UWB定位系统FPGA基带处理设计

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1、无线定位系统从信号测量技术上分为2大类：信号强度测量和到达时间测量。RFID各种技术（WiFi、ZigBee、Bluetooth）均采用测量射频信号强度的方法，而无线信号强度容易受到障碍物等因素的严重影响，因此RFID定位精度较低。而UWB采用测量窄脉冲（1ns）到达时间的方法，定位精度提高了一个数量级。目前UWB定位技术主要有：信号到达角度测量（AOA）技术、到达时间定位（TOA）和到达时间差定位（TDOA）等。其中，TDOA技术是目前最为流行的一种方案，它不需要标签（待定位）与传感器（基站）的时钟同步。　本文介绍利用FPGA捕捉

2、IR-UWB脉冲的方法，测出标签发送的脉冲到达传感器的时刻，得到标签发送的脉冲到达各个传感器的时间差，从而进行定位。1UWB定位原理验证系统设计1.1定位原理系统方案设计　本系统包含IR-UWB脉冲定位和2.4GHzRF通信两部分。采用2.4GHzRF实现传感器与标签的握手通信，标签发送1nsIR-UWB（4GHz调制）窄脉冲到各传感器实现定位功能。　定位系统主要由4个（或以上）传感器、待定位标签以及进行定位信息计算显示的主机组成，如图1所示。主机与传感器之间用网线连接进行传输数据，传感器之间用时钟同步线（超5类屏蔽线）相连，主机中

3、采用时钟延迟标定技术进行各个传感器的精确同步计算。定位系统算法采用到达时间差（TDOA）算法。TDOA算法平面定位的原理是：标签（TAG）到两个传感器（Sensor）距离之差（即c×?驻t）确定一条双曲线，3个传感器可得到两条双曲线，其交点即为标签位置[1]。1.2定位系统简单流程　定位系统算法采用TDOA双曲线模型。传感器位置固定且已知，标签位置为待测。系统工作流程如下：　（1）主机选择主传感器并给传感器发待测标签ID。主传感器广播待测标签ID，与符合ID号的标签完成握手通信。　（2）待测标签给各传感器发送IR-UWB定位脉冲。　

4、（3）各传感器测出相对于同步时钟IR-UWB脉冲到达的时刻，并将时间信息送给主机。　（4）主机计算脉冲到达各传感器的时间差，用TDOA算法计算待测标签位置并显示。传感器与标签的握手采用2.4GHzRF通信，使用TI的CC2510通信芯片。采用2FSK方式，通信速率为2.4Kb/s。　标签发送的IR-UWB脉冲为1ns左右窄脉冲，中心频率为4GHz，脉冲周期为2μs[2]。传感器锁定IR-UWB脉冲，采用30MHz的同步时钟在FPGA内部DCM产生的32相延迟锁相环DLL来锁定。采样分辨率相当于960MHz的时钟。传感器接收到IR-U

5、WB脉冲后先进行射频检波处理，送给FPGA进行脉冲展宽再进行DLL锁定。2FPGA锁定IR-UWB脉冲方法　传感器的射频部分接收到IR-UWB定位窄脉冲，检波后得到Pulse_TTL（1ns高电平）送给基带FPGA处理。FPGA首先对Pulse_TTL进行展宽（6ns），同步时钟Syn_CLK利用FPGA中数字时钟管理单元（DCM）产生的32相均匀延迟的时钟构成延迟锁相环DLL，DLL对已展宽的Pulse_TTL锁定，对锁相环锁定Pulse_TTL的结果进行优先级编码，即最先锁到脉冲的那一相时钟代表了脉冲到达传感器的时刻，把该时刻信

6、息通过网络芯片组帧发送给主机处理。基带部分的结构图如图3所示。　DCM的主要功能包括：消除时钟偏移和时钟分配的延时；时钟相移、分频、倍频；时钟调整，确保50％占空比的时钟输出等。　DCM与全局时钟有着密不可分的联系，为了达到最小的延迟和抖动，几乎所有的DCM应用都要使用全局缓冲资源。图5所示IBUFG+DCM+BUFG是DCM与全局时钟buffer连接的最常用方法。系统主要利用数字时钟管理器DCM的相移器（PS）功能模块。DCM模块利用COREGenerator&ArchitectureWizard工具直接产生IP核并通过例化进行使

7、用。PS调相类型分为动态调相和固定调相，Type设置为Valuable即为动态调相，设置为FIXED即为固定调相。在固定调相模式时，DCM的输出时钟与输入时钟的相位移动值是通过设置Value确定的，Value的取值范围是[-255，255]，则相位移动范围是输入时钟CLKIN周期的-255/256~+255／256。相移器对DCM的所有9个输出时钟都进行相位的偏移。DCM的生成及设置如图6所示。验证系统定位精度要求优于40cm，即时间分辨率1.3ns，需要750MHz的等效时钟。系统采用30MHz（最大10m室内定位范围）的时钟作为

8、同步时钟，由于FPGA的DCM资源限制（一块FPGA8个DCM），验证系统采用2块FPGA（16个DCM）构成32相DLL，等效采样时钟为960MHz。3系统测试结果和分析　系统选用Xilinx公司的Spartan3E系列XC3S12