CN101320995A - 基于脉冲超宽带测距的方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种基于脉冲超宽带测距的系统包括发射机和接收机，所述发射机包括有超宽带脉冲信号发生器以及发送天线，所述接收机包括有信号接收天线、低噪放大器、采样电路ADC以及现场可编程阵列电路，所述发射机与接收机之间连接有信号线。本发明的方法由发射机发射超宽带脉冲信号，同时向接收机发送接收指令信号；由接收机接收信号，确定多径信号中的直达径分量信号位置，计算获取直达径分量信号与接收指令信号的时间差，从而得到发射机与接收机之间的距离，这种方法实现较为简单，不需要经过大量的技术和先验知识，成本比较低，系统的复杂程度也较低，在实现方面具有较大的优势。

Description

基于脉冲超宽带测距的方法及系统

技术领域

本发明涉及通讯技术，特别涉及脉冲超宽带、无线传感器网络应用技术。

背景技术

UWB(UltraWideband)是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，UWB能在10米左右的范围内实现数百Mbit/s至数Gbit/s的数据传输速率。UWB具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小等诸多优势，主要应用于室内通信、高速无线LAN、家庭网络、无绳电话、安全检测、位置测定、雷达等领域。

和通信领域相比，UWB在感知、探测领域的前途更加广阔。由于脉冲的宽度在纳秒级别，具有极高的时域分辨率，理论上的测距精度可以达到厘米级。目前被IEEE802.15.4a工作组制定为WPAN(无线个域网)的首选物理层技术。利用脉冲进行测距的技术主要分为三类，基于到达时间(Time of Arrival)，到达角度(Angle of Arrival)和信号强度(Signal Strength)，考虑到AOA技术的成本相对较高，SS方法没有充分利用到脉冲信号的特点，目前使用得最广泛的是TOA技术。

TOA技术测距的关键目标就是寻找多径信号中的直达径分量，当DP分量寻找成功后，就可以获取收发两端的时间延迟τ，利用公式d＝cτ得到收发信机的距离，其中c为光速。

目前寻找DP的算法包括门限检测和极大似然估计两大类，门限检测类的测距关键在于门限的设置，需要信号能量，噪声功率水平等先验知识，可以获取较高的测距精度，但是复杂度相对较高。极大似然估计类算法主要用于视距传输条件，即收发信机之间的信道环境中没有物体遮挡，DP的能量在多径分量中最高。这种方法实现较为简单，不需要先验知识，在实现方面具有一定的优势。

发明内容

本发明的目的就是提供一种脉冲超宽带测距的实现方法和系统，采用广义极大似然方法，计算发射机发送的直达径分量信号与接收指令信号的时间差，从而得到发射机与接收机之间的距离，解决现有技术中成本相对较高以及复杂度相对较高的技术问题。

本发明解决上述技术问题的方案是，采用基于脉冲超宽带测距的方法，该方法包括以下步骤：

A.首先搭建具有发射机和接收机的测距系统；

B.由发射机发射超宽带脉冲信号，同时向接收机发送接收指令信号；发射机由超宽带脉冲信号模块产生超宽带脉冲信号，或者利用高速计数器的进位脉冲作为超宽带脉冲信号的产生模块，现场可编程阵列电路通过对计数器进行初始置位来调整脉冲的位置。

C.由接收机接收步骤B中的信号，确定多径信号中的直达径分量信号位置，计算获取直达径分量信号与接收指令信号的时间差，从而得到发射机与接收机之间的距离，采用广义极大似然方法估计直达径分量信号位置。本步骤C中还包括以下分步骤：

C1.接收机接收步骤B中的信号后，先进行低噪声放大；采用高速数模转换芯片(ADC)对射频信号进行采样；然后送入现场可编程阵列电路进行基带处理。

C2.针对接收系统建立离散模型；

C3.以固定间隔的采样信号都接收的信号进行采样；

C4.确定积分长度、等价的离散求和长度和离散时间差，获得似然函数关系；

C5.采用广义极大似然估计方法预估计接收信号的离散时间值；

C6.采用广义极大似然方法求解，获取似然函数的极值、接收信号的估计值以及收发信机的离散延迟时间，从而求得发射机与接收机之间的距离。

实现上述方法的系统包括发射机和接收机，所述发射机包括有超宽带脉冲信号发生器以及发送天线，所述接收机包括有信号接收天线、低噪放大器，采样电路ADC以及现场可编程阵列电路，所述发射机与接收机之间连接有信号线。

所述发射机的超宽带脉冲信号发生器为超宽带脉冲信号产生模块或者是高速计数器的进位脉冲输出模块，所述高速计数器的型号为MC100EP016。

所述现场可编程阵列电路包括基于广义极大似然估计方法设计的估算模块以及测距计算模块。

这种方法实现较为简单，不需要经过大量的技术和先验知识，成本比较低，系统的复杂程度也较低，在实现方面具有较大的优势。

附图说明

图1是本发明的系统示意图。

图2是本发明中发射机的结构示意图。

图3是本发明中接收机的结构示意图。

具体实施方式

结合上述附图说明本发明的具体实施例。

一种基于脉冲超宽带测距的方法包括以下步骤：

A.首先搭建具有发射机和接收机的测距系统；

B.由发射机发射超宽带脉冲信号，同时向接收机发送接收指令信号；发射机由超宽带脉冲信号模块产生超宽带脉冲信号，或者利用高速计数器的进位脉冲作为超宽带脉冲信号的产生模块，现场可编程阵列电路通过对计数器进行初始置位来调整脉冲的位置。本系统采用全数字体制，发射机可以利用高速计数器MC100EP016的进位脉冲作为UWB信号的产生模块，FPGA通过对计数器进行初始置位来调整脉冲的位置(如图1所示)。

C.由接收机接收步骤B中的信号，确定多径信号中的直达径分量信号位置，计算获取直达径分量信号与接收指令信号的时间差，从而得到发射机与接收机之间的距离，采用广义极大似然方法估计直达径分量信号位置。

步骤C中还包括以下分步骤：

C1.接收机接收步骤B中的信号后，先进行低噪声放大；采用ADC对射频信号进行采样；然后送入现场可编程阵列电路进行基带处理。如图3所示，接收信号经过天线和LNA后，直接使用采样率为2G/s的ADC对射频信号进行采样，然后送入FPGA进行基带处理。这种方法的优点在于灵活性极高，改变接收机算法时基本不需要修改硬件电路，信息处理能力很强，能够进行较高速率的数据传输。

步骤C中还包括以下分步骤：

C2.-C3.假设系统带宽为W，针对接收系统建立离散模型，利用

采样间隔 $T_{\mathrm{sample}}=\frac{1}{2W}$ 的ADC对接收信号进行采样有

$r\left(t\right)=\underset{i=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{r}_i\sin c(t-\frac{i}{2W}),$ 其中 $r_i=\frac{1}{2W}r\left(\frac{i}{2W}\right)---\left(1\right)$

C4.确定积分长度、等价的离散求和长度和离散时间差，获得似然函数关系；例如：当积分长度为T_i时，则等价的离散求和长度为2T_iW，离散时间差为δ＝2Wτ。从而可以获取似然函数

$p\left(r_k\right|\mathrm{\δ},s)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\σ}}\exp \left[\underset{i=1}{\overset{2T_{i}W}{\mathrm{\Σ}}}{(r_{k,\mathrm{\δ}}-s)}^2\right]---\left(2\right)$

根据极大似然原理，

$\widehat{\mathrm{\δ}}=\underset{\mathrm{\δ}\∈\{\mathrm{1,2}..2T_{f}W\}}{\arg \max }p\left(r_k\right|\mathrm{\δ},s)---\left(3\right)$

C5.-C6.采用广义极大似然估计方法预估计接收信号的离散时间值；采用广义极大似然方法求解，获取似然函数的极值、接收信号的估计值以及收发信机的离散延迟时间，从而求得发射机与接收机之间的距离。例如：

采用的广义极大似然估计(GML)，即通过某种方法先估计出接收信号

然后再利用极大似然方法求解。

(3)式的等效似然函数为

$\mathrm{\Γ}\left(r_k\right|\mathrm{\δ},s)=\underset{i=1}{\overset{2T_{i}W}{\mathrm{\Σ}}}(-2r_{i+\mathrm{\δ}}{s}_i+{s_i}^2)---\left(4\right)$

根据广义极大似然估计的定义，为了获取似然函数的极值，令似然函数的导数为0，有

$\frac{d}{\mathrm{ds}}\mathrm{\Γ}=0---\left(5\right)$

获得接收信号的估计值

${\hat{s}}_i=r_{i+\mathrm{\δ}}---\left(6\right)$

因此收发信机的离散延迟为

$\widehat{\mathrm{\δ}}=\underset{\mathrm{\δ}\∈\{\mathrm{1,2},...2T_{f}W\}}{\arg \max }\left\{\mathrm{\Γ}\left(r_k\right|\mathrm{\δ},\hat{s})\right\}=\underset{\mathrm{\δ}\∈\{\mathrm{1,2},...2T_{f}W\}}{\arg \max }\underset{i=1}{\overset{2T_{i}W}{\mathrm{\Σ}}}{r^2}_{i+\mathrm{\δ}}---\left(7\right)$

由图1中可知，这种基于脉冲超宽带测距的系统包括发射机100和接收机200，所述发射机100包括有超宽带脉冲信号发生器110以及发送天线120，所述接收机200包括有信号接收天线210、低噪放大器LNA、采样电路ADC以及现场可编程阵列电路FPGA，所述发射机与接收机之间连接有信号线300。发射机和接收机之间通过信号线300连接，在发射机通过天线发送测距脉冲的同时在导线上也传输一个低电平，用以通知接收机开始接收。利用广义极大似然的算法得到脉冲的峰值位置，作为视距传输的直达径分量。

所述发射机的超宽带脉冲信号发生器为超宽带脉冲信号产生模块或者是高速计数器的进位脉冲输出模块，所述高速计数器的型号为MC100EP016，所述现场可编程阵列电路包括基于广义极大似然估计方法设计的估算模块以及测距计算模块。

测试实例：首先确定探测环境，目前采用的是IEEE802.15.4a CM1信道，传输的平均信噪比根据距离不同略有变化，应该在8-12dB之间。发送的脉冲速率为12.5Mbps，T_f＝80ns，连线长度为9米。

测试了几组距离，每个距离测量10组数据。结果如下，其中Δt是测试中的一个时间参量。可以看出，测量基本误差在10％以内。

Δt(ns)	d’(计算值)	d(真实值)	误差Δd
				16.667	3.43	3.0	0.43
17.75	3.75	3.6	0.15
				18.44	3.96	4.2	0.24
12.69	2.23	2.4	0.17
				12.13	2.06	1.8	0.26

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于脉冲超宽带测距的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

A.首先搭建具有发射机和接收机的测距系统；

B.由发射机发射超宽带脉冲信号，同时向接收机发送接收指令信号；

C.由接收机接收步骤B中的信号，确定多径信号中的直达径分量信号位置，计算获取直达径分量信号与接收指令信号的时间差，从而得到发射机与接收机之间的距离。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤B中的发射机由超宽带脉冲信号模块产生超宽带脉冲信号。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤B中利用高速计数器的进位脉冲作为超宽带脉冲信号的产生模块，现场可编程阵列电路通过对计数器进行初始置位来调整脉冲的位置。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于：步骤C中还包括以下分步骤：

C1.接收机接收步骤B中的信号后，先进行低噪声放大；采用高速数模转换芯片对射频信号进行采样；然后送入现场可编程阵列电路进行基带处理。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于：步骤C中采用广义极大似然方法估计直达径分量信号位置。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤C中还包括以下分步骤：

C2.针对接收系统建立离散模型；

C3.以固定间隔的采样信号对接收的信号进行采样；

C4.确定积分长度、等价的离散求和长度和离散时间差，获得似然函数关系；

C5.采用广义极大似然估计方法预估计接收信号的离散时间值；

C6.采用广义极大似然方法求解，获取似然函数的极值、接收信号的估计值以及收发信机的离散延迟时间，从而求得发射机与接收机之间的距离。

7.一种基于脉冲超宽带测距的系统，其特征在于：该系统包括发射机和接收机，所述发射机包括有超宽带脉冲信号发生器以及发送天线，所述接收机包括有信号接收天线、低噪放大器、采样电路ADC以及现场可编程阵列电路，所述发射机与接收机之间连接有信号线。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于：所述发射机的超宽带脉冲信号发生器为超宽带脉冲信号产生模块或者是高速计数器的进位脉冲输出模块。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于：所述高速计数器的型号为MC100EP016。

10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于：所述现场可编程阵列电路包括基于广义极大似然估计方法设计的估算模块以及测距计算模块。

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