CN105898707B - 具有二次扩频精确测距功能的矿井wifi系统及实现方法 - Google Patents

Abstract

WIFI技术适用于矿井宽带无线传输及通信，但其测距能力薄弱导致定位不准确，为此，本发明提供了一种具有二次扩频精确测距功能的矿井WIFI系统。在移动站上采用m序列对测距的WIFI信号进行二次扩频，基站设计双数字匹配滤波器扩频码捕获算法对此测距信号进行捕获：高速数字匹配滤波器对二次扩频信号的m序列进行捕获，获得精测时间，精测时间决定了测距精度为0.49m；低速的数字滤波器对WIFI信号的Barker序列进行捕获，得到粗测时间，粗测时间决定了测距范围为300m。系统特别为测距设计了两个独立于现有WIFI系统的MAC控制帧，测距不影响系统的正常WIFI通信。本发明为在矿井WIFI系统上开发人员精确定位系统提供了可靠的技术支持。

Description

具有二次扩频精确测距功能的矿井WIFI系统及实现方法

技术领域

本发明涉及一种在WIFI通信系统中进行精确测距的方法，具体是在传统的WIFI通信系统中采用直接序列对WIFI信号进行二次扩频以实现WIFI系统的精确测距，属无线电/WIFI定位技术领域，适用于煤矿井下通信系统与工作人员定位系统的集成。

背景技术

井下人员定位系统和矿井通信联络系统属于煤矿“六大安全避险系统”，对保障煤矿安全生产发挥重大作用。WIFI技术在各行各业中已被广泛使用，其具有传输距离远、带宽高、组网容易的特点，基站的部署便捷，可移动的终端能就近接入系统，另外，还可统一进入工业以太网，不需要另布有线通信网络，这些先天的优越性，适应矿井无线通信的环境需求，在部分煤矿企业中已经有较为成熟的应用。

任何定位系统，首先要获取移动目标与定位基站之间的距离。一般的无线定位系统，都可以归纳于基于时间测距的系统和基于信号强度测距的系统。WIFI通常被认为是基于信号强度测距的：它采用测算节点之间连接信号强度(RSSI)的方法，利用无线信号传输衰减模型估算出节点间传输距离。由于多径、障碍物、绕射等因素，无线电传播路径损耗是不确定的，与理论值相比有较大差距，地面上，RSSI达到3m精度的最大测量范围在10-20m，而在井下，多径更为严重，电磁环境更为恶劣，故而原有的WIFI定位机制不适用于矿井。根据WIFI标准，直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS)技术是其物理层采用的主要实现方式，IEEE802.11商业应用采用扩频码片是长度为11BAKER码，处理增益10dB左右，直接以WIFI的物理信号作为测距信号，其时间精度显然不够，故一般WIFI系统不提供基于时间的测距方法。

由于以上的一些因素，现有的WIFI通信技术，并不能提供精确的测距数据，只能提供大致的定位范围，没有办法在一般通用的WIFI设备上来获取所需要的精确距离信息，因而无法在现有的WIFI通信系统上建设精确的人员定位系统。在WIFI通信系统外，还需要另建井下的人员定位系统，会导致井下的人员定位系统和通信系统相互独立，信息无法共享和交互。不利于管理和信息的综合处理，同时也导致了井下的通信线路的二次建设，增加整体系统维护的难度。因此，为了更好地发挥WIFI技术在矿井无线宽带应用的优势，解决WIFI系统的测距瓶颈，在原有的系统上提高测距能力，对于在煤矿WIFI平台上建立人员定位和通信联络一体化的系统具有重要意义。

发明内容

为了解决现有WIFI系统不能提供精确的测距信息的固有系统问题，本发明提供了一种具有二次扩频精确测距功能的矿井WIFI通信系统及实现方法，利用已有的WIFI平台，采用了 DSSS-DSSS结合的信号新体制，在不影响原有WIFI系统正常工作情况下，扩频复用WIFI信号，提高WIFI信号码速，利用FPGA处理器PN码捕获二次扩频后的WIFI信号，可获得通信双方更高精度的信号传播时间，实现二者间精确的测距，为煤矿井下人员精确定位系统建设提供了可靠的技术支持。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种具有二次扩频精确测距功能的矿井WIFI系统，包括具有扩频测距功能的WIFI基站和具有二次扩频功能的WIFI移动站；

所述的WIFI基站包括基站WIFI模块、多载波扩频解调器、FPGA处理器、基站射频收发器、基站信号通道选择开关、基站双工器；所述的基站射频收发器与基站双工器双向连接，所述基站WIFI模块的输出端口与基站射频收发器的发射信号输入端口连接，用于将生成的测距询问帧及其它的WIFI帧通过基站射频收发器经基站双工器发送给WIFI移动站；所述基站信号通道选择开关的一端与基站射频收发器的接收信号输出端口连接，另一端有两个连接口，其中一个连接口与基站WIFI模块的输入端口连接，形成通常的WIFI信号接收通道，另一个连接口与多载波扩频解调器的信号输入端口连接，经多载波扩频解调器的信号输出端口连接到基站 WIFI模块的输入端口上，形成测距信号接收通道；基站WIFI模块与FPGA处理器双向连接；所述的多载波扩频解调器用于对基站收到的二次扩频WIFI信号进行载波解调，它的一个输出口与FPGA处理器的输入端口连接，用以将载波解调后形成的数字基带信号送入FPGA处理器进行二次扩频信号的同步捕获；FPGA处理器的一个输出端口与多载波扩频解调器的一个输入端口连接，将FPGA处理器生成的本地解扩码送入多载波扩频解调器，用以对二次扩频信号进行解扩，测距信号经解调解扩后的送入基站WIFI模块；FPGA处理器对二次扩频信号成功捕获的同时，利用获得的同步时间进行精确测距；所述的FPGA处理器控制端口分别与其它各模块相连，控制各模块协调工作；

所述的WIFI移动站包括移动站WIFI模块、多载波扩频调制器、微控制器、移动站射频收发器、移动站双工器和移动站信号通道选择开关，所述移动站射频收发器与移动站双工器双向连接，所述移动站射频收发器的接收信号输出端口与移动站WIFI模块的输入端口连接，用于将接收到的测距询问帧及其它的WIFI帧发送给移动站WIFI模块；所述移动站信号通道选择开关一端与移动站WIFI模块的输出端口连接，另一端有两个连接口，其中一个连接口与移动站射频收发器的发射信号输入端口连接，形成通常的WIFI信号发送通道，另一个连接口与多载波扩频调制器的信号输入端口连接，经多载波扩频调制器的信号输出端口连接到移动站射频收发器的发射信号输入端口上，形成测距信号发送通道；移动站WIFI模块根据测距询问帧生成测距响应帧，并进行第一次扩频，多载波扩频调制器对移动站WIFI模块送入的测距响应帧进行第二次扩频，经过二次扩频后的测距响应帧通过移动站射频收发器经移动站双工器发送给WIFI基站；所述的微控制器控制端口分别与其它各模块相连，控制各模块协调工作。

系统通过特定的测距询问帧/测距响应帧来启动WIFI基站与指定的WIFI移动站之间的测距功能并完成二者之间距离的测定。

所述的测距询问帧、测距响应帧均由帧控制、持续时间、接收站点地址、发送站点地址、帧校验序列5个域组成；测距询问帧的类型为控制帧，其子帧类型为0001，为802.11协议保留未用，持续时间为一个测距响应帧时间外加三个短帧间间隔；测距响应帧的类型为控制帧，其子帧类型为0010，为802.11协议保留未用，持续时间为一个短帧间间隔。

所述的二次扩频采用了直接序列扩频体制：在WIFI的物理层采用长度为11的Barker 码对测距响应帧扩频，采用BPSK调制；多载波扩频调制器采用m序列对测距响应帧进行第二次扩频，m序列码长为7。

所述的WIFI基站包括基站接口层部件，提供了UART、SPI、GPIO、USB数据通讯接口；所述的WIFI移动站包括移动站接口层部件，提供了UART、SPI、GPIO、USB数据通讯接口。

所述的基站射频收发器及移动站射频收发器均支持802.11n协议。

实现二次扩频进行精确测距功能的方法包括以下步骤：

(1)WIFI基站启动精确测距功能，由基站WIFI模块生成测距询问帧，并将所述的测距询问帧经基站射频收发器发送给WIFI移动站，同时FPGA处理器控制基站通道选择开关选择连通测距信号接收通道；

(2)WIFI移动站接收到所述的测距询问帧，由移动站WIFI模块根据所述的测距询问帧生成测距响应帧，同时微处理器控制移动站信号通道选择开关连通测距信号发送通道；

(3)WIFI移动站启动二次扩频功能，由多载波扩频调制器对所述的测距响应帧进行二次扩频，将二次扩频后的测距响应帧经移动站射频收发器发送给所述的WIFI基站，然后微处理器控制移动站信号通道选择开关置为正常的WIFI信号通道；

(4)所述的WIFI基站通过基站射频收发器接收二次扩频后的测距响应帧，并由基站射频收发器将二次扩频后的测距响应帧发送给多载波扩频解调器，所述的多载波扩频解调器对二次扩频后的测距响应帧进行解调形成数字基带信号，并将所述的数字基带信号发送给FPGA 处理器；

(5)所述的FPGA处理器设置高速的亚码片级数字匹配滤波器和低速的数字匹配滤波器相配合的双数字匹配滤波器扩频码捕获算法，通过所述的双数字匹配滤波器扩频码捕获算法产生本地m序列解扩码，FPGA处理器获得二次扩频后的测距响应帧的传播时间，计算得到所述的WIFI基站与WIFI移动站之间的距离；

(6)基站WIFI模块根据所述的测距响应帧得到此次测距过程的数据信息，所述的数据信息包括WIFI移动站地址、测距时刻。

所述步骤(3)中，多载波调制采用正交频分复用技术，其调制子载波分别占据WIFI的奇数信道。

所述步骤(5)中，双数字匹配滤波器扩频码捕获算法包括下列步骤：

A.设置捕获m序列的高速亚码片级数字匹配滤波器抽头系数LPNm及捕获Barker码的低速数字匹配滤波器抽头系数LPNb，并设置好相应的捕获门限值；

B.对输入的数字基带信号8倍码速采样，Tc为m序列的码元宽度，则采样时钟为Tc/8，采样信号按顺序存入移位寄存器Rm中；

C.延时一个Tc，将移位寄存器Rm的值与LPNm作相关运算，运算值与所设置的门限值相比较，如未超过门限值，则再重复本步骤，直至超过门限值为止，记下本步骤重复次数ic；

D.将当前移位寄存器Rm分别前后各移1位，均延时7Tc后，分别与LPNm作相关运算，比较前移和后移两种情况下相关运算的相关值，确定相关值增加的方向；

E.将Rm按相关值增加的方向移动1位，延时7Tc后，与LPNm作相关运算，如果相关值仍然递增，则重复执行本步骤，直至相关运算值不再增加为止，记下移位寄存器Rm的移位次数isc；

F.得到m序列的传播延时：tac＝ic*Tc+isc*1/8Tc，并依据该延时产生本地m序列解扩码，对接收数据进行m序列码解扩；

G.对输入的已进行m序列解扩的数字基带信号进行采样，此时降低采样频率，采样时钟为一个Barker码持续时间Tb，采样信号存入移位寄存器RB中；

H.延时Tb，将RB与LPNb做相关运算，相关运算值如未超过所设置的门限值，则重复本步骤，直至超过门限值为止，记下重复次数ib；

I.利用sy来表示Barker码相关峰值位置关系，若相关值滞后峰值，sy＝1，否则，sy＝-1；得到测距响应帧传播时间：tp＝ib*Tb+sy*tac，计算出WIFI基站与移动站之间的距离：d＝tp*c； c为光速。

本发明有以下4点有益效果：

1.在现有的WIFI系统上集成了精确的测距功能，利用已有的通信网络，无需在无线接入网侧增加设备，对网络结构不做任何改动，即可获得精确的测距数据，有效解决了在现有的WIFI通信系统上建设人员定位系统的难题，为人员定位系统，矿井通信联络一体化建设提供了可靠的技术支持，从而避免井下的人员定位系统的二次建设，节约了财力和人力成本，有利于系统整体的维护和升级。

2.所提供的测距方法利用了WIFI保留帧构造了测距过程所用到的测距询问帧/测距响应帧，无缝对接802.11协议，透明地在WIFI系统中嵌入了基于时间的测距功能，这种测距功能的集成，由于不会对原有WIFI的MAC层协议造成影响，不用改变WIFI内部硬件结构，测距并不干涉或影响WIFI的通信功能，因此，本发明应用于矿井定位系统和通信系统建设，能充分保证定位系统和通信系统的兼容性，信息可以共享和交互。方便系统管理和信息的综合处理。

3.测距性能突出，具有实时性，测量距离长，测距精度高，的特点。测距询问帧/测距响应帧的构造，只包括基本的帧域，帧长很短，而且持续时间设定为最短的SIFS(短帧间间隔)，即帧间隔不超过84微秒，捕获算法是在高速FPGA处理器完成的，因此，一次测距过程不超1ms，具有实时性。测量范围取决于一个WIFI同步头符号所持续的时间，WIFI同步头符号码速为1Mb/s，因此，测距范围可达300m，这个范围与WIFI在煤矿井下的覆盖范围大致一样，远远超过WIFI原有的基于RSSI测量范围。基于高速FPGA所设计的1/8亚码片级的数字匹配滤波器实现m序列的捕获，二次扩频码长为7，WIFI自身扩频码长11，故整体测距精度为0.48m，适合人员定位系统的精度要求。

4.系统具有抗多径干扰能力。扩频技术具有较强的抗多径干扰能力，而本发明采用的是双扩频技术进行测距，因此，能够矿井空间狭窄，多径损耗严重的环境。

附图说明

图1是本发明系统的组成原理图。

图2是本发明测距询问帧/测距响应帧示意图。

图3是本发明多载波扩频调制器的组成框图。

图4是本发明多载波扩频解调器的组成框图。

图5是本发明双数字匹配滤波器扩频码捕获算法流程图。

图中1.具有扩频测距功能的WIFI基站，2.具有二次扩频功能的WIFI移动站。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明系统的组成框图，不执行测距功能时，具有扩频测距功能的WIFI基站1与具有二次扩频功能的WIFI移动站2之间进行的是距常的WIFI通信。此时，它们相当于一般意义上的WIFI基站和WIFI移动站。

执行测距时，WIFI基站1中的基站WIFI模块11生成特定的测距询问帧，测距询问帧格式如图2所示，由帧控制、持续时间、接收站点地址、发送站点地址、帧校验序列5个域组成，特别地，测距询问帧的类型为控制帧，其子帧类型为0001，为802.11协议保留未用，不会对原有WIFI的MAC层协议造成影响，其中，接收站点地址指示执行测距的WIFI移动站，即接收测距询问帧的WIFI移动站地址，发送站点地址是指发出测距询问帧的WIFI基站地址。测距询问帧经基站射频收发器14通过基站双工器15经天线发射，这个过程跟一般的WIFI信号传播一样。同时，在FPGA处理器10控制下，基站选择开关13连通信号的测距接收通道。

WIFI移动站2接收到WIFI基站1发来的测距询问帧，由移动站WIFI模块21生成特定的测距响应帧，测距响应帧格式如图2所示，类型为控制帧，其子帧类型为0010，为802.11协议保留未用，持续时间为一个SIFS(短帧间间隔)，由帧控制、持续时间、接收站点地址、发送站点地址、帧校验序列5个域组成，其中的接收站点地址从测距询问帧的发送站点地址复制得到。与此同时，在微控制器20控制下，移动站选择开关23指向信号的测距发送通道，为说明问题方便，设测距响应帧加上物理层帧头后，可表示成：T_d是一位数据bit持续时间，根据WIFI协议，T_d＝1×10^-6秒，移动站WIFI模块21对d(t)进行第一次扩频，扩频码为11位Barker码，表示为：T_b＝T_d/11，则WIFI 测距询问帧可表示为：s_w(t)＝b(t)d(t)；s_w(t)经移动站选择开关23进入到多载波扩频调制器 22中进行二次扩频，多载波扩频调制器22结构如图3所示，3级m序列发生器在时钟电路控制下，产生长度为7的m序列，表示成：其中T_c＝T_b/7；s_w(t)首先经过一个串并转换电路，分成7路，在7个子载波通道内完成扩频操作，多载波扩频调制器22内有7个载波调制器以及7个频率振荡器，分别利用WIFI的1，3，5，7，9，11，13信道完成 OFDM扩频调制，这样，能够将扩频后的信号带宽限制在ISM所要求的带宽内，满足WIFI信号带宽要求。经多载波扩频调制器22出来的信号可表示成：经移动站射频收发器24及移动站双工器25发射。同时，微控制器20控制移动站选择开关 23指向正常的WIFI通信通道。

WIFI基站1接收到经二次扩频的测距响应帧，送入多载波扩频解调器12中解调解扩。其中FPGA实现m序列的同步捕获。图4所示的是多载波扩频解调器12与FPGA处理器10联合的解调解扩系统，多载波扩频解调器12提供了7个通道的子载波解调器及相应的振荡器，各子载波通道经载波解调后，经过由时钟电路控制的并/串转换电路，得到的数字带信号可表示为：其中，tco′及tac′表示由于信号的传播引起接收到的信号与原信号之间的时延。将r_c(t)经I/O口送入FPGA进行扩频码同步捕获，扩频码同步捕获算法如图5所示，具体过程分如下两步，第一步，在高速亚码片级数字匹配滤波器实现m 序列的捕获，获得时间时延tac，生成本地m序列解扩码：

1.设置捕获m序列的高速亚码片级数字匹配滤波器LPNm及捕获Barker码的低速数字匹配滤波器抽头系数LPNb，并设置相应的门限值mThValue及bThValue；

2.对输入的数字基带信号8倍采样，采样时钟Tsa＝Tc/8，Tc为m序列的码元宽度，采样信号存入移位寄存器Rm中。

3.延时Tc，LPNm与Rm作相关运算，运算值RmValue与门限值mThValue相比较，如未超过门限值mThValue，则再重复本步骤。重复一次，计数器ic自增1；

4.设置跟踪标志TFlag＝RmValue；跟踪计数器isc＝0，将Rm前移1位，isc＝isc+1；延时 7Tc后，LPNm与Rm作相关运算，运算值RmValue与跟踪标志Tflag比较，如未超过，isc置0后转步骤6，否则顺序执行5；

5.将Rm前移1位，isc＝isc+1；延时7Tc后，LPNm与Rm作相关运算，运算值RmValue与跟踪标志Tflag比较，如超过，则TFlag＝RmValue；并再次执行此步骤，一直重复到RmValue低于跟踪标志Tflag，转步骤7；

6.将Rm后移1位，isc＝isc-1；延时7Tc后，LPNm与Rm作相关运算，运算值RmValue与跟踪标志Tflag比较，如超过，则TFlag＝RmValue；并再次执行此步骤，一直重复到RmValue低于跟踪标志Tflag；

7.捕获m序列成功，并得到序列的传播延时：tac＝ic*Tc+isc*1/8Tc，并依据此时延产生本地m序列对接收数据进行解扩；

如图4所示，第一步算法产生的本地m序列，与接收的r_c(t)相乘，可表示为：其中tac是实际时延tac′的逼近，误差不超过1/8码片，因此，解扩后，得到通常的WIFI信号：以上m序列的捕获，最长在两个Barker码片周期内实现粗同步，最长在4个Barker码片周期内将捕获的时间误差限制在1/8码片内。

第二步，将上一步解扩的数字基带信号再次引入FPGA，由FPGA内部的低速数字匹配滤波器进行Barker码的捕获，这一步仅仅是需要得到Barker码的粗同步：

1.对输入的基带信号降低采样频率，采样时间为Tsa＝Tb，Tb为一个Barker码持续时间，采样信号存入移位寄存器RB中，将计数器ib置0。

2.延时Tb，将RB与LPNb做相关运算，RbValue如未超过bThValue，则重复本步骤，直至超过为止；重复一次，计数器ib自增1。

3.可求得teo＝ib*Tb；则tco为实际时延tco′的逼近；设syflag＝RbValue，延时Tb，将 RB与LPNb做相关运算，运算值RbValue如大于syflag，则sy＝-1；反之，sy＝1；

以上操作，最多在11个WIFI符号周期内完成。

综合以上两步，得到测距响应帧传播时间：tp＝tco+sy*tac。

由基站WIFI模块11得到发送测距响应帧的WIFI移动站地址，从而计算出WIFI基站与 WIFI移动站之间的距离：d＝tp*c；c为光速。计算结果及其它相应数据可放至SRAM16中保存，供其它进程调用。

FPGA处理器10控制基站选择开关13指向正常的WIFI信号通道，结束此次测距操作。

通过以上结合附图对本发明实施例的具体描述，PN码捕获算法不超过13个WIFI符号周期，因此，测距的时间主要取决于测距询问帧和测距响应帧的发送和接收时间。测距询问帧和测距响应帧设置成短的控制帧，帧长20字节，加上物理头的24字节，实际物理发送为44字节，符号速率为1Mb/s，两个帧发送时间大约为504微秒，时间帧间3个SIFS时间共计 84微秒，所以一般情况下，测距时间不超过600微秒，具有实时性。所采用的双扩频方法提高了时间分辨率，分辨率为1/11/7/8＝1.62×10^-9s，因此，测距精度可达到0.48m，测距范围定为一个WIFI码周期所持续的时间，即一个WIFI数据码的持续时间，光所能传播的距离，则测距范围为300m。

Claims (9)

1.一种具有二次扩频精确测距功能的矿井WIFI系统，其特征在于：所述的矿井WIFI系统包括具有扩频测距功能的WIFI基站和具有二次扩频功能的WIFI移动站；

所述的WIFI基站包括基站WIFI模块、多载波扩频解调器、FPGA处理器、基站射频收发器、基站信号通道选择开关、基站双工器；所述的基站射频收发器与基站双工器双向连接，所述基站WIFI模块的输出端口与基站射频收发器的发射信号输入端口连接，用于将生成的测距询问帧及其它的WIFI帧通过基站射频收发器经基站双工器发送给WIFI移动站；所述基站信号通道选择开关的一端与基站射频收发器的接收信号输出端口连接，另一端有两个连接口，其中一个连接口与基站WIFI模块的输入端口连接，形成通常的WIFI信号接收通道，另一个连接口与多载波扩频解调器的信号输入端口连接，经多载波扩频解调器的信号输出端口连接到基站WIFI模块的输入端口上，形成测距信号接收通道；基站WIFI模块与FPGA处理器双向连接；所述的多载波扩频解调器用于对基站收到的二次扩频WIFI信号进行载波解调，它的一个输出口与FPGA处理器的输入端口连接，用以将载波解调后形成的数字基带信号送入FPGA处理器进行二次扩频信号的同步捕获；FPGA处理器的一个输出端口与多载波扩频解调器的一个输入端口连接，将FPGA处理器生成的本地解扩码送入多载波扩频解调器，用以对二次扩频信号进行解扩，测距信号经解调解扩后送入基站WIFI模块；FPGA处理器对二次扩频信号成功捕获的同时，利用获得的同步时间进行精确测距；所述的FPGA处理器控制端口分别与基站WIFI模块、多载波扩频解调器和基站信号通道选择开关的控制端口相连，控制所连接的各模块协调工作；

所述的WIFI移动站包括移动站WIFI模块、多载波扩频调制器、微控制器、移动站射频收发器、移动站双工器和移动站信号通道选择开关，所述移动站射频收发器与移动站双工器双向连接，所述移动站射频收发器的接收信号输出端口与移动站WIFI模块的输入端口连接，用于将接收到的测距询问帧及其它的WIFI帧发送给移动站WIFI模块；所述移动站信号通道选择开关一端与移动站WIFI模块的输出端口连接，另一端有两个连接口，其中一个连接口与移动站射频收发器的发射信号输入端口连接，形成通常的WIFI信号发送通道，另一个连接口与多载波扩频调制器的信号输入端口连接，经多载波扩频调制器的信号输出端口连接到移动站射频收发器的发射信号输入端口上，形成测距信号发送通道；移动站WIFI模块根据测距询问帧生成测距响应帧，并进行第一次扩频，多载波扩频调制器对移动站WIFI模块送入的测距响应帧进行第二次扩频，经过二次扩频后的测距响应帧通过移动站射频收发器经移动站双工器发送给WIFI基站；所述的微控制器控制端口分别与移动站WIFI模块和移动站信号通道选择开关的控制端口相连，控制所连接模块协调工作。

2.根据权利要求1所述的一种具有二次扩频精确测距功能的矿井WIFI系统，其特征在于，系统通过特定的测距询问帧/测距响应帧来启动WIFI基站与指定的WIFI移动站之间的测距功能并完成二者之间距离的测定。

3.根据权利要求2所述的一种具有二次扩频精确测距功能的矿井WIFI系统，其特征在于，所述的测距询问帧、测距响应帧均由帧控制、持续时间、接收站点地址、发送站点地址、帧校验序列5个域组成；测距询问帧的类型为控制帧，其子帧类型为0001，为802.11协议保留未用，持续时间为一个测距响应帧时间外加三个短帧间间隔；测距响应帧的类型为控制帧，其子帧类型为0010，为802.11协议保留未用，持续时间为一个短帧间间隔。

4.根据权利要求3所述的一种具有二次扩频精确测距功能的矿井WIFI系统，其特征在于，所述的二次扩频采用了直接序列扩频体制：在WIFI的物理层采用长度为11的Barker码对测距响应帧扩频，采用BPSK调制；多载波扩频调制器采用m序列对测距响应帧进行第二次扩频，m序列码长为7。

5.根据权利要求1所述的一种具有二次扩频精确测距功能的矿井WIFI系统，其特征在于，所述的WIFI基站包括基站接口层部件，提供了UART、SPI、GPIO、USB数据通讯接口；所述的WIFI移动站包括移动站接口层部件，提供了UART、SPI、GPIO、USB数据通讯接口。

6.根据权利要求1所述的一种具有二次扩频精确测距功能的矿井WIFI系统，其特征在于，所述的基站射频收发器及移动站射频收发器均支持802.11n协议。

7.一种实现如权利要求1所述系统中的所述二次扩频精确测距功能的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)WIFI基站启动精确测距功能，由基站WIFI模块生成测距询问帧，并将所述的测距询问帧经基站射频收发器发送给WIFI移动站，同时FPGA处理器控制基站通道选择开关选择连通测距信号接收通道；

(2)WIFI移动站接收到所述的测距询问帧，由移动站WIFI模块根据所述的测距询问帧生成测距响应帧，同时微处理器控制移动站信号通道选择开关连通测距信号发送通道；

(3)WIFI移动站启动二次扩频功能，由多载波扩频调制器对所述的测距响应帧进行二次扩频，将二次扩频后的测距响应帧经移动站射频收发器发送给所述的WIFI基站，然后微处理器控制移动站信号通道选择开关置为正常的WIFI信号通道；

(4)所述的WIFI基站通过基站射频收发器接收二次扩频后的测距响应帧，并由基站射频收发器将二次扩频后的测距响应帧发送给多载波扩频解调器，所述的多载波扩频解调器对二次扩频后的测距响应帧进行解调形成数字基带信号，并将所述的数字基带信号发送给FPGA处理器；

(5)所述的FPGA处理器设置高速的亚码片级数字匹配滤波器和低速的数字匹配滤波器相配合的双数字匹配滤波器扩频码捕获算法，通过所述的双数字匹配滤波器扩频码捕获算法产生本地m序列解扩码，FPGA处理器获得二次扩频后的测距响应帧的传播时间，计算得到所述的WIFI基站与WIFI移动站之间的距离；

(6)基站WIFI模块根据所述的测距响应帧得到此次测距过程的数据信息，所述的数据信息包括WIFI移动站地址、测距时刻。

8.根据权利要求7所述的实现二次扩频精确测距功能的方法，其特征在于，步骤(3)中，多载波调制采用正交频分复用技术，其调制子载波分别占据WIFI的奇数信道。

9.根据权利要求7所述的实现二次扩频精确测距功能的方法，其特征在于，步骤(5)中，双数字匹配滤波器扩频码捕获算法包括下列步骤：

(1)设置捕获m序列的高速亚码片级数字匹配滤波器抽头系数LPNm及捕获Barker码的低速数字匹配滤波器抽头系数LPNb，并设置好相应的捕获门限值；

(2)对输入的数字基带信号8倍码速采样，Tc为m序列的码元宽度，则采样时钟为Tc/8，采样信号按顺序存入移位寄存器Rm中；

(3)延时一个Tc，将移位寄存器Rm的值与LPNm作相关运算，运算值与所设置的门限值相比较，如未超过门限值，则再重复本步骤直至超过门限值，记下本步骤重复次数ic；

(4)将当前移位寄存器Rm分别前后各移1位，均延时7Tc后，分别与LPNm作相关运算，比较前移和后移两种情况下相关运算的相关值，确定相关值增加的方向；

(5)将Rm按相关值增加的方向移动1位，延时7Tc后，与LPNm作相关运算，如果相关值仍然递增，则重复执行本步骤，直至相关运算值不再增加为止，记下移位寄存器Rm的移位次数isc；

(6)得到m序列的传播延时：tac＝ic*Tc+isc*1/8Tc，并依据该延时产生本地m序列解扩码，对接收数据进行m序列码解扩；

(7)对输入的已进行m序列解扩的数字基带信号进行采样，此时降低采样频率，采样时钟为一个Barker码持续时间Tb，采样信号存入移位寄存器RB中；

(8)延时Tb，将RB与LPNb做相关运算，相关运算值如未超过所设置的门限值，则重复本步骤，直至超过门限值为止，记下重复次数ib；

(9)利用sy来表示Barker码相关峰值位置关系，若相关值滞后峰值，sy＝1，否则，sy＝-1；得到测距响应帧传播时间：tp＝ib*Tb+sy*tac，计算出WIFI基站与WIFI移动站之间的距离：d＝tp*c；c为光速。