FPGA实现的UWB室内TDOA定位系统设计与40cm精度验证

UWB定位系统FPGA基带处理设计专注于基于到达时间差（TDOA）算法的室内定位应用。该系统通过使用脉冲超宽带（IR-UWB）技术，设计了一款原理验证样机，其核心目标是提高定位精度，减少环境因素对信号的影响。在系统架构中，传感器负责捕获标签发送的窄脉冲，并通过FPGA中的数字时钟管理器（DCM）的相移器功能模块（PS）构成的延迟锁相环（DLL）来测量脉冲到达传感器的时间。这种方法比传统的RFID技术，如WiFi、ZigBee和Bluetooth，其定位精度依赖于信号强度，更为精确，能够达到40厘米以下。 TDOA技术是UWB定位的关键，它不需要标签和传感器之间的时钟同步，简化了系统设计。定位系统主要包括多个传感器、一个待定位的标签和一台主机，通过2.4GHz RF通信进行交互。传感器间通过时钟同步线保持精确的时间基准，主机则负责选择主传感器，发送标签ID并接收回传的数据。 定位过程涉及的主要步骤如下： 1. 主机首先选择一个主传感器，并向其发送待测标签的标识。主传感器广播这个ID，寻找匹配的标签进行通信。 2. 待定位标签接收到信号后回应，主机记录下各个传感器接收到窄脉冲的时间差。 3. 通过TDOA算法，主机利用这些时间差计算出标签到各个传感器的距离差，形成双曲线模型。 4. 当有三个或更多传感器参与时，这些双曲线在三维空间中的交点即为标签的实际位置。 通过FPGA的高效处理能力，该系统实现了实时的定位计算，不仅提高了定位精度，还降低了硬件复杂度，使得UWB定位系统在物联网、智能家居等领域具有广泛应用潜力。整个设计验证了TDOA技术的有效性和FPGA在实时信号处理中的优势，达到了预期的设计目标。