CN108344974B

CN108344974B - 一种用于声波室内定位系统的声波信号编码方法

Info

Publication number: CN108344974B
Application number: CN201710911410.5A
Authority: CN
Inventors: 郭东亮; 李媛; 朱明�; 保延翔; 黄晓
Original assignee: Sun Yat Sen University
Current assignee: Sun Yat Sen University
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2021-12-31
Anticipated expiration: 2037-09-29
Also published as: CN108344974A

Abstract

本发明公开了一种用于声波室内定位系统的声波信号编码方法，用于采用数字机制的声波信号进行周期性发射，包括以下步骤：设计声波信号的码元结构、设计声波信号的帧结构、建立完整的信号帧之间的隔离机制，有效解决了室内定位系统中对声波信号进行编码这一个关键的技术问题。

Description

一种用于声波室内定位系统的声波信号编码方法

技术领域

本发明涉及室内定位技术领域，更具体地，涉及一种用于声波室内定位系统的声波信号编码方法。

背景技术

随着移动互联网的发展和智能移动终端的普及，基于位置的服务得到广泛关注，其应用已经极大改变了人们的生活，定位技术有着巨大的需求和广阔的前景，在室外，GPS定位技术得到广泛应用，但在室内GPS信号衰减过大，难以实现有效的定位。但是，在大型购物中心、会展馆、图书馆、博物馆、医院、机场、大型停车场、地下采矿业区等室内场所，对室内定位技术存在着迫切需求。室内定位技术可以实现人、物的定位与追踪，也可以实现各种基于位置的服务，研究意义和市场价值非常大，因此吸引了国内外众多研究者投身于这一领域，室内定位技术已成为研究热点。

目前已经提出多种室内定位技术，有基于WiFi、射频标签(RFID)、蓝牙(Bluetooth)、超宽带(UWB)、超声波、计算机视觉等技术，但由于技术复杂性、成本等方面的制约，这些技术并没有得到大规模应用。利用声波进行室内定位可充分利用室内场所的音频设备和广泛应用的智能手机等移动终端自带的麦克风和处理器等资源，此外，声波属于机械波，其传播速度比电磁波慢得多，因此利用声波进行室内定位对系统同步的要求低，这也降低了系统成本。可见，声波室内定位是一种低成本、推广性好的定位方法。

声波室内定位技术中，如何针对声波信号进行编码是一个关键技术问题，涉及到能否对声波信号进行良好的捕捉和判决、能否获取定位所需的信标坐标信息和到达时间信息，并且编码设计方案的合理性直接影响解码的难易程度及解码效果。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于声波室内定位系统的声波信号编码方法，解决声波室内定位中如何对声波进行编码这一关键技术难题。

为实现以上发明目的，采用的技术方案是：

一种用于声波室内定位系统的声波信号编码方法，用于采用数字机制的声波信号进行周期性发射，包括以下步骤：

S1：设计声波信号的码元结构；

S2：设计声波信号的帧结构；

S3：建立完整的声波信号帧的隔离机制。

在上述方案中，码元结构包括信号部分和置空部分，其中设计置空部分的原因包括余振效应和信号到达时间错位的影响。

其中信号部分的设计包括以下步骤：

S1.1：确定定位环境中信标的布局和信标间的距离；

S1.2：对于采用TDOA算法的定位系统，确定移动节点到信标节点的最大距离差⊿L_max，由于三角形的两边之差小于第三边，因此⊿L_max等于信标间的最大距离；对于采用TOA算法的定位系统，确定移动节点与信标的最大距离L_max；

S1.3：设定声波速度为c，对于采用TDOA算法的定位系统，确定信号到达的最大时间差

对于采用TOA算法的定位系统，确定移动节点与信标的最大传播时间

S1.4：确保最大时间差⊿t_max或最大传播时间t_max不得超过一个码元时长的α倍， 0＜α＜1，由此求出码元的持续时长；

码元中信号部分时长的确定公式为

其中置空部分时长大于或等于2倍信号部分时长；其中T_Null为置空部分时长，T_sig为码元中信号部分时长。

在上述方案中，帧结构包括起始帧、数据帧和结束帧，起始帧为信标节点标识号；数据帧采用码分多址(CDMA)方式进行室内无线信道复用，先对信标的坐标信息进行二进制编码，再对编码信息用PN码进行扩频编码，经2FSK调制后发送；各声波信号的结束帧信息相同。

其中信标节点标识号的设计准则是

1)每个信标节点标识号的信息位数均等于信标节点的个数；

2)每个信标节点标识号的有效信息位唯一且与信标节点一一对应。

优选的是，PN码采用m序列。

优选的是，数据帧包括坐标信息编码和奇偶校验码。

在上述方案中，隔离机制为完整的信号帧之间的隔离时长应大于移动节点的处理时长。

优选的是，所述声波信号为20Hz至20kHz频段的声波信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)码元结构设置信号部分和置空部分，能有效避免余振效应和信号到达时间错位的影响。

2)帧结构设置起始帧、数据帧和结束帧，移动节点能通过起始帧识别不同的信标节点，数据帧有效接收信标节点的坐标信息。

3)建立了完整的信号帧之间的隔离机制，避免引起信息堆积。

附图说明

图1为采用TDOA算法的定位系统框架图；

图2为采用TDOA算法的系统定位示意图；

图3为声波信号的码元结构图；

图4为以采用TDOA算法的的信标信号到达时刻图；

图5为声波信号的结构帧示意图；

图6为叠加的信标起始帧示意图；

图7为数据报文解调及解扩图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。

实施例1

本发明以采用TDOA算法的定位系统作为实施例，如图1、图2所示，图1为定位系统框架图，图2为系统定位示意图。

定位系统包括信标节点和移动节点。信标节点是固定坐标系的参考点，安装于室内定位环境中。移动节点是待定位的移动目标，同时也是一个移动的可进行实时计算的平台。对于采用TDOA算法的定位系统，需要在三维空间中布置4个信标节点m₁、m₂、m₃、m₄，对应坐标分别为(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)、(x₄，y₄，z₄)，其中节点S为待定位的移动节点，其坐标为(x，y，z)。在本实施例中，设定节点m₁的坐标为(0，6，3)，m₂的坐标为(0，0，3)，m₃的坐标为(6，0，3)，m₄的坐标为(6，6，3)，坐标单位是米。同时对4个信标节点分别进行二进制编码，各信标的ID分别为信标1为(1 0 0 0)，信标2为(0 1 0 0)，信标3为(0 0 1 0)，信标4为(0 0 0 1)。

声波信号为20Hz至20kHz频段的声波信号。声波信号的码元结构包括信号部分和置空部分，如图3所示，图4为信标信号到达时刻示意图。

在4个信标节点按上述三维坐标布局的情况下，4个信标节点同时发射声波信号，移动节点收到的声波信号到达的最大时间差⊿t_max不超过20ms，为确保对信号的可靠识别，按本发明的设计公式，码元的信号持续时长T_sig设定为50ms，此时，

即⊿t_max不超过T_sig的0.4倍，以确保可靠性。置空时长T_Null设定为T_Sig的2倍，即T_Null＝100ms。

一个码元的前50ms为2FSK单频信号，在本实施例中为f₁(17kHz)或f₂(19kHz)单频信号，然后为100ms的置空时长(停止发射信号)，即一个码元的周期为150ms。

一个完整的信号帧包括起始帧、数据帧和结束帧，如图5所示。

起始帧用于移动节点判决信标信号的到达、进行同步捕捉和测量各信标信号到达的时间信息。本实施例对4个信标节点分别进行二进制编码，作为信标ID。各信标ID分别为：信标1为(1 0 0 0)，信标2为(0 1 0 0)，信标3为(0 0 1 0)，信标4为(0 0 0 1)，图2示意了本实施例中信标节点与信标ID的对应关系。

各信标同时发送起始帧时在时间上叠加的结果如图6所示。可见，这样的信标ID设计使得在每个码元判决窗内仅有一个频率为f₁(17kHz)的调制信号，用于识别信标的有效频率成分f₁唯一，移动节点可以据此判定对应的信标节点。

数据帧用于编码各信标的坐标信息。本实施例中，对信标节点的坐标信息进行3位二进制编码，如信标1的三维坐标是(0，6，3),则其编码为(000，110，011)；信标2的三维坐标是(0，0，3),则其编码为(000，000，011)，为了验证解码结果的准确性，在数据帧后附加奇偶校验码。

结束帧用于提示移动节点信号帧的结束。各信标的起始帧、数据帧不同，但所有信标节点的结束帧相同，本实施例的结束帧由全0码元组成，码元个数等于起始帧码元个数，结束帧编码为(0 0 0 0)。

作为实例，给出信标1和信标2的数据帧在发送端的扩频、调制和接收端的解调、解扩过程。

a.信标1

信标1的数据帧编码为

0 0 0 1 1 0 0 1 1 1

前面9位的“0 0 0 1 1 0 0 1 1”为信标1的三维坐标编码，最后一位“1”是数据帧的校验码，此处采用奇校验码，即使信标1的三维坐标编码码组中“1”的个数为奇数。

信标1的扩频码PN1采用m＝7的m序列，PN1为1110010.

则扩频后数据帧码流为

1110010 1110010 1110010 0001101 0001101 1110010 1110010 00011010001101 0001101

信标1的完整的信号帧为：

1000 1110010 1110010 1110010 0001101 0001101 1110010

1110010 0001101 0001101 0001101 0000

其中，前4位“1000”为信标1的起始帧编码，最后4位“0000”为结束帧，中间为扩频后的信标1的数据帧。

b.信标2

信标2的数据帧编码为

0 0 0 0 0 0 0 1 1 1

前面9位的“0 0 0 0 0 0 0 1 1”为信标2的三维坐标编码，最后一位“1”是数据帧的校验码，此处采用奇校验码，即使信标2的三维坐标编码码组中“1”的个数为奇数。

信标2的扩频码PN2采用m＝7的m序列，PN2为1001011.

则扩频后数据帧码流为

1001011 1001011 1001011 1001011 1001011 1001011 1001011 01101000110100 0110100

信标2的完整的信号帧为：

0100 1001011 1001011 1001011 1001011 1001011 1001011

1001011 0110100 0110100 0110100 0000

其中，前4位“0100”为信标2的起始帧编码，最后4位“0000”为结束帧，中间为扩频后的信标2的数据帧。

经2FSK调制，将二进制码1映射为f1＝17kHz，二进制码0映射为f2＝19kHz。

本实施例中，信标间最大距离是6米，设声音速度为340m/s，则对应的最大时间差为

各信标到达信号的时间差小于T_sig的0.4倍，即重叠部分至少占T_sig的60％，利于接收信号的解调判决。

对起始帧的判决如图6所示，移动节点通过起始帧同步捕捉到有效信号后，第一个码元时长内的f₁＝17kHz是信标1的信号，第二个码元时长内的f₁＝17kHz是信标2的信号，以此类推。

对数据帧的解调及解扩如图7所示，在接收端，经2FSK调制后的调制信号叠加在一起，起始帧同步后，基于起始帧同步的结果，可以移动判决窗口到数据帧码元的起始点。

第一步，对数据帧信号进行解调。

将数据帧信息分为一个一个独立码元信息进行判决，由于各信标发送的信号存在到达时间差，在时间上错位叠加在一起，解调时只需判决每个码元重叠时长内的频率成分，即判决窗口取其重叠部分，这等价于多个信标信号无相位差叠加在一起做解调运算，如图7所示。

用短时傅立叶变换(STFT)对窗口内的信号频率成分进行分析，17kHz对应二进制数1，19kHz对应二进制数0，并将这两个频率对应的二进制数做“或”运算，或运算的结果就是该码元的有效数据位。判决完一个码元后，窗口继续滑动判决下一个码元，每次滑动的长度为T_sig+T_Null，直至判决的码元数已经达到设计的数据帧长度为止。

最终接收端解调出的数据报文为：

1111011 1111011 1111011 1001111 1001111 1111011 1111011

0111101 0111101 0111101

第二步，对解调出的数据报文进行解扩。

分别用各信标节点对应的PN码与解调出的数据报文进行解扩运算，利用PN码良好的自相关性，将叠加的信标信号进行提取分离，得到各信标节点对应的坐标编码信息。

如信标1对应的PN1为1110010，解扩过程是模2相加，过程为

最终解扩后得到的数据为：

0 0 0 1 1 0 0 1 1 1

与信标1发送端编码数据一致。

同理，可得到信标2的解扩过程为：

最终解扩后得到的数据为：

0 0 0 0 0 0 0 1 1 1

与信标2发送端的编码数据一致。

最后，建立完整的信号帧之间的隔离机制。

移动节点是一个移动的可进行实时计算的平台，其处理一帧数据需要有处理时延，设处理时延为T_pro，完整的信号帧之间的隔离时长T_space应大于移动节点处理时长T_pro，否则会引起信息堆积，即

T_space＞T_pro

设实测硬件平台的处理时长为T_pro＝1s，则完整的信号帧之间的隔离时长T_space应大于1s。

经过上述过程，移动节点获取各信标的标识号(ID)、到达时间信息以及对应的坐标信息后，将这些参数代入定位算法，计算求得移动节点的坐标信息。然后，可以将定位结果在移动节点前端显示，也可将位置信息上传至服务器端，提取对应坐标位置的服务信息并在移动节点前端显示。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。