CN116148830A - 测距方法、测距装置 - Google Patents

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张俊波
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Abstract

本发明公开了一种测距方法、测距装置。所述测距方法，由第一终端执行，所述测距方法包括：接收第二终端发送的测距信号；估算与所述第二终端之间的频偏；根据所述频偏调节所述第一终端的工作频率；利用调节后的工作频率发送返回信号至所述第二终端，以使所述第二终端根据接收到所述返回信号的时间计算所述第一终端与所述第二终端之间的距离。本发明实施例能够降低测距发起方与测距接收方之间晶振偏差产生的影响。

Description

测距方法、测距装置
技术领域
本发明实施例涉及通信技术，尤其涉及一种测距方法、测距装置。
背景技术
通信方法在现代电子技术中有着重要的应用，如距离测量等领域均需要用到通信方法。
现有的测距方法中测距发起方和测距接收方的晶振存在一定的偏差，在高精度的距离测量领域将会产生很大的误差。
发明内容
本发明提供一种测距方法、测距装置，以降低测距发起方与测距接收方之间晶振偏差产生的影响。
第一方面，本发明实施例提供了一种测距方法，由第一终端执行，所述测距方法包括：
接收第二终端发送的测距信号；
估算与所述第二终端之间的频偏；
根据所述频偏调节所述第一终端的工作频率；
利用调节后的工作频率发送返回信号至所述第二终端，以使所述第二终端根据接收到所述返回信号的时间计算所述第一终端与所述第二终端之间的距离。
可选地，所述估算与所述第二终端之间的频偏包括：
利用相位差分法、基于快速傅里叶变换的频偏估计法或基于M次方的频偏估计法估算与所述第二终端之间的频偏。
可选地，所述测距信号包含同步部分和数据部分，所述估算与所述第二终端之间的频偏配置为在接收所述第二终端发送的测距信号的同步部分时执行；
所述根据所述频偏调节所述第一终端的工作频率之后还包括：
利用调节后的工作频偏接收所述测距信号的数据部分。
可选地，所述第一终端包括频率调节模块，所述频率调节模块用于调节所述第一终端的工作频率；
所述根据所述频偏调节所述第一终端的工作频率包括：
根据所述频偏调节所述频率调节模块的参数。
可选地，所述频率调节模块为数控振荡器，所述根据所述频偏调节所述频率调节模块的参数包括：
根据所述频偏调节所述数控振荡器的电容阵列值。
可选地，所述根据所述频偏调节所述数控振荡器的电容阵列值之前还包括：
对所述电容阵列值进行校准。
可选地，所述频率调节模块为小数分频锁相环；
所述根据所述频偏调节所述频率调节模块的参数包括：
根据所述频偏调节所述小数分频锁相环的小数分频值。
第二方面，本发明实施例还提供了一种测距装置，配置于第一终端，所述测距装置包括：
晶振、频率调节模块、锁相环、混频器、天线、模数转换模块、数模转换模块、接收解调器及发送调制器；
所述晶振与所述频率调节模块的输入端电连接，所述频率调节模块的输出端与所述锁相环的输入端电连接，所述锁相环的输出端与所述混频器的第一端电连接，所述混频器的第二端与所述天线电连接，所述混频器的第三端与所述模数转换模块的输入端电连接，所述模数转换模块的输出端与所述接收解调器的输入端电连接，所述接收解调器的第一输出端与所述频率调节模块的控制端电连接，所述发送调制器的输出端与所述数模转换模块的输入端电连接，所述数模转换模块的输出端与所述混频器的第四端电连接；
所述天线用于接收第二终端发送的测距信号；所述接收解调器用于估算与所述第二终端之间的频偏，并根据所述频偏调节所述频率调节模块的参数以调节所述测距装置的工作频率。
可选地，所述频率调节模块为数控振荡器，根据所述频偏调节所述频率调节模块的参数包括：
根据所述频偏调节所述数控振荡器的电容阵列值。
可选地，所述频率调节模块为小数分频锁相环；
所述根据所述频偏调节所述频率调节模块的参数包括：
根据所述频偏调节所述小数分频锁相环的小数分频值。
本发明实施例提供的测距方法由第一终端执行，测距方法具体包括接收第二终端发送的测距信号；估算与第二终端之间的频偏；根据频偏调节第一终端的工作频率；利用调节后的工作频率发送返回信号至第二终端。本实施例通过第一终端估算与第二终端的频偏，并对第一终端的工作频率进行调整，能够极大地降低频偏对测距的影响。且无需增加测距系统的成本，只需要一次握手即可在短时间内完成收发两端频偏极小的测距过程。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种测距方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的又一种测距方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的一种测距装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
图1为本发明实施例提供的一种测距方法的流程图，参考图1，本发明实施例提供的测距方法由第一终端执行，测距方法包括：
步骤S101，接收第二终端发送的测距信号；
具体地，第二终端可以是测距发起方(master)，第一终端可以是测距接收方(slave)，本实施例以UWB(Ultra-Wideband，超宽带)测距，也即利用UWB信号测量第一终端与第二终端之间的距离为例，第二终端首先发送一个测距信号至第一终端，并由第一终端接收后进行处理。
步骤S102，估算与第二终端之间的频偏；
具体地，由于第一终端与第二终端之间晶振不可能完全相同等因素，第一终端与第二终端之间的工作频率可能存在不同，从而导致第一终端与第二终端之间存在频偏；在收发两端晶振不一致时，测距误差的表达式为：
Figure BDA0003369461900000041
其中，ea和eb为测距发起方(第二终端)a和测距接收方(第一终端)b的晶体时钟频率偏移，通常用多少PPM(Parts Per Million百万分之一)表示，ea-eb也即第一终端与第二终端之间的频偏；/>
Figure BDA0003369461900000052
和Tf分别为估计的和实际的传播延时；Ra为测距发起方a的往返时间[RTT(Round Trip Time)]；Db为测距接收方b从收到测距发起方a信号到发送ACK给测距发起方a的时间间隔；根据802.15.4a标准，|ea|≤20PPM,|eb|≤20PPM，ea-eb可以达到+/-40PPM。对于室内定位，Tf通常小于1微秒，Db为几百微秒到1毫秒；由测距误差表达式可知，误差主要由/>
Figure BDA0003369461900000051
引起：示例性地，1毫秒*40PPM/2＝20ns，再通过电磁波的传播速度计算距离可知在此种情况下将造成高达6米的误差，这与UWB所需的10厘米精度相差很远。而在本实施例中可先估算第一终端与第二终端之间的频偏，其具体估算方法将在后续进行说明，以便于后续对第一终端的工作频率进行调节。
步骤S103，根据频偏调节第一终端的工作频率；
具体地，当估算出第一终端和第二终端之间的频偏后，即可利用该频偏对第一终端的工作频率进行调节，使得第一终端在该工作频率下，与第二终端的频偏达到最小(如无频偏)；例如当估算出第一终端的工作频率小于第二终端的工作频率时，可适当降低第一终端的工作频率；而当估算出第一终端的工作频率大于第二终端的工作频率时，可适当提高第一终端的工作频率，进而可使得第一终端与第二终端之间的频偏较小，减小测距误差。
步骤S104，利用调节后的工作频率发送返回信号至第二终端，以使第二终端根据接收到返回信号的时间计算第一终端与第二终端之间的距离。
具体地，第一终端接收到第二终端发送的测距信号后，可尽快发送返回信号至第二终端；且第一终端在利用估算出的频偏调节其工作频率之后，即可利用调整后的工作频率进行工作，此工作频率与第二终端的工作频率基本一致，此时第一终端的时钟相应地非常接近第二终端的时钟，即计时的时间尺度将和第一终端一致，使得频偏较小，甚至可调节到频偏为零(ea-eb至少可降至0.01PPM以下)，由测距误差表达式可知，当频偏较小时，测距误差也能够极大地降低，因而本实施例能够极大地提高测距的精度。在第二终端接收到ACK信号时，将几乎不存在(载波/采样)频偏等非理想因素，极大提升接收鲁棒性。当第二终端接收到返回信号后，可根据发送出测距信号的时间与接收到返回信号的时间之间的时间差，乘以电磁波的传播速度再除以二之后得到第二终端与第一终端之间的距离，由于第二终端与第一终端之间的频偏较小，测距精度能够得到极大提高。
本实施例提供的测距方法由第一终端执行，测距方法具体包括接收第二终端发送的测距信号；估算与第二终端之间的频偏；根据频偏调节第一终端的工作频率；利用调节后的工作频率发送返回信号至第二终端。本实施例通过第一终端估算与第二终端的频偏，并对第一终端的工作频率进行调整，能够极大地降低频偏对测距的影响。且无需增加测距系统的成本，只需要一次握手即可在短时间内完成收发两端频偏极小的测距过程。
可选地，估算与第二终端之间的误差包括：利用相位差分法、基于快速傅里叶变换的频偏估计法或基于M次方的频偏估计法估算与第二终端之间的频偏。
具体地，基于相位差的频偏估算原理一种是利用接收端接收到的参考信号构造出待估算序列，然后利用构造出的待估算序列的相位信息来得到频偏估计值；另一种是利用发送端发送的有效数据信息，通过其自身的特殊结构和统计特性来去除相位差信息进而得到频偏估计值。利用相位差分法估算频偏具有计算简单等优势，因而本实施例优选采用相位差分法来估算频偏。当然，在其它一些实施方式中，也可采用基于快速傅里叶变换的频偏估计法或者基于M次方的频偏估计法。
可选地，图2为本发明实施例提供的又一种测距方法的流程图，参考图2，第二终端发送的测距信号中包含同步部分和数据部分，本实施例的测距方法包括：
步骤S201，接收第二终端发送的测距信号的同步部分，并估算与第二终端之间的频偏；
具体地，测距信号包括同步部分和数据部分，其中的同步部分用于与接收端进行匹配，使得接收端解析出需要进行接收信号的操作，而数据部分也即测距信号的有效部分，可包含控制指令等在内。本实施例中第一终端在接收到第二终端发送的测距信号的同步部分时即可开始进行频偏估算，并在同步部分接收完之前即可完成频偏的估算。
步骤S202，根据频偏调节第一终端的工作频率；
步骤S203，利用调节后的工作频率接收测距信号的数据部分；
具体地，测距信号的数据部分为测距信号的有效部分，若第一终端在接收该数据部分时工作频率与第二终端的工作频率之间频偏较大，可能导致解析的数据部分产生错误，从而可能导致返回的数据出错；本实施例设置在接收测距信号的数据部分时便控制第一终端的工作频率为根据频偏调整后的工作频率，保证第一终端在接收数据部分和发送返回信号时的工作频率均与第二终端的工作频率保持一致，从而进一步提高测距的准确性，在利用本实施例的测距方法测距时能够进一步提高测距的精度。
可选地，第一终端包括频率调节模块，频率调节模块用于调节第一终端的工作频率；根据频偏调节第一终端的工作频率包括：根据频偏调节频率调节模块的参数。
具体地，第一终端可包括晶振和频率调节模块，晶振用于产生一个基本的振荡频率，而频率调节模块则可用于对晶振产生的基本振荡频率进行调节从而调节第一终端的工作频率的大小，本实施例仅通过调节频率调节模块的参数，便可控制第一终端的工作频率，调节方法简单，调节的速度也较快，从而更有利于进行高精度的距离测量。
可选地，频率调节模块为数控振荡器(DCXO)，根据频偏调节频率调节模块的参数包括：根据频偏调节数控振荡器的电容阵列值。
具体地，数控振荡器的具体结构为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述；数控振荡器中包含电容阵列，当电容阵列值不同，也即等效电容值不同时，第一终端的工作频率也不同；示例性地，当第一终端的工作频率相对于第二终端的工作频率小时，需要增大第一终端的工作频率，可通过减小数控振荡器的等效电容值来实现；当第一终端的工作频率相对于第二终端的工作频率大时，需要减小第一终端的工作频率，可通过增加数控振荡器的等效电容值来实现。
可选地，根据频偏调节数控振荡器的电容阵列值之前还包括：对电容阵列值进行校准。
具体地，数控振荡器的电容阵列值初始状态可能会发生变化，若不加以校准，将会严重影响数控振荡器的输出，进而影响第一终端的工作频率，因此，在每次对数控振荡器的电容阵列值进行调节之前，均可对电容阵列值进行校准，如校准到一个固定的阵列值，从而保证第一终端工作频率的准确性，进而提高测距的准确性。
需要说明的是，当第一终端所处环境的温度变化较大时，需要重新校准数控振荡器的电容阵列值。
可选地，频率调节模块为小数分频锁相环；根据频偏调节频率调节模块的参数包括：根据频偏调节小数分频锁相环的小数分频值。
具体地，第一终端中可以包括小数分频锁相环和整数分频锁相环，小数分频锁相环可用于对第一终端的工作频率进行微调，因而当频率调节模块为小数分频锁相环时，可以通过对小数分频锁相环进行调节进而调节第一终端的工作频率。示例性地，当第一终端的工作频率小于第二终端的工作频率时，可以控制小数分频锁相环的锁相频率增大，进而可以增大第一终端的工作频率，使得第一终端的工作频率与第二终端的工作频率一致；而当第一终端的工作频率大于第二终端的工作频率时，可以控制小数分频锁相环的锁相频率减小，进而可以减小第一终端的工作频率，使得第一终端的工作频率与第二终端的工作频率一致。
本发明实施例还提供了一种测距装置，配置于第一终端，如图3所示，图3为本发明实施例提供的一种测距装置的结构示意图，测距装置包括：晶振301、频率调节模块302、锁相环PLL 303、混频器304、天线305、模数转换模块306、数模转换模块307、接收解调器308和发送调制器309；晶振301与频率调节模块302的输入端电连接，频率调节模块302的输出端与锁相环303的输入端电连接，锁相环303的输出端与混频器304的第一端电连接，混频器303的第二端与天线305电连接，混频器305的第三端与模数转换模块306的输入端电连接，模数转换模块306的输出端与接收解调器308的输入端电连接，接收解调器308的第一输出端与频率调节模块302的控制端电连接，发送调制器309的输出端与数模转换模块307的输入端电连接，数模转换模块307的输出端与混频器304的第四端电连接；天线305用于接收第二终端发送的测距信号；接收解调器308用于估算与第二终端之间的频偏，并根据频偏调节频率调节模块302的参数以调节测距装置的工作频率。
具体地，第二终端发送测距信号后，由第一终端的天线305接收，天线305上接收的信号一般为高频，可通过混频器304将天线305接收的信号混频后变为低频信号，此时混频器304的第一端接收的为第一终端未根据频偏调整后的工作频率，且此时混频器304的第一端与第二端为输入端，第三端为输出端，混频后的信号被模数转换模块306转换为数字信号，并由接收解调器308计算第一终端与第二终端之间的频偏，并根据计算出的频偏控制频率调节模块302的参数，进而调整混频器304第一端输入的信号的频率，也即第一终端的工作频率，需要说明的是，接收解调器308还用于将接收的信号通过第二输出端传送至处理器，由处理器进行指令的解析并发送返回数据至发送调制器309，经发送调制器309调制后的信号经数模转换模块307转换为模拟信号，并经混频器304的第四端输入，并与混频器304第一端输入的信号混频后由混频器304的第二端输出至天线305上，并由天线305辐射至外部。由于在接收测距信号的数据部分以及发送返回信号至第二终端时，频率调节模块302的参数已经根据频偏进行调整，也即第一终端的工作频率已经根据频偏进行了调整，因而能够极大地降低频偏对测距的影响。且无需增加测距系统的成本，只需要一次握手即可在短时间内完成收发两端频偏极小的测距过程。
可选地，频率调节模块为数控振荡器(DCXO)，根据频偏调节频率调节模块的参数包括：根据频偏调节数控振荡器的电容阵列值。
具体地，数控振荡器中包含电容阵列，当电容阵列值不同，也即等效电容值不同时，第一终端的工作频率也不同；示例性地，当第一终端的工作频率相对于第二终端的工作频率小时，需要增大第一终端的工作频率，可通过减小数控振荡器的等效电容值来实现；当第一终端的工作频率相对于第二终端的工作频率大时，需要减小第一终端的工作频率，可通过增加数控振荡器的等效电容值来实现。
可选地，频率调节模块为小数分频锁相环FNPLL；根据频偏调节频率调节模块的参数包括：根据频偏调节小数分频锁相环的小数分频值。
具体地，小数分频锁相环可用于对第一终端的工作频率进行微调，因而当频率调节模块为小数分频锁相环时，可以通过对小数分频锁相环进行调节进而调节第一终端的工作频率。示例性地，当第一终端的工作频率小于第二终端的工作频率时，可以控制小数分频锁相环的锁相频率增大，进而可以增大第一终端的工作频率，使得第一终端的工作频率与第二终端的工作频率一致；而当第一终端的工作频率大于第二终端的工作频率时，可以控制小数分频锁相环的锁相频率减小，进而可以减小第一终端的工作频率，使得第一终端的工作频率与第二终端的工作频率一致。
本发明实施例还提供了一种测距系统，测距系统包括本发明任意实施例提供的第一终端和第二终端，第二终端用于发送测距信号至第一终端，第一终端根据接收到的测距信号复算第一终端与第二终端之间的频偏，并根据该频偏调整第一终端的工作频率，随后第一终端利用调整后的工作频率接收测距信号中的数据部分并发送返回信号至第二终端，第二终端接收该返回信号以完成测距；测距过程可以是测距过程，由于根据频偏调整后的第一终端与第二终端之间的工作频率基本一致，可以极大地提高测距精度。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种测距方法，其特征在于，由第一终端执行，所述测距方法包括：
接收第二终端发送的测距信号；
估算与所述第二终端之间的频偏；
根据所述频偏调节所述第一终端的工作频率；
利用调节后的工作频率发送返回信号至所述第二终端，以使所述第二终端根据接收到所述返回信号的时间计算所述第一终端与所述第二终端之间的距离。
2.根据权利要求1所述的测距方法，其特征在于，所述估算与所述第二终端之间的频偏包括：
利用相位差分法、基于快速傅里叶变换的频偏估计法或基于M次方的频偏估计法估算与所述第二终端之间的频偏。
3.根据权利要求1所述的测距方法，其特征在于，所述测距信号包含同步部分和数据部分，所述估算与所述第二终端之间的频偏配置为在接收所述第二终端发送的测距信号的同步部分时执行；
所述根据所述频偏调节所述第一终端的工作频率之后还包括：
利用调节后的工作频偏接收所述测距信号的数据部分。
4.根据权利要求1所述的测距方法，其特征在于，所述第一终端包括频率调节模块，所述频率调节模块用于调节所述第一终端的工作频率；
所述根据所述频偏调节所述第一终端的工作频率包括：
根据所述频偏调节所述频率调节模块的参数。
5.根据权利要求4所述的测距方法，其特征在于，所述频率调节模块为数控振荡器，所述根据所述频偏调节所述频率调节模块的参数包括：
根据所述频偏调节所述数控振荡器的电容阵列值。
6.根据权利要求5所述的测距方法，其特征在于，所述根据所述频偏调节所述数控振荡器的电容阵列值之前还包括：
对所述电容阵列值进行校准。
7.根据权利要求4所述的测距方法，其特征在于，所述频率调节模块为小数分频锁相环；
所述根据所述频偏调节所述频率调节模块的参数包括：
根据所述频偏调节所述小数分频锁相环的小数分频值。
8.一种测距装置，其特征在于，配置于第一终端，所述测距装置包括：
晶振、频率调节模块、锁相环、混频器、天线、模数转换模块、数模转换模块、接收解调器及发送调制器；
所述晶振与所述频率调节模块的输入端电连接，所述频率调节模块的输出端与所述锁相环的输入端电连接，所述锁相环的输出端与所述混频器的第一端电连接，所述混频器的第二端与所述天线电连接，所述混频器的第三端与所述模数转换模块的输入端电连接，所述模数转换模块的输出端与所述接收解调器的输入端电连接，所述接收解调器的第一输出端与所述频率调节模块的控制端电连接，所述发送调制器的输出端与所述数模转换模块的输入端电连接，所述数模转换模块的输出端与所述混频器的第四端电连接；
所述天线用于接收第二终端发送的测距信号；所述接收解调器用于估算与所述第二终端之间的频偏，并根据所述频偏调节所述频率调节模块的参数以调节所述测距装置的工作频率。
9.根据权利要求8所述的测距装置，其特征在于，所述频率调节模块为数控振荡器，根据所述频偏调节所述频率调节模块的参数包括：
根据所述频偏调节所述数控振荡器的电容阵列值。
10.根据权利要求8所述的测距装置，其特征在于，所述频率调节模块为小数分频锁相环；
所述根据所述频偏调节所述频率调节模块的参数包括：
根据所述频偏调节所述小数分频锁相环的小数分频值。
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