Medir la distancia utilizando el desplazamiento de fase

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Estoy tratando de hacer un par de dispositivos que puedan medir su distancia entre sí (dentro de los 50 pies, independientemente de la orientación). Los conceptos básicos de una solución robusta se describen en este comentario , pero no sé qué componentes se necesitan para realizarlo. Solución parafraseada abajo:

  

El dispositivo maestro emite una señal de radio en \ $ f \ $ Hz. El dispositivo esclavo detecta la señal del maestro y produce una señal \ $ f \ $ Hz que se sincroniza con ella. El maestro determina el cambio de fase \ $ \ phi \ $ entre su propia señal y la señal del esclavo para determinar la distancia del esclavo.

Dado que el cambio de fase total \ $ \ phi \ $ depende del tiempo de ida y vuelta, la distancia entre el maestro y el host se puede calcular , siempre que el cambio de fase sea menor a \ $ 2 \ pi \ $ dentro de 50 pies. $$ D = \ frac {C} {4 \ pi f} \ phi $$

Parece que \ $ f \ $ = 10 MHz sería la mejor frecuencia ya que la media longitud de onda es de ~ 50 pies.

¿Cómo se puede realizar la transmisión de la señal, la detección, el bloqueo de fase y el cálculo del cambio de fase? Soy bueno con los sistemas integrados, pero sé muy poco acerca de la producción o detección de señales de radio. Supongo que habrá VCO, PLL, amplificadores y antenas.

También, ¿cómo puede el maestro distinguir entre su propia señal y la señal de retorno del esclavo, cuando determina el cambio de fase?

    
pregunta Jay Keegan

3 respuestas

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Bueno, la última pregunta que hace es lo que realmente dificulta este tipo de problema. Si la señal de retorno tiene la misma frecuencia que la señal transmitida, es extremadamente difícil separar las dos. Sin embargo, si vas a tener un transpondedor en el otro extremo, entonces puedes divertirte un poco. En lugar de transmitir y recibir a 10 MHz, lo que debe hacer es transmitir y recibir en dos frecuencias diferentes, más altas, ambas moduladas a 10 MHz. Digamos que eliges la banda ISM de 2.4 GHz. Probablemente sea una buena idea porque las antenas son pequeñas y hay muchos RFIC disponibles que funcionarán en ese rango. Con una modulación AM de 10 MHz, necesita 20 MHz de ancho de banda (bandas laterales dobles). Probablemente desee transmitir en 2,42 y 2,48 GHz, ya que la banda ISM es de solo 2,4 a 2,5 GHz. Esto cubrirá aproximadamente 2,41 a 2,43 y 2,47 a 2,49 GHz. Esto deja una buena cantidad de separación en medio. El transmisor es simple: solo genere una onda sinusoidal de 2.42 GHz y diríjalo a 10 MHz. El receptor es solo un simple receptor de AM, pero primero necesita aislar la frecuencia de transmisión. Combínelo con un LO de 2.42 GHz y pase de banda alrededor de 10 MHz con un ancho de banda razonablemente estrecho. Es probable que necesites un AGC en algún momento del camino. Después de la mezcladora y el filtro de paso de banda, puede salirse con un amplificador limitador. De todos modos, en este punto, ejecuta su señal a través de un PLL de 10 MHz y luego usa la salida de ese para activar un oscilador de 2.48 GHz. Sería una buena idea desactivar el lado de transmisión si no se recibe ninguna señal para ahorrar energía, esto se puede hacer con un detector de picos y un comparador. De vuelta en el lado de transmisión original, vuelve a hacer la misma conversión descendente y luego compara la fase de las señales transmitidas y recibidas. Esto le dará una estimación parcial del rango. Es probable que necesite transmitir un par de frecuencias de modulación diferentes para obtener una mejor estimación del rango, ya que los cambios de fase son periódicos. Tal vez gating el 10 MHz a 1 MHz o incluso 100 KHz.

Este tipo de solución puede ser bastante sensible a la interferencia debida a otros dispositivos que transmiten en la banda de 2.4 GHz. Además, la detección de CW como esta no es muy eficiente en el uso de la energía, ni se presta para que más de un sistema esté funcionando en la misma ubicación física. Una mejor idea podría ser construirlo como la FAA construye sus radares, haciendo ping a un transpondedor. Básicamente, es la misma idea: transmitir en una frecuencia, recibir en otra, pero se mide el tiempo de vuelo en lugar de la fase. También puede usar una potencia de transmisión más alta en un ciclo de trabajo más corto para un mayor rango. También sería compatible con múltiples usuarios con códigos únicos, y los transpondedores pueden configurarse para responder solo si reciben el código adecuado. El transmisor y el receptor en este caso serían en su mayoría digitales, una implementación podría usar FPGA para generar y recibir los pings codificados y medir el retardo de tiempo.

    
respondido por el alex.forencich
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Una cosa a considerar sería generar una señal de chirrido en el lado TR (una señal que está aumentando linealmente en frecuencia). En el otro extremo puede utilizar un re-transmisor. De vuelta en el lado TR, mezcle la señal de recepción con su chirrido original. Cuanto mayor sea la frecuencia de batido (la diferencia en la frecuencia), mayor será la distancia. Alternativamente, en lugar de un chirrido, puede generar una señal CW, dividirla en 2 partes (Rf y LO). Luego use un interruptor de estado sólido rápido para controlar la RF y generar un pulso. Use el mismo tipo de interruptor para cambiar entre Tx y Rx. Mezcla la RF con el LO y calcula el tiempo de vuelo. La ventaja de este método es que no tiene que generar un chirrido. La desventaja es que hay una separación mínima que puede medir (determinada por la rapidez con que estos interruptores son ~ 15 ns). Otra desventaja es que necesita una antena de baja dispersión para transmitir los pulsos (por ejemplo, bocina acanalada, espiral, etc. vs dipolo, registro periódico)

    
respondido por el Yuriy
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Podría ser mucho más fácil usar la intensidad de la señal recibida (RSS) y devolver este valor digitalmente (a través de un enlace ascendente de rf diferente) al maestro. En un entorno perfecto sin obstáculos, este método funcionará tan bien como intentar medir la diferencia horaria. En un entorno imperfecto con reflexiones y multipaths ambos estarán sujetos a errores.

Estoy presionando la ruta RSS porque será mucho más fácil de construir; el receptor solo necesitará medir la amplitud de la portadora (modulada o no) para determinar la distancia desde el transmisor. Una vez medido (por un simple ADC probablemente integrado en una MCU) puede transmitir esto como un valor al transmisor.

Los niveles de sofisticación dependen de las radios en cada extremo, pero para superar los efectos de las rutas múltiples, se pueden usar varias frecuencias diferentes y los resultados se pueden tabular y devolver al transmisor. No voy a entrar en detalles sobre cómo las diferentes frecuencias pueden ayudar a evitar niveles de RSS erróneos porque pueden ser profundos.

Mi dinero estaría en el uso de RSS en varias frecuencias diferentes en el rango de 2.45GHz: mida el RSS en cada una y calcule la mejor conjetura a la distancia entre los dos objetos.

    
respondido por el Andy aka

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