UWB定位算法和对RF Transceiver的要求-icspec

UWB定位算法和对RF Transceiver的要求

来源:模拟射频IC学习和设计发布时间:2023-05-24

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最近读论文ISSCC2022 24.3 -A 6.5-to-10GHz IEEE 802.15.4/4z-Compliant 1T3R UWB Transceiver, 具体挺有意思，不过很有意思的是设计的Transceiver是1T3R的规格，不细看文章的话还比较懵逼，为啥设计成1T3R的规格，这当然和实际UWB的应用有关，之前也写过相关笔记《UWB超宽带发展现状(点击跳转)》《UWB超宽带协议(点击跳转)》，不过为了探讨设计1T3R规格原因，这篇笔记的重点是探讨UWB定位算法，对于做IC的人来说，往往会忽略芯片的应用场景，对芯片具体应用场景有所了解的话，才能有更深入的理解芯片设计，这是非常重要和必要的。好了，下面就重点介绍UWB的三种定位/测距算法，最后探讨下这些算法对Transceiver的要求。文章的图片部分来源于ISSCC2022 24.3报告的PPT中。

UWB的测距/定位方法总结下来有三种：TOA,TDOA和PDOA, 下面分别做介绍：

TOA(Time of arrival 到达时间)

这种方法通过测基站到标签的传播时间，和电磁波速度相乘得到距离，这种方法需要发送端和接收端严格的时钟同步，否则会出现时间偏差，带来测距偏差。

基于TOA原理的TW-TOF方法更常用，TW-TOF即 two way time of flight, 双向飞行时间法，原理如下图所示，A发B收，再B发A收，A发收的时间差为ta，B收发的时间差为tb，ta和tb的时间差为电磁波在A B来回一次的时间，便可以计算出A B之间间距，这种方法不需要A和B时钟同步，但为了计算时间绝对值的准确性，需要时钟精度高，否则会带来偏差。为了减小时钟偏差带来的测距误差，可以采用正反二个方向测量，下图所示称为正向测量，再反向测量，即B发A接收，A响应后发B接收，通过多次的正反方向测量，并求平均，可以减小时钟偏差的影响，提高测距的精确度。

TDOA (Time Difference of Arrival, 到达时间差)

TDOA通过测量二个基站和标签在空气中传播的时间差，来得到二个基站和标签的距离差。

对于一维空间，如下图，如果已知基站A和基站B的坐标，便可以通过距离差d1-d2来计算出标签T的坐标。TDOA相对TOA方法，用时间差而非绝对时间，不用加入专门的时间戳，定位精度有所提高，并且通信次数减少，定位速度更快。

对于二维空间，TDOA算法就需要三个基站定位标签，三个基站产生二个时间差数据，可解二维空间坐标，如下图示意，二个双曲线的交点就是标签B所在的位置，但图中也可以看出，有二组蓝线和粉红线，产生二个交点，想知道B位于哪个交点，需要判断A1, A2和A3收到B发送的数据的先后顺序，得到d1, d2和d3的相对大小，这样便确定是哪组蓝粉红线产生的交点。

对于三维的空间，用TDOA的方法，就需要四个基站合理的布置，得到三个距离差，通过计算可得到标签所在的三维空间坐标。

PDOA (Phase Difference of Arrival, 到达相位差)

PDOA是通过相位差来定位的算法，二维空间中，如下图所示，B有二个天线接收端，二个天线间距d已知，通过测量二个天线接受信号的相位差求接收信号的时间差，可计算角度，最终可求解距离。

如果是三维空间，则需要有三个天线接收端，间隔一定距离排布这些天线。

对UWBTransceiver的要求

从上面三种测距/定位的算法TOA TDOA和PDOA的原理出发，对UWB Transceiver芯片的系统提出一定的要求，目前市面上最常用，貌似也是第一颗基于IEEE 802.15.4a的芯片DW1000，其架构是1T1R，即一发一收。TOA和TDOA算法需要基站和标签上Transceiver，1T1R就可以了，其中TDOA需要多个基站才能实现标签的准确定位（前面提到三维空间需要4个基站）。

重点来看下PDOA，只需要一个基站就可以实现定位了，但PDOA需要多个天线才能实现，有三种方法实现，下面做探讨。

方法一，用3颗1T1R的UWB芯片，这种方法思路很简单，代价就是耗费的成本高，需要多颗芯片。

方法二，1T1R芯片在片外加开关，这种方法相对第一种来说，只用到1颗UWB芯片，成本降低，但是缺点很明显，首先额外的开关也需要一定的成本，另外，这些开关引入的插损影响UWB transceiver的性能，TX的功率和RX的Noise finger直接受到插损的影响，其次开关引起的时间延迟对定位精度产生严重的影响，最后让其定位算法变得复杂。

方法三：设计1T3R的Transceiver的结构，第三种是结合上面二种方法的优点，这也是ISSCC2022 24.3 - A 6.5-to-10GHz IEEE 802.15.4/4z-Compliant 1T3R UWB Transceiver文章中提出的方法，这种方法即做到低成本，同时避免了第二种方法带来缺点。