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CN113204016A - 基于相位的测距 - Google Patents

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CN113204016A
CN113204016A CN202110059344.XA CN202110059344A CN113204016A CN 113204016 A CN113204016 A CN 113204016A CN 202110059344 A CN202110059344 A CN 202110059344A CN 113204016 A CN113204016 A CN 113204016A
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CN
China
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transceiver
phase
local oscillator
carrier signal
continuous wave
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Application number
CN202110059344.XA
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斯特凡·泰尔蒂内克
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Original Assignee
NXP BV
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Publication date
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Abstract

本公开涉及确定第一收发器与第二收发器之间的载波相移的方法包括：第一收发器生成并发射第一连续波载波信号包；第二收发器接收第一连续波载波信号包；第二收发器基于接收到的第一连续波载波信号包与第二收发器处的本地振荡器载波信号之间的比较来计算第一相位校正；第二收发器生成并发射第二连续波载波信号包；第一收发器接收第二连续波载波信号包；第一收发器基于接收到的第二连续波载波信号包与第一收发器处的本地振荡器信号之间的比较来计算第二相位校正；第一收发器根据第一相位校正和第二相位校正的平均值来计算载波相移，第一收发器的本地振荡器在发射第一连续波载波信号包之后被去激活，并且在接收第二连续波载波信号包之前被重新激活。

Description

基于相位的测距
技术领域
本公开涉及用于使用相位变化测量来确定无线电收发器之间的距离的方法和设备。
背景技术
确定无线电收发器的位置(被称为定位)实现了使用收发器的位置来提供语境信息的服务。可以例如借助于通过GNSS使用卫星导航信号在世界范围内确定位置。然而，对于具有低功率和/或低成本要求的收发器，这可能是不可用的。这样，就需要使用其它位置感测技术。
可以通过三角测量来确定无线电发射器的位置。在二维平面中，可以通过测量发射器与平面中不同位置处的三个分开的接收器之间的距离来确定发射器的精确位置。这可以例如通过使用检测来自移动电话的无线电信号的多个基站收发器进行三角测量而用于移动电信网络中，从而能够在几千米到数百米的范围内进行位置测量。
在约100m或更小的较小范围下，装置可以配备有例如蓝牙的短程无线技术，以实现高速无线通信和控制。为了在这些范围下实现语境服务，可以使用三角测量来实现确定蓝牙装置相对于其它装置的位置的方法。为此，可以测量收发器对之间的距离以建立装置的位置。
考虑到无线电信号的强度会随距离的平方反比而变化，可以使用接收到的信号的强度来测量距离。然而，这取决于对信号的初始强度的了解，并且受到信号所穿过的介质的极大影响。因此，此类测量本质上是不可靠的。
用于确定位置的替代技术是测量信号的到达角度，所述到达角度随后可以用于三角测量。然而，这需要多个天线能够测量在不同位置处接收到的信号之间的相位差。
另一替代技术是测量信号的飞行时间。然而，对于短距离，这一技术所需的精度非常高。为了测量达到0.5m的精度，需要1.6ns的分辨率，这可能会超出小型低功率收发器的能力范围。
可以使用基于相位的测量通过估计由信号传播引起的相位旋转来测量距离。对于低功率收发器，这是更实际的选择，因为所述低功率收发器仅需要在不同频率下生成连续波(CW)信号。然而，问题在于需要产生所需的CW信号，这需要使用具有锁相回路(PLL)的本地振荡器(LO)。对于低功率装置，此类CW信号的生成可能会对消耗的功率有明显影响，且因此对电池寿命有明显影响。
发明内容
根据第一方面，提供了一种确定第一收发器与第二收发器之间的载波相移的方法，每一收发器包括用于生成载波信号的本地振荡器，所述方法包括：
所述第一收发器生成并发射第一连续波载波信号包；
所述第二收发器接收所述第一连续波载波信号包；
所述第二收发器基于接收到的第一连续波载波信号包与所述第二收发器处的本地振荡器载波信号之间的比较来计算第一相位校正；
所述第二收发器生成并发射第二连续波载波信号包；
所述第一收发器接收所述第二连续波载波信号包；
所述第一收发器基于接收到的第二连续波载波信号包与所述第一收发器处的本地振荡器信号之间的比较来计算第二相位校正；以及
所述第一收发器根据所述第一相位校正和所述第二相位校正的平均值来计算所述载波相移，
其中所述第一收发器的所述本地振荡器在发射所述第一连续波载波信号包之后被去激活，并且在接收所述第二连续波载波信号包之前被重新激活。
以上限定方法的优点在于，第一收发器通过在发送信号与接收信号之间去激活所述本地振荡器来节省功率。
所述第一收发器中的相位跟踪模块可以用于在所述本地振荡器被重新激活时维持所述本地振荡器的相位相干性。所述相位跟踪模块可以在所述本地振荡器被去激活之前跟踪所述本地振荡器的相位，在去激活时确定相位值，并且在所述本地振荡器被重新激活之后使所述本地振荡器稳定到取决于确定的相位值的相位值。
所述第一收发器可以包括时间-数字转换器，所述时间-数字转换器被配置成在重新激活之后提供参考时钟信号与所述本地振荡器信号之间的相位差的测量，所述第二相位校正包括测得的相位差。
在发射所述第一连续波载波信号包与接收所述第二连续波载波信号包之间，所述第一收发器的所述本地振荡器可以被去激活长达约190μs。
所述第一收发器和所述第二收发器可以被配置成用作在2.4GHz与2.4835GHz之间的频率范围下操作的蓝牙收发器。
根据第二方面，提供一种确定第一收发器与第二收发器之间的距离的方法，包括：
在多个不同频率下通过第一连续波载波信号和第二连续波载波信号包来执行根据第一方面的所述的方法；以及
根据在所述多个不同频率中的每一频率下确定的载波相移来计算所述第一收发器与所述第二收发器之间的所述距离。
根据第三方面，提供了一种第一收发器，包括：
发射器；
接收器；
开关，所述开关被布置成使所述收发器经由公共天线在发射信号与接收信号之间选择性地切换；
参考时钟信号发生器；
本地振荡器，所述本地振荡器被配置成根据由所述参考时钟信号发生器提供的时钟信号生成载波信号；以及
相位跟踪模块，所述相位跟踪模块被布置成在去激活之后重新激活所述本地振荡器时维持所述本地振荡器的相位相干性，
其中所述收发器被配置成通过以下顺序步骤来确定在所述第一收发器与第二收发器之间发送的信号的载波相移：
i)生成并发射第一连续波载波信号包；
ii)去激活所述本地振荡器；
iii)重新激活所述本地振荡器；
iii)接收由所述第二收发器发射的第二连续波载波信号包；
iv)基于接收到的第二连续波载波信号包与所述第一收发器处的本地振荡器信号之间的比较来计算第二相位校正；以及
v)基于所述第一连续波载波信号包与所述第二收发器处的本地振荡器载波信号之间的比较，从所述第二收发器接收第一相位校正；以及
vi)根据所述第一相位校正和所述第二相位校正的平均值来计算所述载波相移。
所述相位跟踪模块可以被配置成在所述本地振荡器被去激活之前跟踪所述本地振荡器信号的相位，在去激活时确定相位值，并且在所述本地振荡器被重新激活之后使所述本地振荡器稳定到取决于确定的相位值的相位值。
所述第一收发器可以包括时间-数字转换器，所述时间-数字转换器被配置成在所述本地振荡器被重新激活之后提供参考时钟信号与所述本地振荡器信号之间的相位差的测量，所述第二相位校正包括测得的相位差。
本发明的这些以及其它方面将通过下文所描述的实施例变得显而易见，并且将参考下文所描述的实施例阐明本发明的这些以及其它方面。
附图说明
将参考图式仅借助于例子描述实施例，在附图中：
图1是示出收发器之间基于相位的测距的原理的示意图；
图2是示出示例相位测量过程的一系列操作的示意图；
图3是示出根据本公开的相位测量过程的一系列操作的示意图；
图4是示出由启动器执行的一系列操作的流程图；并且
图5是示例收发器的示意图；并且
图6是示出在启动器与反射器之间发射和接收的信号的示意图。
应注意，图是图解说明且未按比例绘制。为在图式中清楚和方便起见，这些图的各部分的相对尺寸和比例已通过在大小上放大或缩小而示出。相同的附图标记一般用于指代修改的和不同的实施例中的相应或类似特征。
具体实施方式
蓝牙核心规范工作组的当前提案草案(高精度距离测量，
Figure BDA0002900613320000051
草案改进提案文件(DIPD)，修订版：r04，2019年7月14日修订)描述了基于相位的测距技术，其中收发器对中的本地振荡器被配置成在距离测量过程期间连续运行，所述收发器对被称为“启动器”和“反射器”。这在图1中示意性地示出，其中启动器101或第一收发器发射第一CW信号包102且反射器103或第二收发器发射第二CW信号包104。收发器101、103之间的距离d引起相移θ1W。通过基于多个不同频率重复这一过程，可以根据不同频率下的相移计算距离d。
根据上述提案，因为LO相位的任何改变将造成相位测量不确定性，所以需要启动器101和反射器103中的本地振荡器连续运行。换句话说，振荡器在整个测量过程中需要展现相位相干性。这一方法的不足之处在于，在被称为快速音调交换(QTE)的交换信号的周期期间，启动器101和反射器103中的每一个中的LO电路，具体地说锁相回路(PLL)和LO分压器和缓冲器，需要保持活动。
图2示出根据当前QTE方法使用相位来测量距离的一系列操作。接通启动器LO 205并且发射第一CW信号201。在第一飞行时间ToF之后在反射器处接收此信号201。启动器LO信号205在发射之后保持在接通状态，以维持相位相干性。反射器103将接收到的信号202与其自身的LO信号206进行比较，基于所述比较计算第一相位校正项PCTB。在从接收(RX)切换到发射(TX)之后，反射器103随后发射第二CW信号203。然后在第二ToF(当然应与第一ToF相同)之后在启动器101处接收这一信号203，并且启动器101将接收到的信号204与其LO信号205进行比较，基于所述比较计算第二相位校正项PCTA。单向载波相移θ1W可以计算为两个相位校正项的平均值，即：
Figure BDA0002900613320000061
由于启动器LO信号205至少在从发射第一CW信号201到第二接收到的CW信号204结束的至少一段时间内保持活动，因此LO相位相干性保证正确的PCTA，从而保证θ1W的正确值。然而，这是以增加功率使用为代价的。
图3示出了示出根据本公开的一系列操作的相应图式。在此情况下，在发射第一CW信号201之后，断开启动器101的LO信号205，并且在时间段301之后，重新接通所述LO信号205，所述时间段301是根据反射器103从接收切换到发射的预期时间以及两个发射的信号201、203的ToF而确定的。当重新接通启动器LO信号205以接收信号204时，LO信号205的相位将是随机的。如果确定或预先确定，则此相位变化φLO可以用于将单向载波相移θ1W校正为：
Figure BDA0002900613320000062
图4是示出涉及确定第一收发器或启动器与第二收发器或反射器之间的距离的一系列操作的流程图。在第一步骤401，第一收发器激活LO电路并发送第一CW载波信号201。在发射第一CW载波信号之后，第一收发器去激活LO电路(步骤402)并等待时间段301(步骤403)，随后重新激活LO电路(步骤404)。然后，第一收发器接收由第二收发器发射的第二CW载波信号(步骤405)，之后确定相位变化(步骤406)并计算单向相位旋转(步骤407)。
图5是被配置成用于基于相位的测距的示例收发器500的示意图。收发器500包括发射器TX 501、接收器RX 502和TX/RX开关503，所述TX/RX开关503被配置成选择性地将发射器501和接收器502连接到公共天线504，以允许收发器500经由天线504在发射信号与接收信号之间切换。参考时钟信号发生器505向发射器501提供时钟信号REF，使用本地振荡器506从所述发射器501中生成本地振荡器信号LO。在此例子中，本地振荡器506包括分数N锁相回路(PLL)507和分频器508。将本地振荡器信号LO提供到功率放大器PA 509以用于经由TX/RX开关503发射到天线504，并且提供到接收器502以用于经由开关503从天线504接收信号。
当PLL 507去激活或断电且随后重新激活或再次通电时，LO信号的输出相位将是任意的。换句话说，LO信号的相位将随功率再循环而变为不相干的。通过使用相位跟踪模块510来解决这一问题。当PLL 507断电时，相位跟踪模块510以数字方式跟踪LO信号的相位，且使PLL 507在再次通电时稳定到其在不断电的情况下的相同相位值。由此，相位跟踪模块510在功率再循环期间维持LO信号的相位相干性。
可以通过使用多级三角积分调制器来实施相位跟踪模块510，所述多级三角积分调制器的第一蓄电池在LO信号被去激活时保持运行。需要额外的整数计数器来跟踪LO相位。在US 9,584,139中公开了用于锁相回路的相位跟踪器的例子。基于分压器的PLL通常使用3阶多级三角积分调制器(MASH)，这意味着三个级串联连接，每一级为第一阶MASH(＝蓄电池)。在MASH中实施额外的错误消除网络(error cancellation network)。第一MASH级(即，第一蓄电池)确定PLL的分数相位。因此，如果此第一级保持运行，而LO的所有其它块被去激活，则在重新激活LO时，LO相位将稳定到其在不断电情况下的相同值。
虽然PLL 507的输出相位(即，在分压器508之前)保持相干，但LO相位仍可能是不确定的，因为在通电时，分压器508的输出可以为0°或180°。可以通过使用时间-数字转换器(TDC)511来解决这一问题，所述时间-数字转换器511从时钟信号发生器505和本地振荡器信号LO接收时钟信号REF以提供LO相位的测量。TDC 511量化LO边缘与参考时钟信号边缘之间的时间差以确定LO信号的相位。通过比较在不同时间，即在去激活本地振荡器506的时间段301之前和之后获得的两个测得相位φ1、φ2，可以检测到相位变化，即断电和通电期间LO信号的180°变换。示例TDC 511可以包括延迟线，所述延迟线包括串联连接的多个延迟元件，每一延迟元件处有触发器，例如Staszewski等人在“用于90nm的CMOS中的频率合成的1.3V 20ps时间-数字转换器(1.3V 20ps Time-to-Digital Converter for FrequencySynthesis in 90-nm CMOS)”，《IEEE电路和系统交易II：快报》，第53卷，第3期，2006年3月，第220-224页中所公开。在WO 2019/066835 A1中公开了检测LO信号的相位变化的替代方式。
为了计算单向载波相移θ1W，相移计算模块512从TDC 511、相位跟踪模块510和接收器502接收输出。可以通过应用LO相位变化φLO来对测得的相位校正PCTB进行校正，可以通过比较由TDC 511测得的φ1-φ2的相位差和来自相位跟踪模块510的期望数字相位差p1-p2(模2π)来得到所述LO相位变化φLO。对于被配置成除以2的分频器508，LO相位变化φLO为0°或180°。一般来说，对于被配置成除以N的分频器，LO相位变化将采用由n*360°/N确定的多个值，其中n＝0、1、2、…、N-1。实际上，N的常用值可以是2、4或8。
图6中示出在启动器和反射器收发器处的一系列操作的详细信令图，示出了在启动器LO和天线处的信号601、602以及在反射器LO和天线处的信号603、604。当去激活启动器LO时(时间605)，由相位跟踪模块510进行的相位跟踪开始，此时确定数字相位p1并测量LO相位φ1。在反射器接收第一CW信号606之后，通过将LO信号603与接收到的第一CW信号606进行比较而在反射器处测量第一相位校正PCTB。在用于在接收(RX)模式与发射(TX)模式之间切换的周期之后，反射器发射第二CW信号607，所述第二CW信号607随后在启动器处被接收。在接收第二CW信号607时或之前，重新激活初始LO(时间608)，此时恢复PLL相位p2并测量LO相位φ2。然后，根据接收到的第二CW信号609与启动器处的恢复的LO信号610之间的比较来测量第二相位校正PCTA，所述第二CW信号609以还包含第一相位校正PCTB的包的形式由启动器接收。如上文所描述，根据测得的LO相位和PLL跟踪相位来确定LO相位变化φLO，所述LO相位变化φLO用于提供对第二相位校正PCTA的校正。然后，根据第一相位校正和第二相位校正的平均值来确定单向载波相移。
所述载波相移可以用于确定启动器与反射器之间的距离。在单一频率下，相移可以仅依据波长的分数来确定距离，但如果在多个频率下进行测量，则可以得出实际距离的明确测量，如上文所提及的蓝牙DIPD中所描述的例子。
上文所描述的方法的优点在于，可以在QTE期间将功率保存在启动器装置中。例如，低能量蓝牙收发器的典型PLL LO电路可能需要约10mA的电流。假设QTE在整个蓝牙频带(约2.4GHz)中通常使用频率80，每一音调为约200μs，则可能需要约16ms的总体时间段才能断开启动器的LO，在此期间可以节省10mA的电流。LO去激活的时间段可能会略短于每一音调的时间，所述每一音调例如为约190μs。因此，在一般方面，在发射第一连续波载波信号包与接收第二连续波载波信号包之间，第一收发器或启动器的本地振荡器可以被去激活长达约190μs。
通过阅读本公开，技术人员将明白其它变化和修改。此类变化和修改可以涉及无线电收发器领域中已知且可以代替本文中描述的特征使用或除了本文中描述的特征外还使用的等效和其它特征。
尽管所附权利要求书是针对特定特征组合的，但是应理解，本发明的公开内容的范围还包括本文中明确地或隐含地公开的任何新颖特征或任何新颖特征组合或所述新颖特征的任何概括，而不管所述新颖特征是否涉及与当前在任何权利要求中要求保护的本发明相同的发明或所述新颖特征是否缓和与本发明所缓和的技术问题相同的任一或全部技术问题。
在单独的实施例的上下文中描述的特征也可以在单个实施例中以组合形式提供。相反，为了简洁起见，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合形式提供。申请人特此提醒，在审查本申请或由此衍生的任何另外的申请期间，可以针对此类特征和/或此类特征的组合而制定新的权利要求。
为了完整性起见，还规定术语“包括”不排除其它元件或步骤，术语“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其它单元可以满足权利要求书中叙述的若干构件的功能，并且权利要求书中的附图标记不应被解释为限制权利要求书的范围。

Claims (10)

1.一种确定第一收发器(101)与第二收发器(103)之间的载波相移的方法，每一收发器包括用于生成载波信号的本地振荡器，其特征在于，所述方法包括：
所述第一收发器(101)生成并发射第一连续波载波信号包(201)；
所述第二收发器(103)接收所述第一连续波载波信号包(201)；
所述第二收发器(103)基于接收到的第一连续波载波信号包(201)与所述第二收发器(103)处的本地振荡器载波信号之间的比较来计算第一相位校正(PCTB)；
所述第二收发器(103)生成并发射第二连续波载波信号包(203)；
所述第一收发器(101)接收所述第二连续波载波信号包(203)；
所述第一收发器(101)基于接收到的第二连续波载波信号包(203)与所述第一收发器(101)处的本地振荡器信号之间的比较来计算第二相位校正(PCTA)；以及
所述第一收发器(101)根据所述第一相位校正(PCTB)和所述第二相位校正(PCTA)的平均值来计算所述载波相移(θ1W)，
其中所述第一收发器(101)的所述本地振荡器在发射所述第一连续波载波信号包(201)之后被去激活，并且在接收所述第二连续波载波信号包(203)之前被重新激活。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一收发器(101)中的相位跟踪模块(509)在所述本地振荡器被重新激活时维持所述本地振荡器的相位相干性。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述相位跟踪模块(509)在所述本地振荡器被去激活之前跟踪所述本地振荡器的相位，在去激活时确定相位值，并且在所述本地振荡器被重新激活之后使所述本地振荡器稳定到取决于确定的相位值的相位值。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一收发器(101)包括时间-数字转换器，所述时间-数字转换器被配置成在重新激活之后提供参考时钟信号与所述本地振荡器信号之间的相位差的测量，所述第二相位校正(PCTA)包括测得的相位差。
5.根据在前的任一项权利要求所述的方法，其特征在于，在发射所述第一连续波载波信号包与接收所述第二连续波载波信号包之间，所述第一收发器的所述本地振荡器被去激活长达约190μs。
6.根据在前的任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述第一收发器和所述第二收发器被配置成用作在2.4GHz与2.4835GHz之间的频率范围下操作的蓝牙收发器。
7.一种确定第一收发器(101)与第二收发器(103)之间的距离的方法，其特征在于，包括：
在多个不同频率下通过第一连续波载波信号包(201)和第二连续波载波信号包(203)来执行根据在前的任一项权利要求所述的方法；以及
根据在所述多个不同频率中的每一频率下确定的载波相移来计算所述第一收发器(101)与所述第二收发器(103)之间的所述距离。
8.一种第一收发器(500)，其特征在于，包括：
发射器(501)；
接收器(502)；
开关(503)，所述开关(503)被布置成使所述收发器经由公共天线在发射信号与接收信号之间选择性地切换；
参考时钟信号发生器(505)；
本地振荡器(506)，所述本地振荡器(506)被配置成根据由所述参考时钟信号发生器(505)提供的时钟信号生成载波信号(LO)；以及
相位跟踪模块(510)，所述相位跟踪模块(510)被布置成在去激活之后重新激活所述本地振荡器(506)时维持所述本地振荡器(506)的相位相干性，
其中所述第一收发器被配置成通过以下顺序步骤来确定在所述第一收发器(500)与第二收发器之间发送的信号的载波相移：
i)生成并发射第一连续波载波信号包(201)；
ii)去激活所述本地振荡器(506)；
iii)重新激活所述本地振荡器(506)；
iii)接收由所述第二收发器发射的第二连续波载波信号包(203)；
iv)基于接收到的第二连续波载波信号包(203)与所述第一收发器(500)处的本地振荡器信号之间的比较来计算第二相位校正(PCTA)；以及
v)基于所述第一连续波载波信号包(201)与所述第二收发器处的本地振荡器载波信号之间的比较，从所述第二收发器接收第一相位校正(PCTB)；以及
vi)根据所述第一相位校正(PCTB)和所述第二相位校正(PCTA)的平均值来计算所述载波相移(θ1W)。
9.根据权利要求8所述的第一收发器(500)，其特征在于，所述相位跟踪模块(510)被配置成在所述本地振荡器(506)被去激活之前跟踪所述本地振荡器信号(LO)的相位，在去激活时确定相位值，并且在所述本地振荡器(506)被重新激活之后使所述本地振荡器稳定到取决于确定的相位值的相位值。
10.根据权利要求8或权利要求9所述的第一收发器(500)，其特征在于，所述第一收发器(500)包括时间-数字转换器(511)，所述时间-数字转换器(511)被配置成在所述本地振荡器(506)被重新激活之后提供参考时钟信号(REF)与所述本地振荡器信号(LO)之间的相位差的测量，所述第二相位校正(PCTA)包括测得的相位差。
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