CN115616548A - 单向式基于相位的高精度测距装置及算法 - Google Patents

单向式基于相位的高精度测距装置及算法 Download PDF

Info

Publication number
CN115616548A
CN115616548A CN202210749128.2A CN202210749128A CN115616548A CN 115616548 A CN115616548 A CN 115616548A CN 202210749128 A CN202210749128 A CN 202210749128A CN 115616548 A CN115616548 A CN 115616548A
Authority
CN
China
Prior art keywords
frequency
network device
phase
distance
detection signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210749128.2A
Other languages
English (en)
Inventor
约翰·M·库里
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Silicon Labs CP Inc
Original Assignee
Silicon Labs CP Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Silicon Labs CP Inc filed Critical Silicon Labs CP Inc
Publication of CN115616548A publication Critical patent/CN115616548A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W4/00—Services specially adapted for wireless communication networks; Facilities therefor
    • H04W4/02—Services making use of location information
    • H04W4/023—Services making use of location information using mutual or relative location information between multiple location based services [LBS] targets or of distance thresholds
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S11/00—Systems for determining distance or velocity not using reflection or reradiation
    • G01S11/02—Systems for determining distance or velocity not using reflection or reradiation using radio waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S11/00—Systems for determining distance or velocity not using reflection or reradiation
    • G01S11/02—Systems for determining distance or velocity not using reflection or reradiation using radio waves
    • G01S11/08—Systems for determining distance or velocity not using reflection or reradiation using radio waves using synchronised clocks

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

本发明公开了一种用于单向测距的系统和方法。该系统包括发射机和接收机。发射机也称为跟踪器(tag)，发射第一频率组中的第一频率。接收机，也称为定位器，接收第一频率并在第一时间点测量相位。稍后，发射机切换到第二频率，为使第二频率也是第一频率组的一部分，该第二频率在频率上接近第一频率。接收机还切换到第二频率。然后，接收机在第二时间点测量第二频率的相位。然后，发射机和接收机对第二频率组重复此序列。四相位测量用于确定从发射机到接收机的距离。这样，可以通过使第一频率组和第二频率组之间具有较大的间隔来实现精度的提高。

Description

单向式基于相位的高精度测距装置及算法
技术领域
本公开描述了用于确定网络设备之间的距离的系统和方法，尤其是用于在不建立网络设备之间的连接的情况下确定距离的系统和方法。
背景技术
目前，扩展当前的网络协议以允许网络设备确定到另一个网络设备的距离受到关注。例如，蓝牙规范正在修改为包括高精度距离测量(HighAccuracy DistanceMeasurement,HADM)。正如目前提出的那样，HADM公开了双向测距的基本测量技术。双向测距要求在启动器和反射器之间建立和维护网络连接。由于建立了网络连接，因此可以提供安全性。然而，由于需要网络连接，HADM很难从单个参考设备扩展到大量被跟踪的网络设备。
因此，如果存在以下系统和方法，将是有益的：其确定两个网络设备之间的距离，而不需要在这两个网络设备之间建立网络连接。此外，如果这些系统和方法与当前的双向HADM过程一样准确，这将是有优势的。
发明内容
公开了一种用于单向测距的系统和方法。该系统包括发射机，也称为跟踪器(tag)，发射第一频率组中的第一频率。接收机，也称为定位器，接收第一频率并在第一时间点测量相位。稍后，发射机切换到第二频率，为使第二频率也是第一频率组的一部分，该第二频率在频率上接近第一频率。接收机还切换到第二频率。然后，接收机在第二时间点测量第二频率的相位。然后，发射机和接收机对第二频率组重复此序列。四相位测量用于确定发射机到接收机的距离。这样，可以通过使第一频率组和第二频率组之间具有较大的间隔来实现分辨率的提高。
根据一个实施例，公开了一种测量两个网络设备之间距离的方法。该方法包括从第一网络设备发射距离检测信号，该距离检测信号包括第一频率(f1)和第二频率(f2)，其中，第一频率和第二频率的相位是恒定的；在第二网络设备处接收距离检测信号；在第二网络设备处，确定第一频率的相位和第二频率的相位，分别称为
Figure BDA0003717685300000021
和
Figure BDA0003717685300000022
以及利用f1、f2、
Figure BDA0003717685300000023
和
Figure BDA0003717685300000024
的值计算第一网络设备和第二网络设备之间的距离，其中，该距离是频内组距(intra-frequency group distance)测量值。在一些实施例中，使用公共载波频率和第一调整频率创建第一频率，并且使用公共载波频率和第二调整频率创建第二频率，其中，第一调整频率的相位和第二调整频率的相位相等。在某些实施例中，使用查找表(lookuptable,LUT)创建第一调整频率和第二调整频率。在一些实施例中，第二网络设备分别使用公共接收机载波频率和第一接收机调整频率从距离检测信号的第一频率中移除公共载波频率和第一调整频率，以确定第一频率的相位，并分别使用公共接收机载波频率和第二接收机调整频率从距离检测信号的第二频率中移除公共载波频率和第二调整频率，以确定第二频率的相位。
在某些实施例中，该方法包括从第一网络设备发射至少一个附加频率，其中，每个附加频率使用公共载波频率和调整频率来生成；以及在所述第二网络设备处确定所述至少一个附加频率的相位，并使用所述至少一个附加频率的相位来计算频内组距。
根据另一实施例，公开了一种测量两个网络设备之间距离的方法。该方法包括从第一网络设备发射第一距离检测信号，第一距离检测信号包括第一频率(f1)和第二频率(f2)，其中，第一频率和第二频率的相位是恒定的；在第二网络设备处接收第一距离检测信号；在第二网络设备处，确定第一频率的相位和第二频率的相位，分别称为
Figure BDA0003717685300000025
和
Figure BDA0003717685300000026
从第一网络设备发射第二距离检测信号，第二距离检测信号包括第三频率(f3)和第四频率(f4)，其中，第三频率和第四频率的相位是恒定的；在第二网络设备处接收第二距离检测信号；在第二网络设备处，确定第三频率的相位和第四频率的相位，分别称为
Figure BDA0003717685300000027
和
Figure BDA0003717685300000028
以及利用f1、f2、f3、f4、
Figure BDA0003717685300000029
和
Figure BDA00037176853000000210
的值计算第一网络设备和第二网络设备之间的距离，其中，该距离是频内组距测量值。在某些实施例中，第一频率和第二频率属于第一频率组，其中，频率组被定义为使用公共载波频率生成的频率集合，并且其中，第三频率和第四频率属于第二频率组，不同于第一频率组并且具有第二公共载波频率。在一些实施例中，公共载波频率和第二公共载波频率之间不存在相位关系。在一些实施例中，使用公共载波频率和第一调整频率创建第一频率，并且使用公共载波频率和第二调整频率创建第二频率，其中，第一调整频率的相位和第二调整频率的相位相等。在一些实施例中，使用查找表创建第一调整频率和第二调整频率。在某些实施例中，第二网络设备分别使用公共接收机载波频率和第一接收机调整频率，从第一距离检测信号的第一频率中移除公共载波频率和第一调整频率，以确定第一频率的相位，并分别使用公共接收机载波频率和第二接收机调整频率，从第一距离检测信号的第二频率中移除公共载波频率和第二调整频率，以确定第二频率的相位。在一些实施例中，基于频间组相位差计算频间组距(inter-frequency groupdistance)测量值，定义为当发射和接收第二距离检测信号时第一网络设备和第二网络设备之间的总相位差减去当发射和接收第一距离检测信号时第一网络设备和第二网络设备之间的总相位差。在某些实施例中，第二网络设备仅利用f1、f2、
Figure BDA0003717685300000031
和
Figure BDA0003717685300000032
执行频内组距测量，并计算频间组距测量值和频内组距测量值之间的差值，如果差值大于预定阈值，则将频间组相位差调整2π，使用调整后的频间组相位差重新计算频间组距测量值，并重复调整和重新计算，直到差值小于预定阈值。
根据另一实施例，公开了一种用于测量两个网络设备之间的距离的系统。该系统包括第一网络设备，配置为：发射第一距离检测信号，第一距离检测信号包括第一频率(f1)和第二频率(f2)，其中，第一频率和第二频率属于第一频率组，其中，频率组定义为使用公共载波频率生成的频率集合，其中，第一频率和第二频率的相位是恒定的；以及第二网络设备，配置为：接收第一距离检测信号；确定第一频率的相位和第二频率的相位，分别称为
Figure BDA0003717685300000037
和
Figure BDA0003717685300000038
以及利用f1、f2、
Figure BDA00037176853000000310
和
Figure BDA0003717685300000039
的值计算第一网络设备和第二网络设备之间的距离，其中，该距离是频内组距测量值。在一些实施例中，第一网络设备使用公共载波频率和第一调整频率生成第一频率，并使用公共载波频率和第二调整频率生成第二频率，其中，第一调整频率的相位和第二调整频率的相位相等。在某些实施例中，使用查找表创建第一调整频率和第二调整频率。在一些实施例中，第二网络设备分别使用公共接收机载波频率和第一接收机调整频率从第一距离检测信号的第一频率中移除公共载波频率和第一调整频率，以确定第一频率的相位，并分别使用公共接收机载波频率和第二接收机调整频率从第一距离检测信号的第二频率中移除公共载波频率和第二调整频率，以确定第二频率的相位。
在某些实施例中，第一网络设备进一步配置为：发射第二距离检测信号，第二距离检测信号包括第三频率(f3)和第四频率(f4)，其中，第三频率和第四频率的相位是恒定的；其中，所述第二网络设备进一步配置为：接收所述第二距离检测信号；确定第三频率的相位和第四频率的相位，分别称为
Figure BDA0003717685300000033
和
Figure BDA0003717685300000034
以及利用f1、f2、f3、f4、
Figure BDA0003717685300000035
和
Figure BDA0003717685300000036
的值计算第一网络设备和第二网络设备之间的距离，其中，该距离是频间组距测量值。在一些实施例中，第一网络设备使用与公共载波频率不同的第二公共载波频率来生成第三频率和第四频率。在一些实施例中，第二网络设备基于频间组相位差计算频间组距测量值，定义为当发射和接收第二距离检测信号时第一网络设备和第二网络设备之间的总相位差减去当发射和接收第一距离检测信号时第一网络设备和第二网络设备之间的总相位差。在某些实施例中，第二网络设备仅利用f1、f2、
Figure BDA0003717685300000041
和
Figure BDA0003717685300000042
来执行频内组距测量，并计算频间组距测量值和频内组距测量值之间的差，如果差值大于预定阈值，则将频间组相位差调整2π，并使用调整后的频间组相位差重新计算频间组距测量值，并重复调整和重新计算，直到差值小于预定阈值。
附图说明
为了更好地理解本公开，参考附图，附图中用相似的附图标记引用相似的元件，其中：
图1是可用于执行本文所述方法的网络设备的框图；
图2A示出了向第二网络设备发射距离检测信号的第一网络设备；
图2B示出了频率发生器的工作原理；
图3示出了根据图1的网络设备的一个实施例的发射电路；
图4是图1的网络设备的接收电路的框图；
图5示出了使用两个频率组进行距离计算；
图6示出了描述两个网络设备的操作的流程图；以及
图7示出了描述如何补偿相位卷褶的流程图。
具体实施方式
图1示出了可用于执行本文所述的距离检测算法的网络设备。网络设备10具有处理单元20和相关联的存储器设备25。处理单元20可以是任何合适的部件，例如微处理器、嵌入式处理器、专用电路、可编程电路、微控制器或其他类似设备。存储器设备25包含指令，当由处理单元20执行指令时，这些指令使得网络设备10能够执行本文所述的功能。该存储器设备25可以是非易失性存储器，例如闪存、电可擦除只读存储器(Read Only Memory，ROM)或其他合适的设备。在其他实施例中，存储器设备25可以是易失性存储器，例如随机存取存储器(Random Access Memory,RAM)或动态随机存取存储器(Dynamic Random AccessMemory,DRAM)。包含在存储器设备25内的指令可以被称为软件程序，其被布置在非暂时性存储介质上。
网络设备10还包括网络接口30，网络接口30可以是包括天线37的无线网络接口。网络接口30可以支持任何无线网络协议，无线网络协议支持距离检测，例如蓝牙。网络接口30用于使网络设备10能够与布置在网络39上的其他设备通信。
网络接口30包括无线电电路31。该无线电电路31用于处理输入信号并将无线信号转换为数字信号。下面更详细地描述无线电电路31内的部件。
无线电电路31包括接收电路36。接收电路36用于接收、同步和解码从天线37接收的数字信号。具体地，接收电路36具有用于识别输入数据包的起始的前导码检测器。接收电路36还具有同步检测器，其用于识别被称为同步字符的特定位序列。此外，接收电路36具有解码器，其用于将数字信号转换为正确排列的数据字节。
无线电电路31还包括发射电路38。发射电路38可包括功率放大器(PowerAmplifier,PA)，用于提供要发射到天线37的信号。
网络设备10可包括第二存储器设备40。从网络接口30接收或将经由网络接口30发送的数据也可以存储在第二存储器设备40中。该第二存储器设备40传统上是易失性存储器。
虽然公开了存储器设备25，但是可以使用任何计算机可读介质来存储这些指令。例如，可以使用只读存储器(read only memory,ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁存储设备(例如硬盘驱动器)或光学存储设备(例如小型镭射盘(Compact Disk,CD)或数字通用光盘(Digital Video Disc,DVD))。此外，这些指令可以例如通过网络连接(未示出)、经由CDROM或通过另一机制下载到存储器设备25中。这些指令可以用任何编程语言编写，不受本公开的限制。因此，在一些实施例中，可以存在包含本文所述指令的多个计算机可读非暂时性介质。如图1所示，第一计算机可读非暂时性介质可以与处理单元20通信。第二计算机可读非暂时性介质可以是CDROM或位于远离网络设备10的不同的存储器设备。包含在该第二计算机可读非暂时性介质上的指令可以下载到存储器设备25上，以允许网络设备10执行这些指令。
虽然处理单元20、存储器设备25、网络接口30和第二存储器设备40在图1中被示为单独的部件，但可以理解，这些部件中的一些或全部可以集成到单个电子部件中。相反，图1用于说明网络设备10的功能，而不是其物理配置。
尽管未示出，但网络设备10还具有电源，其可以是电池或者与永久电源的连接，例如墙壁插座。
在描述了网络设备的基本架构之后，将提供单向测距过程的描述。
首先，参考图2A，假设第一网络设备100(也称为跟踪器(tag)或发射机)向第二网络设备110(也称为定位器或接收机)发射信号。图2B示出了该系统和方法的工作原理。
锁相环(phase locked loop,PLL)或压控振荡器(voltage controlledoscillator,VCO)101用于生成具有第一频率(ωLO)和第一相位
Figure BDA0003717685300000061
的第一信号。该第一信号的余弦被提供给第一乘法器102，该第一信号的正弦被提供给第二乘法器103。将标记为a的第二信号也提供给第一乘法器102，而将标记为b的第三信号提供给第二乘法器103。因此，如图2B所示，来自第一乘法器102的输出可以写为
Figure BDA0003717685300000062
而来自第二乘法器的输出可以写为
Figure BDA0003717685300000063
然后使用求和结点104将这两个输出相加。其结果可以表示为：
Figure BDA0003717685300000064
如果将b/a定义为tan(ωIFt+ψ)，则上述方程可改写为：
Figure BDA0003717685300000065
因此，通过适当选择a和b，可以正向或负向地改进求和结点104的输出频率。此外，如果使用查找表生成a和b，则可以在保持相位不变的同时改变a和b的频率。
例如，假设a和b首先分别设置为cos(ωIFt+ψ)和sin(ωIFt+ψ)，然后分别切换为cos(-ωIFt+ψ)和sin(-ωIFt+ψ)。这样，发射频率将为
Figure BDA0003717685300000066
和
Figure BDA0003717685300000067
相位恒定。因此，很容易看出，可以以恒定相位产生由小频率(即，2ωIF)分隔的两个频率。
使用图2B所示的原理，可以生成多个频率组。频率组被定义为可利用来自PLL 101的公共输出生成的紧密分组的频率集合。例如，使用查找表，a和b可以设置为多个频率，比如在-5MHz和+5MHz之间。在其他实施例中，使用查找表，a和b可以设置为-3MHz到+3MHz之间的多个频率。因此，对于第一频率组，PLL 101可以设置为2.4GHz，并且输出频率可以在2.397GHz和2.403GHz之间。对于第二频率组，PLL 101可以设置为2.48GHz，并且输出频率可以在2.477GHz和2.483GHz之间。
通过使用频率范围较窄的频率组，可以通过信号的发射来保持发射电路38的设置。
图3示出了可由第一网络设备100使用以实现图2B所示的框图的发射电路38。如上所述，受控振荡器(PLL/VCO)101用于生成具有第一载波器频率(ωLO)和第一相位
Figure BDA0003717685300000071
的第一信号。将该第一信号的余弦提供给第一乘法器102，将第一信号的正弦提供给第二乘法器103。计数器106用于索引到查找表107中，查找表107可以是随机存取存储器设备或只读存储器。在某些实施例中，通过查找表107创建多个输出，其中，每个输出具有相同的相位，使得所有输出具有恒定的相位。这些输出的形式可以是sin(ωjt+ψi)和cos(ωjt+ψi)。来自查找表107的输出用作多路复用器108的输入。这些输出可称为调整频率。多路复用器选择这些调整频率中的一对，这对调整频率是同一频率(ωj)的余弦和正弦。然后，这对输入分别传递给第一乘法器102和第二乘法器103。然后使用求和结点104将这两个输出相加。然后使用功率放大器105发射来自求和结点104的输出。功率放大器105的输出频率和相位可以表示为：
Figure BDA0003717685300000072
其中，ωj由多路复用器108利用选择信号选择。
类似地，还必须在第二网络设备110处保持恒定相位。图4示出了接收电路36的框图。无线信号首先通过天线37进入接收电路36。该天线37与低噪声放大器(low noiseamplifier,LNA)51进行电气通信。LNA 51从天线37接收非常微弱的信号并放大该信号，同时保持输入信号的信噪比(signal-to-noise,SNR)。然后将放大的信号传递给两个混频器52。混频器52还与如PLL 53这样的本地振荡器通信，本地振荡器向混频器52提供两个相位。PLL 53的频率为(ωLO)，相位为
Figure BDA0003717685300000073
PLL 53的频率可以称为接收机载波频率。该频率的余弦可称为Io，而该频率的正弦可称为Qo。然后，Io信号与输入信号相乘，以创建同相信号Im。然后将Qo信号与输入信号相乘，以创建正交信号Qm。然后将来自混频器52的同相信号Im和正交信号Qm馈入可编程增益放大器(programmable gain amplifier,PGA)54。PGA 54以可编程量放大Im和Qm信号。这些放大的信号被称为Ig和Qg。PGA 54还可以包括低通滤波器(lowpass filter,LPF)。然后将放大的信号Ig和Qg从PGA 54馈入模拟数字转换器(analog todigital converter,ADC)55。ADC 55将这些模拟信号转换为数字信号Id和Qd。这些数字信号可以通过第二混频器56。第二混频器56的另一输入是来自数字本地振荡器(digital localoscillator,DLO)57的输出。数字本地振荡器57由查找表58馈送，该查找表58可以类似于图3中所示的查找表。来自数字本地振荡器57的输出可为具有频率为ωj和相位为ψR的信号。这可以被称为调整频率。然后，来自第二混频器56的输出作为I和Q退出接收电路36。在某些实施例中，I和Q值可以被视为复数，其中，I值是实分量，Q值是虚分量。
然后，I和Q信号进入坐标旋转数字计算机(Coordination Rotation DigitalComputer,CORDIC)59，该CORDIC确定信号的振幅和相位。振幅给定为I2和Q2的平方根，而相位给定为tan-1(Q/I)。CORDIC 59可以布置在无线电电路31中，或者布置在网络接口30内的其他地方。参考图2A-图4，可以看出，得到的相位可以是
Figure BDA0003717685300000081
其中，
Figure BDA0003717685300000082
是第一网络设备100中PLL 101的相位，ψI是第一网络设备中查找表107的相位，θp是信号发射引起的相位延迟，
Figure BDA0003717685300000083
是第二网络设备110中PLL 53的相位，ψR是第二网络设备110中的查找表58的相位。
因此，如果信号由在单个频率组内具有两个不同频率的第一网络设备100发射，并且由第二网络设备110接收，则存在以下关系：
Figure BDA0003717685300000084
其中，
Figure BDA0003717685300000085
是在第二网络设备处利用第一频率f1测得的相位延迟；以及
Figure BDA0003717685300000086
其中，
Figure BDA0003717685300000087
是在第二网络设备处利用第二频率f2测量的相位延迟。
由于PLL 101与频率组中的两个频率保持同一频率，因此
Figure BDA0003717685300000088
对于两个频率都是恒定的。类似地，由于PLL 53与频率组中的两个频率保持同一频率，因此
Figure BDA0003717685300000089
对于两个频率都是恒定的。此外，由于查找表107中存在恒定相位，因此ψI对于两个频率都是恒定的。类似地，由于查找表58中存在恒定相位，因此ψR对于两个频率都是恒定的。因此，
Figure BDA00037176853000000810
换言之，通过在查找表中的频率f1和f2之间创建恒定相位并将PLL保持在恒定频率，可以确定两个网络设备之间的距离。距离方程可以表示为：
Figure BDA00037176853000000811
其中，c是光速。
此外，利用这些方程，发射机
Figure BDA00037176853000000812
和接收机
Figure BDA00037176853000000813
之间的相位差可以确定为：
Figure BDA00037176853000000814
其中，N2/N1是第二频率(f2)与第一频率(f1)的比。
如果进行了多次测量，则可以对这些结果取平均数，以产生特定频率组的发射机和接收机之间的平均相位差
Figure BDA00037176853000000815
虽然这个方程对于查找距离非常有用，但值得注意的是，f1和f2之间的差值可能只有几兆赫兹。这种近似可能会限制此计算的准确性，尤其是在较小距离的情况下。
因此，为了提高距离计算的准确性，在不同频率之间具有更大的差异可以是有益的。解决此问题的一种方法是利用第二频率组。
图5示出了使用标记为X和Y的两个频率组的示例。在此示例中，f1和f3是频率组X的一部分，而f2和f4是频率组Y的一部分。在一些实施例中，这两个频率组可以以10MHz或更高频率分隔。在某些实施例中，频率组可以以20MHz或更高的频率分隔。注意，在一些实施例中，这些不同频率组之间没有相位关系。可使用频率f1和f2计算第一距离。该距离可表示为：
Figure BDA0003717685300000091
其中，
Figure BDA0003717685300000092
Figure BDA0003717685300000093
是PLL 101在第二频率组中使用时的相位，
ψIY是查找表107在第二频率组中使用时的相位，
Figure BDA0003717685300000094
是PLL 53在第二频率组中使用时的相位，
ψIY是查找表58在第二频率组中使用时的相位，
Figure BDA0003717685300000095
是第二网络设备在接收f2时测量的相位，以及
Figure BDA0003717685300000096
是第二网络设备在接收f1时测量的相位。
此外，
Figure BDA0003717685300000097
其中，这些变量如以上第一频率组所述。
可以使用频率f3和f4计算第二距离。该距离可表示为：
Figure BDA0003717685300000098
其中，
Figure BDA0003717685300000099
是第二网络设备在接收f4时测量的相位，以及
Figure BDA00037176853000000910
是第二网络设备在接收f3时测量的相位。
请注意，d1和d2应相等。因此，如果将这些方程设置为彼此相等，则可以获得以下结果：
Figure BDA0003717685300000101
上述关系可以用不同的方式表示。方程(1)可以改写为：
Figure BDA0003717685300000102
其中，
Figure BDA0003717685300000103
可以容易计算。
类似地，方程(2)可以改写为：
Figure BDA0003717685300000104
其中，
Figure BDA0003717685300000105
也可以容易计算。
每个原始距离包含两项。第一项表示实际距离(实际距离相等)，但第二项表示未知距离，所述未知距离是由于频率组X和Y中发射机和接收机之间的未知相位关系造成的。通过从方程(4)中减去方程(5)，可消除实际距离，并可确定频率组X和Y之间的相位差。
从方程(4)减去方程(5)得出：
Figure BDA0003717685300000111
由于方程(3)和方程(6)右侧的所有项都是已知的或可以测量的，因此这些方程可以求解以获得
Figure BDA0003717685300000112
该值可称为频间组相位差。然后，可以将频间组相位差代入距离方程(1)或(2)中的任何一个，以得出两个网络设备之间的实际距离。由于两个不同的频率组用于计算该距离，因此该距离可称为频间组距测量值。
注意，图5示出f1和f2具有较小的频散，而f3和f4频散更大。当计算频率组X和频率组Y的相位差时，此配置可能非常有用，因为它使频率差最大化，从而降低灵敏度。然而，其他配置也是可能的。例如，如果需要的话，可以利用f1和f4以及f2和f3生成上述方程。换句话说，唯一的要求是f1和f3属于同一频率组，f2和f4属于同一频率组。此外，如上所述，给定频率组内的频率具有同一相位，而在一些实施例中，频率组之间可以没有相位关系。
因此，在本实施例中，执行以下步骤，如图6所示。首先，如框600所示，第一网络设备100发射具有包含在第一频率组内的两个频率的第一距离检测信号。在某些实施例中，网络接口30工作在利用蓝牙网络协议的无线网络上。在本实施例中，距离检测信号可以包括前导码，前导码用于将接收机的时钟与输入信号的频率和相位同步。接下来，可能会出现同步字符。该同步字符是用于表示符号之间边界的预定位序列。上述同步字符可以等效于蓝牙低能耗(Bluetooth Low Energy,BLE)数据包中的32位“访问地址”。同步字符后面可以是报头。报头可包括信息，例如发射此距离检测信号的网络设备的标识。在报头之后可以是具有第一频率的第一恒定音调(constant tone)。最后，发射具有第二频率的第二恒定音调。注意，频率组可以包括2个或更多个频率。
第二网络设备110设置接收电路36以接收该第一距离检测信号，如框610所示。然后，第二网络设备110接收该第一距离检测信号，如框620所示。然后，第二网络设备110在第一恒定音调期间和第二恒定音调期间对相位进行采样，如框630所示。在某些实施例中，在预定持续时间内发射每个恒定音调。在某些实施例中，第二网络设备110对第一恒定音调和第二恒定音调进行采样之间的时间等于该预定持续时间。这些测得的相位样本可分别称为
Figure BDA0003717685300000113
和
Figure BDA0003717685300000114
如框640所示，第一网络设备100之后发射具有两个频率的第二距离检测信号，这两个频率包含在不同于第一频率组的第二频率组内。第一网络设备100可以在发射该第二距离检测信号之前改变PLL 101的频率和相位。
如框650所示，第二网络设备110接收该第二距离检测信号。尽管未示出，但第二网络设备110可以改变接收电路36中的设置，以适应在第二距离检测信号中发射的频率。第二网络设备110在第一恒定音调期间和第二恒定音调期间对相位进行采样，如框660中所示。这些样本可分别称为
Figure BDA0003717685300000121
和
Figure BDA0003717685300000122
如框670所示，第二网络设备110之后计算第一网络设备100和第二网络设备110之间的距离。如上所述，该计算可能需要多次计算。例如，第二网络设备可以使用上面给出的方程(3)计算频间组相位差的值。一旦知道该值，第二网络设备可以在上面给出的距离方程(1)或(2)之一中使用该值来查找第二网络设备和第一网络设备之间的距离。
在许多实施例中，上述序列足以获得两个网络设备之间的距离。然而，在某些实施例中，由于忽略了相位卷绕，从方程(3)获得的频间组相位差可能不准确。
因此，如果方程(3)中的结果不准确，则使用方程(1)或方程(2)计算的距离也可能不准确。因此，在某些实施例中，需要对相位卷绕进行补偿。
因此，在某些实施例中，框670中描述的过程可能更复杂。例如，图7示出了可用于补偿相位卷绕的一个实施例。
首先，如上所述，并如框700所示，确定频间组相位差的值。然后可以将该值填入到距离方程(1)或(2)中的一个，以得出两个网络设备之间的理论距离，如框710所示。作为合理性检测，可以使用同一频率组内的频率执行距离计算。请注意，对于同一频率组内的频率，相位卷绕没有问题，因为相位保持恒定，距离限制在与频散一致的范围内。因此，在某些实施例中，使用来自同一频率组的两个频率计算近似距离，如框720所示。该距离可称为频内组距测量值。该值将表示实际距离，但可能缺乏准确性，取决于两个网络设备之间的距离。
然后将近似距离或频内组距与计算的距离进行比较，如框730所示。如果计算的距离和频内组距在预定阈值内，则认为计算值是正确的，如框750所示。然后完成该序列。
然而，如果频内组距和计算出的距离之间的差大于预定阈值，则认为发生了相位卷绕。为了对此进行补偿，将频间组相位差的计算值增加或减少2π，如框740所示。例如，如果频内组距大于计算的距离，则可以将频间组相位差增加2π。此外，如果频内组距小于计算的距离，则可以从频间组相位差中减去2π。
然后，通过重复框710-740中所示的步骤继续该序列，直到频内组距和计算出的距离之间的差小于预定阈值。
在某些实施例中，预定阈值可以是较小的值，例如1米。在其他实施例中，可以利用稍大的阈值。
可以进行其他修改以提高此距离测量的精度。例如，如果发射机的频率与接收机的频率相差很小(例如小于80ppm)，则定位器可以测量该频率误差，并基于该频率误差补偿相位计算。一种补偿方法是在已知时间间隔内进行两次或更多次相位测量，所得相位测量值将随着每次连续测量而增加(或减少)，从中可以计算频率误差，并通过将相位测量值回推给定的时刻，从所需的相位测量值中去除频率误差。或者，接收机可以测量频率误差并修改PLL 53的频率以匹配PLL 101的频率，并且在稳定间隔之后测量相位。可以应用本领域已知的其他技术。
例如，上述系统和方法依赖于两个发射信号的相位，每个发射信号具有两个不同的频率。从天线通过接收电路38到ADC 55的相位延迟可以根据频率而不同。例如，由路径中的组件(如电容器和电感器)引起的相位延迟是频率的函数。该组件集合可称为接收组或Rx组(Rx group)。因此，在某些实施例中，在用于距离检测信号的每个频率处校准Rx组。可以通过多种方式校准Rx组延迟(group delay)。例如，校准可由芯片制造商执行并提供给用户。在另一实施例中，校准结果可存储在存储器的一次性可编程(one-time programmable,OTP)部分中。在另一实施例中，用户可以执行校准并保存结果。
在所有这些实施例中，在计算第一信号和第二信号的实际相位时，可以计算并考虑由Rx组延迟引起的相位差。
此外，另一误差源可以是由第一网络设备100的发射电路38引入的相位延迟。该相位误差可通过多种方式计算。例如，校准可以由芯片制造商执行，并且可以向用户提供每个频率的相位延迟。在另一实施例中，校准结果可存储在非易失性存储器中。在另一实施例中，用户可以执行校准并保存结果。例如，校准工位可用于从第一网络设备接收感兴趣的频率。之后，校准工位可以测量这两个频率之间的相位差。然后，可以将此差异存储在存储器的非易失存储器(Non-volatile Memory,NVM)部分中。在又一实施例中，可以在第一网络设备的发射电路38都与天线通信的情况下执行回环测试。第一网络设备发射两个感兴趣的频率，继而同时测量接收组接收到的这些频率中的每个频率的相位，以计算与发射相关联的相位延迟。该计算的结果可称为发射机相位校正。
从第一网络设备100到第二网络设备110的距离可用于许多应用。例如，距离检测可与到达角或偏离算法结合使用。例如，通过确定到达角和到第一网络设备100的距离，第二网络设备110可以估计第一网络设备100的三维位置。该位置信息可以以多种方式使用。例如，如果第一网络设备(或tag)安装在仓库中的多个资产中的每个资产上，则第二网络设备(或定位器)可以识别特定物品的位置。在一些实施例中，可能存在多个定位器(接收机)，每个定位器(接收机)测量其到tag(发射机)的距离。定位器将其测量值发送给主定位器(或另一个处理单元)，主定位器使用定位器的已知位置和距离测量值以计算tag位置，作为多个范围的交界，类似于GPS。此外，还有工业资产跟踪以外的应用。例如，这两个网络设备还可以用作接近传感器。例如，当用户(持有tag)接近汽车(充当定位器)时，车门可能会自动解锁。这个概念可以扩展到区域创建，当用户进入/退出地理区域时会触发事件。此外，该网络设备系统还可用于跟踪宠物或定位个人物品。
目前的系统和方法有许多优点。首先，该系统和方法不需要第一网络设备和第二网络设备之间的网络连接。因此，与需要第二网络设备与每个设备建立网络连接的情况相比，第二网络设备能够跟踪更多的设备。因此，本系统和方法远比双向距离检测系统更具可扩展性。此外，本文描述的系统和方法允许使用相差许多兆赫兹的频率。这可以提高测量精度，尤其是在短距离情况下。
本发明的范围不受本文所述具体实施例的限制。实际上，除了本文所述的实施例和修改之外，根据前面的描述和附图，本发明的其他各种实施例和修改对于所属领域的技术人员来说是显而易见的。因此，此类其他实施例和修改旨在落入本发明的范围。此外，尽管本发明已经在本文中针对特定目的在特定环境中的特定实施方式进行了描述，但所属领域的技术人员将认识到，其用途并不限于此，并且本发明可以出于任何目的在任何环境中受益地实施。因此，以下权利要求应根据本文所述本发明的全部内容和精神进行解释。
本申请要求于2021年7月13日提交的美国临时专利申请63/221,152的优先权，其公开内容全部并入本发明。

Claims (21)

1.一种测量两个网络设备之间距离的方法，包括：
从第一网络设备发射距离检测信号，所述距离检测信号包括第一频率(f1)和第二频率(f2)，其中，所述第一频率和所述第二频率的相位是恒定的；
在第二网络设备处接收所述距离检测信号；
在所述第二网络设备处确定所述第一频率的相位和所述第二频率的相位，分别称为
Figure FDA0003717685290000011
和
Figure FDA0003717685290000012
以及
利用f1、f2、
Figure FDA0003717685290000013
和
Figure FDA0003717685290000014
的值计算所述第一网络设备和所述第二网络设备之间的距离，其中，所述距离是频内组距测量值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，使用公共载波频率和第一调整频率创建所述第一频率，使用所述公共载波频率和第二调整频率创建所述第二频率，其中，所述第一调整频率的相位和所述第二调整频率的相位相等。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一调整频率和所述第二调整频率使用查找表创建。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第二网络设备分别使用公共接收机载波频率和第一接收机调整频率，从所述距离检测信号的第一频率中移除所述公共载波频率和所述第一调整频率，以确定所述第一频率的相位，并分别使用所述公共接收机载波频率和第二接收机调整频率从所述距离检测信号的第二频率中移除所述公共载波频率和所述第二调整频率，以确定所述第二频率的相位。
5.根据权利要求2所述的方法，还包括：
从所述第一网络设备发射至少一个附加频率，其中，每个附加频率使用所述公共载波频率和调整频率来生成；以及
在所述第二网络设备处确定所述至少一个附加频率的相位，并使用所述至少一个附加频率的相位来计算频内组距。
6.一种测量两个网络设备之间距离的方法，包括：
从第一网络设备发射第一距离检测信号，所述第一距离检测信号包括第一频率(f1)和第二频率(f2)，其中，所述第一频率和所述第二频率的相位是恒定的；
在第二网络设备处接收所述第一距离检测信号；
在所述第二网络设备处，确定所述第一频率的相位和所述第二频率的相位，分别称为
Figure FDA0003717685290000021
和
Figure FDA0003717685290000022
从第一网络设备发射第二距离检测信号，所述第二距离检测信号包括第三频率(f3)和第四频率(f4)，其中，所述第三频率和所述第四频率的相位是恒定的；
在第二网络设备处接收所述第二距离检测信号；
在所述第二网络设备处，确定所述第三频率的相位和所述第四频率的相位，分别称为
Figure FDA0003717685290000023
和
Figure FDA0003717685290000024
以及
利用f1、f2、f3、f4、
Figure FDA0003717685290000025
和
Figure FDA0003717685290000026
的值计算所述第一网络设备和所述第二网络设备之间的距离，其中，所述距离是频间组距测量值。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第一频率和所述第二频率属于第一频率组，其中，频率组被定义为使用公共载波频率生成的频率集合，并且其中，所述第三频率和所述第四频率属于第二频率组，所述第二频率组不同于所述第一频率组并且具有第二公共载波频率。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述公共载波频率和所述第二公共载波频率之间没有相位关系。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，使用所述公共载波频率和第一调整频率创建所述第一频率，使用所述公共载波频率和第二调整频率创建所述第二频率，其中，所述第一调整频率的相位和所述第二调整频率的相位相等。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一调整频率和所述第二调整频率使用查找表创建。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第二网络设备分别使用公共接收机载波频率和第一接收机调整频率，从所述第一距离检测信号的第一频率中移除所述公共载波频率和所述第一调整频率，以确定所述第一频率的相位，并分别使用所述公共接收机载波频率和第二接收机调整频率从所述第一距离检测信号的第二频率中移除所述公共载波频率和所述第二调整频率，以确定所述第二频率的相位。
12.根据权利要求6所述的方法，其中，所述频间组距测量值基于频间组相位差计算，所述频间组相位差定义为当发射和接收所述第二距离检测信号时所述第一网络设备和所述第二网络设备之间的总相位差减去当发射和接收所述第一距离检测信号时所述第一网络设备和所述第二网络设备之间的总相位差。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第二网络设备仅利用f1、f2、
Figure FDA0003717685290000031
和
Figure FDA0003717685290000032
执行频内组距测量，并计算所述频间组距测量值和频内组距测量值之间的差值，如果所述差值大于预定阈值，则将所述频间组相位差调整2π，使用调整后的频间组相位差重新计算所述频间组距测量值，并重复调整和重新计算，直到所述差值小于所述预定阈值。
14.一种用于测量两个网络设备之间距离的系统，包括：
第一网络设备，配置为：
发射第一距离检测信号，所述第一距离检测信号包括第一频率(f1)和第二频率(f2)，其中，所述第一频率和所述第二频率属于第一频率组，其中，频率组定义为使用公共载波频率生成的频率集合，其中，所述第一频率和所述第二频率的相位是恒定的；以及
第二网络设备，配置为：
接收所述第一距离检测信号；
确定所述第一频率的相位和所述第二频率的相位，分别称为
Figure FDA0003717685290000033
和
Figure FDA0003717685290000034
以及
利用f1、f2、
Figure FDA0003717685290000035
和
Figure FDA0003717685290000036
的值计算所述第一网络设备和所述第二网络设备之间的距离，其中，所述距离是频内组距测量值。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述第一网络设备使用所述公共载波频率和第一调整频率生成所述第一频率，并使用所述公共载波频率和第二调整频率生成所述第二频率，其中，所述第一调整频率的相位和所述第二调整频率的相位相等。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述第一调整频率和所述第二调整频率使用查找表创建。
17.根据权利要求15所述的系统，其中，所述第二网络设备分别使用公共接收机载波频率和第一接收机调整频率，从所述第一距离检测信号的第一频率中移除所述公共载波频率和所述第一调整频率，以确定所述第一频率的相位，并分别使用所述公共接收机载波频率和第二接收机调整频率从所述第一距离检测信号的第二频率中移除所述公共载波频率和所述第二调整频率，以确定所述第二频率的相位。
18.根据权利要求14所述的系统，其中，所述第一网络设备进一步配置为：
发射第二距离检测信号，所述第二距离检测信号包括第三频率(f3)和第四频率(f4)，其中，所述第三频率和所述第四频率的相位是恒定的；以及
其中，所述第二网络设备进一步配置为：
接收所述第二距离检测信号；
确定所述第三频率的相位和所述第四频率的相位，分别称为
Figure FDA0003717685290000041
和
Figure FDA0003717685290000042
以及
利用f1、f2、f3、f4、
Figure FDA0003717685290000043
和
Figure FDA0003717685290000044
的值计算所述第一网络设备和所述第二网络设备之间的距离，其中，所述距离是频间组距测量值。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述第一网络设备使用与所述公共载波频率不同的第二公共载波频率，以生成所述第三频率和所述第四频率。
20.根据权利要求18所述的系统，其中，所述第二网络设备基于频间组相位差计算频间组距测量值，所述频间组相位差定义为当发射和接收所述第二距离检测信号时所述第一网络设备和所述第二网络设备之间的总相位差减去当发射和接收所述第一距离检测信号时所述第一网络设备和所述第二网络设备之间的总相位差。
21.根据权利要求20所述的系统，其中，所述第二网络设备仅利用f1、f2、
Figure FDA0003717685290000045
和
Figure FDA0003717685290000046
执行频内组距测量，并计算所述频间组距测量值和频内组距测量值之间的差值，如果所述差值大于预定阈值，则将所述频间组相位差调整2π，并使用调整后的频间组相位差重新计算所述频间组距测量值，并重复所述调整和所述重新计算，直到所述差值小于所述预定阈值。
CN202210749128.2A 2021-07-13 2022-06-28 单向式基于相位的高精度测距装置及算法 Pending CN115616548A (zh)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US202163221152P 2021-07-13 2021-07-13
US63/221,152 2021-07-13
US17/486,044 US11770678B2 (en) 2021-07-13 2021-09-27 One-way phase-based high accuracy distance measurement apparatus and algorithm
US17/486,044 2021-09-27

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115616548A true CN115616548A (zh) 2023-01-17

Family

ID=84546836

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210749128.2A Pending CN115616548A (zh) 2021-07-13 2022-06-28 单向式基于相位的高精度测距装置及算法

Country Status (3)

Country Link
US (1) US11770678B2 (zh)
CN (1) CN115616548A (zh)
DE (1) DE102022115289A1 (zh)

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8340682B2 (en) * 2006-07-06 2012-12-25 Qualcomm Incorporated Method for disseminating geolocation information for network infrastructure devices
CN111343714B (zh) * 2020-02-09 2021-06-04 北京小米移动软件有限公司 终端定位方法、装置、电子设备及存储介质

Also Published As

Publication number Publication date
US20230025845A1 (en) 2023-01-26
US11770678B2 (en) 2023-09-26
DE102022115289A1 (de) 2023-01-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4120237B2 (ja) 復調装置及び受信装置
JP2620219B2 (ja) デジタルナブスター受信機
RU2280261C2 (ru) Способ и устройство для компенсации частотной погрешности гетеродина
US7139581B2 (en) Method and system for distance measurement in a low or zero intermediate frequency half-duplex communications loop
US9853787B2 (en) Carrier frequency offset estimation for wireless communication
JP4360739B2 (ja) 直交復調装置、方法、記録媒体
JP2004007692A (ja) 周波数オフセット推定器
US11356157B2 (en) Dynamic switch pattern selection for angle of arrival
US11502883B2 (en) Adjusting receiver frequency to compensate for frequency offset during a sounding sequence used for fractional time determination
US11486957B2 (en) Dynamic switch pattern selection for angle of arrival
US8228970B2 (en) Signal processing device and wireless apparatus
US11356158B2 (en) Dynamic switch pattern selection for angle of arrival
CN106559147B (zh) 基于前导的传输功率检测的方法及传输功率检测器
US8515454B2 (en) Method of determining the location of a node in a distributed wireless sensor and actuator network
EP3642965B1 (en) System-on-a-chip for reception of telemetry messages over a radio frequency channel
US20140348275A1 (en) Systems and methods for estimating pseudorange errors
CN115616548A (zh) 单向式基于相位的高精度测距装置及算法
US11686834B2 (en) One way ranging synchronization and measurement
CN110320539B (zh) 一种应用于卫星定位系统的比特同步方法以及相关装置
US11368203B1 (en) One way ranging measurement using sounding sequence
CN112039543B (zh) 用于通过射频信道接收遥测消息的片上系统
CN108900453A (zh) 直流分量获取装置及方法
US11638116B2 (en) Adjusting DFT coefficients to compensate for frequency offset during a sounding sequence used for fractional time determination
US11888491B2 (en) Frequency detector for measuring and tuning frequency of controlled oscillator
Jiang et al. Design and validation of a single frequency GPS software receiver acquisition and tracking method

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination