用于高精度距离测量的相位测量制造技术

在至少一个实施例中，一种用于测量包括第一本地振荡器的第一通信设备和包括第二本地振荡器的第二通信设备之间的距离的方法，包括解卷绕N个相位值以产生N个解卷绕相位值。N为大于1的整数。N个相位值中的每一个指示所接收信号的瞬时相位。该方法包括对N个解卷绕相位值进行平均以产生平均相位值。该方法包括卷绕平均相位值以产生第一本地振荡器相对于第二本地振荡器的最终相位测量。本地振荡器的最终相位测量。本地振荡器的最终相位测量。

【技术实现步骤摘要】
用于高精度距离测量的相位测量


[0001]本公开总体上涉及通信系统，并且更具体地涉及用于使用相位测量来测量距离的射频(RF)通信系统和相关的方法。

技术介绍

[0002]通常，可以使用三角测量(例如，使用两个角度测量)、三边测量(例如，使用三个距离测量)或其组合来确定无线设备在平面(即，二维)中的位置。测距技术包括基于接收信号强度指示器(RSSI)、基于时间和基于相位的距离测量。由于在室内应用中基于RSSI的测量容易受到多径衰落和复杂噪声干扰的影响，因此基于时间或基于相位的距离测量优选地用于短距离射频通信系统(例如，符合蓝牙
TM
、蓝牙
TM
低功耗(BLE)、Zigbee
TM
或其他局域网协议标准的系统)。
[0003]蓝牙低功耗是为低功耗和低延迟应用设计的示例性通信协议。BLE设备(即，符合BLE标准化通信协议的设备)基本上比传统蓝牙(即，经典蓝牙)设备(即，符合蓝牙标准化通信协议的设备)消耗的功率要低。示例性BLE设备可以比传统蓝牙设备更快地开始数据传输。因此，BLE设备可以持续打开或频繁地打开和关闭，以便它们可以间歇性地与其他设备通信。BLE通信设备实现基于相位的距离测量。基于相位的距离测量依赖于由纯视线无线电信道对无线电信号引入的相移φ，该相移φ是频率f和距离R的线性函数，即，
[0004][0005]其中，c是真空中的光速。因此，BLE设备通过测量作为频率函数的相位斜率来确定其自身与另一个BLE设备之间的距离。
[0006]启动测距技术的BLE设备被称为发起方。响应于发起方的另一个BLE设备被称为反应方。在频率校准阶段之后，发起方使用第一个信道将本地振荡器信号(即，具有频率f
k
的连续波音)发送到反应方。反应方测量所接收载波的相位φ
R
以确定在反应方处看到的发起方本地振荡器的相位：
[0007][0008]其中，Δ
t
是发起方和反应方之间的时间偏移(即，传播时间)，而θ是发起方的本地振荡器信号和反应方的本地振荡器信号之间的相位差。相位φ
R
取决于发起方的本地振荡器、反应方的本地振荡器和它们之间的距离。然而，在BLE通信系统的一些实施例中，频率(2.4GHz的频率)对应于引起相位卷绕的波长(例如，约12cm的波长)，导致距离测量中的模糊。通过使用两个(或更多个)不同音调(例如，具有1MHz不同的音调)测量相移，可以解决这种模糊：
[0009][0010]相位仍然卷绕，但相对于与f1‑
f2相对应的频率(例如，1MHz)发生。类似地，反应方通过同一信道向发起方发送连续波音，以便发起方可以测量相位φ
I
以确定在发起方处看
到的反应方本地振荡器的相位：
[0011][0012][0013]通信设备可以对频带中的至少一个附加信道重复这个过程，以减少多径衰落对距离测量的影响和其他损害。
[0014]反应方向发起方发送相位测量。发起方通过将两个相位测量相加来计算往返相位φ
RT
：
[0015][0016]发起方计算往返距离R：
[0017][0018]其中φ
RT1
＝φ
I1
+φ
R1
并且φ
RT2
＝φ
I2
+φ
R2
。注意，当使用两个频率测量范围R时，反应方的发送器和接收器本地振荡器之间的恒定相位偏移θ会抵消。
[0019]在至少一个实施例中，对于约50m的目标最大距离测量和5km/h的发起方相对于反应方的最大速度，如果距离大于5m时距离计算在
±
10％以内，则距离计算符合高精度操作模式下的BLE标准化通信协议规范，如果距离＜5m时，则为＜
±
0.50m。每个设备处的相位测量性能对于往返距离计算至关重要。噪声或发起方的本地振荡器与目标频率之间以及反应方的本地振荡器与目标频率之间的任何频率偏移或频率漂移都会将误差引入距离测量中。因此，期望减少或消除噪声或频率偏移或频率漂移对相位测量的影响的技术。

技术实现思路

[0020]在至少一个实施例中，一种用于测量包括第一本地振荡器的第一通信设备和包括第二本地振荡器的第二通信设备之间的距离的方法，包括解卷绕N个相位值以产生N个解卷绕相位值。N是大于1的整数。N个相位值中的每一个指示所接收信号的瞬时相位测量。该方法包括对N个解卷绕相位值进行平均以产生平均相位值。该方法包括卷绕平均相位值以产生第一本地振荡器相对于第二本地振荡器的最终相位测量。
[0021]在至少一个实施例中，一种通信系统包括被配置为使用本地振荡器接收信号的第一通信设备。第一通信设备包括被配置为基于所接收信号的N个相应样本产生N个相位值的相位值产生器。第一通信设备包括被配置为解卷绕N个相位值以产生N个解卷绕相位值的相位解卷绕电路。N是大于1的整数。N个相位值中的每一个指示所接收信号的瞬时相位测量。第一通信设备包括被配置为对N个解卷绕相位值进行平均以产生平均相位值的平均电路。第一通信设备包括相位卷绕电路，该相位卷绕电路被配置为卷绕平均相位值以产生第一本地振荡器相对于第二本地振荡器的最终相位测量。
[0022]在至少一个实施例中，一种用于测量包括第一本地振荡器的第一通信设备和包括第二本地振荡器的第二通信设备之间的距离的方法，包括对所接收信号的N个样本的N个同相分量进行平均以产生平均同相分量。N是大于1的整数。该方法包括对N个样本的N个正交分量进行平均以产生平均正交分量。该方法包括产生指示N个样本的相位的单位圆的转数
的卷绕计数。该方法包括基于平均同相分量、平均正交分量和卷绕计数，产生第一本地振荡器相对于第二本地振荡器的相位测量。卷绕计数基于所接收信号的符号周期的子间隔。
附图说明
[0023]通过参考附图可以更好地理解本专利技术，并且其众多目的、特征和优点对于本领域技术人员来说是显而易见的。
[0024]图1示出了示例性无线通信系统的功能框图。
[0025]图2示出了示例性无线通信设备的接收器的功能框图。
[0026]图3示出了示例性角度测量技术的功能框图，该角度测量技术包括在角度计算之前对样本进行积分，以用于无线通信设备的距离测量。
[0027]图4示出了示例性角度测量技术的功能框图，该角度测量技术包括对已计算的角度进行平均，以用于根据本专利技术的至少一个实施例的无线通信设备的距离测量。
[0028]图5示出了示例性角度测量技术的功能框图，该角度测量技术包括在角度计算之前对样本进行积分并且跟踪相位卷绕，以用于根据本专利技术的至少一个实施例的通信设备的距离测量。
[0029]图6示出了示例性角度测量技术的功能框图，该角度测量技术在避免相位卷绕的间隔上对样本进行积分并且对已计算的角度进行平均，以用于根据本专利技术的至少一个实施例的无线通信设备的距离测量。
[0030]图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于测量包括第一本地振荡器的第一通信设备和包括第二本地振荡器的第二通信设备之间的距离的方法，所述方法包括：解卷绕N个相位值以产生N个解卷绕相位值，其中N为大于1的整数，所述N个相位值中的每一个指示所接收信号的瞬时相位测量；对所述N个解卷绕相位值进行平均以产生平均相位值；以及卷绕所述平均相位值以产生所述第一本地振荡器相对于所述第二本地振荡器的最终相位测量。2.根据权利要求1所述的方法，还包括：基于零中频ZIF信号的同相分量和所述ZIF信号的正交分量产生所述N个相位值。3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述产生包括计算将所述ZIF信号的正交分量除以所述ZIF信号的同相分量得到的反正切。4.根据权利要求1所述的方法，其中，解卷绕包括将
±
M
i
×2×
π与所述N个相位值中的每个相位值相加，其中M
i
是与所述N个相位值中的相位值i相对应的计数值，其中i是另一个整数，1≤i≤N。5.根据权利要求4所述的方法，还包括：确定与所述N个相位值中的每个相位值i相对应的M
i
。6.根据权利要求1所述的方法，其中，卷绕包括从所述平均相位值减去
±
M
×2×
π以将所述平均相位值限制在
±
π之间，其中M为对应于所述平均相位值的计数值。7.根据权利要求1所述的方法，还包括：将零中频ZIF信号的P个同相分量在避免卷绕的间隔内进行积分以产生平均同相分量，其中P是大于1的另一个整数；将所述ZIF信号的P个正交分量在避免卷绕的所述间隔内进行积分以产生平均正交分量；以及基于所述ZIF信号的N个平均同相分量和所述ZIF信号的N个平均正交分量，产生所述N个相位值，其中，所述N个相位值中的每个相位值通过计算将所述ZIF信号的平均正交分量除以所述ZIF信号的平均同相分量得到的反正切来产生。8.根据权利要求1所述的方法，还包括：由所述第一通信设备使用所述第一本地振荡器发送未调制的载波。9.根据权利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述的方法，还包括：基于所述最终相位测量和由所述第一通信设备产生的所述第二本地振荡器的另一相位测量，产生所述第一通信设备和所述第二通信设备之间的距离的测量。10.一种通信系统，包括：第一通信设备，被配置为使用本地振荡器接收信号，所述信号使用第二本地振荡器来产生，所述第一通信设备包括：相位值产生器，被配置为基于所接收信号的N个相应样本产生N个相位值；相位解卷绕电路，被配置为解卷绕N个相位值以产生N个解卷绕相位值，其中N为大于1的整数，所述N个相位值中的每一个指示所接收信号的瞬时相位测量；平均电路，被配置为对所述N个解卷绕相位值进行平均以产生平均相位值；以及
相位卷绕电路，被配置为...

【专利技术属性】
技术研发人员：约翰，
申请(专利权)人：硅谷实验室公司，
类型：发明
国别省市：