UWB generátor a systém pro určení polohy

Rok / Year: 2012

Svazek / Volume: 14

Číslo / Issue: 2

UWB generátor a systém pro určení polohy UWB GENERATOR AND POSITIONING SYSTEM Lenka Zelinová [email protected] Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně.

Abstrakt: UWB je zkratka anglického ultra wide-band pro aplikace specifikující použití širokopásmových signálů ve velkém rozsahu frekvenčních pásem, především pak mikrovlnných. Nejčastěji se využívá všeobecně uvolněné pásmo 3,1 - 10,6 GHz v několika kanálech se šířkou až 1,3 GHz. Vysílání v takto širokém pásmu umožňuje dosahovat velmi vysokých rychlostí přenosů dat – až do 1,32 Gbit/s při posílání přímé posloupnosti dat a do 480 Mbit/s při přenosu s ODFM modulací. Mimo jiné je velkou výhodou odolnost takovýchto signálů vůči interferenci a šumu. Širokopásmovost UWB signálů nabízí možnost jejich využití pro určování polohy UWB vysílačů či přijímačů pomocí měření časové diference zpoždění přijatých signálů mezi několika stanicemi, tzv. metoda TDOA (Time Difference Of Arrival). Článek obsahuje teorii výpočtu polohy TDOA metodou, popis systému a jeho zapojení, popis zapojení a výroby pulzního generátoru širokopásmového signálu a ověření jeho funkčnosti měřením.

Abstract: UWB means ultra wide-band and the term is used for applications characteristic by broadband signals on the wide range of frequency bands, especially microwave band. The most frequently used band is generaly free band from 3.1 GHz up to 10.6 GHz for communication in a few channels with the bandwidth up to 1.3 GHz. Due to this wide bandwidth it is possible to achieve very high data transmission speed - up to 1.32 Gbit/s when transmitting direct sequence data and up to 480Mbit/s when the OFDM modulation is used. An advantage of those signals is strong resistance to interferences and noises. There is a possibility to use this technology of signal transfer to determine the position of the UWB transmitters and receivers. The method is called TDOA (Time Difference Of Arrival) and is based on the reading of time delays. This document contains the theory about positioning by TDOA method and the design of the UWB transmitter - the generator of UWB pulses. The last part contains the results of the real measurement.

2012/21 – 13. 3. 2012

UWB generátor a systém pro určení polohy Lenka Zelinová Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Email: [email protected]

Abstrakt - UWB je zkratka anglického ultra wide-band pro aplikace specifikující použití širokopásmových signálů ve velkém rozsahu frekvenčních pásem, především pak mikrovlnných. Nejčastěji se využívá všeobecně uvolněné pásmo 3,1 - 10,6 GHz v několika kanálech se šířkou až 1,3 GHz. Vysílání v takto širokém pásmu umožňuje dosahovat velmi vysokých rychlostí přenosů dat – až do 1,32 Gbit/s při posílání přímé posloupnosti dat a do 480 Mbit/s při přenosu s ODFM modulací. Mimo jiné je velkou výhodou odolnost takovýchto signálů vůči interferenci a šumu. Širokopásmovost UWB signálů nabízí možnost jejich využití pro určování polohy UWB vysílačů či přijímačů pomocí měření časové diference zpoždění přijatých signálů mezi několika stanicemi, tzv. metoda TDOA (Time Difference Of Arrival). Článek obsahuje teorii výpočtu polohy TDOA metodou, popis systému a jeho zapojení, popis zapojení a výroby pulzního generátoru širokopásmového signálu a ověření jeho funkčnosti měřením.

vysílače vůči přijímačům. Jestliže dále známe polohy přijímačů, dokážeme obecně určit polohu vysílače při aplikaci TDOA algoritmů [4]. Ve druhé kapitole se seznámíme s měřeným systémem, v další části s návrhem a realizací generátoru. Čtvrtá část je věnována zpracování naměřených dat a výpočtům polohy z provedených měření. V pátém oddílu jsou uvedeny reálné vlastnosti sestaveného generátoru, průběhy generovaného signálu a naměřené odezvy. V závěru lze najít srovnání reálných výsledků s teorií a možná doporučení pro další pokračování ve výzkumné činnosti.

2 Systém Pracoviště pro měření polohy UWB vysílače se sestává z osobního počítače, výpočetní algoritmus TDOA je realizován jako matlabovská aplikace. Dalším nezbytným přístrojem je osciloskop, který je schopný vzorkovat signál s vysokou rychlostí alespoň 5 GS/s - závisí na ní výsledná přesnost určení polohy [3]. Bezdrátový UWB generátor vysílá s opakovací frekvencí 1 MHz po sobě jdoucí kladný a záporný puls o celkové délce do 0,5 ns tak, aby na sebe pulzy navazovaly. Čtyři kanály osciloskopu detekují ve čtyřech různých polohách přijímacích antén odezvu na generovaný signál, viz obrázek 1.

Poděkování Výzkumná činnost prezentovaná v tomto článku byla podporována projektem CZ.1.07/2.3.00/20.0007 WICOMT, Wireless Communication Teams, financovaným Operačním programem Vzdělávání pro konkurenceschopnost.

data

1 Úvod UWB je bezdrátová radiová technologie přenosu dat, která má výborné předpoklady pro využití v komunikaci na krátký dosah. Systém je funkční už od velmi nízkých úrovní výkonu a přenosové pásmo je opravdu velmi široké[1, 2]. Pro měření polohy s využitím UWB vysílače lze využít specifických gaussovských UWB pulzů s délkou okolo 1 ns. Spektrum takového pulsu zahrnuje frekvence od 0 Hz do několika GHz, přičemž tvar pulsu pro aplikaci v daném UWB kanálu se zajistí vhodnou pásmovou propustí na výstupu generátoru spolu s vlastnostmi antény. Jednou z možností jak dosáhnout takto rychlých změn úrovně signálu na výstupu je vytvořit generátor s rychlými tranzistory pracujícími v režimu lavinového průrazu při přechodech mezi sepnutým a rozepnutým stavem. UWB puls se šíří prostředím a ke každému z přijímačů dorazí s určitým zpožděním. Pro určení 2D polohy musí být použity alespoň tři přijímače. Pokud máme možnost přesně změřit jednotlivá zpoždění signálu, můžeme určit polohu

UWB TX Obr. 1: Sestava proměřovaného systému

Vysílací i přijímací antény musí být všesměrové a pro dobrý příjem (dostatečnou citlivost) musí mít zisk alespoň 3 dBi. Naměřená data jsou z osciloskopu posílána ke zpracování do PC. Přijímané signály jsou každý s každým vzájemně korelovány. Na obrázku 2 je naznačeno schéma korelace mezi prvním a druhým kanálem. Tyto korelace jsou součástí aplikace pro zpracovávání přijímaných signálů v Matlabu.

21 – 1

VOL.14, NO.2, APRIL 2012

2012/21 – 13. 3. 2012 S1(n)

H(ω)

∑

S2(n)

v koncovém stupni byly vybrány vysokofrekvenční spínací tranzistory 2N2369 [10].

pozice antén

( )

(

)

Odhad časového zpoždění

H(ω)

Logika koncového stupně je zřejmá z obrázku 4. Z komparátorů jsou signály vedeny přes RC články na báze tranzistorů T3 a T4 [3]. Přiváděné signály mají obdélníkový průběh o stejné periodě i střídě, ovšem do T4 jdoucí signál je o několik pikosekund zpožděný. Toto zpoždění lze nastavit potenciometrem umístěným v budící části obvodu generátoru a lze díky němu naladit návaznost výstupního záporného pulzu na kladný pulz.

xi

Δt12 Δt13 Δt14 Δt23 Δt24 Δt34

TDOA

̂

algoritmy

Obr. 2: Korelace signálů z 1. a 2. kanálu v Matlabu

Ještě před vlastním provedením korelace je každý ze signálů veden přes filtr H(ω) z důvodu potlačení interference mezi jednotlivými signály. Jedná se o jednoduchou pásmovou propust pro cca 1 GHz až 1,7 GHz. V tomto pásmu totiž dochází jen k malé interferenci mezi jednotlivými signály a tudíž k největší hodnotě poměru žádaného signálu ku šumu. Vstupní veličiny algoritmu pro výpočet polohy vysílacího zařízení se sestávají z co nejpřesněji odhadnutých jednotlivých časových zpoždění daných signálů a údajů o poloze přijímacích antén. Vysílačem je malý modul na desce plošných spojů, jehož napájení je zajištěno 3,7 V Li-ion baterií zasazenou do modulu.

3 Generátor UWB pulzů Obr. 4: Koncový stupeň generátoru UWB pulzů

Na výstupu zařízení, které vysílá širokopásmové pulzy, je třeba získat signál s amplitudou alespoň 2 V. Průběh signálu UWB na výstupu pak bude velmi podobný průběhu signálu na obrázku 3.

Druhým potenciometrem, taktéž umístěným v budící části generátoru, lze nastavit periodu opakování generovaných pulzů. Zařízení je postaveno tak, aby bylo možné jednoduchým propojením odpovídajících vstupů se zemí generovat pouze kladný, případně pouze záporný výstupní pulz. Jak už bylo řečeno, celé zařízení napájí 3,7 V Li-ion akumulátor, který je neodpojitelnou součástí desky plošných spojů. Na desku byla tedy integrována jednoduchá nabíječka Li-ion akumulátorů. Doba nabíjení zcela vybité baterie je přibližně 12 hodin a stádium nabíjení indikuje LED dioda – při nabíjení vybité baterie svítí a postupně světlo slábne, až při plném nabití zhasne [5].

3 Ampl [V] 0,5

1

1,5 2

čas [ns]

-3 Obr. 3: Teoretický průběh pulzu UWB signálu

Vzhledem k relativně vysokým frekvencím na výstupu byly co nejhustěji propojeny země z obou stran desky. Kvůli přizpůsobení je vysokofrekvenční signál na výstupu veden rozšířeným vedením. Deska byla vyrobena na substrátu FR4 1,5 mm s tloušťkou mědi 35 µm. Převážná část součástek je v SMD provedení.

Aby byl zaručen co nejkratší pulz na výstupu generátoru, a tedy co nejširší šířka přenosového pásma, byl jako zdroj pulzů, ovládající tranzistory v koncovém stupni generátoru, vybrán velmi rychlý komparátor se symetrickým výstupem ADCMP606 od firmy Analog Devices [8]. Výrobce uvádí dobu náběžné a sestupné hrany 160 ps. Jeho výstupní napětí je při vysoké úrovni 3,65 V a při nízké úrovni 3,25 V [8]. Za tento diferenční komparátor byl zařazen obvod DS90LT [9] s technologií CMOS, který signál formuje na požadovaný průběh s rychlým přechodem od 0 V až do napájecího napětí 3,7 V. Jako tranzistory

4 Určení polohy zařízení Nejjednodušší způsob jak ze systému určit informaci o poloze je vypočítat ji z rozdílů odečtených zpoždění jednotlivých signálů na přijímacích kanálech

21 – 2

VOL.14, NO.2, APRIL 2012

2012/21 – 13. 3. 2012 osciloskopu (TDOA) [6, 7]. Při použití této metody nemusíme řešit synchronizaci mezi vysláním pulzu a spuštěním ukládání dat z kanálů osciloskopu.

mezi každými dvěma přijímači. Polohy přijímačů x1, x2, x3 a x4 jsou pevně dané, hledáme tedy neznámou x [x; y; z]. Tu lze určit hyperbolickou metodou a výsledek je tím přesnější, čím přesněji budou odečteny rozdíly časových zpoždění přijatých signálů. Soustavu několika nelineárních rovnic řešíme pomocí již známých algoritmů [3]. Nabízí se také algoritmy pro korekci chyb měření, například metodou nejmenších čtverců. Redukce chyb při výpočtu polohy se dá mnoha způsoby optimalizovat, v Matlabu je například k dispozici algoritmus pro kvazi-Newtonovu metodu využívající nejstrmější sestup pro hledání optima – nejmenší celkové chyby.

V Matlabu provedeme korelaci kombinací všech dvojic přijímaných signálů. Z každé takové korelace dostaneme funkci, ve které najdeme maximum. Z argumentu takto určeného maxima získáme podle (1) odhad zpoždění signálu mezi kanálem 1 a 2.

( ) (

∫

)

( )

5 Reálné výsledky

Abychom získali odhad vzdálenosti, vynásobíme výsledek odhadu časového zpoždění rychlostí šíření elektromagnetické vlny ve vzduchu (2). (

)

Osazená deska i s baterií je pro představu uvedena na obrázku 6. Její rozměry jsou 4,5 cm x 8,0 cm. Další minimalizace je možná umístěním SMD součástek pod baterii nebo výměnou baterie za menší. Výstupní signál generátoru UWB pulzů byl prověřen osciloskopem. Pulzy mají celkovou délku 500 ps a ve frekvenční oblasti pozorujeme spektrum signálu s použitím Hammingova okna na matematickém kanále M, který lze pozorovat na obrázku 7. Na následujícím obrázku 8 je zachycen detail průběhu požadovaného UWB pulzu.

( )

Pohybujeme se v pravoúhlé kartézské souřadné soustavě, proto lze vypočítat podle vztahu (3) euklidovskou vzdálenost mezi prvním přijímačem (bod v prostoru x1) a UWB vysílačem (bod v prostoru x). ‖

‖

√(

)

(

(

)

)

( )

Z uvedených vztahů lze pak vyvodit vzorec pro výpočet rozdílu vzdáleností mezi prvním přijímačem a vysílačem a druhým přijímačem a vysílačem (4). Názorně situaci zobrazuje obrázek 5. Z teorie šíření elektromagnetických vln vyplývá, že vzdálenost mezi UWB generátorem a přijímačem musí být menší než 300 m, je to dáno opakovací frekvencí pulzů 1 MHz, aby bylo jednoznačně určitelné jeho umístění v prostoru. V tomto měření byly umístěny přijímače v maximální vzdálenosti do 1 metru od vysílače. Odečítání hodnot z analyzátoru pro tento článek probíhalo za účelem grafického přiblížení popisované metody. ‖

‖

‖

‖

Obr. 6: Osazená deska plošných spojů

( ) M4

Δd1,2 1

4 d4 d1

d2

d3

2

C1

3 Obr. 5: Schéma zapojení zařízení C1 500mV/div M4 20.0dB 5GHz

Tímto způsobem jsme schopni získat pro 4 přijímače celkem 6 rovnic, určujících rozdíly drah signálů

C1

800mV

2.0ns 40.0GS/s IT 5.0ps/pt January 02, 2012 11:40:24

Obr. 7: UWB pulz a jeho frekvenční spektrum

21 – 3

VOL.14, NO.2, APRIL 2012

2012/21 – 13. 3. 2012 U[V]

U[V]

C1

0

1.565

3.13

4.695

1.5

2

2.5

3 3.5 t [ns]

Obr. 10: Přijatá data z analyzátoru C1 500mV/div

C1

800mV

1.0ns 40.0GS/s IT 1.0ps/pt January 02, 2012 11:25:52

Sledovanou veličinou je úroveň signálu, která při příjmu signálu vzroste (je však stále velmi nízkých úrovní). Do programu v Matlabu se pak načítá hodnota času v maximu přijímané funkce a ta odpovídá časovému zpoždění odpovídajícího signálu. Daná maxima funkcí jsou výsledkem korelací jednotlivých příslušných dvojic signálů. Odtud lze přepočítat časová zpoždění na rozdíly časových zpoždění, a tudíž délek drah, kterými jsou jednotlivé signály vedeny. Matlab dále počítá konkrétní polohu podle postupu popsaného ve 4. části článku.

Obr. 8: UWB pulz

Generátor tedy vysílá s opakovací frekvencí 1 MHz UWB pulzy přes všesměrovou anténu do prostředí (obrázek 9).

C1

C1 500mV/div

6 Závěrečné zhodnocení

C1 Period 999.2ns C1 Freq 1.001MHz

C1

800mV

500ns 40.0GS/s 25.0ps/pt January 02, 2012 11:30:20

Hlavní úkol realizovat ultraširokopásmový generátor pulzů byl splněn. Zjištěno bylo, že amplituda 1,75 V je pro naše měření dostatečná, tudíž není potřeba zvyšovat požadavky na výkon, respektive příkon zařízení. S použitou baterií by pak mělo být zařízení schopné vysílat kontinuálně až 26 hodin bez vynechání pulzu s opakovací frekvencí 1 MHz. Z provedených měření je patrné, že frekvence generované vysílačem, respektive rychlost přeběhu celého pulzu je pro určení polohy dostatečná, bylo by však dobré ji v dalších fázích výzkumné práce posunout ještě výše, abychom mohli dosáhnout alokovaná UWB pásma zmíněná v teoretickém úvodu. Návrhem je například výměna CMOS technologie za technologii rychlejší. Další pokračování tohoto výzkumu může být zaměřeno například na vyfiltrování potřebných užitečných frekvencí a na přenos konkrétních dat pomocí UWB komunikace.

Obr. 9: Výstupní signál f = 1 MHz

Měření dále pokračuje příjmem generovaného signálu analyzátorem [11], který umožňuje zobrazení v časové oblasti. K tomu jsou připojeny na jednotlivé kanály sondy, zakončené přijímacími anténami. Signály z jednotlivých přijímačů jsou pak ukládány do souboru v PC. Z tohoto souboru pak data Matlab načítá a dále zpracovává odpovídajícími operacemi. Výsledkem je určení polohy zařízení vůči přijímacím anténám, případně určení absolutní polohy – kartézských souřadnic – generátoru. Některé odezvy na vysílaný signál, přijaté na analyzátoru, jsou pro představu uvedeny na obrázku 10.

Vhodná by byla také již zmíněná minimalizace rozměrů zařízení, neboť poté by bylo možné a velmi praktické využití tohoto zařízení při lokalizaci drobných předmětů v prostoru.

21 – 4

VOL.14, NO.2, APRIL 2012

2012/21 – 13. 3. 2012 [6] BEZOUŠEK, P., SCHEJBAL, V., ČERMÁK, D., NĚMEC, Z. , HÁJEK, M. UWB signal propagation through walls. In International Workshop on Microwaves. Kyjev, Ukrajina. National Aviation University, 2005, p. 249-254. ISBN 966-8550-28-5.

Reference [1] AILLEO, R., BATRA, A. Ultra wideband systems: technologies and applications, Communications engineering series. Newnes, 2006. ISBN 0750678933, 323 s.

[7] ČERMÁK, D., SCHEJBAL, V., NĚMEC, Z., BEZOUŠEK, P., FIŠER, O. UWB radar multipath propagation effects. Scientific Papers of the University of Pardubice, Series B, The Jan Perner Transport Faculty, 2005, vol. 5, no. 11, s. 5-14. ISSN: 1211-6610.

[2] MRAJCA, M. Principy přenosu v UWB sítích. Semestrální práce. Praha: České vysoké učení technické, Katedra radioelektroniky, 2007. 7 s. [3] SCHROEDER, J., GALLER, S., KYAMAKYA, K. A Low-Cost Experimental Ultra-Wideband Positioning Systém. Ultra-Wideband. IEEE International Conference on, ICU 2005, p. 632 - 637. ISBN: 0-7803-9397-X

[8] ANALOG DEVICES. ADCMP606/ADCMP607: Railto-Rail, Very Fast, 2.5 V to 5.5 V, Single-Supply CML Comparators. Rev. A. Norwood, MA 02062-9106, U.S.A., ©2006–2007.

[4] YOUNG, D. P., KELLER, C. M., BLISS, D. W., FORSYTHE, K. W. Ultra-wideband (UWB) transmitter location using time difference of arrival (TDOA) techniques, The Thrity-Seventh Asilomar Conference on. Signals, Systems & Computers, 2003.

[9] NATIONAL SEMICONDUCTOR. DS90LT012A, DS90LV012A: 3V LVDS Single CMOS Differential Line Receiver. SNLS141C. © 2008. [10] PHILIPS. 2N2369: NPN switching transistor. SC04. MD EINDHOVEN, The Netherlands, © 1997.

[5] MIKO, M. Komunikační rozhraní pro sledovací systém s GPS přijímačem. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2007. 61 s.

[11] AGILENT TECHNOLOGIES. Agilent E5071C ENA. U.S.A., © 2011.

21 – 5

VOL.14, NO.2, APRIL 2012