CN110346756B - 一种信号包络检测装置及方法及其到达时间修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲信号包络检测装置，包括：脉冲信号发射机和脉冲信号接收机，脉冲信号接收机包括射频衰减器，对脉冲信号进行不同衰减幅度的衰减，记录衰减后的脉冲信号与预设门限幅度相等的采样点对应的时刻，根据衰减幅度和预设门限获得所述采样点的真实幅值；通过采样点的真实幅值和对应的时刻得到采样点在接收到的脉冲信号包络上的位置信息拟合出脉冲信号的包络。本发明通过在UWB脉冲信号接收机中设置射频衰减器，能够测量接收到的脉冲信号的包络信息，以获得到达时刻修正值，避免由于发射天线在不同方向增益不同导致的UWB脉冲接收机接收到的信号幅度存在差异，进而导致的无法准确检测UWB脉冲定位信号的到达时间的问题，进一步地提高定位精度。

Description

一种信号包络检测装置及方法及其到达时间修正方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体涉及定位系统中的信号包络检测及到达时间修正。

背景技术

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脉冲作为定位信号的定位系统中常用的定位算法有到达时间TOA定位及到达时间差TDOA定位，上述算法在实施过程中需要定位信号接收端检测UWB脉冲到达自身的时刻值。现有的定位系统中，受硬件条件限制，UWB脉冲发射机发射UWB脉冲的全向天线在各个方向的信号增益不能保证完全一致，这导致了UWB脉冲发射机在向两个相距所述UWB脉冲发射机距离相同但位置不同的UWB脉冲接收机发射UWB脉冲时，信号到达两个UWB脉冲接收机的幅度不同。而在所述两个UWB脉冲接收机使用相同信号门限对接收信号进行检测时，会得到不同的信号到达时间信息，导致了测量到达时间存在误差，进而影响定位精度。

因此，如何避免由于UWB脉冲发射机在向周围发射UWB脉冲时天线增益不同导致的UWB脉冲接收机接收到的信号幅度存在差异，进而导致的无法准确检测UWB脉冲定位信号的到达时间的问题，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脉冲信号包络检测装置，包括：脉冲信号发射机，发射脉冲信号；以及脉冲信号接收机，接收所述脉冲信号，脉冲信号接收机包括射频衰减器，对接收到的脉冲信号的幅度进行不同衰减幅度的衰减，记录每次衰减后的脉冲信号与预设幅值门限幅度相等的采样点对应的时刻，根据射频衰减器的衰减幅度和预设幅值门限获得所述采样点在接收到的脉冲信号上的真实幅值；其中，通过所述采样点的真实幅值和采样点对应的时刻得到采样点在接收到的脉冲信号包络上的位置信息，利用多个采样点在脉冲信号包络上的位置信息拟合出接收到的脉冲信号的包络。

依据本发明的另一个方面公开了一种利用脉冲信号包络检测装置修正到达时间的方法，包括：记录接收到的脉冲信号包络上与预设的幅值门限幅度相等的采样点对应的时刻，作为脉冲信号到达时刻的测量值；利用所述脉冲信号包络检测装置获得接收的脉冲信号的包络信息；根据与预设的幅值门限对应的采样点在接收的脉冲信号包络上的位置信息修正记录的到达时刻测量值，以获得到达时刻修正值。

依据本发明的又一个方面还公开了一种脉冲信号包络检测方法，包括：发射脉冲信号；接收所述脉冲信号，并对接收到的脉冲信号的幅度进行不同衰减幅度的衰减，记录每次衰减后的脉冲信号与预设幅值门限幅度相等的采样点对应的时刻，根据射频衰减器的衰减幅度和预设幅值门限获得所述采样点在接收到的脉冲信号上的真实幅值；通过所述采样点的真实幅值和采样点对应的时刻得到采样点在接收到的脉冲信号包络上的位置信息，利用多个采样点在脉冲信号包络上的位置信息拟合出接收到的脉冲信号的包络。

本发明公开的脉冲信号包络检测及到达时间修正方法，通过在UWB脉冲信号接收机中设置射频衰减器，而射频衰减器的衰减幅度调整的动态范围较大，能够根据系统需要灵活设置衰减幅度和衰减次数，进而获得满足系统需要个数和分布的采样点。低成本、高准确度地实现对脉冲信号包络的采样。本发明本质上统一了接收信号到达时刻采样点的选择标准，根据统一采样点与预设的幅值门限对应的采样点咋脉冲信号包络上的位置关系修正记录的到达时刻测量值，以获得到达时刻修正值。避免由于UWB脉冲发射机在向周围发射UWB脉冲时天线增益不同导致的UWB脉冲接收机接收到的信号幅度存在差异，进而导致的无法准确检测UWB脉冲定位信号的到达时间的问题，进一步地提高定位精度和稳定度。

附图说明

图1给出依据本发明一种实施例的定位系统100的信号收发示意图；

图2给出一种图1所示的定位系统100的脉冲信号包络的示意图；

图3给出依据本发明一种实施例的脉冲信号包络检测的示意图；

图4给出依据本发明一种实施例的脉冲信号到达时间修正的示意图；

图5给出依据本发明一种实施例的脉冲信号包络检测及到达时间修正方法500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。

图1给出依据本发明一种实施例的定位系统100的信号收发示意图。所述定位系统100示例性地包括定位基站BS1、BS2和BS3以及待定位装置MS，其中，定位基站BS1、BS2和BS3具有已知的位置信息。在一个实施例中待定位装置MS向定位基站BS1、BS2和BS3发射定位信号，定位基站BS1、BS2和BS3接收并记录所述定位信号到达自身的时间信息，定位系统100利用定位信号的发射时间信息和/或到达时间信息，以及定位基站BS1、BS2和BS3的位置信息，通过TOA或TDOA定位算法解算待定位装置MS的位置信息。在一个实施例中，所述定位信号为UWB脉冲信号，则所述待定位装置MS包含UWB脉冲信号发射机，定位基站BS1、BS2和BS3包含UWB脉冲信号接收机。

如图1所示，受天线硬件条件的限制，包含UWB脉冲发射机的待定位装置MS发射UWB脉冲的全向天线在各个方向的信号增益不能保证完全一致，图1中虚线表示UWB脉冲发射机的增益方向图。基于上述原因导致了在UWB脉冲发射机在向多个相距所述UWB脉冲发射机距离相同但位置不同的UWB脉冲接收机发射UWB脉冲时，信号到达多个UWB脉冲接收机的幅度不同。如图1所示，在定位系统100中，某一时刻待定位装置MS运动到与定位基站BS1、BS2和BS3间的距离均相等的位置，则待定位装置MS发射同一UWB脉冲信号时的空间衰减相同。但由于定位基站BS1、BS2和BS3相对于待定位装置MS的方向不同，待定位装置MS向定位基站BS1、BS2和BS3发射的UWB脉冲信号具有不同的幅度，因此导致了定位基站BS1、BS2和BS3接收到的UWB脉冲信号具有不同的幅度。在图1所示实施例中，由于朝向定位基站BS1和BS2的UWB脉冲发射机的天线增益较大，而朝向定位基站BS3的UWB脉冲发射机的天线增益较小，导致了定位基站BS3接收到的UWB脉冲信号的幅度要小于定位基站BS1和BS2接收到的UWB脉冲信号的幅度。

图2给出一种图1所示的定位系统100的脉冲信号包络的示意图。如图2所示，待定位装置MS向定位基站BS1、BS2和BS3发射定位信号，由于图1所示实施例中，定位基站BS1、BS2和BS3与待定位装置MS的距离相等，因此，理想地，定位基站BS1、BS2和BS3记录的定位信号到达自身的时间信息也应该相同。然而，由于包含UWB脉冲发射机的待定位装置MS发射UWB脉冲的全向天线在各个方向的信号增益不一致，导致了定位基站BS1、BS2和BS3接收到的UWB脉冲信号具有不同的幅度。如图2所示，定位基站BS3接收到的UWB脉冲信号的幅度要小于定位基站BS1和BS2接收到的UWB脉冲信号的幅度。各定位基站记录定位信号到达自身时间信息时，定位系统100为各定位基站设置了统一的信号幅值门限vth，当定位基站检测到接收到的脉冲信号大于或等于所述信号幅值门限vth时，视为检测到定位信号，并记录脉冲信号包络上与信号幅值门限vth幅度相等的采样点对应的时刻，作为定位信号到达时刻的测量值。即定位基站BS1、BS2和BS3根据统一的信号幅值门限vth，分别得到定位信号到达自身的时刻的测量值tm1、tm2和tm3。由于定位基站BS3接收到的UWB脉冲信号的幅度要小于定位基站BS1和BS2接收到的UWB脉冲信号的幅度，而各定位基站的信号幅值门限vth是统一的，这使得定位基站BS3得到的定位信号到达时刻的测量值tm3要大于定位基站BS1和BS2得到的定位信号到达时刻的测量值tm1和tm2，进而导致在利用所述定位信号的到达时刻值解算待定位装置MS的位置信息时存在误差，影响定位精度。本发明就提供一种定位信号包络检测及到达时间修正方法，通过对接收到的定位信号的包络进行检测，得到统一采样点在包络上的到达时间信息，进而对到达时间进行修正，以补偿由于UWB脉冲发射机各方向天线增益不一致带来的记录定位信号到达时间的偏差。

图3给出依据本发明一种实施例的脉冲信号包络检测的示意图。在本发明中通过在UWB脉冲接收机中设置射频衰减器对接收到的脉冲信号进行幅度衰减，通过为射频衰减器设置不同的衰减幅度，分别记录每次衰减后的脉冲信号包络上与信号幅值门限vth幅度相等的采样点对应的时刻，根据此时射频衰减器的衰减幅度和预设的幅值门限vth获得所述采样点在接收到的脉冲信号上的真实幅值，通过所述真实幅值和采样点对应的时刻得到采样点在脉冲信号包络上的位置信息，通过获得多个采样点在脉冲信号包络上的位置信息，拟合出接收到的脉冲信号的包络。

为了能够令UWB脉冲接收机对接收到的脉冲信号进行不同衰减幅度的衰减，在一个实施例中，所述UWB脉冲接收机为多通道接收机，即UWB脉冲接收机在每个接收通道上都设置一个射频衰减器，并为所述多个射频衰减器设置不同的衰减幅度。作为另一个实施例，如图3所示，由UWB脉冲发射机连续发射多个等幅度的UWB脉冲信号，由UWB脉冲接收机对接收到的多个等幅度的脉冲信号依次进行不同幅度的衰减，以达到与多通道的UWB脉冲接收机相同的技术效果。在图3所示实施例中，待定位装置MS中包含UWB脉冲发射机，定位基站中包含UWB脉冲接收机，即待定位装置MS发送UWB脉冲信号，定位基站接收UWB脉冲信号。为了方便说明，图3以定位基站BS1接收脉冲信号为例，对脉冲信号包络检测方法进行说明。又在一个实施例中，定位基站中包含UWB脉冲发射机，待定位装置MS中包含UWB脉冲接收机，即定位基站发送UWB脉冲信号，待定位装置MS接收UWB脉冲信号。

如图3所示，待定位装置MS按照已知的时间间隔向定位基站BS1发射多个等幅度的UWB脉冲信号。在图3所示实施例中，发射所述多个等幅度的UWB脉冲信号的时间间隔均相等为Δt，相应地，定位基站BS1接收UWB脉冲信号的时间间隔也均为Δt。又在一个实施例中，发射所述多个等幅度的UWB脉冲信号的时间间隔也可不均相等。定位基站BS1对接收到的多个等幅度的脉冲信号依次进行不同幅度的衰减，并记录衰减后的脉冲信号包络上与信号幅值门限vth幅度相等的采样点对应的时刻。定位基站BS1可以为射频衰减器设置不同的衰减幅度。在图3所示实施例中，定位基站BS1对接收到的第一个脉冲信号不进行衰减，仅记录脉冲信号包络上与信号幅值门限vth幅度相等的采样点对应的时刻，作为定位信号到达时刻的测量值tm1。射频衰减器将接收到的第二个脉冲信号的幅度衰减Δv1，记录衰减后的第二个脉冲信号包络上与信号幅值门限vth幅度相等的采样点对应的时刻，记为t2。射频衰减器将接收到的第三个脉冲信号的幅度衰减Δv1+Δv2，记录衰减后的第三个脉冲信号包络上与信号幅值门限vth幅度相等的采样点对应的时刻，记为t3。射频衰减器将接收到的第四个脉冲信号的幅度衰减Δv1+Δv2+Δv3，记录衰减后的第四个脉冲信号包络上与信号幅值门限vth幅度相等的采样点对应的时刻，记为t4。射频衰减器将接收到的第五个脉冲信号的幅度衰减Δv1+Δv2+Δv3+Δv4，记录衰减后的第五个脉冲信号包络上与信号幅值门限vth幅度相等的采样点对应的时刻，记为t5。在一个实施例中，各衰减幅度可以等梯度增加，即Δv1、Δv2、Δv3、Δv4均相等。又在一个实施例中，定位基站BS1可以进行非线性衰减，即Δv1、Δv2、Δv3、Δv4取不同值。在一个实施例中，发射等幅度的UWB脉冲信号的个数、衰减次数以及衰减幅度均可根据系统需要或脉冲信号先验信息灵活设置。在一个实施例中，所述先验信息包括发射脉冲信号的幅度信息以及接收到的脉冲信号的幅度范围，其中，接收到的脉冲信号的幅度范围可以利用发射脉冲信号的幅度信息以及脉冲信号发射机和接收机间的距离合理预测。在一个实施例中，射频衰减器按倍数对脉冲信号进行衰减。又在一个实施例中，射频衰减器以dB为单位对脉冲信号进行衰减。

如图3所示，根据射频衰减器的衰减幅度和预设的幅值门限vth，可以获得所述采样点在接收到的脉冲信号上的真实幅值。对接收到的第一个脉冲信号没有进行衰减，则第一个采样点在脉冲信号上的真实幅值为vth；对接收到的第二个脉冲信号进行了衰减幅度为Δv1的衰减，则第二个采样点在脉冲信号上的真实幅值为vth+Δv1；对接收到的第三个脉冲信号进行了衰减幅度为Δv1+Δv2的衰减，则第三个采样点在脉冲信号上的真实幅值为vth+Δv1+Δv2；对接收到的第四个脉冲信号进行了衰减幅度为Δv1+Δv2+Δv3的衰减，则第四个采样点在脉冲信号上的真实幅值为vth+Δv1+Δv2+Δv3；对接收到的第五个脉冲信号进行了衰减幅度为Δv1+Δv2+Δv3+Δv4的衰减，则第五个采样点在脉冲信号上的真实幅值为vth+Δv1+Δv2+Δv3+Δv4。根据记录的脉冲信号包络上与信号幅值门限vth幅度相等的采样点对应的时刻以及脉冲信号的间隔，可以获得所述采样点在接收到的脉冲信号上的真实时刻。如图3所示，前述的五个采样点在接收到的脉冲信号上的真实时刻分别为，tm1、t2-Δt、t3-2Δt、t4-3Δt、t5-4Δt。通过获得所述采样点在接收到的脉冲信号上的真实幅值和真实时刻，可以获得所述采样点在接收到的脉冲信号上的位置，进而可以根据脉冲先验信息拟合出脉冲信号的包络。在一个实施中，所述脉冲先验信息包括脉冲宽度、脉冲对称性等。

本发明利用在接收机中设置射频衰减器，通过调整射频衰减器的衰减幅度，可以对接收到的脉冲信号进行不同幅度的衰减，并与统一的门限值进行比较获得时间信息，实现对接收到的脉冲信号包络的采样，进而拟合出接收到的脉冲信号包络。而现有技术中多采用在接收机中设置多个不同比较值的比较器，进而实现多个门限值的设置，通过设置多个门限值实现对脉冲信号包络的采样。而此种方法中，比较器的比较值调整的动态范围有限。本发明公开的利用射频衰减器进行脉冲信号包络检测的方法中，射频衰减器的衰减幅度调整的动态范围较大，能够根据系统需要灵活设置衰减幅度和衰减次数，进而获得满足系统需要个数和分布的采样点。低成本、高准确度地实现对脉冲信号包络的采样。

图4给出依据本发明一种实施例的脉冲信号到达时间修正的示意图。通过图3所示实施例的方法，获得了定位基站BS1接收到的UWB脉冲信号的包络，并依照相同的方法，获得了定位基站BS2接收到的UWB脉冲信号的包络。在未对接收到的脉冲信号衰减之前，记录的脉冲信号包络上与信号幅值门限vth幅度相等的采样点对应的时刻，即定位信号到达定位基站BS1和BS2的时刻的测量值分别为tm1和tm2。从图4中可以看出，定位基站BS1的采样点位于二分之幅值采样点之前，而定位基站BS2的采样点位于二分之幅值采样点之后，这导致了波形相同、幅度不同的脉冲信号在选择采样点记录到达时刻时的采样点选择标准不一致，进而导致到达时刻记录存在偏差，进而影响定位精度。因此，需要统一采样点的选择标准，进而对定位信号到达定位基站BS1和BS2的时刻的测量值tm1和tm2进行修正。通过判断与信号幅值门限vth幅度相等的采样点在脉冲信号包络上的位置，并根据其与定位系统100选择的统一采样点的位置关系，对获得的定位信号到达时刻的测量值tm1和tm2进行修正，以获得定位信号到达时刻的修正值tc1和tc2。在图4所示实施例中，统一的采样点为二分之幅值点，又在一个实施例中，统一的采样点为峰值点或者其它合适的点。

在图4所示实施例中，统一的采样点为二分之幅值点，如图4所示，利用与信号幅值门限vth幅度相等的采样点与二分之幅值点在脉冲信号包络上的位置，获得时间差值Δt1和Δt2，并利用时间差值Δt1和Δt2对定位信号到达时刻的测量值tm1和tm2进行修正，以获得定位信号到达时刻的修正值tc1和tc2。

图5给出依据本发明一种实施例的脉冲信号包络检测方法500的流程图。所述脉冲信号包络检测方法500包括如下步骤：

步骤501：记录接收到的脉冲信号包络上与信号幅值门限幅度相等的采样点对应的时刻，作为脉冲信号到达时刻的测量值；

步骤502：对接收到的脉冲信号进行衰减，并记录衰减后的脉冲信号包络上与信号幅值门限幅度相等的采样点对应的时刻；

步骤503：利用衰减幅度和预设的幅值门限以及记录的采样点对应的时刻，获得采样点在脉冲信号包络上的位置；

步骤504：根据多个采样点在脉冲信号包络上的位置拟合出接收到的脉冲信号的包络。

Claims (5)

1.一种脉冲信号包络检测装置，包括：

脉冲信号发射机，连续发射多个等幅度的脉冲信号；以及

脉冲信号接收机，包括一个射频衰减器，对接收到的多个等幅度的脉冲信号依次进行不同衰减幅度的衰减，记录每次衰减后的脉冲信号与预设幅值门限幅度相等的采样点对应的时刻，根据射频衰减器的衰减幅度和预设幅值门限获得所述采样点在接收到的脉冲信号上的真实幅值；

其中，利用发射多个等幅度的脉冲信号的时间间隔和衰减后的脉冲信号与预设幅值门限幅度相等的采样点对应的时刻，获得所述采样点在接收到的脉冲信号上的真实时刻，通过所述采样点的真实幅值和采样点在接收到的脉冲信号上的真实时刻得到采样点在接收到的脉冲信号包络上的位置信息，利用多个采样点在脉冲信号包络上的位置信息拟合出接收到的脉冲信号的包络；

所述脉冲信号包络检测装置还利用脉冲信号先验信息拟合出接收到的脉冲信号的包络，所述脉冲信号先验信息包括脉冲信号宽度、脉冲信号对称性或接收到的脉冲信号的幅度范围；

还利用发射脉冲信号的幅度信息以及脉冲信号发射机和脉冲信号接收机间的距离获得接收到的脉冲信号的幅度范围，并利用所述先验信息设置衰减次数和/或衰减幅度和/或发射等幅度的脉冲信号的个数。

2.利用如权利要求1所述的脉冲信号包络检测装置修正到达时间的方法，包括：

记录接收到的脉冲信号包络上与预设的幅值门限幅度相等的采样点对应的时刻，作为脉冲信号到达时刻的测量值；

利用所述脉冲信号包络检测装置获得接收的脉冲信号的包络信息；

根据与预设的幅值门限对应的采样点在接收的脉冲信号包络上的位置信息修正记录的到达时刻测量值，以获得到达时刻修正值。

3.如权利要求2所述的利用脉冲信号包络检测装置修正到达时间的方法，还包括，设置统一采样点，根据统一采样点与预设的幅值门限对应的采样点在接收的脉冲信号包络上的位置关系修正记录的到达时刻测量值，以获得到达时刻修正值。

4.如权利要求3所述的利用脉冲信号包络检测装置修正到达时间的方法，统一的采样点为脉冲信号波形上的二分之幅值点或峰值点。

5.一种脉冲信号包络检测方法，包括：

连续发射多个等幅度的脉冲信号；

接收多个脉冲信号，并对接收到的多个等幅度的脉冲信号的幅度进行不同衰减幅度的衰减，记录每次衰减后的脉冲信号与预设幅值门限幅度相等的采样点对应的时刻，根据射频衰减器的衰减幅度和预设幅值门限获得所述采样点在接收到的脉冲信号上的真实幅值；

利用发射多个等幅度的脉冲信号的时间间隔和衰减后的脉冲信号与预设幅值门限幅度相等的采样点对应的时刻，获得所述采样点在接收到的脉冲信号上的真实时刻，通过所述采样点的真实幅值和采样点在接收到的脉冲信号上的真实时刻得到采样点在接收到的脉冲信号包络上的位置信息，利用多个采样点在脉冲信号包络上的位置信息拟合出接收到的脉冲信号的包络；

脉冲信号包络检测装置还利用脉冲信号先验信息拟合出接收到的脉冲信号的包络，所述脉冲信号先验信息包括脉冲信号宽度、脉冲信号对称性或接收到的脉冲信号的幅度范围；

还利用发射脉冲信号的幅度信息以及脉冲信号发射机和脉冲信号接收机间的距离获得接收到的脉冲信号的幅度范围，并利用所述先验信息设置衰减次数和/或衰减幅度和/或发射等幅度的脉冲信号的个数。

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