CN114697182A - 信号感测系统和方法 - Google Patents

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刘家隆
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Abstract

本公开提供一种信号感测系统和方法，信号感测系统包含感测装置、处理器以及耦接到感测装置的时间服务器；感测装置包含多个接收器和耦接到接收器的振荡器；接收器是通过从时间服务器接收时间同步信号来同步；接收器根据通过振荡器产生的时钟监控物件的多个信号并且根据信号获得多个信道状态信息(CSI)；处理器根据信道状态信息计算信号的到达角度。

Description

信号感测系统和方法
本申请为2019年12月26日提交的正在申请当中的美国申请第16/726,948号的部分接续申请且主张其优先权权益。先前的美国申请第16/726,948号主张2019年7月22日提交的美国临时申请第62/876,788号和2019年11月8日提交的台湾申请第108140738号的优先权权益。上文所提到的专利申请中的每一件的全部内容特此以引用的方式并入本文中并且成为本说明书的一部分。
技术领域
本公开涉及一种信号感测系统和方法，尤其涉及基于正交频分多路复用(orthogonal frequency-division multiplexing；OFDM)技术的信号感测系统和方法。
背景技术
雷达感测技术广泛地用于各种不同感测领域中，例如卫生保健、安全监控、智能家居、食品安全执行以及其它应用。现有的雷达感测装置【例如多普勒雷达、毫米波(millimeter wave；mmWave)雷达等】成本太高。考虑到消费者会由于价格考虑因素而犹豫是否购买，因此使用便宜的OFDM装置(例如使用如WiFi、LTE、5G等技术的装置)来感测已成为近年来最受欢迎的研究技术中的一种。
在室内定位的应用中，OFDM装置可采用监听机制来进行室内定位。通过监听机制监控的目标物件的信号必须包含多个天线的信道状态信息(channel state information；CSI)以计算信号的到达角度(angle of arrival；AoA)来进行室内定位。然而，上文提到的方法仍然有两个关键问题待解决。
问题1：提供CSI的OFDM装置仅支持单个天线。
OFDM装置仅支持通过单个天线的CSI信息收集。在多个OFDM装置用于接收信号时，由于每一接收端属于不同的OFDM装置，因此接收端可能发生频率偏移的问题，且可能发生定位误差。
问题2：在OFDM装置之间没有时间同步机制。
在多个OFDM装置用于接收目标物件的信号时，到达OFDM装置的目标物件所传输的封包的时间点是不同的。相同封包的CSI必须用于计算信号的AoA。
发明内容
本公开提供一种信号感测系统和方法，其解决接收端频率偏移的问题并且支持OFDM装置之间的时间同步机制，从而改进信号AoA计算的结果。
本公开提供一种信号感测系统。所述信号感测系统包含感测装置、处理器以及耦接到感测装置的时间服务器。所述感测装置包含多个接收器和耦接到接收器的振荡器。所述接收器是通过从时间服务器接收时间同步信号来同步。所述接收器根据通过振荡器产生的时钟监控物件的多个信号并且根据所述信号获得多个信道状态信息(channel stateinformation，CSI)。所述处理器根据CSI计算信号的到达角度。
在一种可能实施的方式中，所述接收器在启动时配置成客户端模式并且通过网络时间协议从所述时间服务器接收所述时间同步信号。
在一种可能实施的方式中，所述接收器从所述客户端模式配置成监听模式以监控所述信号，其中所述信号包括具有时间信息的多个信道状态信息封包。
在一种可能实施的方式中，所述处理器根据在预定时间间隔内通过所述接收器接收的所述信道状态信息封包计算所述到达角度。
在一种可能实施的方式中，所述处理器通过算法计算所述到达角度，所述算法包括多信号分类(Multiple Signal Classification，MUSIC)算法和相位差算法。
在一种可能实施的方式中，所述接收器中的每一个为正交频分多路复用(orthogonal frequency-division multiplexing，OFDM)接收器。
本公开提供一种用于所述信号感测系统的信号感测方法。所述信号感测系统包含感测装置、处理器以及时间服务器。所述感测装置包含多个接收器和耦接到接收器的振荡器。所述信号感测方法包含：通过从时间服务器接收时间同步信号来同步所述接收器；通过所述接收器中的每一个根据通过振荡器产生的时钟监控物件的多个信号并且根据所述信号获得信道状态信息(channel state information，CSI)；以及通过所述处理器根据所述CSI计算信号的到达角度。
在一种可能实施的方式中，通过从所述时间服务器接收所述时间同步信号来同步所述接收器的步骤包括：在启动时将所述接收器配置成客户端模式且通过网络时间协议从所述时间服务器接收所述时间同步信号。
在一种可能实施的方式中，监控所述物件的所述多个信号的步骤包括：将所述接收器从所述客户端模式配置成监听模式以监控所述信号，其中所述信号包括具有时间信息的多个信道状态信息封包。
在一种可能实施的方式中，计算所述信号的所述到达角度的步骤包括：根据在预定时间间隔内通过所述接收器接收的所述信道状态信息封包计算所述到达角度。
在一种可能实施的方式中，计算所述信号的所述到达角度的所述步骤包括：通过算法计算所述到达角度，所述算法包括多信号分类算法(Multiple SignalClassification，MUSIC)和相位差算法。
在一种可能实施的方式中，所述接收器中的每一个为正交频分多路复用(orthogonal frequency-division multiplexing，OFDM)接收器。
基于上文，本公开的信号感测系统和方法基于OFDM技术将多个接收器整合到同一感测装置中并且允许接收器共享同一振荡器，从而解决接收器之间的频率偏移问题。另外，本公开还通过从时间服务器接收时间同步信号来同步接收器以使得同一封包的CSI可用于计算信号的AoA，从而提高AoA估计结果的准确度。
为了使前述内容更易于理解，下文详细地描述附有图式的若干实施例。
附图说明
包含随附附图以提供对本公开的进一步理解，且随附附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图示出本公开的例示性实施例，且与描述一起用来解释本公开的原理。
图1为根据本公开的实施例的信号感测系统的示意图；
图2为根据本公开的实施例的信号感测模块的示意图；
图3为根据本公开的实施例的信号感测系统的示意图；
图4为根据本公开的实施例的感测装置的示意图；
图5为根据本公开的实施例的频率偏移问题的实例的示意图；
图6A到图6F为根据本公开的实施例的AoA估计实例的示意图；
图7为根据本公开的实施例的信号感测方法的示意图。
附图标号说明：
1000：信号感测系统；
101：信号感测模块；
102：信号平滑模块；
103：频率分析模块；
104：特征检测模块；
110、202：感测装置；
111、202b：接收器；
112、202c：振荡器；
113：天线；
120：处理器；
130：时间服务器；
140：时钟同步模块；
150：信号监控模块；
160：AoA估计模块；
170：物件；
201：信号产生模块；
201a：封包配置模块；
201b：封包处理模块；
202a：传输器；
203：回声消除模块；
510、520、610、620、630、640、650：图表；
S701、S702、S703：步骤；
AE：振幅误差；
BL：基线；
OB：物件；
PE：相位误差；
SGL、SGL_1：输出信号。
具体实施方式
在以下详细描述中，出于解释的目的，阐述许多特定细节以提供对所公开实施例的透彻理解。然而，将显而易见的是，可在没有这些特定细节的情况下实践一或多个实施例。在其它情况下，示意性地示出熟知结构和装置以简化附图。
图1为根据本公开的实施例的信号感测系统的示意图。
参考图1，信号感测系统1000主要包含信号感测模块101、信号平滑模块102、频率分析模块103以及特征检测模块104。
图2为根据本公开的实施例的信号感测模块的示意图。
参考图2，图1中的信号感测模块101包含信号产生模块201、感测装置202以及回声消除模块203。信号产生模块201包含封包配置模块201a和封包处理模块201b。感测装置202包含传输器202a、接收器202b以及振荡器202c。
在实施例中，信号感测系统1000还包含处理器(未示出)和存储电路(未示出)。处理器耦接到存储电路和感测装置202。多个代码段存储在信号感测系统1000的存储电路中。在安装代码段之后，代码段由处理器执行。举例来说，多个模块包含在存储电路中。封包配置模块201a、封包处理模块201b、回声消除模块203、信号平滑模块102、频率分析模块103以及特征检测模块104的各种操作由模块分别执行，其中每一模块由一或多个代码段形成。然而，本公开不限于此。封包配置模块201a、封包处理模块201b、回声消除模块203、信号平滑模块102、频率分析模块103以及特征检测模块104的各种操作还可通过使用其它硬件形式实施。
具体来说，本公开的传输器202a和接收器202b可为基于正交频分多路复用(OFDM)技术的收发器(或电路)。
振荡器202c耦接到传输器202a和接收器202b。振荡器202c配置成产生符合规格的时钟信号且作为振荡源同时提供给传输器202a和接收器202b。在实施例中，传输器202a和接收器202b共享由振荡器202c产生的时钟信号。
在实施例中，信号产生模块201配置成根据封包配置信息传输多个封包以产生信号。更详细地，在信号产生模块201中的封包配置模块201a接收由用户或装置设定的封包配置信息。封包配置信息可为封包的传输频率。举例来说，封包处理模块201b可根据封包配置信息将待发送的数据切割成多个封包且传输多个封包以产生将经由传输器202a传输的信号。
接着，传输器202a基于OFDM操作原理产生彼此正交的多个子载波，将来自封包处理模块201b的信号划分成多个子信号，且根据多个子载波分别调制多个子信号以产生多个输出信号。接着，传输器202a根据封包配置信息和振荡器202c的时钟信号传输输出信号SGL。
此后，接收器202b根据振荡器202c的时钟信号接收在输出信号SGL中经由物件OB反射的至少一个输出信号SGL_1，也称作第一输出信号。举例来说，接收器202b根据振荡器202c的时钟信号接收模拟信号形式的输出信号SGL_1并且对数字信号形式的输出信号SGL_1进行采样。
在获得输出信号SGL_1之后，接收器202b根据输出信号SGL_1获得信道状态信息。信号感测系统1000的处理器根据信道状态信息识别物件OB的状态并且输出物件的状态。
更详细地，在根据输出信号SGL_1获得信道状态信息的操作中，输出信号SGL_1中的干扰信号可首先通过回声消除模块203消除。具体来说，干扰信号经由传输器202a与接收器202b之间的路径(也称作第一路径)传输，且第一路径不经由物件OB反射。换句话说，基于无线传输的多路径问题，由传输器202a所传输的信号部分在不反射的情况下直接从传输器202a传输到接收器202b，且这些信号导致判断错误。因此，这些信号被识别为干扰信号。用于消除干扰信号的回声消除模块203的方法可为硬件方法、多参考有源噪声控制(多参考ANC)、递归最小平方(recursive least squares；RLS)、最小均方(least mean square；LMS)、x滤波LMS(filtered-x LMS；FxLMS)等。
图3为根据本公开的实施例的信号感测系统的示意图。图4为根据本公开的实施例的感测装置的示意图。
参考图3和图4，信号感测系统1000包含感测装置110、耦接到感测装置110的处理器120以及耦接到感测装置110的时间服务器130。在实施例中，处理器120可包含在感测装置110中。感测装置110包含多个接收器111和耦接到接收器111的振荡器112。振荡器112配置成产生符合规格的时钟信号并且作为振荡源同时提供给多个接收器111。在实施例中，多个接收器111共享由振荡器112产生的时钟信号。举例来说，接收器111为基于OFDM技术的正交频分多路复用(OFDM)接收器且包含微控制器(未示出)。举例来说，微控制器包含160兆赫(MHz)或240兆赫的微处理器和520千字节(KB)的SRAM。天线113可与接收器111中的每一者整合。
在实施例中，感测装置110还包含耦接到处理器120的存储电路(未示出)。多个代码段可存储在感测装置110的存储电路中。对应于时钟同步模块140、信号监控模块150以及AoA估计模块160的代码段可由处理器120和/或接收器111的微控制器执行。然而，本公开并不限于此。时钟同步模块140、信号监控模块150以及AoA估计模块160还可通过使用其它硬件形式或硬件和软件/固件形式的组合实施。
在实施例中，在启动接收器111时，接收器111可通过时钟同步模块140配置成客户端模式，且接收器111可自动连接到时间服务器130以执行时间同步程序。接收器111可通过网络时间协议(network time protocol；NTP)从时间服务器130接收时间同步信号，以使得所有接收器111同步。在同步所有接收器111之后，接收器111可从客户端模式配置成监听模式以监控在包含具有绝对时间信息的多个信道状态信息(CSI)封包的环境中的信号。
在信号监控模块150中，感测装置110中的接收器111耦接到同一振荡器112以通过天线113自物件170接收信号，以使得可解决频率偏移问题。举例来说，在LTE-A技术中，频率偏移在广泛区域中可为±50ppb，在局部区域中可为±100ppb且在家里可为±250ppb。在802.11技术中，频率偏移在2.4千兆赫(即，2.4千兆赫±60千赫兹)下可为±25ppm且在5.8千兆赫(即，5.8千兆赫±116千赫兹)下可为±20ppm。信号的波长可能通过频率偏移的影响改变而发生相位误差和振幅误差，其可导致定位误差。图5为根据本公开的实施例的频率偏移问题的实例的示意图。参考图5，图表510示出共享根据本公开的实施例的振荡器112的64个子载波的平均相位，且图表520示出不共享任何振荡器的64个子载波的平均相位。在实例中，每秒ping 40个封包且总共测量2400个封包。就图表520来说，通过频率偏移的影响改变的λ2可不同于初始λ1，且可由于频率偏移问题而发生相位误差PE和振幅误差AE。
返回参考图4，信号监控模块150可指示接收器111根据通过振荡器112产生的时钟监控物件170的信号并且根据信号获得多个CSI。CSI传输到AoA估计模块160以计算物件170的信号的AoA(到达角度)。AoA估计模块160可根据CSI通过多信号分类(Multiple SignalClassification，MUSIC)算法、相位差算法或其它AoA计算算法来计算信号的AoA。举例来说，在MUSIC算法中，AoA估计模块160接收信号并且计算相关矩阵(Correlation Matrix)Rxx＝E[XXH]。接着，执行特征分解(Eigen Decomposition)Rxxvi＝λivi，i＝1～M且子空间由λi定义，其中λ1≥λ2≥…≥λN+I＝...＝λM，ES＝span{v1，v2，...，vN}且EN＝span{vN+1，vN+2，...，vM}。最后，AoA估计模块160计算MUSIC频谱PMUSIC(θ)并找到MUSIC频谱的N个波峰，其中
Figure BDA0003245858550000081
图6A到图6F为根据本公开的实施例的AoA估计实例的示意图。
参考图6A到图6F，感测装置110监控由物件170传输的信号。举例来说，物件170为手机且发送ping AP信号。感测装置110与物件170之间的距离为2.2米，且感测装置110的基线BL与感测装置110将信号传输到物件170的方向之间的实际角度为30度。在此实例中，感测装置110具有4个OFDM接收器，所述OFDM接收器也称为监听1到监听4。在OFDM接收器在启动后通过外部时间服务器同步且由物件170传输的信号携载具有绝对时间信息的CSI封包的情况下，仅当在预定时间间隔(例如10毫秒)内接收分别通过4个OFDM接收器接收的4个封包时，4个封包被视为同一封包且用于AoA估计，如图6B的图表610中所示。图6C中的图表620示出通过监听1和监听2接收的封包之间的相位差。图6D中的图表630示出通过监听2和监听3接收的封包之间的相位差。图6E中的图表640示出通过监听3和监听4接收的封包之间的相位差。在图6C到图6E中可见通过相邻监听接收的封包之间的相位差相当小。最后，图6F中的图表650示AoA估计结果为39度。
图7为根据本公开的实施例的信号感测方法的示意图。
参考图7，在步骤S701中，通过从时间服务器接收时间同步信号来同步接收器。
在步骤S702中，通过接收器中的每一个根据通过振荡器产生的时钟监控物件的多个信号并且根据信号获得信道状态信息(CSI)。
在步骤S703中，通过处理器根据CSI计算信号的到达角度。
基于上文，本公开的信号感测系统和方法基于OFDM技术将多个接收器整合到同一感测装置中并且允许接收器共享同一振荡器，从而解决接收器之间的频率偏移问题。另外，本公开还通过从时间服务器接收时间同步信号来同步接收器以使得同一封包的CSI可用于计算信号的AoA，从而提高AoA估计结果的准确度。
对于本领域的技术人员将显而易见的是，可在不脱离本公开的范围的情况下对所公开实施例进行各种修改和变化。鉴于前述内容，希望本公开涵盖修改和变化，前提是所述修改和变化属于本公开的范围内。

Claims (12)

1.一种信号感测系统，包括：
感测装置，包括：
多个接收器；
振荡器，耦接到所述接收器；
处理器，耦接到所述感测装置；以及
时间服务器，耦接到所述感测装置；其中，
所述接收器是通过从所述时间服务器接收时间同步信号来同步，
所述接收器根据通过所述振荡器产生的时钟监控物件的多个信号并且根据所述信号获得多个信道状态信息，
所述处理器根据所述信道状态信息计算所述信号的到达角度。
2.根据权利要求1所述的信号感测系统，其中所述接收器在启动时配置成客户端模式并且通过网络时间协议从所述时间服务器接收所述时间同步信号。
3.根据权利要求2所述的信号感测系统，其中所述接收器从所述客户端模式配置成监听模式以监控所述信号，其中所述信号包括具有时间信息的多个信道状态信息封包。
4.根据权利要求3所述的信号感测系统，其中所述处理器根据在预定时间间隔内通过所述接收器接收的所述信道状态信息封包计算所述到达角度。
5.根据权利要求1所述的信号感测系统，其中所述处理器通过算法计算所述到达角度，所述算法包括多信号分类算法和相位差算法。
6.根据权利要求1所述的信号感测系统，其中所述接收器中的每一个为正交频分多路复用接收器。
7.一种用于信号感测系统的信号感测方法，所述信号感测系统包括感测装置、处理器以及时间服务器，所述感测装置包括多个接收器和耦接到所述接收器的振荡器，所述信号感测方法包括：
通过从所述时间服务器接收时间同步信号来同步所述接收器；
通过所述接收器中的每一个根据通过所述振荡器产生的时钟监控物件的多个信号且根据所述信号获得信道状态信息；以及
通过所述处理器根据所述信道状态信息计算所述信号的到达角度。
8.根据权利要求7所述的信号感测方法，其中通过从所述时间服务器接收所述时间同步信号来同步所述接收器的步骤包括：
在启动时将所述接收器配置成客户端模式且通过网络时间协议从所述时间服务器接收所述时间同步信号。
9.根据权利要求8所述的信号感测方法，其中监控所述物件的所述多个信号的步骤包括：
将所述接收器从所述客户端模式配置成监听模式以监控所述信号，其中所述信号包括具有时间信息的多个信道状态信息封包。
10.根据权利要求9所述的信号感测方法，其中计算所述信号的所述到达角度的步骤包括：
根据在预定时间间隔内通过所述接收器接收的所述信道状态信息封包计算所述到达角度。
11.根据权利要求7所述的信号感测方法，其中计算所述信号的所述到达角度的所述步骤包括：
通过算法计算所述到达角度，所述算法包括多信号分类算法和相位差算法。
12.根据权利要求7所述的信号感测方法，其中所述接收器中的每一个为正交频分多路复用接收器。
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