CN117793889A - 一种基于cdma的音频室内定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于音频室内定位技术领域，公开了一种基于CDMA的音频室内定位方法，包括：生成BPSK信号，对信号码进行映射后将码上采样到DAC的采样频率，再将信号通过成型滤波器，最后整个信号乘以载波信号；对BPSK信号进行检测，对采集的信号去载波处理后进行低通滤波，再将数据降采样到设计时的码率，然后通过前缀码来确定识别码的粗位置，最后通过粗位置，从数据中截取与识别码等长的数据进行匹配滤波；每个区域设计四个基站，获得4个TOA信息产生的3个TDOA观测值，通过所述的3个TDOA观测值可获得终端位置；不同区域通过不同的识别码进行区分，达到广域覆盖。本发明提供了一种在室内环境中进行精准定位的有效手段。

Description

一种基于CDMA的音频室内定位方法及系统

技术领域

本发明属于音频室内定位技术领域，尤其涉及一种基于CDMA的音频室内定位方法。

背景技术

目前，基于声学的室内定位因其定位精度相对较高、对同步精度要求不严格，大量并发用户等优点而成为研究热点，并且因其支持直接在商用现成(COTS)的智能手机，或者其他任何配备麦克风传感器的设备上实现，也给商业应用带来了无限想象。

然而在实际应用中，通过低成本基础设施，在室内环境中利用智能手机或其他终端设备进行稳健、高精度的音频信号检测仍是一项众所周知的挑战。

首先，由于室内声学反射和衍射，接收到的声音信号是由发射信号的多个衰减和延迟副本组成的传输信号。因此，从多径中精确地提取直达径是不少的研究的重心之一。这些研究包括了时频图分析，超分辨率估计以及交叉相关匹配等方法：

1)从分数傅里叶域分析，提出一种清洗的方法，迭代地去除多径成分，并设置松紧两级阈值去筛选直达径。虽然在高信噪比环境下，检测的成功率有所提升，但迭代的过程计算过于复杂；

2)超分辨率方法则是在频域上提取第一条路径，其中基于多信号分类(MUSIC)的超分辨率方法用于估计第一条路径，基于时频分析的方法根据随时间线性变化的Chirp信号频率实现了第一路径提取；

3)针对采用基于声源信号和接收信号之间的交叉相关函数来提取第一路径的到达时间的方法，CCF的最大峰值的到达时通常作为直达径的参考。

再者，由于低成本的器件以及运动目标引起的多普勒效应，导致接收信号发生频偏，使得信号的先验知识不可靠。解决这类问题的关键在于估计移动物体的相对运动速度。有的研究通过音频检测的初次估计位置，来估计行人运动速度，再反过来修正音频检测结果，进而改进定位结果。而有的研究通过融入PDR解算的惯性信息，来对音频检测结果进行补偿，减少测距误差。这些方法都考虑估计出物体运动速度的大小和方向，而通过这种方式来估计运动物体对于基站的相对运动速度的精度并不高，对多普勒引起的频偏的修正也有限。

最后就是确认信号的来源。由于Chirp信号的编码能力有限，只能携带有限的可识别信息，因此很难在相同的时空背景下区分相同的信号模板。因此，在同一空间重复部署相同音频信号锚点的可行性大大降低，需要同时利用FDMA和TDMA。但由于可用的频段带宽有限，如果要大范围地覆盖，就要过于依赖TDMA，这会使得音频信号的数据更新率相对较低。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于CDMA的音频室内定位方法。

本发明是这样实现的，一种基于CDMA的音频室内定位方法包括：

步骤一，生成BPSK信号，所述生成BPSK信号包括：设计由前缓冲码、前缀码、识别码和后缓冲码组成的信号码，所述识别码由Gold序列随机生成，所述前缀码是复制识别码尾部的一部分，所述前缓冲码和后缓冲码均为0到1的随机值再乘以窗函数，且前缓冲码和后缓冲码为等长的；对信号码进行映射后将码上采样到DAC的采样频率，再将信号通过成型滤波器，最后整个信号乘以载波信号，使中心频率偏移到载波频率；

步骤二，对BPSK信号进行检测，所述对BPSK信号进行检测包括：对采集的信号去载波处理后进行低通滤波，再将数据降采样到设计时的码率，然后通过前缀码来确定识别码的粗位置，最后通过粗位置，从数据中截取与识别码等长的数据进行匹配滤波，从而得到信号的到达时TOA。

步骤三，每个区域设计四个基站，可获得如步骤三所述的4个TOA信息产生的3个TDOA观测值，通过所述的3个TDOA观测值可获得终端位置。而不同区域可以通过不同的识别码进行区分，则可以轻松达到广域覆盖。

进一步，步骤一所述生成BPSK信号包括：

第一步，选取并生成唯一的识别码，它是一组特殊的二进制序列。为方便在解码过程中被检测，识别码自身需要具有良好的自相关特性。并且，为防止误识别，识别码之间要具有良好的交叉相关特性。最后，为支持基站大面积的覆盖，识别码的数量要足够的多。Gold序列就能很好地满足这三点要求；

第二步，将识别码的尾部一部分复制到识别码的前面作为前缀，这是为了方便识别码被粗定位，前缀码的宽度取决于其本身粗定位的精度；

第三步，为防止基站的扬声器广播时，因低成本的振膜突然振动或者突然停止而引起频率泄漏，发出刺耳的声音，所以在码的前后都增加等长的缓冲码；缓冲码被设计为0到1的随机值，并且会乘以窗函数；这样可以避免缓冲码不对识别码产生干扰，并且也使得信号缓慢地开始，又缓慢地结束，避免频率泄漏；

第四步，为方便后面直接对相位进行控制，对信号码进行映射，由于cos(2πf_ct+π)＝-cos(2πf_ct)，0会被映射为-1，其余的映射后不变；

第五步，将码上采样到DAC的采样频率；

第六步，将信号通过成型滤波器，这样会使得信号具有有限的带宽，更加适合信道的传输；这样的信号是实际传递的信号，记为x(t)，最后整个信号乘以载波信号cos(2πf_ct)，将中心频率偏移到载波频率；这样就得到了用于基站发声的原始信号s(t)，表示为：

s(t)＝Ax(t)cos(2πf_ct)

其中，A为幅值，f_c为载波频率。

进一步，步骤二所述对BPSK信号进行检测包括：

第一步，信号预处理。

音频信号经过空气传播之后，经过时间τ,终端的麦克风采集到广播信号；可以认为，采集到的信号经过了信道衰减，并掺杂了环境噪声，记为：

R(t+τ)＝Hs(t)+n(t+τ)

＝AHx(t)cos(2πf_ct)+n(t+τ)

采集的信号乘以载波信号，这个过程被称为去载波，记为：

这样就可以从接收信号中分解出扬声器传递的信号部分，再将结果通过低通滤波，去除掉信号中不相干的高频信息，这样可以有效地抑制环境中的噪声以及其他信号的干扰得到较为干净的x(t)，记为：

然后将数据进行降采样，将信号从采样频率压缩到设计时的码率。

第二步，确认到达时TOA。

由于前缀码是识别码的尾部，所以先通过简单的时域上的前后匹配，来大致寻找前缀码的位置，从而确定识别码的粗位置。

通过粗位置，从数据中截取出与识别码等长的数据进行匹配滤波，但由于低成本的器件及运动目标引起的多普勒效应，会使得采集的载波频率发生偏移，也就是去载波过程选取的载波信号不准确，故在匹配滤波之前，对频偏进行处理。

先将截取的信号进行傅里叶变换，再将信号从时域转换到频域，此时频域的强度最大值所在的频点可以认作为信号的频偏，但是因为频率的分辨率并不高，所以以该频率为中心的周边频点，都会作为频偏的备选；以这些备选频偏用枚举的方式分别与截取信号进行去载波，再与识别码的模板进行匹配滤波，则可以轻松地确认信号的到达时TOA。

本发明另一目的在于提供一种基于上述方法的用于音频室内定位的信号生成系统，包括：

一个信号生成器，用于生成BPSK信号，包括设计前缓冲码、前缀码、识别码和后缓冲码；

一个映射单元，用于将信号码映射并上采样到DAC的采样频率；

一个滤波器，用于通过成型滤波器处理信号，使信号具有有限的带宽；

一个载波调制器，用于将信号的中心频率偏移到载波频率。

本发明另一目的在于提供一种基于上述方法的用于音频室内定位的信号检测系统，包括：

一个去载波处理单元，用于对采集的信号进行去载波处理；

一个低通滤波器，用于对去载波后的信号进行低通滤波；

一个采样率调整单元，用于将数据降采样到设计时的码率；

一个匹配滤波器，用于进行匹配滤波，从而确定信号的到达时TOA。

本发明另一目的在于提供一种基于上述方法的用于音频室内定位的定位系统，包括：

多个基站，每个区域设计有四个基站，用于发射经过特定处理的BPSK信号；

一个TOA信息处理单元，用于从接收到的信号中获取TOA信息；

一个TDOA计算单元，用于根据收集到的TOA信息生成TDOA观测值；

一个位置计算单元，用于通过TDOA观测值计算终端的位置。

本发明另一目的在于提供一种基于上述方法的用于音频室内定位的区域区分系统，包括：

一个识别码生成单元，用于生成Gold序列随机产生的识别码；

一个前缀码生成单元，用于将识别码的尾部一部分复制到识别码前面作为前缀；

一个缓冲码生成单元，用于生成0到1的随机值乘以窗函数的前缓冲码和后缓冲码；

一个区域标识单元，用于通过不同的识别码进行区域区分，达到广域覆盖。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

本发明通过粗位置，可以从数据中截取出于识别码等长的数据进行匹配滤波；保证截取的数据中必定包含了识别码，并且因为gcc是卷积运算，所以前缀也会使得识别码的相似度强度增强；但在匹配滤波之前，对频偏进行处理；正如之前分析的，因为设备以及多普勒响应的缘故，会使得采集的载波频率发生偏移，也就是去载波过程选取的载波信号不准确；将截取的信号进行傅里叶变换，将信号从时域转换到频域，此时频域的强度最大值所在的频点则可以认作信号的频偏，但是因为频率的分辨率并不高，所以以该频率为中心的周边频点，都会作为频偏的备选；以这些备选频偏用枚举的方式分别与截取信号进行去载波，再与识别码的模板进行匹配滤波，则可以轻松地确认信号的到达时。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于CDMA的音频室内定位方法流程图；

图2是本发明实施例提供的生成BPSK信号的原理图；

图3是本发明实施例提供的BPSK信号码的组成示意图；

图4是本发明实施例提供的BPSK信号检测原理图；

图5是本发明实施例提供的Chirp信号和BPSK信号在不同位置的距离估计结果；

图6是本发明实施例提供的Chirp信号在动态行走过程中的测距精度；

图7是本发明实施例提供的BPSK信号在动态行走过程中的测距精度；

图8是本发明实施例提供的Chirp信号和BPSK信号的三种定位轨迹；

图9是本发明实施例提供的Chirp信号和BPSK信号在三种轨迹下的定位误差累计分布函数(CDF)。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例：如图2-9所示

一、广域覆盖的本地化系统

实施例一：广域覆盖的本地化系统

A.信号识别码的生成

1)识别码选择：在广域覆盖系统中，首先选择一组Gold序列作为唯一的识别码。这些序列在自相关和交叉相关方面具有优异的性能，适合于在不同基站之间进行区分。

2)序列处理：为每个基站分配一个独特的Gold序列作为识别码。这些识别码不仅用于区分不同的基站，还用于区分不同的广播区域。

3)序列扩展：将每个识别码的一部分复制到其前面作为前缀码，以实现识别码的粗定位。前缀码的长度根据定位精度的要求来确定。

B.基于CDMA的音频信号传输方案

1)信号映射与上采样：对选定的识别码进行映射，其中0映射为-1，1保持不变。然后，将映射后的码上采样到DAC的采样频率。

2)信号处理：通过成型滤波器处理上采样后的信号，使之具有有限带宽，并适应信道的传输要求。

3)信号调制：将处理后的信号乘以载波信号，并偏移中心频率到载波频率，以生成最终的音频信号，用于基站的广播。

4)广播与检测：在每个基站使用扬声器广播处理后的音频信号。在接收端，通过特定的接收机制检测信号，获取TOA信息，进而计算出设备的位置。

实施例二：多区域覆盖定位系统

A.多区域识别码的生成

1)区域编码：对于每个定位区域，分配一个独特的Gold序列作为区域识别码。这些代码在多个区域之间提供了必要的区分。

2)代码优化：调整每个区域识别码的长度和复杂性，以适应该区域的特定覆盖和定位需求。

B.定位信号的多区域传播

1)信号设计：为每个定位区域设计特定的音频信号，考虑到区域的大小和环境特性，如建筑布局和声音传播特性。

2)信号传播：在每个区域使用不同的基站广播相应的音频信号。这些信号包含用于区分不同区域和进行精确定位的信息。

3)接收与处理：在接收设备中使用先进的信号处理算法，以准确捕获来自不同区域的音频信号，并据此计算出设备的确切位置。

二、实验验证与讨论

A.静态测距性能比较

在走廊的一端放置四个扬声器，考虑到不同信号之间存在干扰，首先广播chirp信号，其中两个从高频变换到低频，两个从低频变换到高频。然后，分别在距离扬声器5米、10米、15米、20米处放置终端进行信号采集，每个位置采集2分钟。待chirp信号采集完毕后，广播BPSK信号，重复实验。

两种信号在不同位置的距离估计结果如图5所示。其中，直线表示真值，圆圈表示chirp信号测距结果，三角形表示BPSK测距结果。对应的误差统计结果见表1。可以发现，BPSK和chirp信号的测距精度相当，均达到亚米级，平均测距精度分别为0.27m和0.15m。同时，在长时间测距的情况下，BPSK的结果更加稳定，chirp信号则存在明显异常值。

表1不同定位算法的误差统计

B.动态测距性能比较

为了验证两种信号在动态行走过程中的测距精度，测试者携带智能手机从距离扬声器20m处走到5m处，再从5m处返回到20m处，并在两端分别停留一段时间，沿着轨迹行走四个周期，测距结果如图6、图7所示。由于chirp信号存在高频到低频、低频到高频两种，运动时受多普勒效应的影响，测距结果分布在真值两侧。并且两端停留处的测距精度明显高于中间行走部分的精度；而BPSK在停留阶段与行走阶段的测距效果变化不明显。两种信号在动态时的测距精度统计如表2所示。受多普勒频偏的影响，chirp信号的动态平均测距精度为0.40m，与静态精度相比降低166％；BPSK信号的动态平均测距精度为0.31m，与静态精度相比仅下降14.8％。由此可见，BPSK信号具有更强的抗多普勒效应的能力。

表2不同定位算法的误差统计

C.动态定位性能比较

为了验证chirp信号和BPSK信号的定位效果，将实验场景选择在一个空旷的房间内，房间大小为18m×8m，在房间的四个角落放置扬声器，以左下角扬声器B为原点建立直角坐标系，其余三个扬声器坐标分别为A(0，8)，C(18，0)，D(8，18)，在定位区域中设置三条轨迹，先后经过的扬声器顺序分别为B-C-D-A，B-C-A-D，B-A-C-D，测试者携带智能手机沿着三条轨迹分别行走，得到的定位结果如图8所示，三角形表示扬声器，直线为轨迹真值，短划线和点划线分别表示chirp信号的BPSK信号的定位结果。

当扬声器广播chirp信号时，A、C广播从高频到低频的信号，B、D广播从低频到高频的信号，chirp信号受多普勒效应影响造成的测距变化如下：

表3不同定位算法的误差统计

当测试者从B走向C时，远离扬声器B造成chirp信号测量基站到设备距离变长，靠近扬声器C同样造成距离变长，同时，由于远离扬声器A、靠近扬声器D均造成测距变短，因此从图8(a)、图8(b)中可以看到从B向C的运动轨迹明显上凸；而同样的，当测试者从D走向A时，靠近扬声器A、远离扬声器D均造成测距变长，靠近扬声器B、远离扬声器C均造成测距变短，因此，轨迹明显下凹。而在图8(b)中，测试者从A走向D，远离扬声器A、靠近扬声器D均造成轨迹变短，B、C测距虽然都变长，但由于距离较远，在A、D限制下，并没有造成明显误差。由此可见，在使用chirp信号定位时，即便相同轨迹，多普勒频移引起的距离误差与目标速度的方向密切相关，即使行走轨迹完全相同，顺时针行走与逆时针行走也会导致不同的实验结果。相比之下，BPSK的定位效果明显优于chirp信号。

图9显示了chirp信号和BPSK信号在三种轨迹下的定位误差累计分布函数(CDF)。点划线为BPSK信号的误差，短划线为chirp信号的误差。

表4不同定位算法的误差静态分析

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于CDMA的音频室内定位方法，其特征在于，包括：

步骤一，生成BPSK信号，对信号码进行映射后将码上采样到DAC的采样频率，再将信号通过成型滤波器，最后整个信号乘以载波信号，使中心频率偏移到载波频率；

步骤二，对BPSK信号进行检测，所述对BPSK信号进行检测包括：对采集的信号去载波处理后进行低通滤波，再将数据降采样到设计时的码率，然后通过前缀码来确定识别码的粗位置，最后通过粗位置，从数据中截取与识别码等长的数据进行匹配滤波，得到信号的到达时TOA；

步骤三，每个区域设计四个基站，获得4个TOA信息产生的3个TDOA观测值，通过所述的3个TDOA观测值可获得终端位置；不同区域通过不同的识别码进行区分，达到广域覆盖。

2.如权利要求1所述的基于CDMA的音频室内定位方法，其特征在于，所述生成BPSK信号包括：设计由前缓冲码、前缀码、识别码和后缓冲码组成的信号码，所述识别码由Gold序列随机生成，所述前缀码是复制识别码尾部的一部分，所述前缓冲码和后缓冲码均为0到1的随机值再乘以窗函数，且前缓冲码和后缓冲码为等长的。

3.如权利要求1所述的基于CDMA的音频室内定位方法，其特征在于，步骤一所述生成BPSK信号具体为：

第一步，选取并生成唯一的识别码，它是一组特殊的二进制序列，识别码自身具有良好的自相关特性，识别码之间要具有良好的交叉相关特性；增加识别码的数量来支持基站大面积的覆盖，选取Gold序列作为识别码；

第二步，将识别码的尾部一部分复制到识别码的前面作为前缀，令识别码被粗定位，前缀码的宽度取决于其本身粗定位的精度；

第三步，为防止基站的扬声器广播时，因低成本的振膜突然振动或者突然停止而引起频率泄漏，发出刺耳的声音，所以在码的前后都增加等长的缓冲码；缓冲码被设计为0到1的随机值，并且会乘以窗函数；避免缓冲码不对识别码产生干扰，并使得信号缓慢地开始，又缓慢地结束，避免频率泄漏；

第四步，对信号码进行映射，由于cos(2πf_ct+π)＝-cos(2πf_ct)，0会被映射为-1，其余的映射后不变；

第五步，将码上采样到DAC的采样频率；

第六步，将信号通过成型滤波器，使得信号具有有限的带宽，适合信道的传输；该信号是实际传递的信号，记为x(t)，最后整个信号乘以载波信号cos(2πf_ct)，将中心频率偏移到载波频率；这样就得到了用于基站发声的原始信号s(t)，表示为：

s(t)＝Ax(t)cos(2πf_ct)

其中，A为幅值，f_c为载波频率。

4.如权利要求1所述的基于CDMA的音频室内定位方法，其特征在于，步骤二所述对BPSK信号进行检测包括：

第一步，信号预处理：

音频信号经过空气传播之后，经过时间τ,终端的麦克风采集到广播信号；可以认为，采集到的信号经过了信道衰减，并掺杂了环境噪声，记为：

R(t+τ)＝Hs(t)+n(t+τ)

＝AHx(t)cos(2πf_ct)+n(t+τ)

采集的信号乘以载波信号，这个过程被称为去载波，记为：

从接收信号中分解出扬声器传递的信号部分，再将结果通过低通滤波，去除掉信号中不相干的高频信息，抑制环境中的噪声以及其他信号的干扰得到较为干净的x(t)，记为：

然后将数据进行降采样，将信号从采样频率压缩到设计时的码率；

第二步，确认到达时TOA：

由于前缀码是识别码的尾部，先通过简单的时域上的前后匹配，寻找前缀码的位置，确定识别码的粗位置；

通过粗位置，从数据中截取出与识别码等长的数据进行匹配滤波，在匹配滤波之前，对频偏进行处理；

将截取的信号进行傅里叶变换，再将信号从时域转换到频域，此时频域的强度最大值所在的频点是信号的频偏，由于频率的分辨率并不高，以该频率为中心的周边频点，都会作为频偏的备选；以这些备选频偏用枚举的方式分别与截取信号进行去载波，再与识别码的模板进行匹配滤波，确认信号的到达时TOA。

5.一种基于权利要求1所述方法的用于音频室内定位的信号生成系统，其特征在于，包括：

一个信号生成器，用于生成BPSK信号，包括设计前缓冲码、前缀码、识别码和后缓冲码；

一个映射单元，用于将信号码映射并上采样到DAC的采样频率；

一个滤波器，用于通过成型滤波器处理信号，使信号具有有限的带宽；

一个载波调制器，用于将信号的中心频率偏移到载波频率。

6.一种用于音频室内定位的信号检测系统，其特征在于，包括：

一个去载波处理单元，用于对采集的信号进行去载波处理；

一个低通滤波器，用于对去载波后的信号进行低通滤波；

一个采样率调整单元，用于将数据降采样到设计时的码率；

一个匹配滤波器，用于进行匹配滤波，从而确定信号的到达时TOA。

7.一种用于音频室内定位的定位系统，其特征在于，包括：

多个基站，每个区域设计有四个基站，用于发射经过特定处理的BPSK信号；

一个TOA信息处理单元，用于从接收到的信号中获取TOA信息；

一个TDOA计算单元，用于根据收集到的TOA信息生成TDOA观测值；

一个位置计算单元，用于通过TDOA观测值计算终端的位置。

8.一种用于音频室内定位的区域区分系统，其特征在于，包括：

一个识别码生成单元，用于生成Gold序列随机产生的识别码；

一个前缀码生成单元，用于将识别码的尾部一部分复制到识别码前面作为前缀；

一个缓冲码生成单元，用于生成0到1的随机值乘以窗函数的前缓冲码和后缓冲码；

一个区域标识单元，用于通过不同的识别码进行区域区分，达到广域覆盖。