DWM1000 测距原理简单分析 之 SS-TWR

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正文：

DWM1000 超宽带测距，使用的TOF(time of fly) 的方式，也就是计算无线电磁波传输时间，通过传输的时间换算成距离。 电磁波传输速率和光速一样，速度是299792.458km/s，可参见百度百科。如果想通过测试这个传播时间换算距离，那么就需要非常高的内部时钟。然。。。并不是有了高速的内部时钟即可测距，还需要一点，数据送达天线的精确时间，也就是我们发送数据时，何时将数据送到天线，以及接收到有效数据到天线时的确切时钟。 理论上所有满足以上两点的射频收发器都可以实现TOF测距。

DWM1000有一个delayed 发送，也就是延时发送，可以精确控制发送时间，其实这个可用可不用，用了它可以减少一次数据传输而已。

下面简单介绍官方提供基础例子中的SS-TWR 和 DS-TWR

不论SS-TWR 还是DS-TWR 都是双边测距，能够得到两个模块之间的距离信息，而不是位置信息，位置信息需要后期使用高中数学知识计算。

参考官方资料，但并不会逐句翻译，尽量写我的理解，且别人更容易理解的语句。

官方参考资料：《dw1000_user_manual_2.10》APPENDIX 3: Two-Way Ranging

 1 Single-sided Two-way Ranging（SS-TWR）

一共有两个设备，也就是两个DWM1000 模块，分别称为DeviceA 和 DeviceB， DeviceA 在A 时刻发送一条信息给DeveiceB，经过空中一段时间传播(Tprop)在时刻B到达B设备。

我们很直观的可以看到，时刻B -  时刻A 就是信号的传播时间，也就是Tprop，然后换算距离，是否可行？ 答案是不能！ 因为A 和B 都有独立的时钟，并没有同步，假如二者时钟可以同步，那么这样计算是最好的。

什么是二者时钟同步？ 就是某一个时刻下，设备A 和 设备B 时钟节拍一样，假如都是20180个时钟节拍（时钟节拍从系统上电或者PLL稳定后，从0到最大然后依次0 最大往复）或者两者知道确切的差值。然DWM1000 模块间显然没有这么高的能力让不同模块间时钟同步。

接着正确的方向分析，DeviceB收到DeviceA 的信息后，经过一段时间Treply，在时刻C时将回复信息发送到DeciveA，这个信息经过一段时间Tprop 后，DeciveA收到。

这里假设两次信号的传播时间一致，也就是A发送信息给B 到 B 发信息到A 间隔内二者距离不变，这就要求Treply 很短。

DeciveA 可以通过读寄存器获得A 时刻和 D时刻 时间戳，二者相减就是Tround.

从上图我们还可以看到另外一个时间Treply，这个时间长度实际在DeciveA中计算获得的。 DeciveB 发送的信息包含了自己接收信息时刻B的时间戳以及发送信息时刻C的时间戳，当A收到信息后二者减法即可得到Treply。

不同的设备时钟频率是一致的，通过Tround - Treply 即可得到两次无线信号传输的时间，换算成距离除以2即是DeciveA 和 DeceiveB 之间的距离。

关于时间戳以及时间同步时钟频率再举一个栗子：

假如，你有一兄弟身在美帝，而你在天朝，两个人都有一个超级无线收发器，想用它测试一下你俩之间的距离。

你兄弟看了下手表，08：10：00(8点10分00秒)按了一下发射器，你收到无线信号，看了下自己的5块钱的电子表，正好是下午3点整，过了两分钟，3点02分00秒，给你老兄发了回去的信息，信息内容是你接收的时间点和发送时间点(分别是3点 和 3点02分00秒)，你那位仁兄在08：13：00 收到你回复的信息---》 这个就和上面的图示类似。

由于时差原因，你老兄的手表和你的是不同步的，时间点不一样，不能通过你收到 时间和 你老兄发送时间差 计算距离。

但是频率是一致的，手表都是按秒计算的(不考虑秒表)

你老兄可以根据时间差3分钟，以及你那边的2分钟，算出美帝和天朝无线信号一共传输了1分钟，折半后换算距离就是天朝美帝的距离。（这里仅仅是个栗子）

关于误差：

你五块钱电子表跑两分钟快10秒，发信息告诉老兄说是2分钟，其实才1分50秒左右。 这个就是每个个体的差异了，不能保证全部都一样。误差不能消除只能减小，减小方法就是收到信息后，尽量快速发送出去，防止误差累计。

这也是DS-TWR消除误差主要手段，极度降低Treply 的时间。

另外一点，由于两个Device 之间只发送了两次信息（各一次），可能会有障碍物或者的噪声的干扰，测距变化较大，最好多次取均值，也就是DS-TWR的原理。

接着这个误差说一下第三方模块，你的手表之所以不准是因为基准频率不准，内部小的晶振，对于DWM1000模块来说，也是需要一个高精度外部晶振，通过内部PLL产生更高频的信号，如果第三方模块在晶振上偷工减料，对于精度的影响是不可补偿的，不可挽回的，也就是通过软件无法patch。 考虑上面一个栗子。

下面补一张DWM1000 官方图片，不同的晶振对于测距的影响。

高精度晶振2ppm，而质量差一点的40ppm，相差20倍。（摘自百度：ppm是个相对偏差，1ppm表示百万分之一，跟百分比一个道理。晶振频率一般以MHz（10的6次方）为单位，所以，标称频率10MHz的晶振，频率偏差10Hz就刚好是1ppm）

可以计算出2ppm 到 40 ppm 相差3.8ns，而光1ns传播30cm，也就是误差达到1m以上。所以晶振质量至关重要！

再来，可以纵向比较，前面说过 极度降低Treply 的时间  

假如同样是2ppm 的晶振，Treply 增加引入的误差也是线性的，如果Treply = 5ms，引入的误差也超过1m

 然，并不是第三方模块不好，舍得投入的第三方模块性价比一定高于官方模块！