摘  要： 基于到达时间差（TDOA）算法，设计了一个脉冲超宽带（IR-UWB）室内定位系统的原理验证样机。主要介绍传感器捕捉标签发送的IR-UWB窄脉冲，进而测出窄脉冲到达传感器时刻的方法。利用FPGA中数字时钟管理器（DCM）的相移器功能模块（PS）构成延迟锁相环（DLL），测得到达传感器的窄脉冲相对于同步时钟的时刻。原理验证系统定位精度优于40 cm，达到设计要求。
关键词： 超宽带；定位系统；数字时钟管理器

　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（1 ns）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。
1 UWB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2.4 GHz RF通信两部分。采用2.4 GHz RF实现传感器与标签的握手通信，标签发送1 ns IR-UWB（4 GHz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。
　（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2.4 GHz RF通信，使用TI的CC2510通信芯片。采用2FSK方式，通信速率为2.4 Kb/s。
　标签发送的IR-UWB脉冲为1 ns左右窄脉冲，中心频率为4 GHz，脉冲周期为2 μs[2]。
传感器锁定IR-UWB脉冲，采用30 MHz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960 MHz的时钟。传感器接收到IR-UWB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。
2 FPGA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（1 ns高电平）送给基带FPGA处理。FPGA首先对Pulse_TTL进行展宽（6 ns），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CORE Generator&Architecture Wizard工具直接产生IP核并通过例化进行使用。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40 cm，即时间分辨率1.3 ns，需要750 MHz的等效时钟。系统采用30 MHz（最大10 m室内定位范围）的时钟作为同步时钟，由于FPGA的DCM资源限制（一块FPGA 8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960 MHz。
3 系统测试结果和分析
　系统选用Xilinx公司的Spartan3E系列XC3S1200E FPGA。传感器用2块FPGA共16个DCM构成32相DLL锁定标签发送的IR-UWB定位脉冲。
　实际测试时，标签每2 μs发送一个脉冲，将程序下载到FPGA后，逻辑分析仪观测结果如图8所示，Pulse_Lock高电平时表示有效捕捉到定位脉冲，Pulse_Ph[4：0]表示第几相最先锁定IR-UWB脉冲。从图8可以看出，2 μs捕捉一次脉冲，第14相最先锁定脉冲。

　进行结果验证时，只使用15个DCM做30相DLL，剩下一个DCM用同步时钟做模拟脉冲，脉冲相对同步时钟的延时可自定义。如图9所示，CLK[14：0]为30相DLL的前15相时钟，d为CLK0延时后模拟脉冲，15相时钟上升沿和下降沿分别对d脉冲锁定，对锁定结果进行优先级编码得到第几相时钟最先锁定脉冲，结果表示为Pulse_Ph[4：0]。将模拟脉冲仿真代码下载到FPGA中，用逻辑分析仪对仿真结果观测，如图10所示，仿真结果得到验证。

　本文设计了一个超宽带（IR-UWB）室内定位系统的原理验证样机，为后续ASIC低功耗、高精度定位系统作准备。此原理验证系统利用FPGA构成延迟锁相环来锁定1 ns IR-UWB窄脉冲的方法，能较方便、准确地得到脉冲到达各传感器的时间差。
参考文献
[1] Xilinx， Inc. Using Digital Clock Managers（DCMs）in Spartan-3 FPGAs[Z]. XAPP462（v1.1）January 5， 2006.
[2] Zhou Yuan， LAW C L， Xia Jingjing. Ultra low-power RFID tag with precision localization using IR-UWB[C].Microwave Symposium Digest （MTT）， IEEE MTT-S International，5-10 June 2011.
[3] 付德龙，黄鲁，蔡力，等.A 3-5 GHz BPSK transmitter for IR-UWB in 0.18 μm CMOS[J]. 半导体学报，2010，31（9）：88-93.