CN113740799A - 一种简易的aoa信号来波角度计算系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种简易的AOA信号来波角度计算系统及其方法，一种简易的AOA信号来波角度计算系统，包括：基带信号处理模块和AOA信号处理模块；基带信号处理模块与AOA信号处理模块相连；其中，基带信号处理模块用于计算AOA信号的频率偏移值和多径信道冲激响应数值并发送至AOA信号处理模块；AOA信号处理模块，用于接收频率偏移值和多径信道冲激响应数值并实现对AOA信号的频偏补偿和多径补偿，计算补偿后的每个AOA信号的相位及频率f，并将前一天线与当前天线在同一时刻下的相位作差得到相位差Ψ，根据相位差与频率计算当前来波角度θ。本发明在确保算法精度的前提下，大大简化了信号角度的计算过程，便于算法在SOC内的实现。
Description
技术领域
本发明设计室内定位技术领域，更具体的说是涉及一种简易的AOA信号来波角度计算系统及其方法。
背景技术
随着室内定位市场需求的持续扩大，越来越多的技术被应用于该领域，包括WIFI定位技术、蓝牙定位技术、射频定位技术以及基于UWB的定位技术。考虑系统构架成本的影响，目前国内普遍采用蓝牙和WIFI技术进行室内定位系统开发。在蓝牙定位技术中，基于AOA方法的精确定位技术应用越来越广，AOA方法一般使用CAPON算法或MUSIC算法来完成接收信号的角度计算，这些算法的优点是计算精确度高，抗干扰能力强，但缺点也很明显就是计算方法比较复杂，涉及大量的矩阵运算，不适合在SOC内集成实现。
因此，如何提供一种简易的AOA信号来波角度计算系统及其方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种简易的AOA信号来波角度计算系统及其方法，目的在于解决现有的定位算法中运算量大的问题，在确保算法精度的前提下，大大简化了信号角度的计算过程，便于算法在SOC内的实现。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种简易的AOA信号来波角度计算系统，包括：基带信号处理模块和AOA 信号处理模块；所述基带信号处理模块与所述AOA信号处理模块相连；其中，
所述基带信号处理模块用于计算AOA信号的频率偏移值和多径信道冲激响应数值并发送至所述AOA信号处理模块；
所述AOA信号处理模块，用于接收所述频率偏移值和多径信道冲激响应数值并实现对AOA信号的频偏补偿和多径补偿，计算补偿后的每个AOA信号的相位及频率f，并将前一天线与当前天线在同一时刻下的相位作差得到相位差Ψ，根据相位差与频率计算当前来波角度θ：
其中，λ为射频信号的波长。
优选的，所述基带信号处理模块包括频偏估计单元和信道估计单元；
所述频偏估计单元用于计算频率偏移值并发送至所述AOA信号处理模块，以及将频偏对基带信号进行补偿并将结果发送至所述信道估计单元；
所述信道估计单元用于估计和补偿多径信道引起的符号间干扰，计算多径信道冲激响应数值并发送至所述AOA信号处理模块。
优选的，所述基带信号处理模块还包括后续基带处理单元，与所述信道估计单元相连，用于完成除AOA信号外的其他基带信号的解调解码任务。
优选的，所述AOA信号处理模块包括信号补偿单元、鉴相器、鉴频器、缓存器和相位补偿单元、相差计算单元和角度计算单元；
所述信号补偿单元分别与所述鉴相器模块、所述信道估计单元和所述频偏估计单元均相连，用于根据频率偏移值和多径信道冲激响应数值对AOA信号进行频偏补偿和多径补偿；
所述鉴相器分别与所述鉴频器和所述缓存器均相连，用于计算每个AOA信号的相位；
所述鉴频器与所述相位补偿单元相连，用于分别对同一天线的每个AOA信号的相位信息进行差分运算，得到该时段内每个AOA信号的频率f；
所述缓存器模块与所述相位补偿单元相连，用于缓存当前时刻同一天线的采样数据，用于后续相位补偿；
所述相位补偿单元用于根据所述鉴频器得到的频率f计算特定采样间隔下的相位差，通过特定采样间隔下的相位差实现所述缓存器内采样数据的补偿；
所述相差计算单元与所述角度计算单元相连，用于计算前一天线与当前天线在同一时刻下的相位差Ψ；
所述角度计算单元用于根据相位差Ψ计算来波角度。
优选的，还包括控制模块、天线切换模块、信号切换模块和下变频模块；
所述控制模块与所述天线切换模块和所述信号切换模块相连，用于产生控制天线切换和信号连接关系切换的控制信号；
所述天线切换模块与所述下变频模块相连，用于根据所述控制信号来切换接收天线阵列中的不同天线与所述下变频模块的通断关系；
所述下变频模块与所述信号切换模块相连，用于将低中频数字信号变换为零中频数字信号，并通过低通滤波去除干扰信号；
所述信号切换模块与所述基带信号处理模块和所述AOA信号处理模块均相连，用于根据所述控制信号将经过下变频后的信号发送至所述基带信号处理模块或所述AOA信号处理模块。
优选的，所述控制模块包括定时器与控制器；
所述定时器为时钟控制的计数器，用于产生计时脉冲，并将之发送至控制器；
所述控制器根据计时脉冲对应的定时信息，来产生切换控制信号，并将信号发送至对应的被控模块。
优选的，所述天线切换模块中包括RF前端处理单元以及模数转换单元，分别用于进行RF前端处理以及模数转换。
一种简易的AOA信号来波角度计算方法，包括以下步骤：
S1.计算AOA信号的频率偏移值和多径信道冲激响应数值并发送至所述AOA 信号处理模块；
S2.接收所述频率偏移值和多径信道冲激响应数值并实现对AOA信号的频偏补偿和多径补偿，计算补偿后的每个AOA信号的相位及频率f，并将前一天线与当前天线在同一时刻下的相位作差得到相位差Ψ，根据相位差与频率计算当前来波角度θ：
其中，λ为射频信号的波长。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种简易的AOA信号来波角度计算系统及其方法，采用串行采样，并利用蓝牙SOC基带处理模块对AOA信号进行频偏补偿、信道补偿，然后通过简单的乘加运算及基本的三角函数运算、差分运算，利用鉴相、鉴频、相位补偿等功能来计算出信号来向角度，与现有的CAPON算法和MUSIC算法相比避免了大量的矩阵求逆及矩阵乘加运算，节省了算法的资源开支，使角度计算算法能在资源有限的SOC 内得以实现。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的一种简易的AOA信号来波角度计算系统结构示意图；
图2附图为本发明提供的不同天线接收信号的相位差原理示意图；
图3附图为本发明提供的蒙特卡洛仿真实验数据示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种简易的AOA信号来波角度计算系统及其方法，本发明提出的AOA信号角度计算装置的结构及信号处理流程见上图，其通过天线切换模块来完成串行采样，并使用基带处理中得到的时频估计和信道估计信息来补偿AOA信号，信号补偿完毕后通过鉴相、鉴频、相位补偿等计算来得到角度信息。
一种简易的AOA信号来波角度计算系统，如图1所示，包括：基带信号处理模块和AOA信号处理模块；基带信号处理模块与AOA信号处理模块相连；其中，
基带信号处理模块用于计算AOA信号的频率偏移值和多径信道冲激响应数值并发送至AOA信号处理模块；
AOA信号处理模块，用于接收频率偏移值和多径信道冲激响应数值并实现对 AOA信号的频偏补偿和多径补偿，计算补偿后的每个AOA信号的相位及频率f，并将前一天线与当前天线在同一时刻下的相位作差得到相位差Ψ，根据相位差与频率计算当前来波角度θ：
其中，λ为射频信号的波长。
需要说明的是：
如图2所示，在已知两接收天线间距为d的前提下，相同时刻两天线接收信号的相位差Ψ(由同一信号到达不同天线的时间差Δt引起)可表示为：
上式中只有两个未知量分别为相位差Ψ和夹角θ，为达到计算夹角的目的，必须得到相位差信息，而这个信息由相差计算模块通过将相位补偿得到的前一天线相位信息与现在天线在同一时刻的相位信息相减得到。
夹角计算模块与相差计算模块相连，用于计算信号来向与天线阵面的夹角，使用下面的反余弦公式计算即可。
为了进一步实施上述技术方案，基带信号处理模块包括频偏估计单元和信道估计单元；
频偏估计单元用于计算频率偏移值并发送至AOA信号处理模块，以及将频偏对基带信号进行补偿并将结果发送至信道估计单元；
信道估计单元用于估计和补偿多径信道引起的符号间干扰，计算多径信道冲激响应数值并发送至AOA信号处理模块。
为了进一步实施上述技术方案，基带信号处理模块还包括后续基带处理单元，与信道估计单元相连，用于完成除AOA信号外的其他基带信号的解调解码任务。
为了进一步实施上述技术方案，AOA信号处理模块包括信号补偿单元、鉴相器、鉴频器、缓存器和相位补偿单元、相差计算单元和角度计算单元；
信号补偿单元分别与鉴相器模块、信道估计单元和频偏估计单元均相连，用于根据频率偏移值和多径信道冲激响应数值对AOA信号进行频偏补偿和多径补偿；
鉴相器分别与鉴频器和缓存器均相连，用于计算每个AOA信号的相位；
鉴频器与相位补偿单元相连，用于分别对同一天线的每个AOA信号的相位信息进行差分运算，得到该时段内每个AOA信号的频率f；
缓存器模块与相位补偿单元相连，用于缓存当前时刻同一天线的采样数据，用于后续相位补偿；
相位补偿单元用于根据鉴频器得到的频率f计算特定采样间隔下的相位差，通过特定采样间隔下的相位差实现缓存器内采样数据的补偿；
相差计算单元与角度计算单元相连，用于计算前一天线与当前天线在同一时刻下的相位差Ψ；
角度计算单元用于根据相位差Ψ计算来波角度。
为了进一步实施上述技术方案，还包括控制模块、天线切换模块、信号切换模块和下变频模块；
控制模块与天线切换模块和信号切换模块相连，用于产生控制天线切换和信号连接关系切换的控制信号；
天线切换模块与下变频模块相连，用于根据控制信号来切换接收天线阵列中的不同天线与下变频模块的通断关系；
下变频模块与信号切换模块相连，用于将低中频数字信号变换为零中频数字信号，并通过低通滤波去除干扰信号；
信号切换模块与基带信号处理模块和AOA信号处理模块均相连，用于根据控制信号将经过下变频后的信号发送至基带信号处理模块或AOA信号处理模块。
为了进一步实施上述技术方案，控制模块包括定时器与控制器；
定时器为时钟控制的计数器，用于产生计时脉冲，并将之发送至控制器；
控制器根据计时脉冲对应的定时信息，来产生切换控制信号，并将信号发送至对应的被控模块。
为了进一步实施上述技术方案，天线切换模块中包括RF前端处理单元以及模数转换单元，分别用于进行RF前端处理以及模数转换。
需要说明的是：
本系统处理的信号可以是蓝牙5.1协议规范里约定的AOA数据帧，也可是自定义的AOA数据帧，但帧结构须为数据帧+AOA信号的模式，即在数据帧尾部添加一段时间的单音信号。
一种简易的AOA信号来波角度计算方法，包括以下步骤：
S1.计算AOA信号的频率偏移值和多径信道冲激响应数值并发送至AOA信号处理模块；
S2.接收频率偏移值和多径信道冲激响应数值并实现对AOA信号的频偏补偿和多径补偿，计算补偿后的每个AOA信号的相位及频率f，并将前一天线与当前天线在同一时刻下的相位作差得到相位差Ψ，根据相位差与频率计算当前来波角度θ：
其中，λ为射频信号的波长。
本发明在使用优化的天线切换图样后，能消除载波频偏漂移的影响，相对于蓝牙信号本身的基带处理流程并没有增加太多复杂的计算过程。在信号来向与天线阵面法线夹角小于45°的前提下，计算误差不大于3°，10万级蒙特卡洛仿真实验数据可以参见附图图3。本系统的计算过程避免了大量的矩阵运算，在不降低角度计算精度的前提下，大大简化了算法的实现复杂度。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种简易的AOA信号来波角度计算系统，其特征在于，包括：基带信号处理模块和AOA信号处理模块；所述基带信号处理模块与所述AOA信号处理模块相连；其中，
所述基带信号处理模块用于计算AOA信号的频率偏移值和多径信道冲激响应数值并发送至所述AOA信号处理模块；
所述AOA信号处理模块，用于接收所述频率偏移值和多径信道冲激响应数值并实现对AOA信号的频偏补偿和多径补偿，计算补偿后的每个AOA信号的相位及频率f，并将前一天线与当前天线在同一时刻下的相位作差得到相位差Ψ，根据相位差与频率计算当前来波角度θ：
其中，λ为射频信号的波长。
2.根据权利要求1所述的一种简易的AOA信号来波角度计算系统，其特征在于，所述基带信号处理模块包括频偏估计单元和信道估计单元；
所述频偏估计单元用于计算频率偏移值并发送至所述AOA信号处理模块，以及将频偏对基带信号进行补偿并将结果发送至所述信道估计单元；
所述信道估计单元用于估计和补偿多径信道引起的符号间干扰，计算多径信道冲激响应数值并发送至所述AOA信号处理模块。
3.根据权利要求2所述的一种简易的AOA信号来波角度计算系统，其特征在于，所述基带信号处理模块还包括后续基带处理单元，与所述信道估计单元相连，用于完成除AOA信号外的其他基带信号的解调解码任务。
4.根据权利要求2所述的一种简易的AOA信号来波角度计算系统，其特征在于，所述AOA信号处理模块包括信号补偿单元、鉴相器、鉴频器、缓存器和相位补偿单元、相差计算单元和角度计算单元；
所述信号补偿单元分别与所述鉴相器模块、所述信道估计单元和所述频偏估计单元均相连，用于根据频率偏移值和多径信道冲激响应数值对AOA信号进行频偏补偿和多径补偿；
所述鉴相器分别与所述鉴频器和所述缓存器均相连，用于计算每个AOA信号的相位；
所述鉴频器与所述相位补偿单元相连，用于分别对同一天线的每个AOA信号的相位信息进行差分运算，得到该时段内每个AOA信号的频率f；
所述缓存器模块与所述相位补偿单元相连，用于缓存当前时刻同一天线的采样数据，用于后续相位补偿；
所述相位补偿单元用于根据所述鉴频器得到的频率f计算特定采样间隔下的相位差，通过特定采样间隔下的相位差实现所述缓存器内采样数据的补偿；
所述相差计算单元与所述角度计算单元相连，用于计算前一天线与当前天线在同一时刻下的相位差Ψ；
所述角度计算单元用于根据相位差Ψ计算来波角度。
5.根据权利要求1所述的一种简易的AOA信号来波角度计算系统，其特征在于，还包括控制模块、天线切换模块、信号切换模块和下变频模块；
所述控制模块与所述天线切换模块和所述信号切换模块相连，用于产生控制天线切换和信号连接关系切换的控制信号；
所述天线切换模块与所述下变频模块相连，用于根据所述控制信号来切换接收天线阵列中的不同天线与所述下变频模块的通断关系；
所述下变频模块与所述信号切换模块相连，用于将低中频数字信号变换为零中频数字信号，并通过低通滤波去除干扰信号；
所述信号切换模块与所述基带信号处理模块和所述AOA信号处理模块均相连，用于根据所述控制信号将经过下变频后的信号发送至所述基带信号处理模块或所述AOA信号处理模块。
6.根据权利要求5所述的一种简易的AOA信号来波角度计算系统，其特征在于，所述控制模块包括定时器与控制器；
所述定时器为时钟控制的计数器，用于产生计时脉冲，并将之发送至控制器；
所述控制器根据计时脉冲对应的定时信息，来产生切换控制信号，并将信号发送至对应的被控模块。
7.根据权利要求5所述的一种简易的AOA信号来波角度计算系统，其特征在于，所述天线切换模块中包括RF前端处理单元以及模数转换单元，分别用于进行RF前端处理以及模数转换。
8.一种简易的AOA信号来波角度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.计算AOA信号的频率偏移值和多径信道冲激响应数值并发送至所述AOA信号处理模块；
S2.接收所述频率偏移值和多径信道冲激响应数值并实现对AOA信号的频偏补偿和多径补偿，计算补偿后的每个AOA信号的相位及频率f，并将前一天线与当前天线在同一时刻下的相位作差得到相位差Ψ，根据相位差与频率计算当前来波角度θ：
其中，λ为射频信号的波长。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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