CN109787647A - 一种多通道接收机、uwb定位系统及定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多通道接收机、UWB定位系统及定位方法，其中，多通道接收机用于接收发射机发射的发射信号，发射信号具有发射频谱，多通道接收机包括N个接收通道，每个接收通道具有接收频带和接收周期，每个接收通道的接收频带均能够接收发射信号且任意两个接收通道的接收频带至少部分不重叠，其中，N为大于等于2的整数。本申请通过在UWB接收机中增设不同频带的多个接收通道，解决了现有技术中，UWB接收机中只有一个接收通道，在该接收通道对应的频带受到其他同频信号的干扰时导致无法正确接收UWB信号的问题。此外，通过对接收通道接收到的信号进行甄别，摒弃受到干扰的接收通道的接收结果，提高了UWB信号接收的准确率，增强了系统的抗干扰性能。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种多通道接收机、UWB定位系统及定位方法。
背景技术
对于大型建筑内部、城市密集区域，以及桥梁、水坝、山体、基坑等区域的安全监测，有助于实现对人员的安全监控、紧急救援，对物资的运输管理、分配调度，以及对自然灾害的预防和监测等。由于具有建筑群密集，遮挡，环境复杂监测空间狭小GPS、北斗信号往往不能深入覆盖，导致空间监测困难。现有技术中，通过自建定位系统实现在特定区域中对指定目标的定位和监控。UWB(Ultra Wideband)是一种无载波通信技术，利用纳秒至皮秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。UWB具有脉冲宽度窄，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，广泛应用于室内通信、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。以UWB信号作为定位信号的定位系统可以弥补天空卫星无法覆盖的区域，方便布置，实现狭小空间的位移监测。
在以UWB脉冲作为测距或定位信号的测距或定位系统中需要UWB脉冲在发送端和接收机之间进行信号交互。现有技术中，UWB脉冲由雪崩二极管反向加电产生，获得的UWB脉冲在时域上是亚纳秒级别的窄脉冲，在频域上的频谱覆盖从几兆赫兹至近十吉赫兹，因而被称作超宽带脉冲。在UWB信号的接收机，现有技术中，受限于天线及滤波器等硬件限制，很难实现完全覆盖整个UWB脉冲频谱区域的超宽带接收机，然而在实际应用中，仅需要几百兆赫兹的接收带宽即可还原相对较窄的UWB脉冲宽度，以满足对测距和定位精度的需求。然而由于UWB脉冲在时域上是极窄的尖峰脉冲，且频谱宽度较大，因而频率功率较低，在UWB接收机容易受到其他同频带信号的干扰，例如，来自移动通信的使用频带、无线局域网的使用频带以及其他小基站使用频带，例如2.4G、3.5G等信号的干扰。从而使UWB接收机无法正确获得UWB脉冲，进而对测距和定位造成影响。
因此，如何在UWB信号接收机解决来自其他同频带信号的干扰，成为了本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
依据本发明的一个方面，公开了一种多通道接收机，用于接收发射机发射的发射信号，发射信号具有发射频谱，多通道接收机包括N个接收通道，每个接收通道具有接收频带和接收周期，其中，每个接收通道的接收频带均能够接收发射信号且任意两个接收通道的接收频带至少部分不重叠，其中，N为大于等于2的整数。
依据本发明的另一个方面，公开了一种UWB定位系统，包括定位基站和定位标签，均包括发射机和多通道接收机，其中，定位基站中的发射机发射发射信号，发射信号具有发射频谱；定位标签中的多通道接收机接收发射信号，并响应于发射信号发射响应信号；定位基站中的多通道接收机接收响应信号；定位基站记录发射发射信号和接收到响应信号的时间信息以实现对定位标签的定位；或者定位标签中的发射机发射发射信号，发射信号具有发射频谱；定位基站中的多通道接收机接收发射信号，并响应于发射信号发射响应信号；定位标签中的多通道接收机接收响应信号；定位标签记录发射发射信号和接收到响应信号的时间信息以实现对定位标签的定位。
依据本发明的又一个方面，公开了一种定位方法，包括：利用发射机发射具有发射频谱的发射信号；利用具有N个接收通道的接收机接收发射信号，其中，每个接收通道具有接收频带和接收周期，每个接收通道的接收频带均能够接收发射信号且任意两个接收通道的接收频带至少部分不重叠，其中，N为大于等于2的整数；以及，利用发射信号到达接收机的接收时间信息对发射机或接收机进行定位。
本申请通过在UWB接收机中增设不同频带的多个接收通道，解决了现有技术中，UWB接收机中只有一个接收通道，在该接收通道对应的频带受到其他同频信号的干扰时导致无法正确接收UWB信号的问题。此外，通过在多个接收通道中同时接收UWB信号，并对接收通道接收到的信号进行甄别，摒弃受到干扰的接收通道的接收结果，实现了在设置此多通道UWB接收机的定位或测距系统中提高定位或测距稳定性和测量精度，并增强了系统的抗干扰性能。
附图说明
图1给出依据本发明一种实施例的多通道UWB接收机100的模块化示意图；
图2给出依据本发明另一种实施例的多通道UWB接收机200的模块化示意图；
图3给出依据本发明另一种实施例的UWB信号发射机和接收机的时域示意图；
图4给出依据本发明一种实施例的定位方法400的流程图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称“元件”“连接到”或“连接”到另一元件时，它可以是直接连接或连接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接连接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
本申请公开了一种定位装置，包括发射机和多通道接收机，其中，发射机发射发射信号，发射信号具有发射频谱，多通道接收机包括N个接收通道，每个接收通道具有接收频带，其中，每个接收通道的接收频带均能够接收发射信号且任意两个接收通道的接收频带至少部分不重叠，其中，N为大于等于2的整数。在一个实施例中，任意两个接收通道的接收频带不重叠。
在一个实施例中，所述定位装置应用于在以UWB脉冲作为测距或定位信号的测距或定位系统中，发射机发射的发射信号为所述UWB脉冲信号。
在一个实施例中，定位系统包括已知位置的定位基站BS和置于待定位装置MS上的定位标签Tag，在一个实施例中，发射机位于定位标签Tag内，多通道接收机位于定位基站BS内，即定位标签Tag向定位基站BS发射UWB定位信号，定位基站BS接收所述UWB定位信号并记录其到达自身的时间信息，定位系统根据UWB定位信号发射和/或接收的时间信息，利用TDOA(Time Difference of Arrival，到达时间差)或TOA(Time of Arrival，到达时间)定位算法解算定位标签Tag的位置信息。又在一个实施例中，发射机位于定位基站BS内，多通道接收机位于定位标签Tag内，即所述定位基站BS向定位标签Tag发射UWB定位信号，定位标签Tag接收所述UWB定位信号并记录其到达自身的时间信息。
定位基站BS中的发射机发射发射信号，发射信号具有发射频谱，定位标签Tag中的多通道接收机接收发射信号，并响应于发射信号发射响应信号，定位基站BS中的多通道接收机接收响应信号，定位基站BS记录发射发射信号和接收到响应信号的时间信息以实现对定位标签Tag的定位。又在一个实施例中，定位系统记录定位标签Tag接收到发射信号并发出响应信号的间隔时间，根据定位基站BS发射发射信号和接收响应信号的时间信息，以及所述间隔时间，利用TW-TOA(Two ways-Time Difference of Arrival，双程到达时间)定位算法解算定位标签Tag的位置信息。
又在一个实施例中，定位标签Tag中的发射机发射发射信号，发射信号具有发射频谱；定位基站BS中的多通道接收机接收发射信号，并响应于发射信号发射响应信号；定位标签Tag中的多通道接收机接收响应信号；定位标签Tag记录发射发射信号和接收到响应信号的时间信息以实现对定位标签的定位。
图1给出依据本发明一种实施例的多通道UWB接收机100的模块化示意图。根据定位系统收发定位信号的方式，所述多通道UWB接收机100适应性地置于定位基站BS和/或定位标签Tag内部。所述多通道UWB接收机100包括N个接收通道，分别为通道1,通道2,…,通道N，其中，N为大于或等于2的整数。每个接收通道具有接收频带和接收周期，其中，每个接收通道的接收频带均能够接收发射信号且任意两个接收通道的接收频带至少部分不重叠。在一个实施例中，任意两个接收通道的接收频带不重叠，又在一个实施例中，某两个接收通道的接收频带部分重叠，但不完全重叠。
在一个实施例中，定位系统中的发射信号由雪崩二极管反向加电产生，获得的UWB定位信号中的一个UWB脉冲在时域上是亚纳秒级别的窄脉冲，在频域上，发射信号的发射频谱覆盖从几兆赫兹至7～8GHZ。
在一个实施例中，每个接收通道中包括天线和滤波器，其中，滤波器耦接至天线，以接收天线传送的UWB信号，并将接收到的UWB信号进行滤波处理后传送至信号处理器。其中，不同接收通道中的滤波器的中心频率不同，分别为f1,f2,…,fN。在一个实施例中，不同接收通道中的滤波器的带宽可以相同，也可以不同。
又在一个实施例中，所述UWB接收机100的N个通道共用同一接收天线。
在一个实施例中，多通道UWB接收机100中的N个接收通道中的N个滤波器能够覆盖UWB脉冲的整个频谱，又在一个实施例中，所述N个接收通道中的N个滤波器能够覆盖UWB脉冲的部分频谱。
在一个实施例中，多通道UWB接收机100的每个接收通道中还包括检波器和信号甄别电路。又在一个实施例中，多通道UWB接收机100还包括放大器耦接至所述滤波器，并对从滤波器输出的信号进行放大后输入检波器，其中，所述检波器在预设的时间窗口中对滤波放大后的信号进行包络检波以获得检波信号。在一个实施例中，所述预设的时间窗口的位置根据发射机和接收机可能相距的距离，即发射信号在发射机和接收机之间可能的飞行时间确定。又在一个实施例中，所述预设的时间窗口为多个，其数量与发射信号中UWB脉冲的个数相适应。检波器将所述检波信号传输至信号甄别电路，以使信号甄别电路判断检波信号在所述时间窗口中是否存在脉冲沿，若存在，则判定接收通道所接收到的信号为发射信号。
图2给出依据本发明另一种实施例的多通道UWB接收机200的模块化示意图。多通道UWB接收机200的每个接收通道为超外差接收通道，每个接收通道示例性地包括本地振荡器、混频器和滤波器。其中，本地振荡器提供本振信号，本振信号具有本振频率。混频器接收本振信号和表征接收通道所接收到的信号的表征信号，并根据本振信号和表征信号产生混频信号。在一个实施例中，所述表征信号直接为接收通道接收到的信号，又在一个实施例中，多通道UWB接收机200还包括初始滤波器和放大器，所述表征信号为接收通道接收到的信号经过处理的信号，例如经过初始滤波、放大的信号，其中，初始滤波的频带能够覆盖发射信号的整个频谱。滤波器接收混频信号，对混频信号进行滤波产生滤波信号。其中，每个接收通道中的本地振荡器所产生的本振信号具有不同的本振频率。在一个实施例中，所述本地振荡器的本振频率的设置由该接收通道的接收频带设定，以使混频器输出的混频信号能够使用相同中心频率的滤波器进行滤波，有利于每个接收通道的硬件的通用性。
在一个实施例中，多通道UWB接收机200的每个接收通道还包括检波器和信号甄别电路。其中，所述检波器在预设的时间窗口中对滤波放大后的信号进行包络检波以获得检波信号。在一个实施例中，所述预设的时间窗口的位置根据发射机和接收机可能相距的距离，即发射信号在发射机和接收机之间可能的飞行时间确定。又在一个实施例中，所述预设的时间窗口为多个，其数量与发射信号中UWB脉冲的个数相适应。检波器将所述检波信号传输至信号甄别电路，以使信号甄别电路判断检波信号在所述时间窗口中是否存在脉冲沿，若存在，则判定接收通道所接收到的信号为发射信号。
图3给出依据本发明另一种实施例的UWB信号发射机和接收机的时域示意图。其中，UWB信号发射机发送的UWB信号为由多个UWB脉冲组成的脉冲串，在图3所示实施例中所述UWB信号由两个UWB脉冲组成，发射机中两个UWB脉冲之间的时间间隔为设定的已知值T。多通道UWB接收机的每个接收通道的检波器在与发射信号脉冲个数对应的时间窗口内进行包络检波。在图3所示实施例中，多通道UWB接收机的每个接收通道分别在时间窗口1和时间窗口2中对接收到的信号进行包络检波，且所述两个时间窗口间的时间间隔为已知值T，检波器将所述检波信号传输至信号甄别电路，以使信号甄别电路判断检波信号在所述时间窗口中是否存在脉冲沿。
如图3所示，在通道1和通道N中，信号甄别电路在时间窗口1和时间窗口2均检测到了脉冲沿，则判定该接收通道所接收到的信号为发射信号，在一个实施例中，多通道UWB接收机记录检测到的脉冲沿到达自身的时间信息，将此作为发射信号到达自身的时间信息。
如图3所示，在通道2中，虽然在时间窗口1中检测到了脉冲的上升沿，但并没有在时间窗口2中检测到脉冲沿，因此，通道2有可能受到了与接收通道2的接收频带相同频率的干扰信号的干扰。在时间窗口1中的脉冲沿可能是干扰信号的上升沿，而发射信号已经淹没在所述干扰信号中，此时，判定该接收通道所接收到的信号不是发射信号，多通道UWB接收机摒弃接收通道2的接收结果。
如图3所示，在通道3中，在时间窗口1和时间窗口2中均没有检测到脉冲沿，因此，通道3有可能受到了与接收通道3的接收频带相同频率的干扰信号的干扰，发射信号已经淹没在所述干扰信号中，此时，判定该接收通道所接收到的信号不是发射信号，多通道UWB接收机摒弃接收通道3的接收结果。
又在一个实施例中，将所有接收通道检波后的检波信号进行累加，若在预设的时间窗口内均检测到脉冲沿，记录检测到的脉冲沿到达自身的时间信息，将此作为发射信号到达自身的时间信息。将大多数通道的接收结果作为最终的接收结果，以避免由于信号干扰导致某些接收通道的接收到的UWB信号淹没在干扰信号中带来的无法正确检测UWB信号到达时间的问题，以提高接收准确度。
图4给出依据本发明一种实施例的定位方法400的流程图。所述定位方法400包括如下步骤：
步骤401：利用发射机发射具有发射频谱的发射信号；
步骤402：利用具有N个接收通道的接收机接收发射信号，其中，每个接收通道具有接收频带，每个接收通道的接收频带均能够接收发射信号且任意两个接收通道的接收频带至少部分不重叠，其中，N为大于等于2的整数；
步骤403：利用发射信号到达接收机的接收时间信息对发射机或接收机进行定位。
在一个实施例中，所述定位方法还包括利用发射机记录发射发射信号的发射时间信息，利用发射时间信息和/或接收时间信息对发射机或接收机进行定位。
在一个实施例中，其中，任意两个接收通道的接收频带不重叠。
在一个实施例中，所述定位方法还包括对N个接收通道所接收到的信号进行甄别，确定接收通道所接收到的信号是否为发射信号。
又在一个实施例中，对N个接收通道输出的信号进行甄别的方法包括，在预设的时间窗口中对各个接收通道所接收到的信号进行检波以获得检波信号；以及判断检波信号在所述时间窗口中是否存在脉冲沿，若存在，则判定接收通道所接收到的信号为发射信号。
在一个实施例中，所述定位方法应用于UWB定位系统中，发射机位于定位基站BS内，发射信号为UWB定位信号，多通道接收机位于定位标签Tag内，定位基站BS和定位标签Tag之间收发UWB定位信号并记录发射机发射UWB定位信号的发射时刻和多通道接收机接收到UWB定位信号的接收时刻以实现对定位标签Tag的定位；或者发射机位于定位标签内，发射信号为UWB定位信号，多通道接收机位于定位基站BS内，定位基站BS和定位标签Tag之间收发UWB定位信号并发射机记录发射UWB定位信号的发射时刻和多通道接收机接收UWB定位信号的接收时刻以实现对定位标签Tag的定位。
本申请通过在UWB接收机中增设不同频带的多个接收通道，解决了现有技术中，UWB接收机中只有一个接收通道，在该接收通道对应的频带受到其他同频信号的干扰时导致无法正确接收UWB信号的问题。此外，通过在多个接收通道中同时接收UWB信号，并对接收通道接收到的信号进行甄别，摒弃受到干扰的接收通道的接收结果，实现了在设置此多通道UWB接收机的定位或测距系统中提高定位或测距稳定性和测量精度，并增强了系统的抗干扰性能。
如以上所提到的，虽然已经说明和描述了本发明的优选实施例，但在不背离本发明的精神和范围的情况下，可进行许多改变。由此，本发明的范围不由优选实施例的公开所限制。而是，应当完全参考随后的权利要求来确定本发明。
Claims (13)
1.一种多通道接收机，用于接收发射机发射的发射信号，发射信号具有发射频谱，多通道接收机包括N个接收通道，每个接收通道具有接收频带和接收周期，其中，每个接收通道的接收频带均能够接收发射信号且任意两个接收通道的接收频带至少部分不重叠，其中，N为大于等于2的整数。
2.如权利要求1所述的多通道接收机，其中，任意两个接收通道的接收频带不重叠。
3.如权利要求1所述的多通道接收机，其中，每个接收通道包括：
本地振荡器，提供本振信号，本振信号具有本振频率；
混频器，接收本振信号和表征接收通道所接收到的信号的表征信号，并根据本振信号和表征信号产生混频信号；以及
滤波器，接收混频信号，对混频信号进行滤波产生滤波信号；
其中，每个接收通道中的本地振荡器所产生的本振信号具有不同的本振频率。
4.如权利要求3所述的多通道接收机，其中，每个接收通道还包括：
检波器，在预设的时间窗口中对滤波信号进行检波以获得检波信号；以及
信号甄别电路，判断检波信号在所述时间窗口中是否存在脉冲沿，若存在，则判定接收通道所接收到的信号为发射信号。
5.如权利要求4所述的多通道接收机，其中，检波器还在同一接收周期内的两个时间窗口中对滤波信号进行检波以获得检波信号，信号甄别电路判断检波信号在所述两个时间窗口中是否均存在脉冲沿，若均存在，则判定接收通道所接收到的信号为发射信号。
6.如权利要求4所述的多通道接收机，应用于UWB定位系统中，UWB定位系统包括定位基站和定位标签，定位基站和定位标签均包括发射机和多通道接收机，发射信号为UWB定位信号，定位基站和定位标签之间收发UWB定位信号并记录定位基站中发射机发射UWB定位信号的发射时刻和定位基站中多通道接收机接收到定位标签响应于UWB定位信号而发射的响应信号的接收时刻以实现对定位标签的定位或记录定位标签中发射机发射UWB定位信号的发射时刻和多通道接收机接收到定位基站响应于UWB定位信号而发射的响应信号的接收时刻以实现对定位标签的定位。
7.一种UWB定位系统，包括定位基站和定位标签，均包括发射机和权利要求1至5中任意一项所述的多通道接收机，其中，定位基站中的发射机发射发射信号，发射信号具有发射频谱；定位标签中的多通道接收机接收发射信号，并响应于发射信号发射响应信号；定位基站中的多通道接收机接收响应信号；定位基站记录发射发射信号和接收到响应信号的时间信息以实现对定位标签的定位；或者定位标签中的发射机发射发射信号，发射信号具有发射频谱；定位基站中的多通道接收机接收发射信号，并响应于发射信号发射响应信号；定位标签中的多通道接收机接收响应信号；定位标签记录发射发射信号和接收到响应信号的时间信息以实现对定位标签的定位。
8.一种定位方法，包括：
利用发射机发射具有发射频谱的发射信号；
利用具有N个接收通道的接收机接收发射信号，其中，每个接收通道具有接收频带和接收周期，每个接收通道的接收频带均能够接收发射信号且任意两个接收通道的接收频带至少部分不重叠，其中，N为大于等于2的整数；以及
利用发射信号到达接收机的接收时间信息对发射机或接收机进行定位。
9.如权利要求8所述的定位方法，其中，利用发射机记录发射发射信号的发射时间信息，利用发射时间信息和/或接收时间信息对发射机或接收机进行定位。
10.如权利要求8所述的定位方法，其中，任意两个接收通道的接收频段不重叠。
11.如权利要求8所述的定位方法，还包括对N个接收通道所接收到的信号进行甄别，确定接收通道所接收到的信号是否为发射信号。
12.如权利要求11所述的定位方法，其中，对N个接收通道输出的信号进行甄别的方法包括：
在预设的时间窗口中对各个接收通道所接收到的信号进行检波以获得检波信号；以及
判断检波信号在所述时间窗口中是否存在脉冲沿，若存在，则判定接收通道所接收到的信号为发射信号。
13.如权利要求8所述的定位方法，应用于UWB定位系统中，发射机位于定位基站内，发射信号为UWB定位信号，多通道接收机位于定位标签内，定位基站和定位标签之间收发UWB定位信号并记录发射机发射UWB定位信号的发射时刻和多通道接收机接收到UWB定位信号的接收时刻以实现对定位标签的定位；或者发射机位于定位标签内，发射信号为UWB定位信号，多通道接收机位于定位基站内，定位基站和定位标签之间收发UWB定位信号并发射机记录发射UWB定位信号的发射时刻和多通道接收机接收UWB定位信号的接收时刻以实现对定位标签的定位。
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