测距和定位系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明在实施例中涉及在无线电信道上传输信息的方法，并且特别地涉及基于啁 嗽（chirp )扩频能够以低功率消耗跨越长距离的无线传输方案。本发明的实施例同样涉及 根据发明的传输方案适合于无线传输的低复杂度的发射和接收设备。
【背景技术】
[0002] 数字无线数据传输被用于在数据速率、传输距离和功率消耗中都呈现巨大可变性 的各种系统。然而存在对结合长传输距离与低功率消耗并且能够以简单接收器和发射器来 实现的数字传输方案的需要。
[0003] 已知提供无线通信链路的端点之间的距离上的信息的许多系统。可以引用例如 GPS系统和基于发出直接调制扩频信号的卫星的所有类似定位系统。此类系统已经示出长 距离上的极好的测距精度，但是通常是非对称的并且是计算密集的。然而，这些技术的限制 是相当高的接收器复杂度、对于弱信号可能是非常长的获取时间、其功率消耗和在室内环 境中的操作困难。
[0004] 已知可能能够提供高精度测距测量并且传输数据的UWB测距系统，但是只在受限 的距离上。
[0005] 已知在WiFi系统中提取位置信息。然而，WiFi测距不能提供准确的位置信息。 WiFi定位依靠监听接入点信标（beacon)并且使用接入点图/数据库。附加地可以使用 RSSI，但是飞行时间不是可用的。同样，与GPS同样地，接收器得到定位信息，而不是网络。
[0006] US6940893描述基于在发出无线电啁嗽的主站（master)和从站（slave)之间的双 交换的测距系统。该技术使用类似于UWB系统的快速脉冲啁嗽，并且由于非常大的带宽而 难以扩展到长距离。距离计算基于测距信息的双交换，用以补偿在主站和从站中的时间参 考不精确同步的事实。这需要收发器中相当大的复杂度。同样，因为距离估计显式地在空 中传输，该技术本质上不安全。
[0007] 欧洲专利申请EP2449690描述使用数字合成啁嗽符号作为调制的通信系统以及 合适的基于FFT的接收器。
[0008] 本发明的目的是提出一种能够以比本领域中已知系统更简单和更少能量密集的 方式而估计更长距离上的无线链路的端点之间距离的系统。
【发明内容】
[0009] 根据本发明，通过所附权利要求的对象来实现这些目的。
【附图说明】
[0010] 借助于通过示例所给出并且由附图所图示的实施例描述，本发明将被更好地理 解，其中： 图1以示意性简化方式示出根据本发明的一个方面的无线电调制解调器的结构。
[0011] 图2a绘制根据本发明的一个方面的基础啁嗽和经调制的啁嗽的瞬时频率。相同 信号的相位被表示在图2b中，并且图2c在时域上绘制基础啁嗽的实数和复数分量。
[0012] 图3示意性地表示在本发明的测距方法期间在两个设备之间被交换的数据帧的 结构。
[0013] 图4a和4b图示在本发明的测距过程中涉及的主和从设备之间的啁嗽的时间对 准，示出两个可能的定时误差和所涉及的未对准。
[0014] 图5绘制根据本发明的一个方面的被用于估计距离的校正函数。
[0015] 图6示意性地示出被用于本发明的可能的实施例中的步骤。
[0016] 图7和8示意性地呈现根据本发明的定位系统。
[0017] 图9示意性地图示本发明的测距方法的被动变型中的数据交换。
[0018] 图10是图示图9的交换中的信号的传播的简化时序图。
[0019] 图11示意性地图示包括安全测距请求的数据帧的可能结构。
【具体实施方式】
[0020] 在本发明中所采用的啁嗽调制技术的若干方面在欧洲专利申请EP2449690中被 描述，所述欧洲专利申请EP2449690由此通过引用被合并，并且将在此处被概要地提醒。在 图1中被示意性表示的无线电收发器是本发明的可能的实施例。所述收发器包括基带部件 200和射频部件100。集中在发射器部分上，基带调制器150基于存在于其输入处的数字数 据152而生成基带信号，所述基带信号的I和Q分量被RF部件100转换至期望传输频率、 被功率放大器120放大并且被天线传输。
[0021] 在不背离本发明的框架的情况下，所提出的架构允许若干变形和修改，并且被提 供作为非限制性示例。在可能的实施例中，极分量(振幅_和相位:#)而不是笛卡尔分量:# 和 <>，可以被合成。
[0022] 从基带到所意图的频率的信号转换在该示例中通过在混频器110中将由放大器 154所提供的信号与由电路190所生成并且与参考时钟129有关联的本地载波的同相和正 交分量混频而被完成。
[0023] -旦信号在无线电链路的另一端上被接收，则被图1的收发器的接收部分处理， 所述接收部分包括随后为下变频级170的低噪声放大器160,所述下变频级170生成包括一 系列啁嗽的基带信号，所述基带信号然后由基带解调器180所处理，所述基带解调器180的 函数是调制器150的函数的逆并且提供重构的数字信号182。
[0024] 如在EP2449690中所讨论的，调制器150合成包括一系列啁嗽的基带信号，所述一 系列啁嗽的频率沿预定时间间隔从初始瞬时值Z8改变至最终瞬时频率/i。为了简化描述， 将假定所有啁嗽具有相同的持续时间Γ，尽管这对于本发明不是绝对的要求。
[0025] 在基带信号中的啁嗽可以由其瞬时频率的时间分布/〇或也可以由将信号的相 位定义为时间的函数的函数參描述。重要地，调制器150能够生成具有多个不同分布 的啁嗽，每个对应于预定调制符号集（alphabet)中的符号。
[0026] 根据本发明的重要特征，调制器150可以生成具有特定和预定义频率分布的基础 啁嗽(在下文也被称为未经调制的啁嗽）或出自通过对基础频率分布进行循环时间移位而 从基础啁嗽所得到的一组可能的经调制的啁嗽中的一个。图2a通过示例的方式图示在啁 嗽的开始处的时刻f = 和在所述啁嗽的结束处的时刻_舞之间的基础啁嗽和一个 经调制的啁嗽的可能的频率和相位分布，而图2b示出时域上对应的基带信号。水平尺度对 应于例如符号并且虽然曲线被表示为连续的，其在具体实现方式中将由有限数目的离散样 本所表示。关于垂直尺度，其被规范化至所意图的带宽或至对应的相位跨度。特别地，为了 更好地示出其连续性，所述相位在图2b中被表示为好像其是无界变量，但是其在具体实现 方式中事实上可以跨越若干转数（revolution)。
[0027] 在所描绘的示例中，基础啁嗽的频率从初始值&= ·、、、SHV2线性增大到最终值 A ··- #Η·72:，其中::g厥代表带宽扩展量，但是下降的啁嗽或其它啁嗽分布也是可能的。因 而，以啁嗽的形式对信息进行编码，所述啁嗽具有出自相对于预定基础啁嗽的多个可能的 循环移位中之一，每个循环移位对应于可能的调制符号。
[0028] 图2c是在时域中对应于基础啁嗽的基带信号的实数和虚数分量I和Q的曲线图。
[0029] 优选地，调制器也被布置以合成共辄啁嗽并且在信号中插入共辄啁嗽，所述共辄 啁嗽是基础未经调制的啁嗽的复共辄的啁嗽。可以将这些看作降频啁嗽（down-chirp)，其 中频率从+权W /2的值下降至。
[0030] 优选地，啁嗽的相位由连续函数::||i描述，所述连续函数在啁嗽的开始处 和结束处具有相同的值：讀。由于如此，信号的相位跨越符号边界是连续的，这 是在下文将被称作符号间相位连续性的特征。在图2a中所示出的示例中，函数f IX)是对 称的，并且信号具有符号间相位连续性。如由EP2449690更详细解释的，上述信号结构允许 接收器中的解调器单元180将其时间参考与发射器的时间参考对准，并且确定被赋予每个 啁嗽的循环移位量。评估所接收的啁嗽相对于本地时间参考的时间移位的操作在下文可以 被称作"去啁嗽（dechirp)"，并且能够通过将所接收的啁嗽与本地生成的基础啁嗽的复共 辄相乘并且执行FFT而被有利地实现。FFT的最大值的位置指示移位并且指示调制值。
[0031] 因而，"循环移位值"在下文可以被用于在时域上指示调制，并且"调制位置"或"峰 值位置"在频域上表示它。
[0032] 我们将:?记为符号的长度或等价地记为扩频因子。为了允许使用FFT的容易 接收，Jt优选地被选择为是2的幂。奈奎斯特采样频率如果是则符号的长度是 iV/茲MZ。但在不将本发明限制于这些特定数值的情况下，为确定所述想法，在可能的应 用中可以认为::L是1MHz，并且：If等于1024、512或256。载波频率可以在2. 45GHz ISM 带中。在该特定实施例中，本发明的调制方案可以与Bluetooth?收发器占用相同的RF带 并且可能重用或共享Bluetooth?收发器的RF部分。
[0033] 因此，经调制的符号是在0和N-I之间的任何数目的基础符号循环移位。0调制值 等价于不存在调制。因为N是二的幂，循环移位的值可以被编码在Igg2J!个比特上。
[0034] 优选地，通过本发明所发射和接收的信号被组织在包括被合适编码的前导码 (preamble)和数据段的帧中。所述前导码和数据段包括经调制和/或未经调制的一系列啁 嗽，其允许接收器将其时间参考与发射器的时间参考时间对准、检索信息、执行动作或运行 命令。在本发明的帧中，对于数据帧来说多种结构是可能的，除其他外还依赖于信道条件、 所传输的数据或命令。优选地，所述帧包括前导码以及表达所传输的数据或命令的有效负 载，所述前导码的目的是允许在发射器和接收器之间在时间和频率上的同步。
[0035] 根据本发明的方面，发射器和接收器节点优选地具有通信模式和/或测距模式， 所述通信模式