CN110673120B - 一种基于Zadoff-Chu序列的移动速率测定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于Zadoff‑Chu序列的移动速率测定方法，包括构建信标信号、无线台发射信标信号、移动台接收信标信号、接收信号预处理、多普勒频率与速率测定。本发明通过提出一种利用Zadoff‑Chu序列构造生成的信标信号，该信号具有恒包络特性，方便无线台发射，可以方便和有效的实现多普勒频率测定，同时提出一种利用Zadoff‑Chu相关性特征来实现精确多普勒频率测定的方法，间接实现高精确和大范围的测定物体运动速度。

Description

一种基于Zadoff-Chu序列的移动速率测定方法
技术领域
本发明涉及信号处理领域，尤其涉及一种基于Zadoff-Chu序列的移动速率测定方法。
背景技术
非接触式的速率测定是一种在实际运用中非常重要和困难的速率测定方式，也就是当物体自身自己在运动/转动的时候，解决如何测定自身速率的问题。多普勒频率测定法是测定速率一种优良方法，基本原理便是通过多普勒效应来实现速率的测定。多普勒效应指出，波在波源移向观察者接近时接收频率变高，而在波源远离观察者时接收频率变低，多普勒效应适用于所有类型的波，包括电磁波。如图1所示，在电磁波的多普勒效应中，当移动台移向发射基站时，频率变高，远离基站时，频率变低。因此，多普勒频率测定法是测定速率一种优良间接方法，其基本思路是当一个物体在移动过程中，通过测定接收到的电磁波多普勒频率偏移，就可以间接测定出物体移动的速率。
无线电信号的多普勒频率(Doppler Frequency)fd，跟物体的运动速率v已及无线信号的载频频率fc以及光速速率c满足下面的公式：
Figure BDA0002206540410000011
因此，一个运动物体的多普勒速率测定和速率测定平台由两部分构成，一部分是无线台发射无线特定电磁波，另外一部分是运动物体本身做无线台发射的电磁波信号做多普勒频率测定。因此，当精确的测定出物体运动的多普勒频率，就可以间接的精确测量出物体运动速率v。但是在现有的速率测定中，测定多普勒频率实现都非常复杂和繁琐，如常用的方法有无源测频法(又可分为谐振法和电桥法)和有源比较法，有源比较法又可分为拍频法和差频法。无源测频法(常用于频率粗测，精度在1％左右，实现复杂度非常高。有源法是利用两个信号线性叠加以产生拍频现象，再通过检测零拍现象进行测频，常用于低频测量，精度较高，但测量的频率误差范围非常小，而且复杂度较高。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种基于Zadoff-Chu序列的移动速率测定方法。
一种基于Zadoff-Chu序列的移动速率测定方法，包括如下步骤：
S1：构建帧格式由ZC序列和共轭ZC序列构成的信标信号；
S2：无线台发射信标信号；
S3：移动台接收信标信号；
S4：对接收信号进行包括信号提取和峰值检测的预处理；
S5：测定多普勒频率与移动速率。
所述ZC序列是由一个长度为Nc的矢量构成
Figure BDA0002206540410000021
每个元素定义如下：
Figure BDA0002206540410000022
共轭ZC序列由对ZC序列取共轭操作取得，每个元素定义如下
Figure BDA0002206540410000023
所述无线台发射信标信号的方式为：通过发射天线在载频频率分别为fc,0，fc,1，...fc,N-1的频率上循环发射构建的信标信号。
所述接收信标信号是将接收的载频信号进行下变频变换。
所述信号预处理包括如下子步骤：
S41：提取信标信号；所述信号提取过程是将载频信号输入对应序列的相关器，相关器的输入为yk，ZC序列的相关器的输出可以表示为ck，共轭ZC序列的相关器的输出可以表示为
Figure BDA0002206540410000024
其中
Figure BDA0002206540410000025
S42：所述信号峰值检测为测定ZC序列与共轭ZC序列相关器峰值，记录两峰值时间间隔为Δd。
所述步骤S5包括如下子步骤：
S51：多普勒频率测定，将峰值时间间隔Δd进行查表获得多普勒频率
Figure BDA0002206540410000026
S52：移动速率测定，将多普勒频率
Figure BDA0002206540410000027
进行查表拟合获得相应的移动速率
Figure BDA0002206540410000028
其中LUT代表表格查找和曲线拟合操作。
本发明的有益效果：本发明通过提出一种利用Zadoff-Chu序列构造生成的信标信号，该信号具有恒包络特性，方便无线台发射，可以方便和有效的实现多普勒频率测定，同时提出一种利用Zadoff-Chu相关性特征来实现精确多普勒频率测定的方法，间接实现高精确和大范围的测定出物体的运动速度。
附图说明
图1是多普勒效应原理示意图；
图2是信标信号帧格式示意图；
图3是ZC序列和共轭ZC序列相关器输出跟多普勒频率的关系。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
本实施例中，无线台发射部分。
构建信标信号，如图2所示，信标信号的帧格式由ZC序列和共轭ZC序列两端构成，其中ZC序列是由一个长度为Nc的矢量构成
Figure BDA0002206540410000031
每个元素定义如下：
Figure BDA0002206540410000032
其中μ是小于Nc的整数，且μ和Nc互质。
共轭ZC序列由对ZC序列取共轭操作取得，得到共轭ZC序列其中的每个元素可以表示为
Figure BDA0002206540410000033
Figure BDA0002206540410000034
信号发射，其信标的发射方式如下：
发射天线会循环发射由图2所示由ZC序列和共轭ZC序列构成信标信号。发射天线会在1个到N个载频频率，也就是在载频频率分别为fc,0，fc,1，...fc,N-1的频率上发射如图2所定义信标信号。
本实施例中，移动台接收部分。
在基于发射部分的信标的基础上，移动台采用一种简单的峰值检测来实现多普勒频率检测。在每一个载频的接收输出信号上，通过移动台接收信号和下面的两个ZC序列和共轭ZC序列做相关。载频信号下变频后输入相关器的信号可以写为yk，ZC序列的相关器的输出可以表示为ck；同理，共轭ZC序列的相关器的输出可以表示为
Figure BDA0002206540410000035
其中
Figure BDA0002206540410000036
Figure BDA0002206540410000037
本实施例中，多普勒频率测定部分。
ZC序列和共轭ZC序列在受到多普勒效应后，其相关峰的位置会根据多普勒频率的大小做相应的偏移，如图3所示。因此本发明利用多普勒频率会改变ZC序列和共轭ZC序列相关器峰值之间的间隔距离，从而实现精确的测定移动台的多普勒频率。因此，假定在时间轴上，ZC序列和共轭ZC序列相关器峰值的时间间隔为Δd，相应的多普勒频率可以根据Δd查表和函数生成，也就是测定的多普勒频率可以表示为
Figure BDA0002206540410000041
其中
Figure BDA0002206540410000042
LUT代表表格查找和曲线拟合操作。
本实施例中，速率测定部分。
通过查表和拟合得到测定的多普勒频率
Figure BDA0002206540410000043
相应的移动速率
Figure BDA0002206540410000044
可以根据测定多普勒频率
Figure BDA0002206540410000045
查表和拟合产生，也就是：
Figure BDA0002206540410000046
通过仿真确定，本发明提出的方法可以测定多普勒频率的精度可以达到0.001HZ,而且可以非常测定的多普勒频率范围非常宽，可以达到10KHz的范围，因此该方法可以测定的速度范围也非常宽广。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种基于Zadoff-Chu序列的移动速率测定方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：构建帧格式由ZC序列和共轭ZC序列构成的信标信号；
S2：无线台发射信标信号；
S3：移动台接收信标信号；
S4：对接收信号进行包括信号提取和峰值检测的预处理；
S5：测定多普勒频率与移动速率；
所述步骤S5包括如下子步骤：
S51：多普勒频率测定，将峰值时间间隔Δd进行查表获得多普勒频率
Figure FDA0003502230540000011
S52：移动速率测定，将多普勒频率
Figure FDA0003502230540000012
进行查表拟合获得相应的移动速率
Figure FDA0003502230540000013
其中LUT代表表格查找和曲线拟合操作。
2.根据权利要求1所述的一种基于Zadoff-Chu序列的移动速率测定方法，其特征在于，所述ZC序列是由一个长度为Nc的矢量构成
Figure FDA0003502230540000016
每个元素定义如下：
Figure FDA0003502230540000017
共轭ZC序列由对ZC序列取共轭操作取得，每个元素定义如下
Figure FDA0003502230540000018
3.根据权利要求1所述的一种基于Zadoff-Chu序列的移动速率测定方法，其特征在于，所述无线台发射信标信号的方式为：通过发射天线在载频频率分别为fc,0，fc,1，...fc,N-1的频率上循环发射构建的信标信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于Zadoff-Chu序列的移动速率测定方法，其特征在于，所述接收信标信号是对载频信号进行接收并做下变频变换。
5.根据权利要求1所述的一种基于Zadoff-Chu序列的移动速率测定方法，其特征在于，所述信号预处理包括如下子步骤：
S41：提取信标信号；所述信号提取过程是将载频信号输入对应序列的相关器，相关器的输入为yk，ZC序列的相关器的输出可以表示为ck，共轭ZC序列的相关器的输出可以表示为
Figure FDA0003502230540000014
其中
Figure FDA0003502230540000015
S42：所述信号峰值检测为测定ZC序列与共轭ZC序列相关器峰值，记录两峰值时间间隔为Δd。
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