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UWB定位原理图文解释,告诉你UWB超宽带是如何做到室内定位 [复制链接]

先解释下UWB是Ultra Wide Band的简写,是一种无载波通信技术,UWB不使用载波,而是使用短的能量脉冲序列,并通过正交频分调制或直接排序将脉冲扩展到一个频率范围内。美国联邦通信委员会(FCC)规定,UWB信号的相对带宽( 即信号带宽与中心频率之比)不小于0.2 或者绝对带宽不小于500 MHz, 并且适用指定的 3.1~10.6 GHz频段的信号。

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传统通信方式使用的是连续波信号,即本地振荡器产生连续的高频载波,需要传送信息通过例如调幅,调频等方式加载于载波之上,通过天线进行发送。现在的无线广播,4G通信,WIFI等都是采用该方式进行无线通信。

下图是一个使用调幅方式传递语音信号的的连续波信号产生示意图

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而IR-UWB信号,不需要产生连续的高频载波,仅仅需要产生一个时间短至nS级以下的脉冲,便可通过天线进行发送。需要传送信息可以通过改变脉冲的幅度,时间,相位进行加载,进而实现信息传输。

下图是使用相位调制方式传输二进制归零码的IR-UWB信号产生示意图

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UWB的定位算法分为TOF(Time of Flight),TOA(Time of Arrival)以及TDOA(Time difference of Arrival),对于UWB定位,TOF和TDOA是最常用的定位算法。

TOF(Time Of Flight)飞行时间算法主要利用信号在两个UWB信号异步收发机(Transceiver)之间飞行时间来测量节点间的距离。在UWB信号发射端发射出UWB信号时带有独立的时间戳标记,在UWB接收端接收到UWB信号并处理后再次发出时加上接收到发射端发出的时间戳以及处理的时间间隔Tr。UWB信号发射端再次接收时通过解析出第一次发射时的时间戳即可求出信号一来一回耗时Tt。这样信号单向飞行时间可计算出为Tf = (Tt-Tr)/2,由于电磁波的传播速度为光速C,即可计算出两点之间的距离d = Tf * C。

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ToF飞行时间算法

飞行时间算法(ToF)在UWB定位中用于测距。也应用在狭长的走廊和隧道环境中,用于计算出定位标签离两个基站之间的距离,进而计算出定位标签所在一维坐标。

在ToF测距算法基础上,精准计算出定位标签在室内的位置就有了可能,这就是TDOA算法的由来,TDOA(Time difference of Arriaval)到达时间差算法,是在ToF算法基础上利用多个基站计算出定位标签所有的距离,定位精度最高可达30cm。

UWB定位基站三个一组,一个主基站挂载两个分基站,分基站向主基站同步时间,这样可做到三个基站的时钟同步,在房间内,三个主基站的坐标分别是bs1(x1,y1), bs2(x2,y2)和bs3(x3,y3),示例图如下:

通过TOF算法,可轻松计算出E点离每个基站的距离R1,R2和R3

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定位标签(x0,y0)与三个基站之间的关系,满足以下公式:

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TDOA算法计算距离公式

把基站的坐标代入公式即可计算出定位标签(x0,y0)所在的位置。TDOA算法精准度较高,最高可达到30cm的定位精度。当然在真实的环境中,由于金属、玻璃的干扰对超宽带信号同样有影响,在通过TDOA算法得出真实的距离后还需要利用滤波信号过滤信号杂音,以确保定位点的稳定。

以上就是UWB室内定位技术的原理解释了。

此帖出自RF/无线论坛

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