CN106199567A - 一种近场电磁场测距系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种近场电磁场测距系统，系统实时性强。所述系统包括：信号获取模块，用于获取接收信号，接收信号包括：电场成分与磁场成分；时延估计模块，用于依据当前采样周期的电磁场时延获取当前采样周期与下一个采样周期之间的接收信号中电场成分和磁场成分之间的时延差值，并依据当前采样周期的电磁场时延及获取的时延差值，得到下一采样周期的电磁场时延估计值，以便实时估计接收信号中电场成分和磁场成分之间的电磁场时延；频率确定模块，用于确定接收信号的频率；距离确定模块，用于依据实时估计得到的接收信号中电场成分和磁场成分之间的电磁场时延及接收信号的频率，确定测距目标之间的通信距离。本发明适用于通信技术领域。

Description

一种近场电磁场测距系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是指一种近场电磁场测距系统。

背景技术

近年来，随着无线通信技术的发展，定位技术受到越来越多的关注。但是由于应用环境的复杂性，常用的高频无线信号(如超宽带，WIFI)，存在多径干扰和衰减严重的问题，影响定位精度。

现有技术一，专利CN100338478C提出了一种近场电磁场定位系统，该系统是利用近场电磁场测距(Near Field Electromagnetic Ranging，NFER)技术来实现实时定位的系统，并利用低频信号能够更好地穿透建筑物的特点，有效地减少多径干扰，同时能够提高在非视距情况下的定位精度，其中，近场表示存在于距电磁辐射源(例如，发射天线)一个波长范围内的电磁场。NFER是利用电场天线和磁场天线在近场分别接收发射信号的电场成分和磁场成分，然后利用近场电磁场之间的相位差与通信距离之间的关系来确定测距目标之间的通信距离，利用鉴相器测量接收信号中电场成分和磁场成分的相位差不仅需要发射信号的先验频谱知识，还需要电场成分信号处理通道和磁场成分信号处理通道同步工作，因此同步精度会影响鉴相器对电磁场相位的鉴别精度，进而影响测距精度，系统结构复杂且对系统工作条件要求高。

现有技术二，专利CN104914426A提供一种基于自适应时延估计(Adaptive TimeDelay Estimation，ATDE)的近场测距系统及方法，有效的规避了传统鉴相器存在的种种问题。ATDE算法能够在每个采样周期更新时延估计值，因此可用于实时测距系统中，但在高采样率的条件下，由于现有数字器件速度的限制，无法在一个采样周期内完成所需运算，达不到实时性要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种近场电磁场测距系统，以解决现有技术所存在的数字系统在高采样率条件下不能达到实时性要求的问题。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种近场电磁场测距系统，包括：

信号获取模块，用于获取接收信号，所述接收信号包括：电场成分与磁场成分；

时延估计模块，用于依据当前采样周期的电磁场时延获取当前采样周期与下一个采样周期之间的所述接收信号中电场成分和磁场成分之间的时延差值，并依据所述当前采样周期的电磁场时延及获取的时延差值，得到下一采样周期的电磁场时延估计值，以便实时估计所述接收信号中电场成分和磁场成分之间的电磁场时延；

频率确定模块，用于依据获取的所述接收信号，确定所述接收信号的频率；

距离确定模块，用于依据实时估计得到的所述接收信号中电场成分和磁场成分之间的电磁场时延及所述接收信号的频率，确定测距目标之间的通信距离。

进一步地，所述信号获取模块包括：接收天线阵列；

所述接收天线阵列，用于在接收端，接收发射天线发射的发射信号中的电场成分和磁场成分，所述电场成分和磁场成分构成所述接收信号。

进一步地，所述信号获取模块还包括：模拟数字转换器；

所述模拟数字转换器，用于对接收到的所述电场成分和磁场成分进行采样转换，得到所述电场成分对应的数字电场信号和所述磁场成分对应的数字磁场信号。

进一步地，所述时延估计模块包括：第一寄存器、系数生成模块、乘法器、第一加法器、运算逻辑单元、第二加法器、第二寄存器；

所述第一寄存器，用于存储得到的所述数字电场信号和所述数字磁场信号；

所述系数生成模块，用于依据获取的当前采样周期的电磁场时延，生成对应的滤波器系数；

所述乘法器，用于将所述滤波器系数分别与所述数字电场信号和所述数字磁场信号对应相乘；

所述第一加法器，用于对所述乘法器输出的乘积进行求和；

所述运算逻辑单元，用于依据所述第一加法器的输出结果，得到当前采样周期与下一个采样周期之间的所述接收信号中电场成分和磁场成分之间的时延差值；

所述第二加法器，用于将所述当前采样周期的电磁场时延与所述时延差值相加求和，得到下一个采样周期的接收信号中电场成分和磁场成分之间的电磁场时延；

所述第二寄存器，用于存储得到的所述下一个采样周期的接收信号中电场成分和磁场成分之间的电磁场时延。

进一步地，所述第一寄存器为寄存器堆；

所述乘法器为乘法器阵列；

所述第一加法器为并行加法器。

进一步地，所述滤波器系数保存在预定的滤波器系数表中，从所述滤波器系数表中读取所述滤波器系数的时间小于一个采样周期。

进一步地，所述频率确定模块包括：信号变换模块及频率处理模块；

所述信号变换模块，用于对所述数字电场信号和所述数字磁场信号进行快速傅氏变换，得到所述接收信号的频谱；

所述频率处理模块，用于对得到的所述接收信号的频谱进行频率处理，得到幅度最高的谱线，所述幅度最高的谱线为所述接收信号的频率。

进一步地，所述频率为所述接收信号的中心角频率；

所述距离确定模块，具体用于依据所述接收信号中电场成分和磁场成分之间的电磁场时延与测距目标之间的通信距离的关系式，确定测距目标之间的通信距离；所述关系式为：

$r=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}}\sqrt[3]{\cot \left({\mathrm{\ω\Δ}}_t\right)}$

其中，r表示测距目标之间的通信距离，λ表示发射信号的波长，△_t表示接收信号中电场成分和磁场成分之间的电磁场时延，ω表示接收信号的中心角频率。

进一步地，所述系统还包括：接收功率指示模块；

所述接收功率指示模块，用于指示所述接收信号的功率。

进一步地，所述接收功率指示模块包括：滤波器及功率确定模块；

所述滤波器，用于去除所述接收信号中的高频噪声；

所述功率确定模块，用于对去除高频噪声后的接收信号进行功率计算，得到所述接收信号的功率。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，通过时延估计模块依据当前采样周期的电磁场时延获取当前采样周期与下一个采样周期之间的所述接收信号中电场成分和磁场成分之间的时延差值，并依据所述当前采样周期的电磁场时延及获取的时延差值，得到下一采样周期的电磁场时延估计值，以便实时估计所述接收信号中电场成分和磁场成分之间的电磁场时延；通过频率确定模块依据获取的接收信号，确定接收信号的频率；通过距离确定模块依据实时估计得到的所述接收信号中电场成分和磁场成分之间的电磁场时延及所述接收信号的频率，确定测距目标之间的通信距离。这样，能够在高采样率的条件下，实时确定测距目标之间的通信距离，系统结构简单且易于实现。

附图说明

图1为本发明实施例提供的近场电磁场测距系统的结构示意图一；

图2为本发明实施例提供的基于FPGA的近场电磁场测距系统的原理示意图；

图3为本发明实施例提供的12的详细结构示意图；

图4为本发明实施例提供的13的详细结构示意图；

图5为本发明实施例提供的14的详细结构示意图；

图6为本发明实施例提供的近场电磁场测距系统的结构示意图二；

图7为图6中15的详细结构示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对现有的数字系统在高采样率条件下不能达到实时性要求的问题，提供一种近场电磁场测距系统。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供的一种近场电磁场测距系统，包括：

信号获取模块11，用于获取接收信号，所述接收信号包括：电场成分与磁场成分；

时延估计模块12，用于依据当前采样周期的电磁场时延获取当前采样周期与下一个采样周期之间的所述接收信号中电场成分和磁场成分之间的时延差值，并依据所述当前采样周期的电磁场时延及获取的时延差值，得到下一采样周期的电磁场时延估计值，以便实时估计所述接收信号中电场成分和磁场成分之间的电磁场时延；

频率确定模块13，用于依据获取的所述接收信号，确定所述接收信号的频率；

距离确定模块14，用于依据实时估计得到的所述接收信号中电场成分和磁场成分之间的电磁场时延及所述接收信号的频率，确定测距目标之间的通信距离。

本发明实施例所述的近场电磁场测距系统，通过时延估计模块依据当前采样周期的电磁场时延获取当前采样周期与下一个采样周期之间的所述接收信号中电场成分和磁场成分之间的时延差值，并依据所述当前采样周期的电磁场时延及获取的时延差值，得到下一采样周期的电磁场时延估计值，以便实时估计所述接收信号中电场成分和磁场成分之间的电磁场时延；通过频率确定模块依据获取的接收信号，确定接收信号的频率；通过距离确定模块依据实时估计得到的所述接收信号中电场成分和磁场成分之间的电磁场时延及所述接收信号的频率，确定测距目标之间的通信距离。这样，能够在高采样率的条件下，实时确定测距目标之间的通信距离，系统结构简单且易于实现。

本发明实施例中，所述当前采样周期的电磁场时延为当前采样周期的所述接收信号中电场成分和磁场成分之间的电磁场时延。

本发明实施例中，测距目标之间的通信距离为发射端与接收端之间的通信距离。

在前述近场电磁场测距系统的具体实施方式中，进一步地，所述信号获取模块11包括：接收天线阵列；

所述接收天线阵列，用于在接收端，接收发射天线发射的发射信号中的电场成分和磁场成分，所述电场成分和磁场成分构成所述接收信号。

本发明实施例中，如图2所示，在接收端，可以通过接收天线阵列103接收发射端发射天线(图2上未画出)发射的发射信号中的电场成分101和磁场成分102，在接收端，通过所述接收天线阵列103接收到的所述电场成分101和磁场成分102构成接收端的接收信号。

在前述近场电磁场测距系统的具体实施方式中，进一步地，所述信号获取模块11还包括：模拟数字转换器；

所述模拟数字转换器，用于对接收到的所述电场成分和磁场成分进行采样转换，得到所述电场成分对应的数字电场信号和所述磁场成分对应的数字磁场信号。

本发明实施例中，如图2所示，所述接收天线阵列103接收到的所述电场成分101和磁场成分102经模拟数字转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)104采样转换变为对应的数字电场信号105和数字磁场信号106，其中，采样的精度可控，从而能够进一步保证测距的精度。

本发明实施例中，接着，如图2所示，可以通过时延估计模块12实时地对所述数字电场信号105和数字磁场信号106之间的电磁场时延进行时延估计112，得到所述接收信号中电场成分101和磁场成分102之间的电磁场时延107，并通过频率确定模块13对所述接收信号进行频率估计111得到接收信号的频率108，最后，通过距离确定模块14进行距离计算114，具体的，根据时延估计模块12估计得到的电磁场时延107和频率确定模块13估计得到接收信号的频率108计算测距目标之间的通信距离110。

在前述近场电磁场测距系统的具体实施方式中，进一步地，所述时延估计模块12包括：第一寄存器、系数生成模块、乘法器、第一加法器、运算逻辑单元、第二加法器、第二寄存器；

所述第一寄存器，用于存储得到的所述数字电场信号和所述数字磁场信号；

所述系数生成模块，用于依据获取的当前采样周期的电磁场时延，生成对应的滤波器系数；

所述乘法器，用于将所述滤波器系数分别与所述数字电场信号和所述数字磁场信号对应相乘；

所述第一加法器，用于对所述乘法器输出的乘积进行求和；

所述运算逻辑单元，用于依据所述第一加法器的输出结果，得到当前采样周期与下一个采样周期之间的所述接收信号中电场成分和磁场成分之间的时延差值；

所述第二加法器，用于将所述当前采样周期的电磁场时延与所述时延差值相加求和，得到下一个采样周期的接收信号中电场成分和磁场成分之间的电磁场时延；

所述第二寄存器，用于存储得到的所述下一个采样周期的接收信号中电场成分和磁场成分之间的电磁场时延。

本发明实施例中，优选地，所述第一寄存器为寄存器堆；所述乘法器为乘法器阵列；所述第一加法器为并行加法器。

本发明实施例中，如图3所示，可以将模拟数字转换器输出的数字电场信号201和数字电场信号202存入寄存器堆203中，同时将当前采样周期的电磁场时延208输入到系数生成模块，用于生成对应的滤波器系数，所述系数生成模块包括只读存储器(read-onlymemory，ROM)块阵列210，所述ROM块阵列依据当前采样周期的电磁场时延208生成所述滤波器系数；将生成的所述滤波器系数与寄存器堆203中的所述数字电场信号201和数字电场信号202输入到乘法器阵列204，对应相乘后再输入到并行加法器205求得所有乘积的和，最后输入到运算逻辑单元206得到当前采样周期与下一个采样周期之间的所述接收信号中电场成分和磁场成分之间的时延差值207；通过加法器212将当前采样周期的电磁场时延208与时延差值207相加，得到下一采样周期的接收信号中电场成分和磁场成分之间的电磁场时延211，并存入到寄存器213中。由于在高采样率的条件下，时延差值207不可能在一个采样周期内计算完成，故203，210，204，205，206组成了一个流水线结构，使得电磁场时延208能在每个采样周期都能更新，从而保证时延估计模块12的实时性。

本发明实施例中，所述时延估计模块的电磁场时延的初始值为0。

本发明实施例中，所述时延估计模块12可以在现场可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，FPGA)上实现。

在前述近场电磁场测距系统的具体实施方式中，进一步地，所述滤波器系数保存在预定的滤波器系数表中，从所述滤波器系数表中读取所述滤波器系数的时间小于一个采样周期。

本发明实施例中，所述滤波器系数保存在预定的滤波器系数表中，能在一个采样周期内被读取。

在前述近场电磁场测距系统的具体实施方式中，进一步地，所述频率确定模块13包括：信号变换模块及频率处理模块；

所述信号变换模块，用于对所述数字电场信号和所述数字磁场信号进行快速傅氏变换，得到所述接收信号的频谱；

所述频率处理模块，用于对得到的所述接收信号的频谱进行频率处理，得到幅度最高的谱线，所述幅度最高的谱线为所述接收信号的频率。

本发明实施例中，通过所述频率确定模块13能够实时得到所述接收信号的频率，如图4所示为频率确定模块13的结构示意图，接收信号301输入到信号变换模块进行快速傅氏变换302得到接收信号的频谱，再通过频率处理模块对其进行频率处理303，得到幅度最高的谱线，所述幅度最高的谱线为所述接收信号的频率304。

在前述近场电磁场测距系统的具体实施方式中，进一步地，所述频率为所述接收信号的中心角频率；

所述距离确定模块14，具体用于依据所述接收信号中电场成分和磁场成分之间的电磁场时延与测距目标之间的通信距离的关系式，确定测距目标之间的通信距离；所述关系式为：

$r=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}}\sqrt[3]{\cot \left({\mathrm{\ω\Δ}}_t\right)}$

其中，r表示测距目标之间的通信距离，λ表示发射信号的波长，△_t表示接收信号中电场成分和磁场成分之间的电磁场时延，ω表示接收信号的中心角频率。

本发明实施例中，如图5所示为距离确定模块14的结构示意图，所述距离确定模块14可以依据时延估计模块12得到的电磁场时延501和频率确定模块13得到的接收信号的频率502，计算得到测距目标之间的通信距离503。

在前述近场电磁场测距系统的具体实施方式中，进一步地，所述系统还包括：接收功率指示模块15；

所述接收功率指示模块15，用于指示所述接收信号的功率。

本发明实施例中，如图2和图6所示，还可以实时对接收信号进行功率计算113，得到接收信号的功率109，所述接收信号的功率109可用于得到不精确的电磁场时延初始值，该初始值因更加接近电磁场的真实时延，故可提高时延估计模块12的收敛速度，进一步提高该系统的实时性。

在前述近场电磁场测距系统的具体实施方式中，进一步地，所述接收功率指示模块15包括：滤波器及功率确定模块；

所述滤波器，用于去除所述接收信号中的高频噪声；

所述功率确定模块，用于对去除高频噪声后的接收信号进行功率计算，得到所述接收信号的功率。

本发明实施例中，如图7所示为接收功率指示模块15的结构示意图，接收信号401经过滤波器402去除所述接收信号中的高频噪声，再对去除高频噪声后的接收信号进行功率计算403，最终得到接收信号401的功率，所述功率用于表示接收信号401的强度P。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种近场电磁场测距系统，其特征在于，包括：

信号获取模块，用于获取接收信号，所述接收信号包括：电场成分与磁场成分；

时延估计模块，用于依据当前采样周期的电磁场时延获取当前采样周期与下一个采样周期之间的所述接收信号中电场成分和磁场成分之间的时延差值，并依据所述当前采样周期的电磁场时延及获取的时延差值，得到下一采样周期的电磁场时延估计值，以便实时估计所述接收信号中电场成分和磁场成分之间的电磁场时延；

频率确定模块，用于依据获取的所述接收信号，确定所述接收信号的频率；

距离确定模块，用于依据实时估计得到的所述接收信号中电场成分和磁场成分之间的电磁场时延及所述接收信号的频率，确定测距目标之间的通信距离。

2.根据权利要求1所述的近场电磁场测距系统，其特征在于，所述信号获取模块包括：接收天线阵列；

所述接收天线阵列，用于在接收端，接收发射天线发射的发射信号中的电场成分和磁场成分，所述电场成分和磁场成分构成所述接收信号。

3.根据权利要求2所述的近场电磁场测距系统，其特征在于，所述信号获取模块还包括：模拟数字转换器；

所述模拟数字转换器，用于对接收到的所述电场成分和磁场成分进行采样转换，得到所述电场成分对应的数字电场信号和所述磁场成分对应的数字磁场信号。

4.根据权利要求3所述的近场电磁场测距系统，其特征在于，所述时延估计模块包括：第一寄存器、系数生成模块、乘法器、第一加法器、运算逻辑单元、第二加法器、第二寄存器；

所述第一寄存器，用于存储得到的所述数字电场信号和所述数字磁场信号；

所述系数生成模块，用于依据获取的当前采样周期的电磁场时延，生成对应的滤波器系数；

所述乘法器，用于将所述滤波器系数分别与所述数字电场信号和所述数字磁场信号对应相乘；

所述第一加法器，用于对所述乘法器输出的乘积进行求和；

所述运算逻辑单元，用于依据所述第一加法器的输出结果，得到当前采样周期与下一个采样周期之间的所述接收信号中电场成分和磁场成分之间的时延差值；

所述第二加法器，用于将所述当前采样周期的电磁场时延与所述时延差值相加求和，得到下一个采样周期的接收信号中电场成分和磁场成分之间的电磁场时延；

所述第二寄存器，用于存储得到的所述下一个采样周期的接收信号中电场成分和磁场成分之间的电磁场时延。

5.根据权利要求4所述的近场电磁场测距系统，其特征在于，所述第一寄存器为寄存器堆；

所述乘法器为乘法器阵列；

所述第一加法器为并行加法器。

6.根据权利要求4所述的近场电磁场测距系统，其特征在于，所述滤波器系数保存在预定的滤波器系数表中，从所述滤波器系数表中读取所述滤波器系数的时间小于一个采样周期。

7.根据权利要求3所述的近场电磁场测距系统，其特征在于，所述频率确定模块包括：信号变换模块及频率处理模块；

所述信号变换模块，用于对所述数字电场信号和所述数字磁场信号进行快速傅氏变换，得到所述接收信号的频谱；

所述频率处理模块，用于对得到的所述接收信号的频谱进行频率处理，得到幅度最高的谱线，所述幅度最高的谱线为所述接收信号的频率。

8.根据权利要求1或7所述的近场电磁场测距系统，其特征在于，所述频率为所述接收信号的中心角频率；

所述距离确定模块，具体用于依据所述接收信号中电场成分和磁场成分之间的电磁场时延与测距目标之间的通信距离的关系式，确定测距目标之间的通信距离；所述关系式为：

$r=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}}\sqrt[3]{\cot \left({\mathrm{\ω\Δ}}_t\right)}$

其中，r表示测距目标之间的通信距离，λ表示发射信号的波长，Δ_t表示接收信号中电场成分和磁场成分之间的电磁场时延，ω表示接收信号的中心角频率。

9.根据权利要求1所述的近场电磁场测距系统，其特征在于，所述系统还包括：接收功率指示模块；

所述接收功率指示模块，用于指示所述接收信号的功率。

10.根据权利要求9所述的近场电磁场测距系统，其特征在于，所述接收功率指示模块包括：滤波器及功率确定模块；

所述滤波器，用于去除所述接收信号中的高频噪声；

所述功率确定模块，用于对去除高频噪声后的接收信号进行功率计算，得到所述接收信号的功率。