TW201142338A - Apparatus for positioning using average phase difference and method for the same - Google Patents

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201142338 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 位差測轉;器利用於平均相 準後本地晶體:心頻 本地距之雜之裝置及其叫异出 【先前技術j 討論標。^一直是一熱門的 收器，便可以庫用等只要被尋之人或物配備一接 分可利用RSsf(射，非常方便。它們大部 物的距離。再庫用f度指標）來加以判斷被尋之人或 B ' C 天後=平面定位示意圖。其中A、 個天線），而P點立體空間定位則需要4 可以發射錢，就可以咖A f。目漏若具有—發射器， RSSI值定位。 利用A、B、C三個讀取器接收信號的 201142338 RSSi值可換算出距離<、<、<以定位出P點的 期，境所影響’除非經過-段校正或訓練 拉,Λ· 定位技織林環境㈣響的技術是时射端金 time 〇f arriving )來 G在位^強度指標。例如，請參考圖2，假設一 ^弟一_5號發射/接收器（transceiver，·簡稱 0士^】一弟一信號至位置B的第二收發機接收，苴歷 ，。位置B的第二收發機，於 =1 的第- 差，設為^射第仏號出去至接收到第二信號這段時間 =此，位置A與位置B的距離便是宁xC設C是光速。 傳基頻信號經載波調變 (Λ ,,. 封匕接收後，再被解胡 + ’它㈣般倾發送^ 縱齡有誤差。 間不同步所致之誤差立置B的使用者的時 收到第二信號後，再次發射第三的弟=發機於 機。第二收發機在（時間後料7itf置的弟二收發 中第-收發機在發出至給第—收發機。其 因此，位置A與位置B的距1將\ 201142338 4 愈多:提錢财。#然重覆 外’以上我們還假設位置A的時鐘和位置B的時鐘 、^·’’里的振盈頻率是相同的。以降低誤差值。 捲收时如上"!’、再到位置之c發射信號给A、β位置的發送 述’距離心<、4以定位出Ρ點的座標 可ϋ3! 式⑴，⑵，⑶聯立求聯立解，即 頻技’它所使用的技術是超寬頻射 太癸昍担供」也耗电机，1測一次約需15〇mA。 (約foi且二種^用相位差來偵測距離。每次時間短 的定位法及其ίί有多個同時平均’據以提高射度 【發明内容】 量測距ί之月二'-二數：奐用於中頻接收機 包含—天線、一接收哭七八第，。„及弟二收發機分置兩地，各 :晶體振盪器，接收器換f :泸3立處理器， 放大益，一混合器，一并 了卜濾波斋、一低嚼比 至數位轉換器，“連接至第;ff波器，四類比 三帀通濾波器、一功率放大哭，=、曰二’在發送器端設有第 „波器，二數位至類丄轉換=^序3率合成器、 心二個時啦紐賴齡概衫

201142338 待比較信號端，其中，第一參考信號端分別連接於第一及第 二收發機之類比至數位轉換器前，以截取該中頻I和Q信號 相位，待比較信號端連接於該校準後晶體振盪器端。Ο A ^距離量測時，包含以下步驟：首先，由第一 1 立置發送一 第一信號給第二位置；由第二位置在收到該第一彳古卢^ -第二信號給該第一位置;比較產生該第^ 體振盪器的相位與接收之該第二信號的丨和Q相位以庐g :相位差；比較該第二位置接收之該第一信號的J和Q又相位 /、產位置之校準後晶體振盪器的相位，以獲得第二 及計算該第一位置和該第二位置之距離，該距離是該第一相 ^差和該^二^差之和的—半所鮮得出之時間乘以光 【實施方式】 ^如發明背景所述，習知技術不f是利卿地的好 機每出信號給乙地，乙地收發機於接收到 二 甲^^後^提供精度，甲地和乙地會重覆以上 ^此-來’ 1測時間报長’且有甲地和乙地時 本，卿提供—_用第—收發機發送及接收 =和第二收發機發送及接收之中頻錢兩者之相位2 測甲、乙兩地的距離。#然，第 = 波必須校準，以使得兩者匕= 頻羊5成益（斤叫此11(：^ syn1：hes丨7 )的艏本兩 , 有關晶體_經鎖相迴路產生上述—致性於

201142338 Ϊ含製程戶f1至2〇_的可能偏移誤差的估 二呀參見發明人等之另一中華民國專利安 mssmn ^ ^ f及二包路」。有關，依所估計之偏移量對收 5成器進行補償的電路請參見發明人等之另一同曰二 中華民國專利申請案，發明名稱「具 : ㈣頻率補償之頻率合成!I」。 及日曰體 因此，本發明將假設甲、乙兩地之收發機之所發射及 接收之诒號頻率階已校準一致的基礎下進行。此外，本發 明是以窄就婦的技術，崎倾發機的耗電流量。^ ，明收發機耗電流約為5〇mA。另外，由數位處理器出來的 單調脈衝信號是先以數位類比轉換器轉換後再以半正弦波 濾波成單調基頻信號。 圖3示用於本發明以窄頻寬及〇QpSK(〇f fset quadrature phase shift keying)調變的收發機 300 耦接 一時間至數位轉換Is (time to digital converter·: TDC) 的電路方塊圖。請參見圖3，包含一晶體振盪器306、天線 302、開關305、一數位處理器360。在接收器單元中包含， 第一濾波器310，低噪比放大器320，混合器330，第二濾 波器340、341 ’類比至數位轉換器舰350、351，頻率合 成器370。 其中，晶體振盪器306之振盪頻率經頻率合成器37〇 處理’將產生一校準過的振盪頻率3〇γ及一校準過的载波頻 率。所述的校準過的振盪頻率是指收發機300依據收發機 201142338 1〇1_之^欠^所接收之载波頻率，經校準（即甲地收發機300 =运㈣餘辭已追隨收發機之接收單元接收的 ίίΐϊ巧整°此外’晶體振盈器的頻率也不是原始的晶 ΐϊϊί所ί生f頻*’而是依接收單元接收的載波頻率而 ^^^^(fractional with N-integer frequency 體振盪頻率307。）乙地收發機300之發送 :~ ί Ϊ頻·^依〃據猶後再收自曱地的信號，再調整晶體 率’、經過往復校正各—次或兩次後曱乙兩地之收發機 的晶體振盪頻率將需一致。 在發达器單7G包含第三濾波器311，功率放大哭 哭ηίίί Ξ，第四濾波11 342、343，數位至類比轉^ 二頻率„合成器370。晶體振盈器用以產生 妾收益鳊所吊頻率合成器37〇所需的頻率，也產生發送哭 所需頻率合成器370所需的頻率。千做生 frnpif H收ΐ機300是採取偏移90度相位遷移鍵入 收H另外’在收發機切換為發送11使用時與切換為接 卞，頻率合成器370提供之載波頻率是不同的，在 實施例中，當做發送器使用時，高於接收 心則是比健準後體織賴率触發機切換 ίϊΐϊϊ所接收之封包中尚未進入ADC 350、351前之中 頻“唬兩者之相位差。特別值得注意 器頻率與上述之中頻信號是整數倍=以又旱後曰曰體振盛 ，4示依據本發_-較佳實施例细 機300及乙地的收發機300傳送封包並用以比較相位差的 201142338 示意圖。其中，曱地的收發機300，用來比較的信號是取自 於（1)頻率合成器370所輸出之校準後的振盪器頻率307該 信號頻率標記為1:與(2)甲地的收發機300切換為接收器 時所接收之封包中尚未進入ADC 350、351前之的中頻信號 (該中頻信號記為4:它有實部I_DATA及虛部QJ)ATA。即°1= 之信號307與4:之I_DATA以TDG進行相位量測，此外h之 信號307與4: Q_DATA以TDCq進行相位量測。

以一貫施例而言，基頻信號是500kHz的正弦波，超 頻(’載波經調變成為中頻細z，兩者之和為2. 5驗。^ 面β’/日體紐頻率是2’。兩者頻率並不相等，作 =是卢if，數倍.因此，比較相位差時，c的兩 率糊中，可將晶體振盡頻率 ^ ’疋將中頻信號倍頻為2_。再另 車乂仏貝加例疋不做降頻或倍頻，而 時鐘選用頻率相對較高的晶昜 、反益的觸發 ™：中是以°最“^衝^亚H響結果的判讀。因為以 如一緩衝器是20()PS，則將算為距離。例 而言，一周期將是4xHT秒，一f而以2. 5MHZ 以J率較高的晶體振盪頻率2〇 J的距離。 一周期X光速將是15m，因此H __頻率時， 時，將會是s+15m ΧΝ〇Ν=0 1 d j 5貝出的值換算為時間 所量出之相位差換算的距離“ ’ 5二6或7。S是TDC 小是在15㈣即可避免判讀的錯誤〔、要母個定位空間的大 201142338 頻率人}2的^發機用來比較的信號是取自於⑴ i:m()乙地的收發機300切換為接收器時所接 俨號記i 2 =^入ADC 350、351前之的中頻信號(該中頻 ^; i【匕ΐ貫部1 —腿及虛部q —data)。即3:之信 Ϊ = ί ?』ΑΤΑ纖進行相位量測，此外3:之信 唬307與L Qj)ATA以TDCq進行相位量測。 過程如下： 位产ΞΪίη Ϊ發機_由開關廳切換為發射器時，數 及二;自^提供封包的引頭包括：實體層標頭，MAC標頭 iJ時參考圖8)等信息，以提供遠端接收器判 二湯360亚提供G· 5 MHZ的頻率信號源，這個信號 是經校準後之晶體振盪頻率除頻後產生，它經 ί 換器D/C脱，353轉換為類比信號，再經半正 再由ii:3f-Slne filter)342、343 形塑為正弦波， 、、θ人哭=Ϊ盗370送出兩個相位相差90度的載波信號經 調變而形成封包。鮮合成器370產生用於 RF) ? 2450MHz > 二^大器380將功率放大後再經第一濾波器311 24。益^波。再自天線3〇2送出去的封包之頻率約為 發機3〇0由開關3〇5切換為接收器時，自天 ί : ίίίί ’封包經由第—濾波器⑽濾波，第一爐波 :dio=封包载波(在本實施例中約245〇5驗)的帶通濾波 益（bandpaSSfUter)，將載波頻率以外範圍的信號則予以

201142338 。封包再通過低°喿比放大器320後，再經混人哭州 且it11330是賴率合成器370送細個“相差 t在貝#(real Part)會產生兩頻率相加的餘弦、、古s , ^^^Kimaglnar；partf 則濾除高頻的部分，兩頻率相減的中—頻^過3= 基頻為〇255μΓ °它包含了上述半正弦波的 351 #換為數位IJ)ATA * ΟΑΤΑ信號H立/ 360處理以去掉上述之標頭。請注意，頻率合 = 300 =為發送器與切換為接收器時，提供的頻 疋不同的，-者為245_z，另—者為2448MHz。料 取自頻率合成?產生之已校正issiv。其信號 士圖5中二4間」點1的信號第一個高至低的下緣 ^間點2的硫第-個高至低的下緣時間T1+T]>T 地至乙地信號所歷經之時間。時間點3 曱 Τ2 〇 4 為T2+TD。TD是由乙地至曱地信號所歷經之時間。令間 值+⑽兩個時間

12 201142338 拖 idd+Q+d) =2V..(4) 差如It兩個時間點的信號相比較求出相位 =(4)第一項相加再除2即可知td值。 digi^l參〇考目Γ ®π!、示一時間至數位轉換器（time t0 兩個a士η rVerter: TDC) ’本發明利用這個TDC量測1，4 差值】，，·的信號相位差值及2, 3兩個時_的信號相位 ^ 〇 ^D〇 )^DL ^ ，第-個的=1=：^器= ΪΪΪ實施例就是4:之中頻信號或2:之中頻伴'它'門合 ⑴，Β(2)·.·Βα)所延遲 匕= 發型由—參考頻率的信號控制由輪g 砌 又據本發明的實施例就是時間1 ·之p垆卩n7 I + 相位差及比較時間點2及時間點3 才Β : j k#u 輸出端Q⑴則連接至解碼器_，：讀出例5 十進位或十六進位的值以方便讀取0、1的二進位^出例如 所有緩衝器加總的時間延遲Tm相等於俨辦^ 2.5MHz，因此17^=4〇〇 ns。每個緩 j j羊就疋 (即2個反向器)約可產生㈣渐12秒ii。(二： 13 201142338 解析度將可高達20Psx3xl08m/s= 6xl〇-3m不過， 那將使的所需使_缓衝H及正反器數量非常龐大。實用 上解析度可以不用那麼尚，因此，可以降低盆數量。 ，7示，1、4兩個時間點之信號使用TD(；量測的示意 圖。在此示意圖僅有10個緩衝器。實際上，其數量將百倍 於此值。此外，在此示意圖中只在一時間點上取樣。實務上， 因1、4兩個時間點都是相同的頻率，因此，解碼哭是可以 同時讀取多個職下的她差值的，如圖8所示。&發明可 下的相位差值，再取其平均。因此，信號 炫解調％右有信號有變形Wistortion)所致的影響 將相當低。 本發明具有以下優點： P夕的定位(距離）量測是採用兩信號之相位差 护ϋ. 平1的，因此，可使信號傳遞過程中所產生之 形父（dlst0rt10^)影響降至最低。也因此準確度高。 寬的信錢包含狂弦波絲塑，可㈣免掉窄頻 所致的(ii目位量剩是在ADC之前，因此’可減少數位化時 (4)利用低中頻接收機可實現定位的目的。 今明太用—較佳實補及刊實施例以詳細 ^項關本發明之實施，並且熟習 精神"㈣瞭，適當做些微祕改仍不脫離本發明之

14 201142338 【圖式簡單說明】 圖1示習知利用信號到達時間定位的示意圖。 圖2不習知利用信號到達時間估計甲乙兩點距離的示意 圖。 圖3顯示本發明利用窄頻寬及9〇度相位角調變之收發 機的功能方塊示意圖。

圖4顯示本發明〒、乙兩地分別佈設一收發機後互傳信 號的系統架構圖。 、" 圖5顯示本發明甲、乙兩地4個時間點信號有相位差的 不意圖。 圖6顯示本發明TDC的示意圖。 圖7顯示利用TDC量取相位差的示意圖。 圖8顯示封包中的信號平均相位差的示意圖。 【主要元件符號說明】 晶體振盪器306 開關305 第二濾波器340、341 低噪比放大器320 混合 330、335 第四濾波器342、343 DAC 352 、 353 校準後之晶體振盪頻率 天線302 第一滤波器310 第三濾波器311 ADC 350 > 351 頻率合成器370 解碼器600 時間至數位轉換器TDG TDCq 15

Claims (1)

1. 201142338 七、申請專利範圍： 1 · 一種以低中頻收發機量測平均相位差以測兩 地距離之方法，至少包含以下步驟： 第一低中頻收發機由第一位置發送一第一封 包給第二位置； 第二低中頻收發機由第二位置在收到該第一 ‘送一第二封包給該第一位置； a 第一低中頻收發機將該第二封包降頻以獲得 一第二中頻信號，並在該第二中頻信號進入ADC之前與 ，一振盪頻率利用TDC電路相比較以獲得第一平均相& 差’其中該第一振盪頻率由該第一低中頻收發機之 振盈器經頻偏補償後所產生； ° ^ 第一低中頻收發機將該第一封包降頻以獲得 # f 一中頻尨號’並在該第一中頻信號進入ADC之盥 ^二振盪頻率利用TDC電路相比較以獲得第二平均相^立 Ϊ中該第二振魏率由該第二低中頻收發機之外部 振盥斋經頻偏補償後所產生；及計算該第一位置和該 立置之距離’該距離是該第—平均相位差和該第二平 均相位差之和的一半所換算的時間乘光速。 2.如申請專利範圍第1項所述之方法’其中上 一及第二低中頻收發機分別各包含-第-頻率人 is:? ’分別用以產生-載波ΐΐ頻 湯相广體振盪頻率，該些载波用高頻訊號及晶體振 你二、f疋依據所接收之封包之載波消除該第-及第二、 低中頻收發鋪波用轴峨差異及齡該些晶體^ 16 201142338 盛頻率差異，而獲得校正後晶體頻率。 3.如ΐ請專利範圍第2項所述之方法，其中上述 之平均相位比較是由四個時間至 Ϊ，;:及第二個™連接於該ί 與苐-混s ☆後的n皮n ，

   ίΐΐ今t亡後曰曰曰11振盪頻率相比較相位差，此 與第二混合器後的第二濾波器之間，二：g一中 頻信號之；LDATA及〇ΑΤΑ。 刀縦貝取弟中 4如申請專利範圍”項所述之方法 it Ifί號包含—基齡號，該基頻信號是單調^ 半正弦波慮波器形塑的。 5. 如中請專利範圍第3項所述之方法，1中 =-及第二收發機之頻率合成器在切換為發送器 用時的載波鮮高於切換為接收H使㈣的頻率。

   6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，i中上述 之低中頻收發機是一偏離型90度相位遷移型（OQp^)2； 7. 一種以低中頻收發機量測距離之裝置，勹入. 一第一及第二收發機分置兩地，各包含 匕3. 一天線； 一切換開關以切換為接收器或發送器； 一數位處理器； 一晶體振盪器； —低噪比放大器 接收器端且設有第一帶通濾波器 17 201142338 一混合器，一頻率合成器、二第二減 _ ，位轉換器，依序連接至該數位處^ -類比至 器端設有第三㈣濾波器、^率 頻率合成器、二第四瀘'波i =… 第依序連接至該數位處理器； 類

   干：战咨的一輪出久項弟—收發機之頻 第二TDC具右_认 肩 二濾波器的“φ:輸入端分別連接於該第- 幻W出端’及該筮_ 昂〜收發機之二窠 第—收發機之频率合成器的出 之低中頻妆申睛專利範圍第7項所沭夕壯 錢發機是以〇QPSK調變貝所返之裝置，其中上述

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