一种结合IR UWB和FMCW雷达的新型毫米精密UWB测距系统

（看到北京大学发了一篇结合UWB和FMCW结合的接收机，将PN序列和chirp调制在一起，实现了毫米级测距精度，后面有机会尝试仿真下看看。）

摘要

本文提出了一种新型的具有毫米级精度的超宽带（UWB）测距系统。该方法结合了传统的脉冲无线电超宽带（IR-UWB）和调频连续波（FMCW）雷达，利用接收机基带中的频域信息来估计距离。与采用TOA（到达时间）估计的IR-UWB技术相比，该方法不需要高速的时域信息，且具有较低的CRLB。在40 nm CMOS过程中设计了一种采用该新方法的零中频结构UWB收发器。测试结果表明，该收发机在同轴电缆中的中心频率为6 GHz和1.71 mm RMSE（均方根误差）测距精度。

引言

随着虚拟现实眼镜、机器人、3D虚拟游戏、物联网等设备的发展，如何在这些设备上精确获取距离信息成为虚拟现实、空间感知、智能可穿戴设备等应用的热门话题。激光雷达、FMCW雷达和UWB是广泛使用的测距传感器。脉冲无线电超宽带（IR-UWB）具有较高的时间分辨率、较大的带宽和较高的测距精度。UWB系统通常检测脉冲信号的到达时间（TOA），而商用UWB系统测距系统，如DW1000，通常测距精度为10厘米，比其他无线局域网（WLAN）和蓝牙具有更好的测距精度。然而，很难准确地估计脉冲信号的TOA。

模拟相关方法和数字相关方法是使用TOA估计的两种主要方法。在模拟相关方法中，精确地操纵定时是困难的，这限制了测距精度。在数字相关方法中，直接将接收到的脉冲信号数字化需要一个高速的模数转换器（ADC）来满足奈奎斯特准则，但该方法需要高速的ADC，且存在设计复杂、功耗大的缺点。为了解决这一问题，可以使用子采样方法和时间扩展（DTE）。

FMCW（调频连续波）雷达检测基带中的频域信息来测量距离。频率估计的CRLB（Cramer-Rao下界）较低，因此理想单点的范围估计具有较低的测距误差。一些研究使用射频开关来切割FMCW信号，并降低传输信号的功率密度，得到了7 mm的测距精度。利用射频相位信息来估计距离，得到的测距精度为2.5 mm。然而，相位信息的重复度为2pi，因此测距信息存在模糊性。

本文设计了一种新的UWB测距系统。本文提出了一种新的UWB测距方法，并设计了CMOS 40 nm工艺的原型。该方法结合了IR-UWB和FMCW雷达，利用频域信息来估计距离。频率估计具有较低的CRLB（Cramer-Rao下界），因此该方法可达到毫米级测距精度。此外，该方法不需要高速ADC或延时法直接采样，从而降低了能耗。

系统设计

本文提出了一种结合IR-UWB和FMCW雷达的新型测距技术。收发器使用zero-IF架构。其体系结构如图1所示。收发信机的频率源使用FMCW，其中B为FMCW带宽，S为斜率，fc为中心频率，Δt1为信道延迟，fIF为RX基带包络线。发射机的基带使用由PN（伪噪声）码调制的脉冲信号。接收机基带信号的产生情况如图1所示。

TX FMCW啁啾的开始时间定义为t1，RX FMCW啁啾的开始时间定义为t2。B是FMCW啁啾的带宽，Tc是FMCW chirp的循环，S是FMCW啁啾的斜率，其中S =B /Tc。

信道中的时延为 $\Delta t1$ ，因此RX混频器中RX chirp与TX chirp的时差为： $\Delta t = \Delta t1 +(T1-T2)$ 。接收机基带包络线是正弦波，其频率与时差 $\Delta t$ 成正比。 $f_{IF}$ 的包络频率为：

计算RX基带包络线的频率可以得到时延信息和TX与RX之间的距离。利用双向测距（TWR）方法可以消除T1和T2之间的时差。

测距精度

高测距精度UWB系统的研究现状见表1。利用TOA，射频相位信息和频域信息是高精度UWB测距系统中的三种常用方法。IR-UWB系统发送脉冲信号，估计脉冲信号到达的时间，以得到距离信息。Cramer-Rao下界（CRLB）显示了一个无偏估计量的均方误差（MSE）的一个下界。TOA估计的Cramer-Rao下界为：