他数模转换等处理，然后信号传递至基带进行数据处理；由于天线在空间地位置不同，任意垂线上的两个天线所接收的超宽带射频信号会有一定相位差，根据三个天线的空间位置，进行射频超宽带发射器电路Tx的空间方向，即转角θ和仰角

的计算方法如下：

设其中两个天线所在直线为x轴，另外垂直的两天线所在直线为y轴，两个天线之间的距离为d，天线接收信号的二分之一波长λ，即d＝λ2，垂线上相邻的两个天线接收到的脉冲射频超宽带信号存在相位差，分别为p₁、p₂，α为脉冲射频超宽带信号方向转角，即射频超宽带发射器电路Tx的方向与x轴的夹角，β为脉冲射频超宽带信号方向转角，即射频超宽带发射器电路Tx的方向与y轴的夹角，电磁信号的波长λ＝2πc/f，其中c为光速，f为射频信号的频率；

两个天线在脉冲射频超宽带信号方向距离投影

l＝d cosα (1)

相位差p和两个天线在脉冲射频超宽带信号方向距离投影l的关系为：

p₁＝2πl/λ (2)

通过(1)和(2)计算可得：

进一步地，同样地方法可以计算出射频超宽带发射器电路Tx的方向与y轴的夹角β为：

用已经计算得出的射频超宽带发射器电路Tx的方向与x轴的夹角α和射频超宽带发射器电路Tx的方向与y轴的夹角β，通过立体几何可以计算出射频超宽带发射器电路Tx的方向在xy平面投影的转角θ和仰角

解方程组可以计算得到：

可以确定射频超宽带发射器电路Tx的空间方向，也就是信号发生源的空间位置，即射频超宽带发射器电路Tx的空间方位，即以射频超宽带接收器电路Rx为原点的旋转角θ和仰角

与现有技术相比，本三天线空间定位脉冲射频超宽带接收电路设计方法具有以下优点：

通过三个天线与射频超宽带发射器电路以及射频超宽带接收器电路配合，天线之间形成脉冲射频超宽带信号相位差信号，快速计算出相应的夹角，射频超宽带发射器电路与三个天线连线形成的夹角；进一步换算射频超宽带发射器电路Tx的方向在xy平面投影的转角和仰角，能够实现脉冲射频超宽带定位系统的简易化，节约成本；射频超宽带接收器电路将所获取的超宽带射频信号进行降噪处理后，与锁相环电路提供的分频信号进行混合，处理快速，节省电路空间。

附图说明

图1是本发明的电路结构图；

图2是本发明中三个天线的位置关系图；

图3是本发明中天线A、天线B及射频超宽带发射器电路之间的关系图；

图4是本发明中射频超宽带发射器电路Tx的角度方向示意图；

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

下面详细描述本专利的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利，而不能理解为对本专利的限制。

本实施例提供了一种三天线空间定位脉冲射频超宽带接收电路设计方法，包括一个晶振、三组通用的射频超宽带接收器电路、三组锁相环电路、三个天线和基带，晶振与三组锁相环电路电性连接，三组锁相环电路分别与三组射频超宽带接收器电路电性连接，三组射频超宽带接收器电路分别与三个天线电性连接，且三个天线之间的排布形成90°的“L”型，垂线上的两个天线之间的距离为天线接收信号的二分之一波长，天线接收来自空中的电磁辐射，三组射频超宽带接收器电路均连接在基带上。

一个晶振用于提供基准时钟信号，与锁相环电路相连，锁相环电路用于将时钟信号分频，分频后的信号传给通用的射频超宽带接收器电路，每个射频超宽带接收器电路可以外接一个天线，射频超宽带接收器电路能够通过外接天线获取射频脉冲信号，并进行降噪、混频、过滤、模数转换等步骤后将信号传递给基带，然后信号传递至基带进行数据处理，三个天线由于空间位置不一样所接收脉冲射频超宽带信号会产生时间上的相位差。

晶振为能够产生电路工作所必须时钟频率信号的石英晶体谐振器，一切指令的执行都是建立在这个基础上的。

锁相环电路可接收来自晶振的时钟信号或者频率信号，锁相环电路的内部通过调谐振荡器以产生目标频率的负反馈控制，而产生特定频率和相位的信号。

射频超宽带接收器电路的脉冲射频超宽带的频率带宽很宽、脉冲极窄，射频超宽带接收器电路的接收器是用来接收脉冲超宽带信号的电路或芯片；射频超宽带接收器电路的混频步骤需要将射频超宽带接收器电路中的信号与锁相环电路所提供的时钟信号或者频率信号进行混频处理；射频超宽带接收器电路有很多种设计方法，包括低噪声放大(LNA)、混频器(Mixer)、整合(Integrator)、比较(Comparator)等步骤，由于不同设计方法设计结构不同，本实施例中不作一一详述。

电磁辐射为由射频超宽带发射器电路发射的脉冲超宽带信号，垂线上相邻的两个天线接收到的脉冲射频超宽带信号存在相位差，射频超宽带接收器电路与天线之间通过阻抗为50Ω导线连接；

基带为对脉冲射频超宽带信号进行数字处理的电路或芯片，脉冲射频超宽带信号通过基带进行处理后数据才能被其他处理器处理。

晶振用于提供基准时钟信号，与锁相环电路相连，锁相环电路用于将时钟信号分频，分频后的信号传给通用的射频超宽带接收器电路，每个射频超宽带接收器电路可以外接一个天线，射频超宽带接收器电路将接收的射频超宽带信号处理后与锁相环电路提供的分频信号进行混频处理后，进行其他数模转换等处理，然后信号传递至基带进行数据处理；由于天线在空间地位置不同，任意垂线上的两个天线所接收的超宽带射频信号会有一定相位差，根据三个天线的空间位置，进行射频超宽带发射器电路Tx的空间方向，即转角θ和仰角

的计算方法如下：

本发明的工作计算实例，请参阅图1-4，设三个天线分别为天线A、天线B和天线C，三个锁相环电路分别为锁相环电路A、锁相环电路B和锁相环电路C，天线A、天线B和天线C分别与锁相环电路A、锁相环电路B和锁相环电路C在同一电路上，其中天线A和天线B接收到的脉冲射频超宽带信号相位差为p₁，天线C和天线B接收到的脉冲射频超宽带信号相位差为p₂，射频超宽带发射器电路为Tx，天线C和天线B所在直线为x轴，天线A和天线B所在直线为y轴，天线C和天线B之间、天线A和天线B之间的距离均为天线接收信号的二分之一波长，即d为天线A和天线B之间的距离：d＝λ/2，电磁信号的波长λ＝2πc/f，其中c为光速，f为射频信号的频率；

α为脉冲射频超宽带信号方向转角，即射频超宽带发射器电路Tx的方向与x轴的夹角；

两个天线在脉冲射频超宽带信号方向距离投影

l＝d cosα (1)

相位差p和两个天线在脉冲射频超宽带信号方向距离投影l的关系为：

p₁＝2πl/λ (2)

通过(1)和(2)计算可得：

进一步地，同样地方法可以计算出射频超宽带发射器电路Tx的方向与y轴的夹角β为：

用已经计算得出的射频超宽带发射器电路Tx的方向与x轴的夹角α和射频超宽带发射器电路Tx的方向与y轴的夹角β，通过立体几何可以计算出射频超宽带发射器电路Tx的方向在xy平面投影的转角θ和仰角

解方程组可以计算得到：

进一步地，可以确定射频超宽带发射器电路Tx的空间方向，也就是信号发生源的空间位置，即射频超宽带发射器电路Tx的空间方位，即以射频超宽带接收器电路Rx为原点的旋转角θ和仰角

在本实施例中，上述各电气元件如天线等，均为现有技术产品，可直接在市场购买使用即可，具体原理不再赘述。

综上，通过三个天线与射频超宽带发射器电路以及射频超宽带接收器电路配合，天线之间形成脉冲射频超宽带信号相位差信号，快速计算出相应的夹角，射频超宽带发射器电路与三个天线连线形成的夹角；进一步换算射频超宽带发射器电路Tx的方向在xy平面投影的转角和仰角，能够实现脉冲射频超宽带定位系统的简易化，节约成本；射频超宽带接收器电路将所获取的超宽带射频信号进行降噪处理后，与锁相环电路提供的分频信号进行混合，处理快速，节省电路空间。

上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (3)

1.一种三天线空间定位脉冲射频超宽带接收电路设计方法，包括一个晶振、三组通用的射频超宽带接收器电路、三组锁相环电路、三个天线和基带，其特征在于，所述晶振均与三组锁相环电路电性连接，三组锁相环电路分别与三组射频超宽带接收器电路电性连接，三组射频超宽带接收器电路分别与三个天线电性连接，且三个天线之间的排布形成90°的“L”型，垂线上的两个天线之间的距离为天线接收信号的二分之一波长，天线接收来自空中的电磁辐射，三组射频超宽带接收器电路均连接在基带上；

所述晶振为能够产生电路工作所必须时钟频率信号的石英晶体谐振器；

所述锁相环电路可接收来自晶振的时钟信号或者频率信号，锁相环电路的内部通过调谐振荡器以产生目标频率的负反馈控制，而产生特定频率和相位的信号；

所述射频超宽带接收器电路的脉冲射频超宽带的频率带宽很宽、脉冲极窄，射频超宽带接收器电路的接收器是用来接收脉冲超宽带信号的电路或芯片；射频超宽带接收器电路的混频步骤需要将射频超宽带接收器电路中的信号与锁相环电路所提供的时钟信号或者频率信号进行混频处理；

所述电磁辐射为由射频超宽带发射器电路发射的脉冲超宽带信号，垂线上相邻的两个天线接收到的脉冲射频超宽带信号存在相位差，射频超宽带接收器电路与天线之间通过阻抗为50Ω导线连接。

2.根据权利要求1所述的一种三天线空间定位脉冲射频超宽带接收电路设计方法，其特征在于，所述基带为对脉冲射频超宽带信号进行数字处理的电路或芯片，脉冲射频超宽带信号通过基带进行处理后数据才能被其他处理器处理。

3.根据权利要求2所述的一种三天线空间定位脉冲射频超宽带接收电路设计方法，其特征在于，所述晶振用于提供基准时钟信号，与锁相环电路相连，锁相环电路用于将时钟信号分频，分频后的信号传给通用的射频超宽带接收器电路，每个射频超宽带接收器电路可以外接一个天线，射频超宽带接收器电路将接收的射频超宽带信号处理后与锁相环电路提供的分频信号进行混频处理后，进行其他数模转换等处理，然后信号传递至基带进行数据处理；由于天线在空间地位置不同，任意垂线上的两个天线所接收的超宽带射频信号会有一定相位差，根据三个天线的空间位置，进行射频超宽带发射器电路Tx的空间方向，即转角θ和仰角

的计算方法如下：

设其中两个天线所在直线为x轴，另外垂直的两天线所在直线为y轴，两个天线之间的距离为d，天线接收信号的二分之一波长λ，即d＝λ/2，垂线上相邻的两个天线接收到的脉冲射频超宽带信号存在相位差，分别为p₁、p₂，α为脉冲射频超宽带信号方向转角，即射频超宽带发射器电路Tx的方向与x轴的夹角，β为脉冲射频超宽带信号方向转角，即射频超宽带发射器电路Tx的方向与y轴的夹角，电磁信号的波长λ＝2πc/f，其中c为光速，f为射频信号的频率；

两个天线在脉冲射频超宽带信号方向距离投影

l＝d cosα (1)

相位差p和两个天线在脉冲射频超宽带信号方向距离投影l的关系为：

p₁＝2πl/λ (2)

通过(1)和(2)计算可得：

进一步地，同样地方法可以计算出射频超宽带发射器电路Tx的方向与y轴的夹角β为：

用已经计算得出的射频超宽带发射器电路Tx的方向与x轴的夹角α和射频超宽带发射器电路Tx的方向与y轴的夹角β，通过立体几何可以计算出射频超宽带发射器电路Tx的方向在xy平面投影的转角θ和仰角

解方程组可以计算得到：

可以确定射频超宽带发射器电路Tx的空间方向，也就是信号发生源的空间位置，即射频超宽带发射器电路Tx的空间方位，即以射频超宽带接收器电路Rx为原点的旋转角θ和仰角

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