Master's Thesis

Analysis of Channel Impulse Response in UWB Localization Systems

Final Thesis 25.89 MB Appendix 10.09 MB

Author of thesis: Bc. Christopher Koiš

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Aleš Povalač, Ph.D.

Reviewer: Ing. Martin Leixner

Abstract:

This master's thesis surveys localization methods in ultra-wideband systems. Channel impulse response acquisition, its role in channel-state estimation, and its capture on integrated platforms are explored. The IEEE 802.15.4z physical layer is reviewed, including Scrambled Timestamp Sequence configurations. The practical part describes the design of two experimental platforms based on the DWM3001C module and the Murata Type 2AB module with an integrated Nordic nRF52 SoC, including PCB features and prototype production. The designed hardware is verified for its functionality by performing distance measurements and CIR acquisition and analysis in the final part of the thesis.

Keywords:

ultra-wideband localization, UWB, channel impulse response, CIR, two-way ranging, Qorvo DWM3001C, Murata Type 2AB, Nordic nRF52

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Student prezentuje výsledky a postupy řešení závěrečné práce. Následně odpovídá na dotazy vedoucího a oponenta práce a na dotazy členů zkušební komise. Doc. Láčík se ptal na zpřesnění a minimalizaci chyby, student odpovídá a udává důvody. Doc. Povalač se ptal na CIR, student odpovídá.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Electronics and Communication Technologies (MPC-EKT)

Composition of Committee

doc. Ing. Jaroslav Láčík, Ph.D. (předseda)
Ing. Dr. Techn. Vojtěch Derbek (místopředseda)
doc. Ing. Aleš Povalač, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Juraj Machaj, Ph.D. (člen)
Ing. Kamil Pítra, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Aleš Povalač, Ph.D.

Diplomová práce se zabývá analýzou impulzní odezvy kanálu (CIR) v UWB lokalizačních systémech s čipsetem Qorvo. Cílem byl návrh vlastního hardwaru pro sběr CIR v podmínkách LoS a NLoS, realizace TWR měření a snifferu a vyhodnocení vlivu prostředí.

Všechny body zadání jsou splněny a těžiště i hlavní přínos práce leží v hardwarové části. Student navrhl a vyrobil kompaktní TWR demonstrátory s modulem DWM3001C a sniffer s modulem Murata Type 2AB. Návrh je na úrovni profesionálního výrobku, doplněný 3D tištěnými kryty i veřejným repozitářem; to považuji za nadstandardní. Firmware staví na příkladech Qorvo a třetích stran, rozšířených o OLED, získání CIR, vlastní UART rámec, Python parser a Wireshark dissector. Přenos přes USB-UART je oproti UDP po Ethernetu či Wi-Fi méně elegantním inženýrským řešením.

Měření vzdálenosti je provedeno systematicky ve třech prostředích a ve srovnání se specifikací použitého obvodu. Slabší je klíčová analytická část. Demonstrace výpočtu rozptylu zpoždění je ukázána nad simulovaným výkonovým profilem, nikoli nad naměřenými daty, čímž se po veškerém úsilí vloženém do sběru reálných CIR experimentální přínos z velké části ztrácí; zvolený profil navíc vede u LoS k fyzikálně sporné kombinaci parametrů. Pozorovaná anomálie ve statické LoS konfiguraci je odbyta odkazem na časovou variabilitu kanálu bez rozboru příčiny a opakovaně zmiňovaný "tvar CIR" není dále kvantifikován. Anténní zpoždění nebylo kalibrováno, což vysvětluje systematický offset, ale komentář k tomu v textu chybí.

Formálně je práce psaná anglicky čtivě a technicky korektně, se slovenským abstraktem; struktura, grafy i citace jsou kvalitní a drobné překlepy nehrají roli.

Student pracoval aktivně a samostatně, využíval konzultace, z nichž vzešla i část návrhových rozhodnutí neuvedených v textu. Zadání je splněno v plném rozsahu, hardwarová a měřicí část jsou na výborné úrovni. Analýza CIR však zůstává spíše inženýrským minimem než výzkumným přínosem, který téma nabízelo. Points proposed by supervisor: 87

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Ing. Martin Leixner

Diplomová práce se zabývá analýzou impulzní odezvy kanálu v UWB lokalizačních systémech. Jedná se o velmi užitečné téma, které může přispět ke snížení systémové chybovosti měření vzdálenosti a ke zpřesnění lokalizace mezi UWB zařízeními. Teoretická část nabízí přehled lokalizačních metod, definuje pojmy jako impulzní odezva (CIR) a popisuje použití metody TWR pro měření vzdálenosti, na což praktická část navazuje.
V praktické části student vytvořil kompletní propojení od získávání dat z rádiového čipu až po jejich zpracování v počítači pro detailní analýzu. Navrhl, osadil a oživil dva typy hardwaru, přičemž se dokázal vypořádat i s chybou v návrhu, což mu umožnilo soustředit se na hlavní cíl práce. Student napsal funkční firmware, skript pro komunikaci se snifferem a disektor pro existující software Wireshark.
Na základě získaných dat impulzní odezvy z různých scénářů umístění zařízení student identifikoval limity při přístupu ke zpracování výstupních grafů a navrhl další postupy pro spolehlivější určení toho, zda se jedná o LOS nebo NLOS prostředí.
Drobné výtky mám pouze ke grafu Double-sided TWR, kde je nevhodně označen poslední rádiový rámec, a k nákresu umístění Initiatoru a Respondera, na kterém není dostatečně patrná poloha překážky. Jinak hodnotím práci jako přínosnou a splňující stanovené cíle. Topics for thesis defence:
  1. 1. Jaké problémy se vyskytly při osazování PCB?
  2. 2. Jaké je minimální množství vzorků CIR potřebné pro dostatečnou analýzu?
  3. 3. Co mohlo být příčinou naměřené záporné vzdálenosti, když byla obě zařízení v bezprostřední blízkosti?
Points proposed by reviewer: 91

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová