CN103152043A - 一种室内信号频率源生成方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室内信号频率源生成方法及系统，包括：获取室外基站发送的室外信号；产生一组本地码并分别与室外信号相乘、积分，根据积分结果求平方和得到积分功率值，将积分功率值最大的本地码作为匹配本地码；根据匹配本地码生成一组本地载波，分别与室外信号相乘并积分，根据积分的结果求平方和得到积分功率值，将积分功率值最大的载波作为匹配载波；将室外信号和匹配载波通过锁相环和锁频环，获取匹配载波与室外信号实际载波的频率差，调整本地晶振，使匹配载波频率与室外信号的载波频率的差值小于预设的阈值；将此时的频率源作为室内信号频率源。本发明可以使室内获得类室外基站原子钟的高精度频率源，并与室外基站保持一致。

Description

一种室内信号频率源生成方法及系统

技术领域

本发明涉及无线信号技术领域，特别涉及一种室内信号频率源生成方法及系统。

背景技术

近年来对于普适计算机和分布式通信技术的深入研究，使得室内无线通信和网络技术进入了飞速发展阶段。定位服务的下阶段发展重点必将从室外转移到室内，从而最终实现室内外定位的无缝结合。

目前，有技术方案提出一种室内信号增补系统，是室内外定位系统中的重要组成部分。室内信号增补系统在导致室内形成了移动信号的弱区甚至盲区的大型复杂建筑中，对室外信号进行补充。然而，室内定位系统由于信号灯各方面的问题，存在着时钟频率与室外定位基站不一致的问题，时钟频率精度不够，造成室内外混合定位中存在较大偏差。

现有技术中，一般基于GPS等全球定位系统来驯服校频高精度频率源，也就是利用GPS或北斗等系统授时功能来驯服和调节本地恒温压控晶振，从而提高晶振的准确度和长期稳定性。这种方法由于卫星信号到达地面强度较弱，在城市峡谷地带及某些区域（如大型建筑物室内）应用受到限制，同时也存在严重的安全问题。

另有方案提出基于转发式通信卫星和地面原子钟来获取高精度频率源。利用转发式卫星导航系统中的导航中心站发出的信号中的高精度时间信号去校准终端的时频基准。高精度时间信号由导航中心地面站装有铯原子钟或氢原子钟产生，并溯源到协调世界时。把这种高精度时间信号与用户信号作比对校正，同时考虑载波信号从地面导航站发射，经卫星转发至终端接收的这段传输距离上的传输时间τ的精确计量，准确地完成授时和校时。但是，这种方法不仅所需铯原子钟或铷钟价格昂贵，不宜推广，而且与现有技术之一有相同的缺点，即需要卫星信道媒质，导致在城市峡谷地带及某些区域（如大型建筑室内）应用受到限制。

另有方案提出基于GPS的一种具有时延测量系统的光纤接入授时装置，包括一个近端接收模块，用于从外部接收一个全球定位授时电信号并进行电光转换为授时光信号；至少一个远端接收模块，用于经光纤从所述近端接收模块接收所述授时光信号并经光电转换为授时电信号；一个时延测量系统，用于测量所述近端模块与对应的所述至少一个远端接收模块之间的光纤时延并将所计算的光纤时延经所述至少一远端接收模块传输至对应的所述至少一个室内基带单元以进行时钟校准。本方案因为要用到光纤传输，需用光电转换器，因而成本高，并且同样存在较为严重的安全问题。

综上，在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中获取室内信号频率源的方案，均存在着较为严重的安全隐患，同时，由于卫星信号到达室内较弱，产生的频率精度存在问题。或者所需的器件成本很高，不适宜大规模的推广应用。现有技术中，尚没有一种可以产生稳定可靠的高精度时钟频率以应对室内定位系统的方案。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种室内信号频率源生成方法及系统。所述技术方案如下：

一种室内信号频率源生成方法，所述方法包括：

获取室外基站发送的室外信号；

本地产生一组本地码并分别与所述室外信号相乘、积分，根据积分的结果求平方和得到积分功率值，将所述积分功率值最大的本地码作为匹配本地码；

根据所述匹配本地码生成一组本地载波，分别与所述室外信号相乘并积分，根据所述积分的结果求平方和得到积分功率值，将所述积分功率值最大的载波作为匹配载波；

将所述室外信号和匹配载波通过锁相环和锁频环，获取所述匹配载波与室外信号实际载波的频率差，用以调整本地晶振，使所述匹配载波频率与所述室外信号的频率的差值小于预设的阈值；将此时的频率源作为室内信号频率源。

所述本地产生一组本地码并分别与所述室外信号相乘、积分，根据积分的结果求平方和得到的积分功率值，将所述积分功率值最大的本地码作为匹配本地码，包括：

根据所述室外信号生成相互正交的I、Q两路信号；

I、Q两路信号分别和本地产生的一组本地码相乘后输入积分器，积分后的结果求平方和，得到积分信号功率P1；

当所述本地码相位和I、Q两路信号相位一致时，P1有最大值，获取P1为最大值的本地码，作为匹配本地码。

所述根据所述匹配本地码生成一组本地载波，分别与所述室外信号相乘并积分，根据所述积分的结果求平方和得到积分功率值，将所述积分功率值最大的载波作为匹配载波，包括：

根据所述室外信号生成相互正交的I、Q两路信号；

I、Q两路信号分别与根据所述匹配本地码生成的一组本地载波相乘后输入积分器，积分后的结果求平方和，得到积分信号功率P2；

当残留频率值f_d为零，则P2有最大值，此时实际残留频率值f_s与输入载波残留频率f_c相同；据此获取残留频率值f_d为零时的本地载波作为匹配载波。

所述将所述室外信号和匹配载波通过锁相环和锁频环，获取所述匹配载波与室外信号实际载波的频率差，用以调整本地晶振，使所述匹配载波频率与所述室外信号的频率的差值小于预设的阈值，包括：

将所述室外信号和匹配载波输入锁相环和锁频环，通过环路跟踪调整，获取所述匹配载波与室外信号实际载波的频率差f_d，当f_d为零，则匹配载波的频率f_s与室外信号的频率f_c相同；

据此调整本地晶振，使产生的所述匹配载波的频率f_s与所述室外信号的频率的差值小于预设的阈值。

所述将此时的频率源作为室内室外信号频率源，包括：

获取所述匹配载波频率逼近所述室外信号的频率时本地频率源的频率，将所述频率作为室内室外信号频率源产生的频率。

所述方法还包括：

实时将所述匹配载波的频率反馈给所述锁相环和锁频环，使测定的所述匹配载波与室外信号实际载波的频率差不断逼近零。

一种室内信号频率源生成系统，所述系统包括信号获取单元、粗同步单元、环路跟踪单元和驯服校验单元，其中：

所述信号获取单元，用于获取室外基站发送的室外信号；

所述粗同步单元，用于在本地产生一组本地码并分别与所述室外信号相乘、积分，根据积分的结果求平方和得到积分功率值，将所述积分功率值最大的本地码作为匹配本地码；

所述环路跟踪单元，用于根据所述匹配本地码生成一组本地载波，分别与所述室外信号相乘并积分，根据所述积分的结果求平方和得到积分功率值，得到所述积分功率值最大的载波作为匹配载波；

所述驯服校验单元，用于将所述室外信号和匹配载波通过锁相环和锁频环，获取所述匹配载波与室外信号实际载波的频率差，用以调整本地晶振，使所述匹配载波频率与所述室外信号的频率的差值小于预设的阈值；将此时的频率源作为室内信号频率源。

所述系统进一步包括信号捕获单元，用于根据所述室外信号生成相互正交的I、Q两路信号，将I、Q两路信号作为室外信号发送给所述粗同步单元和环路跟踪单元。

所述系统进一步包括反馈单元，用于实时将所述匹配载波的频率反馈给所述驯服校验单元；

所述驯服校验单元根据所述实时反馈的频率，使测定的所述匹配载波与室外信号实际载波的频率差不断逼近零。

所述系统进一步包括晶振单元，用于产生本地时钟频率。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明各个实施例通过获取室外定位基站的室外信号，捕获该室外信号后与本地产生的本地码进行相乘积分，结果求平方和后，根据积分功率值的大小来调整本地码相位以与接收的室外信号相位一致。再通过测定室外信号的频率与本地载波频率的差值来进一步调整本地载波的频率值，使与定位基站频率精同步。通过锁相环和本地晶振，产生与室外基站室外信号相位一致的时钟频率。本发明实施例的方案，可以产生与室外定位基站一致的室内信号频率，使室内定位获得类室外定位基站原子钟的高精度频率源，并与室外定位基站保持一致，为室内外定位系统的无缝衔接奠定基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一提供的室内信号频率源生成方法示意图

图2是本发明实施例二提供的本地晶振调整原理示意图；

图3是本发明实施例三提供的室内信号频率源生成系统结构示意图之一；

图4是本发明实施例三提供的室内信号频率源生成系统结构示意图之二。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明实施例针对现有技术应用于室内定位存在的问题，核心思想就是用直放站室内分布系统引入室外的定位基站信号，通过室内增补网络输入给室内信号增补发生器。室内信号增补发生器完成本地高精度频率源获取，并由天线播发出去，从而使室内外信号实现统一的时频基准，此时，室内天线可以作为小型的具有统一时频基准的若干微基站。

本发明实施例关注的重点不在于如何将室外基站信号引入室内，而在于如何使室内外信号具有高度同步的时钟频率，由此才可以实现室内外信号的无缝覆盖。基于此，本发明实施例主要关注的是如何将室外基站信号中的频率提取出来，并在本地生成与之相一致的时钟频率，用以调制本地生成的信号，使得室内外信号具有同频基准。

实际上，本发明实施例的实现，是基于如上所述的室内增补网络以及室内信号增补发生器的，室内信号增补发生器将获取的室外基站信号提取出来，并完成本地高精度频率源获取。

实施例一

如图1所示，为本发明实施例提供的室内信号频率源生成方法流程图，其中，

步骤10，获取室外基站发送的室外信号。

如上所述，本发明实施例的实现，是基于室内增补网络以及室内信号增补发生器的，同时，还需要直放站、天线等设备的辅助。这里，实际上是通过天线接收到室外基站的信号，并通过室内增补网络发送给室内信号增补发生器。这里的室内信号增补发生器相当于是室内信号的生成装置，同时也需要对接收到的室外基站的信号进行解析和同步操作。

这里获取的室外基站发送的信号，其中不仅包含定位信息，同时还包含室外基站信号的时钟频率。

进一步的，为了下一步的计算方便，实际上这里需要将接收到的室外信号与本机振荡器相乘，得到两路相互正交的信号，也即I、Q两路信号。I、Q两路信号相互正交，都包含室外信号s(t)的载波部分

步骤20，本地产生一组本地码并分别与室外信号相乘、积分，根据积分的结果求平方和得到积分功率值，将积分功率值最大的本地码作为匹配本地码。

本步骤可以称为粗同步的过程。I、Q两路信号分别和本地产生的一组本地码相乘后输入积分器，积分后的结果求平方和，得到积分信号功率值P1。这里的一组本地码是通过本地晶振产生的，本步骤的目的在于调整本地晶振产生的本地码的频率使与外部输入的I、Q两路信号的频率一致，也就是相位一致。当本地码相位和输入信号码相位一致时，上面得到的积分信号功率值P1有最大值；当相位不一致时，积分器输出类似噪声输出。由此本地码信号与I、Q两路信号的最大相关峰和次大相关峰，从而可以找到信号的码头位置，也就是找到了I、Q两路信号具体的相位。

之所以产生一组本地码，就是希望从中选择出一组或一个本地码的相位与室外信号相同，根据积分功率值P1的大小，可以选择到这一组本地码，从而得到与I、Q两路信号相位一致本地码，实现本地码与I、Q两路信号的“粗同步”。粗同步之后的本地码，由于与I、Q两路信号初步相同的相位，称为匹配本地码。

步骤30，根据匹配本地码生成一组本地载波，分别与室外信号相乘并积分，根据积分的结果求平方和得到积分功率值，将积分功率值最大的载波作为匹配载波。

本步骤可以称为精同步的过程，原理与步骤20相似。出于对仪器和晶振误差的考虑，本地根据匹配本地码产生一组本地载波，这组本地载波基于对室外信号载波频率的估计而产生。用I、Q两路信号分别与这组本地载波相乘后输入积分器，积分后的结果求平方和，得到积分信号功率值P2。当残留频率值（本地载波与室外信号频率的差值）f_d为零，则P2有最大值，此时实际残留频率值（本地载波的频率值）f_s与输入载波残留频率值（室外信号的频率值）f_c理论上相同，实际上比较逼近。据此可以得到f_d为零时的本地载波。

原理上，也可以调整实际残留频率值f_s使与载波残留频率值f_c相同，也即通过监测残留频率值f_d的大小，调整f_s的大小，保持f_d为零，即实现了f_s约等于f_c。

另外来说，I、Q两路信号与本地载波相乘，剥离中频载波得到输入载波与复制载波之间的相位差

当输入载波（室外信号的载波部分）与复制载波（本地载波）一致时，相位差异

为零。若认为输入载波由定位基站的原子钟作为参考时钟源产生时，误差为零，则可以通过调整本地晶振使残留频率值f_d，也即相位差异

无限逼近零，使本地获得类原子钟的高精度频率源。

步骤40，将室外信号和匹配载波通过锁相环和锁频环，获取匹配载波与室外信号实际载波的频率差，用以调整本地晶振，使匹配载波频率与室外信号的频率的差值小于预设的阈值；将此时的频率源作为室内信号频率源。

实际残留频率值f_s相当精确测定后，通过高精度数模转换器，调整本地晶振，使本地频率源逼近产生载波的室外原子钟参考源，也就是载波残留频率值f_c。具体的方法就是通过锁相环和锁频环进行载波环路调整，对产生的本地载波的频率进一步调整为实际残留频率值f_s。这里通常需要通过二阶锁相环来进行载波环路调整。

同时，由于本地频率源改变，需要将本地频率源（也就是实际残留频率值f_s）反馈给二阶锁相环，使之测定的实际残留频率值f_d也不断逼近零，由二阶系统暂态响应性质可知，实际残留频率值f_d在零附近达到稳态。这时，可以近似认为本地频率源获得类原子钟的高精度频率源。也就是说，通过上述的计算，得到了残留频率值f_d，这样，通过时刻调整本地晶振，同时监测f_d，如果f_d为0了，就说明本地的这个晶振与室外基站原子钟同频了，这样本地晶振输出的便是与室外基站同频的时钟频率了。这里的使匹配载波频率与室外信号的频率的差值小于预设的阈值，限于实际应用中的误差环境，实际上是一个不断逼近的过程，通过调整本地晶振，使匹配载波频率不断逼近室外信号的频率，直到误差在允许的范围内，此时，可以认为匹配载波频率约等于室外信号的频率。这里的预设的阈值，实际上就是误差允许的范围。

至此，完成了室内信号时钟频率与室外基站信号时钟频率的同步，室内外信号基于同样的时频基准，大大提高了室内外无缝定位的应用。

实施例二

如图2所示，为本实施例中对比、调整本地晶振原理示意图，其中，室外基站的原子钟产生室外基站信号的频率，并由室外基站信号携带，也即由室外基站载波携带。本地的室内信号增补发生器捕获室外基站信号，生成本地载波，携带由本地晶振生成的频率。对比两路载波，根据对比的结果反复调整本地晶振，使两个载波一致，相位一致，频率一致，此时，本地晶振与室外基站的原子钟具有了相同的频率，可以认为本地晶振产生的时钟频率等于室外基站原子钟的频率，由此实现了室内信号与室外信号时钟频率的一致。

实施例三

如图3所示，本发明实施例提供了一种室内信号频率源生成系统，该装置包括信号获取单元100、粗同步单元200、环路跟踪单元300和驯服校验单元400，具体如下：

信号获取单元100，用于获取室外基站发送的室外信号。

粗同步单元200，用于在本地产生一组本地码并分别与室外信号相乘、积分，根据积分的结果求平方和得到积分功率值，将积分功率值最大的本地码作为匹配本地码。

环路跟踪单元300，用于根据匹配本地码生成一组本地载波，分别与室外信号相乘并积分，根据积分的结果求平方和得到积分功率值，得到积分功率值最大的载波作为匹配载波。

驯服校验单元400，用于将室外信号和匹配载波通过锁相环和锁频环，获取匹配载波与室外信号实际载波的频率差，用以调整本地晶振，使匹配载波频率与室外信号的频率的差值小于预设的阈值；将此时的频率源作为室内信号频率源。

进一步的，如图4所示，该系统还包括信号捕获单元500，用于根据室外信号生成相互正交的I、Q两路信号，将I、Q两路信号作为室外信号发送给粗同步单元200和环路跟踪单元300。

粗同步单元200和环路跟踪单元300将I、Q两路信号作为室外信号进行后续操作。

进一步的，该系统还包括反馈单元600，用于实时将匹配载波的频率反馈给驯服校验单元400；

驯服校验单元400根据实时反馈的频率，使测定的匹配载波与室外信号实际载波的频率差（残留频率值）不断逼近零。

进一步的，该系统还包括晶振单元700，用于产生本地时钟频率。

综上，本发明各个实施例通过获取室外定位基站的室外信号，捕获该信号后与本地产生的本地码进行相乘积分，结果求平方和后，根据积分功率值的大小来调整本地码相位以与接收的室外信号相位一致。再通过测定室外信号的频率与本地载波频率的差值来进一步调整本地载波的频率值，使与定位基站频率精同步。通过锁相环和本地晶振，产生与室外基站室外信号相位一致的时钟频率。本发明实施例的方案，可以产生与室外定位基站一致的室内信号频率，使室内定位获得类室外定位基站原子钟的高精度频率源,并与室外定位基站保持一致，为室内外定位系统的无缝衔接奠定基础。

需要说明的是：上述实施例提供的室内信号频率生成系统在生成室内信号频率时，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将系统的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。另外，上述实施例提供的室内信号频率源生成方法与室内信号频率生成系统实施例属于同一构思，其具体实现过程详见方法实施例，这里不再赘述。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种室内信号频率源生成方法，其特征在于，所述方法包括：

获取室外基站发送的室外信号；

本地产生一组本地码并分别与所述室外信号相乘、积分，根据积分的结果求平方和得到积分功率值，将所述积分功率值最大的本地码作为匹配本地码；

根据所述匹配本地码生成一组本地载波，分别与所述室外信号相乘并积分，根据所述积分的结果求平方和得到积分功率值，将所述积分功率值最大的载波作为匹配载波；

将所述室外信号和匹配载波通过锁相环和锁频环，获取所述匹配载波与室外信号实际载波的频率差，用以调整本地晶振，使所述匹配载波频率与所述室外信号的频率的差值小于预设的阈值；将此时的频率源作为室内信号频率源。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述本地产生一组本地码并分别与所述室外信号相乘、积分，根据积分的结果求平方和得到的积分功率值，将所述积分功率值最大的本地码作为匹配本地码，包括：

根据所述室外信号生成相互正交的I、Q两路信号；

I、Q两路信号分别和本地产生的一组本地码相乘后输入积分器，积分后的结果求平方和，得到积分信号功率P1；

当所述本地码相位和I、Q两路信号相位一致时，P1有最大值，获取P1为最大值的本地码，作为匹配本地码。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述匹配本地码生成一组本地载波，分别与所述室外信号相乘并积分，根据所述积分的结果求平方和得到积分功率值，将所述积分功率值最大的载波作为匹配载波，包括：

根据所述室外信号生成相互正交的I、Q两路信号；

I、Q两路信号分别与根据所述匹配本地码生成的一组本地载波相乘后输入积分器，积分后的结果求平方和，得到积分信号功率P2；

当残留频率值f_d为零，则P2有最大值，此时实际残留频率值f_s与输入载波残留频率f_c相同；据此获取残留频率值f_d为零时的本地载波作为匹配载波。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述室外信号和匹配载波通过锁相环和锁频环，获取所述匹配载波与室外信号实际载波的频率差，用以调整本地晶振，使所述匹配载波频率与所述室外信号的频率的差值小于预设的阈值，包括：

将所述室外信号和匹配载波输入锁相环和锁频环，通过环路跟踪调整，获取所述匹配载波与室外信号实际载波的频率差f_d，当f_d为零，则匹配载波的频率f_s与室外信号的频率f_c相同；

据此调整本地晶振，使产生的所述匹配载波的频率f_s与所述室外信号的频率的差值小于预设的阈值。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将此时的频率源作为室内室外信号频率源，包括：

获取所述匹配载波频率逼近所述室外信号的频率时本地频率源的频率，将所述频率作为室内室外信号频率源产生的频率。

6.如权利要求3~5任一所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

实时将所述匹配载波的频率反馈给所述锁相环和锁频环，使测定的所述匹配载波与室外信号实际载波的频率差不断逼近零。

7.一种室内信号频率源生成系统，其特征在于，所述系统包括信号获取单元、粗同步单元、环路跟踪单元和驯服校验单元，其中：

所述信号获取单元，用于获取室外基站发送的室外信号；

所述粗同步单元，用于在本地产生一组本地码并分别与所述室外信号相乘、积分，根据积分的结果求平方和得到积分功率值，将所述积分功率值最大的本地码作为匹配本地码；

所述环路跟踪单元，用于根据所述匹配本地码生成一组本地载波，分别与所述室外信号相乘并积分，根据所述积分的结果求平方和得到积分功率值，得到所述积分功率值最大的载波作为匹配载波；

所述驯服校验单元，用于将所述室外信号和匹配载波通过锁相环和锁频环，获取所述匹配载波与室外信号实际载波的频率差，用以调整本地晶振，使所述匹配载波频率与所述室外信号的频率的差值小于预设的阈值；将此时的频率源作为室内信号频率源。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括信号捕获单元，用于根据所述室外信号生成相互正交的I、Q两路信号，将I、Q两路信号作为室外信号发送给所述粗同步单元和环路跟踪单元。

9.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括反馈单元，用于实时将所述匹配载波的频率反馈给所述驯服校验单元；

所述驯服校验单元根据所述实时反馈的频率，使测定的所述匹配载波与室外信号实际载波的频率差不断逼近零。

10.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括晶振单元，用于产生本地时钟频率。

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