專利名稱：復(fù)數(shù)擴(kuò)頻信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線定位技術(shù)領(lǐng)域，為一種復(fù)數(shù)擴(kuò)頻信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差測量方法。
背景技術(shù)：
TDOA(Time Difference of Arrival，到達(dá)時(shí)間差)測量一般利用信號(hào)處理技術(shù)對(duì)兩個(gè)或兩個(gè)以上到達(dá)接收天線的信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差進(jìn)行測量，根據(jù)測得的達(dá)時(shí)間差，就可以確定發(fā)射源的位置。根據(jù)不同的測量環(huán)境、不同的測量要求和不同的使用信號(hào)，分別有不同的到達(dá)時(shí)間差測量方法。常用的有相位法、相關(guān)法、廣義相關(guān)法和自適應(yīng)濾波器參數(shù)模型法等。例如遠(yuǎn)程導(dǎo)航系統(tǒng)LORAN-C (Long Range Navigation)在測量信號(hào)到達(dá)時(shí)間差時(shí)就采用了相位法。全球定位系統(tǒng)GPS定位精度在十幾米左右，在某些特定的應(yīng)用場景中如碼頭集裝箱定位、或倉庫內(nèi)貨物的定位等需要較高精度，精度需要在一兩米以內(nèi)。受限于實(shí)現(xiàn)成本， 如何得到較高精度到達(dá)時(shí)間差，是個(gè)有挑戰(zhàn)的問題，這里的高精度是指如這里提到的一兩米，化成時(shí)間是1/300 2/300微秒的精度。現(xiàn)有技術(shù)一般會(huì)選用寬帶發(fā)射信號(hào)，如擴(kuò)頻信號(hào)和超寬帶信號(hào)等。通常發(fā)射信號(hào)占用的帶寬越寬，則可以獲得的測量時(shí)間差的精度越高。 由于信道帶寬和器件的限制，不可能一味提高信號(hào)帶寬。提高接收信號(hào)的采樣率，是另一個(gè)提高時(shí)間差測量精度的有效方法，但消耗的硬件資源會(huì)很快的上升。所以在進(jìn)行高精度時(shí)間差測量時(shí)，如何盡量減少硬件資源，是需要克服的難題。另外，在進(jìn)行時(shí)間差測量時(shí)，收發(fā)兩端載波頻偏會(huì)影響測量精度，如何減少這種影響，容忍較大的載波頻偏，是另一個(gè)需要克服的難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題是解決如何在測量TDOA時(shí)提高測量精度，并節(jié)省硬件上為提取時(shí)間差、實(shí)現(xiàn)高精度測量所消耗的資源問題，以及如何減少收發(fā)兩端載波頻偏對(duì)測量精度的影響。本發(fā)明的技術(shù)方案為復(fù)數(shù)擴(kuò)頻信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差測量方法，對(duì)兩個(gè)或兩個(gè)以上到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差進(jìn)行測量，發(fā)射機(jī)以無線方式發(fā)送復(fù)數(shù)擴(kuò)頻信號(hào)χ (n) = I(n)+jQ(n) = | χ (η) | eJ<i> (n)，η = 0，1，—, N-I其中Ι(η)、Q(n)是先經(jīng)過擴(kuò)頻調(diào)制，再經(jīng)過OQPSK調(diào)制后的信號(hào)，分別作為發(fā)送信號(hào)的同相分量和正交分量；|x(n) I是發(fā)送信號(hào)x(n)的模值，Φ (η)是表示發(fā)送信號(hào)的相位；接收機(jī)對(duì)接收的復(fù)數(shù)擴(kuò)頻信號(hào)序列采用復(fù)相關(guān)法實(shí)現(xiàn)捕獲，并根據(jù)復(fù)相關(guān)值的峰值點(diǎn)的位置來測量信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差；在接收機(jī)的天線捕獲復(fù)數(shù)擴(kuò)頻信號(hào)序列之后，對(duì)復(fù)數(shù)擴(kuò)頻信號(hào)序列進(jìn)行復(fù)數(shù)差分處理并緩存，緩存器長度為擴(kuò)頻長度+2，即擴(kuò)頻長度前后各增設(shè)一個(gè)chip寬度，以便準(zhǔn)確計(jì)算時(shí)延，然后通過內(nèi)插法提高緩存信號(hào)的采樣率，并對(duì)接收機(jī)存儲(chǔ)的本地序列做同樣的差分和內(nèi)插法處理，對(duì)于任意兩個(gè)天線接收的復(fù)數(shù)擴(kuò)頻信號(hào)序列信號(hào)，將經(jīng)過內(nèi)插法處理的所述接收的信號(hào)與本地序列信號(hào)分別復(fù)相關(guān)，得到兩個(gè)復(fù)相關(guān)值，兩個(gè)復(fù)相關(guān)峰值位置處所對(duì)應(yīng)的時(shí)間值差值即為這兩路天線接收信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差。進(jìn)一步的，對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的不同時(shí)刻捕獲的的幾組接收信號(hào)，采取最大距離過濾法，將偏離最大的若干個(gè)時(shí)間差值過濾，得到更精確的兩路信號(hào)到達(dá)時(shí)間差，具體過濾的個(gè)數(shù)根據(jù)實(shí)際測量的環(huán)境確定，測量環(huán)境越好過濾數(shù)越少，過濾個(gè)數(shù)最多不超過所得到達(dá)時(shí)間差總個(gè)數(shù)的1/2。本發(fā)明包括以下步驟1)信號(hào)調(diào)制，發(fā)送發(fā)射機(jī)將隨機(jī)發(fā)送的比特先經(jīng)過擴(kuò)頻調(diào)制，再經(jīng)過OQPSK調(diào)制，得到同相分量I路和正交分量Q路信號(hào)，將I路信號(hào)I (η)和Q路信號(hào)Q(n)正交調(diào)制到高頻載波上，通過天線以無線形式發(fā)送；2)接收信號(hào)，下變頻m個(gè)接收機(jī)的接收天線接收復(fù)擴(kuò)頻信號(hào)序列，m ^ 2，采用與發(fā)送端高頻載波相同的頻率，對(duì)接收信號(hào)下變頻，各接收機(jī)得到Im路信號(hào)和Qm路信號(hào)，接收機(jī)接收到的復(fù)數(shù)擴(kuò)頻序列，即接收信號(hào)為:rffl(n) = Iffl(η)+JQffl(η)；3)接收機(jī)設(shè)有時(shí)間差測量系統(tǒng)，包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD和計(jì)算模塊，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器 AD對(duì)接收信號(hào)采樣，傳給計(jì)算模塊模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD對(duì)接收到的信號(hào)同相分量和正交分量進(jìn)行采樣，得到Im(n)和 Qffl (η)，將采樣過的信號(hào)傳給計(jì)算模塊，其中模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD的采樣率CLKi在滿足奈奎斯特采樣定理前提下根據(jù)實(shí)際存在的資源量選擇；4)快速捕獲，復(fù)數(shù)差分運(yùn)算并緩存對(duì)接收的、路信號(hào)和Qm路信號(hào)做復(fù)數(shù)差分運(yùn)算，運(yùn)算方法如下I' m(n) = Im(n) Im(n-D)+Qm(n)Qm(Ii-D)
Q' m(n) = Qm(η) Im(n_D) -Im(η) Qm(n-D)其中D為一個(gè)chip采樣的點(diǎn)數(shù)，D =模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD采樣速率/chip速率；將差分之后的信號(hào)緩存，緩存的存入由接收信號(hào)的采樣時(shí)鐘控制，本地信號(hào)做相同的差分運(yùn)算并存儲(chǔ)；計(jì)算模塊使用本地存儲(chǔ)的發(fā)送信號(hào)采樣序列x(n)，與接收信號(hào)做復(fù)相關(guān)運(yùn)算，復(fù)相關(guān)運(yùn)算公式如下R- (n) = rm (η) Θ [χ⑷]* = [lm (η) + JQm (η)] [ (η) - jQ(n)]= [Im (η) Θ Ι(η) + Qm (η) Q(n)] + j\Qm (η) ΘI (η)- Im (η) Q(n)]當(dāng)|Rra(η) I2彡Thres時(shí)，認(rèn)為捕獲到發(fā)送的復(fù)數(shù)擴(kuò)頻信號(hào)，其中Thres為預(yù)先設(shè)定的檢測門限；若捕獲到信號(hào)，進(jìn)入步驟5)對(duì)接收信號(hào)插值濾波，如果沒有捕獲到信號(hào)，則繼續(xù)做捕獲，即重復(fù)步驟4)，直到捕獲到信號(hào)為止；5)內(nèi)插法插值濾波捕獲到信號(hào)后，將緩存中存儲(chǔ)的差分處理后的接收信號(hào)讀出，并進(jìn)行填零和二重濾波，緩存的讀出頻率CLKo由時(shí)間差測量系統(tǒng)的處理能力決定；每從緩存器中讀出一個(gè)樣值，就在其后填入Ml個(gè)“0”，然后輸入第一級(jí)低通濾波器，第一級(jí)低通濾波器每輸出一個(gè)濾波后樣值，在其后再次插入M2個(gè)“0”，然后輸入第二級(jí)低通濾波器，達(dá)到內(nèi)插目的，提高采樣率；其中M1*M2 = M, M為時(shí)差測量系統(tǒng)的工作頻率/緩存器的讀出頻率的比值，為預(yù)先設(shè)定的整數(shù)；選擇值相差最小的Ml和M2，以減小每級(jí)濾波器的階數(shù)，且滿足CLKhl = (Ml+1) -CLKojCLKh2 = (M2+1) ·αΚω，CLKhl為第一級(jí)填零及第一級(jí)低通濾波器的工作頻率， CLKh2為第二級(jí)填零及第二級(jí)低通濾波器的工作頻率，以此實(shí)現(xiàn)內(nèi)插法，提高采樣率；存儲(chǔ)的差分處理后的本地信號(hào)也做同樣的插值濾波處理；6)相關(guān)運(yùn)算得到信號(hào)到達(dá)時(shí)間差將步驟幻插值濾波之后的本地信號(hào)與接收信號(hào)，再做一次復(fù)相關(guān)運(yùn)算，運(yùn)算的方法與步驟4)步快速捕獲時(shí)相同，根據(jù)相關(guān)得到相關(guān)峰值所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻位置；對(duì)于任意兩個(gè)天線的接收信號(hào)，將經(jīng)過內(nèi)插法處理的所述接收信號(hào)與本地序列分別復(fù)相關(guān)，得到兩個(gè)復(fù)相關(guān)值，兩個(gè)復(fù)相關(guān)峰值對(duì)應(yīng)兩個(gè)時(shí)刻值，兩個(gè)復(fù)相關(guān)峰值位置處所對(duì)應(yīng)的時(shí)間值差值即為這兩路天線接收信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差。進(jìn)一步還進(jìn)行步驟7)7)過濾得到精準(zhǔn)的兩路信號(hào)到達(dá)時(shí)間差值若一段時(shí)間內(nèi)發(fā)射信號(hào)源和接收天線位置都不變，不斷重復(fù)步驟1)至步驟6)，得到若干組時(shí)間差值，設(shè)共有η組時(shí)間差值A(chǔ)ti, i = 1,2,…n，對(duì)所述時(shí)間差值兩兩之間作差，共有C 2個(gè)差，將每個(gè)時(shí)間差值A(chǔ)ti(i = 1,2,…η)與另外η-1個(gè)時(shí)間差值A(chǔ)tj(j = 1， 2，…n，j Φ i)的差八。.相加得到Σ i，將相加所得的最大的幾個(gè)Σ i所對(duì)應(yīng)的時(shí)間差值舍去，舍去的個(gè)數(shù)為2 η/2組，根據(jù)實(shí)際的需要進(jìn)行確定，通過幾次試驗(yàn)調(diào)整舍去時(shí)間差值的個(gè)數(shù)，根據(jù)效果來確定舍去的個(gè)數(shù)，剩下的幾組時(shí)間差值做平均，得到更精準(zhǔn)的兩路信號(hào)到達(dá)時(shí)間差。模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD使用較低的速率對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行采樣，所述較低的速率在滿足奈奎斯特采樣定理前提下根據(jù)實(shí)際的時(shí)間差測量系統(tǒng)資源量選擇，且滿足大于兩倍的chip 速率。在無線通信中，基帶信號(hào)經(jīng)過發(fā)送端的上變頻和接收端的下變頻后，會(huì)產(chǎn)生頻偏， 范圍從0到幾十KHz。這種頻偏會(huì)導(dǎo)致接收的復(fù)擴(kuò)頻序列產(chǎn)生連續(xù)的相位旋轉(zhuǎn)。如果直接對(duì)同相路和正交路的擴(kuò)頻序列進(jìn)行相關(guān)接收，則相位旋轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致相關(guān)接收失敗。如果對(duì)接收信號(hào)做相位校正，不僅會(huì)增加了計(jì)算量，消耗一定的硬件資源，而且可能會(huì)因?yàn)榈降南辔恍Ｕ?jì)算誤差導(dǎo)致信號(hào)發(fā)散。因此，希望可以找到一種方法，不需要對(duì)接收信號(hào)做相位校正，就可以獲得良好的復(fù)信號(hào)相關(guān)峰值，進(jìn)而可以提取到達(dá)時(shí)間差。本發(fā)明將成對(duì)的I路信號(hào)和Q路信號(hào)分別作為發(fā)送序列的同相分量和正交分量，調(diào)制之后，經(jīng)過信道傳播，解調(diào)后Im路和Qm路與原來的I路和Q路相比，產(chǎn)生相位旋轉(zhuǎn)。假定載波頻偏引起的相位旋轉(zhuǎn)量在一個(gè)擴(kuò)頻序列長度內(nèi)是恒定的，由于采用復(fù)數(shù)序列相關(guān)法對(duì)擴(kuò)頻序列進(jìn)行檢測，不需要將Im路和Qm路單獨(dú)做相關(guān)檢測，因此可以抗較小的頻偏和固定的相偏對(duì)信號(hào)到達(dá)時(shí)間差測量的影響。另外，在接收到Im路和Qm路后先對(duì)其做復(fù)數(shù)差分運(yùn)算，可以減小頻偏帶來的相位差。實(shí)踐表明，對(duì)于2. 4GHz的載波頻段，這種復(fù)序列相關(guān)法可以抵抗小于30KHz的頻偏影響。
另外，在發(fā)射信號(hào)帶寬一定的情況下，為了提高測量到達(dá)時(shí)間差的精度，必須采用很高的采樣率對(duì)接收的基帶擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行采樣。隨著采樣率的上升，用于提取信號(hào)到達(dá)時(shí)間差而消耗的硬件資源量將急劇上升，而且過高的采樣率也使得芯片的工作頻率太高而無法承受。如何減少硬件資源消耗、降低工作頻率成為關(guān)鍵問題。本發(fā)明捕獲的信號(hào)存在緩存中，用較低的速率將四個(gè)信號(hào)同時(shí)讀出，在每個(gè)樣值之間插入大量的“0”后，經(jīng)過第一級(jí)低通濾波器，第一級(jí)濾波器輸出樣值之間再次插入大量的“0”后，經(jīng)過第二級(jí)低通濾波器， 達(dá)到插值濾波目的，提高了時(shí)差測量的精度，達(dá)到以時(shí)間換資源的效果，避免了直接插值后數(shù)據(jù)量太大以及工作頻率過高的問題。此外，做為本發(fā)明方法的進(jìn)一步改進(jìn)，在一段時(shí)間內(nèi)不斷重復(fù)步驟1)至步驟6)， 可以得到好幾組時(shí)間差值，即使發(fā)射信號(hào)源和接收天線位置都不變，由于信號(hào)傳輸過程中存在不可避免的噪聲等影響，這些時(shí)間差值也不可能每次都相同，有些時(shí)間差值可能會(huì)與另一些時(shí)間差值偏離稍大。本發(fā)明采取最大距離過濾法，將偏離較大的時(shí)間差值過濾，由一段時(shí)間的測量，得到更為穩(wěn)定、精準(zhǔn)的兩路信號(hào)到達(dá)時(shí)間差。


圖1是本發(fā)明復(fù)數(shù)信號(hào)從調(diào)制到解調(diào)的系統(tǒng)框圖。圖2是復(fù)數(shù)差分運(yùn)算示意圖。圖3是本發(fā)明的計(jì)算模塊中所做工作具體流程圖。圖4(a)是捕獲到發(fā)送序列時(shí)的相關(guān)峰值的示意圖，圖4(b)是根據(jù)插值后相關(guān)峰值確定兩個(gè)接收機(jī)的到達(dá)時(shí)間差的示意圖。圖5是多個(gè)時(shí)間差值分布分布情況舉例說明圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明利用對(duì)復(fù)數(shù)擴(kuò)頻信號(hào)序列采用復(fù)相關(guān)法實(shí)現(xiàn)捕獲，并根據(jù)復(fù)相關(guān)值的峰值點(diǎn)的位置來測量信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差。在接收機(jī)的天線捕獲復(fù)數(shù)擴(kuò)頻信號(hào)序列之后，對(duì)復(fù)數(shù)擴(kuò)頻信號(hào)序列進(jìn)行復(fù)數(shù)差分處理并緩存，緩存器長度為擴(kuò)頻長度+2，即擴(kuò)頻長度前后各增設(shè)一個(gè)chip寬度，以便準(zhǔn)確計(jì)算時(shí)延，然后通過內(nèi)插法提高緩存信號(hào)的采樣率，并對(duì)接收機(jī)存儲(chǔ)的本地序列做同樣的差分和內(nèi)插法處理，對(duì)于任意兩個(gè)天線接收的復(fù)數(shù)擴(kuò)頻信號(hào)序列信號(hào)，將經(jīng)過內(nèi)插法處理的所述接收的信號(hào)與本地序列信號(hào)分別復(fù)相關(guān)，得到兩個(gè)復(fù)相關(guān)值，兩個(gè)復(fù)相關(guān)峰值位置處所對(duì)應(yīng)的時(shí)間值差值即為這兩路天線接收信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差。所包含的具體步驟如下(1)發(fā)射機(jī)對(duì)信號(hào)調(diào)制，發(fā)送復(fù)數(shù)擴(kuò)頻信號(hào)；(2)接收機(jī)接收信號(hào)，下變頻，分別得到I1信號(hào)和％路信號(hào)，其余的天線接收到的信號(hào)分別為12、％ ；I3^Q3 ；……，Im、Qm ；共m個(gè)天線，接收機(jī)接收到的復(fù)數(shù)擴(kuò)頻序列，即接收信號(hào)為:rm(n) = Im(η)+JQm (η)；(3)接收機(jī)的AD對(duì)接收信號(hào)采樣，得到I1(Ii), A(Ii)，其余的天線接收到的信號(hào)分別為I 』》； I3 (η) > Q3 (η)；……Im (n)、Qm (η)，將采樣過的信號(hào)傳給計(jì)算模塊;(4)計(jì)算模塊使用本地存儲(chǔ)的發(fā)送信號(hào)的采樣序列，與接收信號(hào)做復(fù)相關(guān)運(yùn)算，快速捕獲發(fā)送的復(fù)數(shù)擴(kuò)頻信號(hào)，同時(shí)將接收信號(hào)和本地信號(hào)做差分處理并緩存，對(duì)接收的Im路信號(hào)和Qm路信號(hào)的復(fù)數(shù)差分運(yùn)算如圖2所示，運(yùn)算方法如下
I' m(n) = Im(n) Im(n-D)+Qm(n)Qm(Ii-D)
Q' m(η) = Qm(η) Im(n-D)-Im(η) Qm(n-D)
其中D為一個(gè)chip采樣的點(diǎn)數(shù)，D =模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD采樣速率/chip速率；將差分之后的信號(hào)緩存，緩存的存入由接收信號(hào)的采樣時(shí)鐘控制，緩存器長度為擴(kuò)頻長度+2，即擴(kuò)頻長度前后各增設(shè)一個(gè)chip寬度，本地信號(hào)做相同的差分運(yùn)算并存儲(chǔ)；
(5)捕獲到信號(hào)后，對(duì)差分處理之后的接收信號(hào)和本地信號(hào)進(jìn)行插值濾波，提高采樣率；
(6)將插值濾波之后的本地信號(hào)與接收信號(hào)，精確相關(guān)得到信號(hào)到達(dá)時(shí)間差。對(duì)于任意兩個(gè)天線，插值濾波后的接收信號(hào)分別與本地信號(hào)相關(guān)，得到兩個(gè)峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)刻值， 相減就得到信號(hào)到達(dá)兩個(gè)天線的時(shí)間差。
(7)對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的不同時(shí)刻捕獲的的幾組接收信號(hào)，重復(fù)步驟1)至步驟6)，可以得到η組時(shí)間差值A(chǔ)ti(i = 1，2，···!!)，采取最大距離過濾法，將偏離較大的時(shí)間差值過濾，得到更精確的兩路信號(hào)到達(dá)時(shí)間差。
下面具體說明本發(fā)明的實(shí)施。
設(shè)發(fā)送的復(fù)數(shù)擴(kuò)頻序列，也即接收端的本地序列為
χ (n) = I(n)+jQ(n) = | χ (η) | eJ<i> (n)，η = 0，1，—, N-I
其中I(n)、Q(n)是先經(jīng)過擴(kuò)頻調(diào)制，再經(jīng)過OQPSK調(diào)制后的信號(hào)，分別作為發(fā)送信號(hào)的同相分量和正交分量，χ (η) I是發(fā)送信號(hào)χ(η)的模值，Φ (η)是表示發(fā)送信號(hào)的相位。 經(jīng)過正交調(diào)制，加到高頻載波上發(fā)送出去。接收端兩個(gè)天線接收到高頻信號(hào)，分別下變頻到基帶，獲得兩對(duì)信號(hào)，每一個(gè)對(duì)信號(hào)分別包括I路信號(hào)和Q路信號(hào)。各信號(hào)在系統(tǒng)中的標(biāo)注如圖1所示，I(n)、Q(n)是發(fā)送信號(hào)的同相分量和正交分量，ω為發(fā)送載波的頻率，V1和V2 分別發(fā)送信號(hào)到達(dá)接收機(jī)1和接收機(jī)2所經(jīng)過信道中的噪聲，O1和θ工分別是接收機(jī)1的本地載波頻率和相位，ω2和θ 2分別是接收機(jī)2的本地載波頻率和相位，I1 (η)和Gj1 (η)分別為接收機(jī)1接收到信號(hào)的同相分量和正交分量，I2(η)和分別為接收機(jī)2接收到信號(hào)的同相分量和正交分量。
將兩個(gè)接收機(jī)接收到的同相信號(hào)和正交信號(hào)(共4路)傳送到計(jì)算的硬件模塊， 即前文提到的時(shí)間差測量系統(tǒng)。模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD用一定的速率將基帶信號(hào)采樣之后，傳給計(jì)算模塊，例如采用FPGA、DSP器件進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算模塊用存儲(chǔ)的與接收信號(hào)具有相同采樣率的本地信號(hào)對(duì)成對(duì)的兩路接收信號(hào)分別進(jìn)行快速捕獲，用于捕獲信道中傳輸?shù)摹⑴c本地信號(hào)匹配的碼序列。
參照?qǐng)D1，本實(shí)施例以兩個(gè)接收機(jī)為例進(jìn)行說明，多個(gè)接收機(jī)的情況與兩個(gè)接收機(jī)處理方法相同，都是將接收序列與本地序列分別處理之后做相關(guān)。對(duì)發(fā)送序列的捕獲過程如下
設(shè)接收機(jī)1接收到的復(fù)數(shù)擴(kuò)頻序列為
r, (n) = x(n)e M (n) +V1(^) = J1 (η) + jQx (η)
運(yùn)用復(fù)數(shù)序列的相關(guān)運(yùn)算可以檢測出發(fā)送的序列，即
Rm (n) = T1 (η) Θ [χ( )『=[ , (η) + JQ1 (η)] [ (η) - jQ(n)]
= [J1 (η) Ι(η) + Q1 (η) Q(n)] + j\Qx (η) Ι(η) -11 (η) Q(n)]
式中θ Jn)是由載頻瞬時(shí)頻偏引起的相位旋轉(zhuǎn)，V1 (η)為信道噪聲，“ ，，為相關(guān)運(yùn)算。當(dāng)Rrxl (n) I2彡Thres時(shí)，認(rèn)為捕獲到發(fā)送序列，其中Thres為預(yù)先設(shè)定的檢測門限。 Thres的設(shè)定要求能準(zhǔn)確的判斷出相關(guān)峰，要求相關(guān)峰為其位置前后的相關(guān)值的2至8倍， 具體倍數(shù)與信號(hào)的信噪比以及頻偏大小有關(guān)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整。
同樣可以給出接收機(jī)2的復(fù)相關(guān)運(yùn)算的結(jié)果
Rix2 (n) = r2 (η) Θ [χ⑷]* = [ 2 (η) + JQ2 (η)] [ (η) - jQ(n)]
= [I2 (η) ΘI(η) + Q1 (η) Q(n)]+j[Q2 (η) Θ Ι(η) -12 (η) Θ Q(n)]
在捕獲時(shí)，將接收到的序列(I1(Ii), Q1(Ii)I, {I2(n),Q2(n)}做差分處理復(fù)數(shù)差分運(yùn)算得到{Γ “nhQ' }，{I' 2(n)、Q' 2 (η)}存儲(chǔ)在本地的緩存中，緩存的存入由接收信號(hào)的采樣時(shí)鐘控制，邊捕獲便緩存，本地序列也同時(shí)作同樣的復(fù)數(shù)差分運(yùn)算。在確定兩個(gè)接收機(jī)已經(jīng)幾乎同時(shí)分別捕獲到信號(hào)(I1(Ii), Q1(Ii)I和{I2(n),Q2(n)}后，用較低的速率將之前存儲(chǔ)的{Γ JnhQ' Jn)}，{Γ 2(n)、Q' 2 (η)}從緩存中讀出器，緩存的讀出頻率由時(shí)間差測量系統(tǒng)的處理能力決定。在讀出時(shí)，對(duì)每個(gè)信號(hào)做同樣的操作，每讀出一個(gè)值就在其后填入Ml個(gè)“0”，生成一個(gè)新的信號(hào)序列。將填零后的序列通過第一級(jí) FIR(Finite Impulse Response，有限長單位沖激響應(yīng))低通濾波器，第一級(jí)濾波器的輸出值后再填入M2個(gè)“0”，再生成一個(gè)新的信號(hào)序列，再次將填零后的新序列通過第二級(jí)HR低通濾波器，這時(shí)第二級(jí)濾波器的輸出序列即為提高采樣率后的序列，記為{$( )、這…)}和 {7 、氐⑷},如圖3所示，也就是在每兩個(gè)信號(hào)序列之間填零。然后將戊⑷、這⑷}和 {72( )、氐(《)}分別與本地同樣采樣率的信號(hào){7( )、次《)}作復(fù)相關(guān)運(yùn)算，兩個(gè)復(fù)相關(guān)值峰值^xP及《2位置處所對(duì)應(yīng)的時(shí)間差值即為兩路信號(hào)的達(dá)到時(shí)間差τ ο其中Μ1*Μ2=Μ，Μ為時(shí)差測量系統(tǒng)的工作頻率/緩存器的讀出頻率的比值，且M為預(yù)先設(shè)定的整數(shù)，Ml和Μ2的選擇應(yīng)盡量接近，以減小每級(jí)濾波器的階數(shù)。這樣達(dá)到內(nèi)插目的，提高采樣率。
在一段時(shí)間內(nèi)不斷重復(fù)以上步驟，可以得到好幾組時(shí)間差值A(chǔ)ti,設(shè)共有η個(gè)時(shí)間差值Δ、( = 1，2，…η)。對(duì)這些時(shí)間差值兩兩之間Ati和At」(j = 1，2，…n，j興i) 作差得Δ…共有C 2個(gè)差，將每個(gè)時(shí)間差值A(chǔ)ti與另外n-1個(gè)時(shí)間差值Δ、的差A(yù)u相加得到Σ i，采取最大距離過濾法，將相加所得的最大的幾個(gè)Σ對(duì)應(yīng)的時(shí)間差值舍去，舍去的個(gè)數(shù)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用確定，若測量環(huán)境好，得到的測量值都很集中，可以過濾掉一至兩個(gè)偏離最大的時(shí)間差值；若測量環(huán)境差，測量值經(jīng)常會(huì)有偏離，則可以過濾掉四至六個(gè)甚至更多的偏離的時(shí)間差值，但不要超過接收時(shí)間差值個(gè)數(shù)η的1/2，可以通過幾次試驗(yàn)調(diào)整舍去時(shí)間差值的個(gè)數(shù)，根據(jù)效果來確定舍去的個(gè)數(shù)；剩下的幾組時(shí)間差值做平均，對(duì)于一組天線， 得到更精準(zhǔn)、穩(wěn)定的兩路信號(hào)到達(dá)時(shí)間差。
圖3中CLKi為接收信號(hào)的采樣率，也即將采樣值輸入到緩存器的時(shí)鐘頻率；CLK。 為從緩存器中讀出數(shù)據(jù)的頻率；CLKhl為第一級(jí)填零部件及第一級(jí)FIR濾波器的工作頻率； CLKh2為第二級(jí)填零部件及第二級(jí)HR濾波器的工作頻率。這四個(gè)頻率的關(guān)系由待測的時(shí)間差分辨率和采用的芯片工作時(shí)鐘綜合確定，且滿足=CLKhl = (Μ1+1) · CLK0 ；CLKh2 = (Μ2+1) · CLKhl。
實(shí)際運(yùn)用中，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD的采樣率必須大于兩倍 chip速率，另外考慮到采樣率升高對(duì)存儲(chǔ)單元消耗增大，故采樣率的選擇可在滿足奈奎斯9特采樣定理前提下根據(jù)實(shí)際存在的資源量合理選擇，為降低快速捕獲的運(yùn)算量，設(shè)置AD對(duì)接收信號(hào)的采樣速率較低，因?yàn)锳D采樣的數(shù)據(jù)處理后要存入緩存，所以采樣速率可由硬件模塊存儲(chǔ)器大小確定。捕獲到發(fā)送序列后，通過上述的填零濾波的內(nèi)插方法，可將采樣率提高幾十倍。如圖4，圖4(a)是快速捕獲，即步驟4)時(shí)相關(guān)峰值的示意圖，圖4(b)是插值濾波之后信號(hào)的復(fù)相關(guān)運(yùn)算，即步驟6)時(shí)的相關(guān)峰值的示意圖。這里給出實(shí)際運(yùn)用中的一個(gè)具體的例子設(shè)AD采樣率為4兆赫茲(MHz)，所以圖4(a)中一個(gè)點(diǎn)的偏差為75米(m)；精確測量時(shí)信號(hào)采樣率提升到300MHz，所以圖4(b)圖中一個(gè)點(diǎn)的偏差為lm，可見采樣精度大巾畐提尚。
此外，在一段時(shí)間內(nèi)不斷重復(fù)步驟1)——步驟6)，可以得到好幾組時(shí)間差值，即使發(fā)射信號(hào)源和接收天線位置都不變，由于信號(hào)傳輸過程中存在不可避免的噪聲等影響，這些時(shí)間差值也不可能每次都相同，有些時(shí)間差值可能會(huì)與另一些時(shí)間差值偏離稍大。必須將偏離較大的這些時(shí)間差值舍去，才能得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。設(shè)共有η個(gè)時(shí)間差值Δ、( = 1,2,…η)。對(duì)這些時(shí)間差值兩兩之間Ati和At」(j = 1,2,…n，j ^ i)作差得Aij，共有C 2個(gè)差，將每個(gè)時(shí)間差值A(chǔ)ti與另外n-1個(gè)時(shí)間差值Δ、的差八。.相加得到Σ 將相加所得的最大的幾個(gè)Σ ^萬對(duì)應(yīng)的時(shí)間差值舍去(舍去的個(gè)數(shù)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用確定)，剩下的幾組時(shí)間差值做平均，得到較為精準(zhǔn)的兩路信號(hào)到達(dá)時(shí)間差。例如，一段時(shí)間內(nèi)得到10個(gè)時(shí)間差3s、如、0s、9s、5s、10s、ls、3s、6s、4s，他們?cè)谧鴺?biāo)軸上的分布見圖5。顯然分布較為集中的是3s、4sjs、6s這幾個(gè)時(shí)間差值，那么如何舍去另外的幾個(gè)時(shí)間差呢？將這些差值兩兩作差得到表1，表1是得到多個(gè)時(shí)間差兩兩作差的舉例說明。將表的每一行相加(或每一列相加，表是對(duì)稱的)將相加所得的和最大的幾行(或列)對(duì)應(yīng)的時(shí)間差值舍去。假設(shè)我們決定決定舍去兩個(gè)值，而保留八個(gè)值來做平均運(yùn)算，那么根據(jù)每一行的和的情況，將倒數(shù)第二行98和最后一行108去掉，剩下08、18、38、38、如、48、&、68做平均運(yùn)算作為最后的時(shí)間差測量結(jié)果。而如果舍去四個(gè)值，而保留六個(gè)值來做平均運(yùn)算，那么根據(jù)每一行的和的情況，將第一行Os、第二行l(wèi)s，倒數(shù)第二行9s和最后一行IOs去掉，剩下3s、3s、如、4sjs、6s 做平均運(yùn)算作為最后的時(shí)間差測量結(jié)果。
表權(quán)利要求
1.復(fù)數(shù)擴(kuò)頻信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差測量方法，對(duì)兩個(gè)或兩個(gè)以上到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差進(jìn)行測量，其特征是發(fā)射機(jī)以無線方式發(fā)送復(fù)數(shù)擴(kuò)頻信號(hào)χ (n) = I (η)+jQ (η) = χ (η) |eJ$(n),n = 0,1, -,N-I其中I(n)、Q(n)是先經(jīng)過擴(kuò)頻調(diào)制，再經(jīng)過OQPSK調(diào)制后的信號(hào)，分別作為發(fā)送信號(hào)的同相分量和正交分量；|x(n) I是發(fā)送信號(hào)χ (η)的模值，Φ (η)是表示發(fā)送信號(hào)的相位；接收機(jī)對(duì)接收的復(fù)數(shù)擴(kuò)頻信號(hào)序列采用復(fù)相關(guān)法實(shí)現(xiàn)捕獲，并根據(jù)復(fù)相關(guān)值的峰值點(diǎn)的位置來測量信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差；在接收機(jī)的天線捕獲復(fù)數(shù)擴(kuò)頻信號(hào)序列之后，對(duì)復(fù)數(shù)擴(kuò)頻信號(hào)序列進(jìn)行復(fù)數(shù)差分處理并緩存，緩存器長度為擴(kuò)頻長度+2，即擴(kuò)頻長度前后各增設(shè)一個(gè)chip寬度，以便準(zhǔn)確計(jì)算時(shí)延，然后通過內(nèi)插法提高緩存信號(hào)的采樣率，并對(duì)接收機(jī)存儲(chǔ)的本地序列做同樣的差分和內(nèi)插法處理，對(duì)于任意兩個(gè)天線接收的復(fù)數(shù)擴(kuò)頻信號(hào)序列信號(hào)，將經(jīng)過內(nèi)插法處理的所述接收的信號(hào)與本地序列信號(hào)分別復(fù)相關(guān)，得到兩個(gè)復(fù)相關(guān)值，兩個(gè)復(fù)相關(guān)峰值位置處所對(duì)應(yīng)的時(shí)間值差值即為這兩路天線接收信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)數(shù)擴(kuò)頻信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差測量方法，其特征是對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的不同時(shí)刻捕獲的的幾組接收信號(hào)，采取最大距離過濾法，將偏離最大的若干個(gè)時(shí)間差值過濾，得到更精確的兩路信號(hào)到達(dá)時(shí)間差，具體過濾的個(gè)數(shù)根據(jù)實(shí)際測量的環(huán)境確定，測量環(huán)境越好過濾數(shù)越少，過濾個(gè)數(shù)最多不超過所得到達(dá)時(shí)間差總個(gè)數(shù)的1/2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的復(fù)數(shù)擴(kuò)頻信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差測量方法，其特征是包括以下步驟1)信號(hào)調(diào)制，發(fā)送發(fā)射機(jī)將隨機(jī)發(fā)送的比特先經(jīng)過擴(kuò)頻調(diào)制，再經(jīng)過OQPSK調(diào)制，得到同相分量I路和正交分量Q路信號(hào)，將I路信號(hào)I (η)和Q路信號(hào)Q(n)正交調(diào)制到高頻載波上，通過天線以無線形式發(fā)送；2)接收信號(hào)，下變頻m個(gè)接收機(jī)的接收天線接收復(fù)擴(kuò)頻信號(hào)序列，m ^ 2，采用與發(fā)送端高頻載波相同的頻率，對(duì)接收信號(hào)下變頻，各接收機(jī)得到Im路信號(hào)和Qm路信號(hào)，接收機(jī)接收到的復(fù)數(shù)擴(kuò)頻序列，即接收信號(hào)為:rffl(n) = Iffl(η)+JQffl(η)；3)接收機(jī)設(shè)有時(shí)間差測量系統(tǒng)，包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD和計(jì)算模塊，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD對(duì)接收信號(hào)采樣，傳給計(jì)算模塊模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD對(duì)接收到的信號(hào)同相分量和正交分量進(jìn)行采樣，得到Im(η)和Qm(η)， 將采樣過的信號(hào)傳給計(jì)算模塊，其中模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD的采樣率CLKi在滿足奈奎斯特采樣定理前提下根據(jù)實(shí)際存在的資源量選擇；4)快速捕獲，復(fù)數(shù)差分運(yùn)算并緩存對(duì)接收的Im路信號(hào)和Qm路信號(hào)做復(fù)數(shù)差分運(yùn)算，運(yùn)算方法如下I' m(n) = Im(η) Im(n-D) +Qm(η)Qm(n_D)Q' m(n) = Qm(η) Im(n-D) -Im(η) Qm(n-D)其中D為一個(gè)chip采樣的點(diǎn)數(shù)，D =模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD采樣速率/chip速率；將差分之后的信號(hào)緩存，緩存的存入由接收信號(hào)的采樣時(shí)鐘控制，本地信號(hào)做相同的差分運(yùn)算并存儲(chǔ)；計(jì)算模塊使用本地存儲(chǔ)的發(fā)送信號(hào)采樣序列χ (η)，與接收信號(hào)做復(fù)相關(guān)運(yùn)算，復(fù)相關(guān)運(yùn)算公式如下R- (n) = rm (η) [x( )f = [lm (η) + JQm (η)] [ (η) - jQ(n)]=[Im (η) 01(η) + Qm (η) 0 Q(n)] + j\Qm (η) ΘI (η)- Im (η) 0 Q(n)]當(dāng)IRnm(η) I2彡Thres時(shí)，認(rèn)為捕獲到發(fā)送的復(fù)數(shù)擴(kuò)頻信號(hào)，其中Thres為預(yù)先設(shè)定的檢測門限；若捕獲到信號(hào)，進(jìn)入步驟5)對(duì)接收信號(hào)插值濾波，如果沒有捕獲到信號(hào)，則繼續(xù)做捕獲，即重復(fù)步驟4)，直到捕獲到信號(hào)為止；5)內(nèi)插法插值濾波捕獲到信號(hào)后，將緩存中存儲(chǔ)的差分處理后的接收信號(hào)讀出，并進(jìn)行填零和二重濾波，緩存的讀出頻率CLK。由時(shí)間差測量系統(tǒng)的處理能力決定；每從緩存器中讀出一個(gè)樣值，就在其后填入Ml個(gè)“0”，然后輸入第一級(jí)低通濾波器，第一級(jí)低通濾波器每輸出一個(gè)濾波后樣值，在其后再次插入Μ2個(gè)“0”，然后輸入第二級(jí)低通濾波器，達(dá)到內(nèi)插目的，提高采樣率；其中M1*M2 = M，M為時(shí)差測量系統(tǒng)的工作頻率/緩存器的讀出頻率的比值，為預(yù)先設(shè)定的整數(shù)；選擇值相差最小的Ml和Μ2，以減小每級(jí)濾波器的階數(shù)，且滿足CLKhl = (Ml+1) -CLKojCLKh2 = (M2+1) ·αΚω，CLKhl為第一級(jí)填零及第一級(jí)低通濾波器的工作頻率， CLKh2為第二級(jí)填零及第二級(jí)低通濾波器的工作頻率，以此實(shí)現(xiàn)內(nèi)插法，提高采樣率；存儲(chǔ)的差分處理后的本地信號(hào)也做同樣的插值濾波處理；6)相關(guān)運(yùn)算得到信號(hào)到達(dá)時(shí)間差將步驟幻插值濾波之后的本地信號(hào)與接收信號(hào)，再做一次復(fù)相關(guān)運(yùn)算，運(yùn)算的方法與步驟4)步快速捕獲時(shí)相同，根據(jù)相關(guān)得到相關(guān)峰值所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻位置；對(duì)于任意兩個(gè)天線的接收信號(hào)，將經(jīng)過內(nèi)插法處理的所述接收信號(hào)與本地序列分別復(fù)相關(guān)，得到兩個(gè)復(fù)相關(guān)值，兩個(gè)復(fù)相關(guān)峰值對(duì)應(yīng)兩個(gè)時(shí)刻值，兩個(gè)復(fù)相關(guān)峰值位置處所對(duì)應(yīng)的時(shí)間值差值即為這兩路天線接收信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的復(fù)數(shù)擴(kuò)頻信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差測量方法，其特征是還進(jìn)行步驟7)7)過濾得到精準(zhǔn)的兩路信號(hào)到達(dá)時(shí)間差值若一段時(shí)間內(nèi)發(fā)射信號(hào)源和接收天線位置都不變，不斷重復(fù)步驟1)至步驟6)，得到若干組時(shí)間差值，設(shè)共有η組時(shí)間差值A(chǔ)ti, i = 1，2，…n，對(duì)所述時(shí)間差值兩兩之間作差，共有C 2個(gè)差，將每個(gè)時(shí)間差值A(chǔ)tiG = 1，2，…η)與另外η-1個(gè)時(shí)間差值A(chǔ)t」(j = 1,2,… n, j Φ i)的差八。.相加得到Σ i，將相加所得的最大的幾個(gè)Σ i所對(duì)應(yīng)的時(shí)間差值舍去，舍去的個(gè)數(shù)為2 η/2組，根據(jù)實(shí)際的需要進(jìn)行確定，通過幾次試驗(yàn)調(diào)整舍去時(shí)間差值的個(gè)數(shù)，根據(jù)效果來確定舍去的個(gè)數(shù)，剩下的幾組時(shí)間差值做平均，得到更精準(zhǔn)的兩路信號(hào)到達(dá)時(shí)間差。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的復(fù)數(shù)擴(kuò)頻信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差測量方法，其特征是模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD使用較低的速率對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行采樣，所述較低的速率在滿足奈奎斯特采樣定理前提下根據(jù)實(shí)際的時(shí)間差測量系統(tǒng)資源量選擇，且滿足大于兩倍的chip速率。
全文摘要
復(fù)數(shù)擴(kuò)頻信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差測量方法，利用復(fù)相關(guān)法捕獲到達(dá)的信號(hào)，并根據(jù)復(fù)相關(guān)值的峰值點(diǎn)的位置來測量信號(hào)到達(dá)時(shí)間差，捕獲到信號(hào)時(shí)，對(duì)接收到的信號(hào)做復(fù)數(shù)差分運(yùn)算并緩存，通過內(nèi)插法提高緩存信號(hào)的采樣率；對(duì)本地信號(hào)做同樣處理。處理后的高采樣率接收信號(hào)與本地信號(hào)進(jìn)行復(fù)相關(guān)，獲得精確的兩路信號(hào)到達(dá)時(shí)間差；進(jìn)一步，對(duì)一段時(shí)間內(nèi)不同時(shí)刻捕獲的幾組信號(hào)采取最大距離過濾法，將偏離較大的時(shí)間差值過濾，得到更精確的兩路信號(hào)到達(dá)時(shí)間差。本發(fā)明不需要對(duì)接收信號(hào)做相位校正，就可以獲得良好的復(fù)信號(hào)相關(guān)峰值，進(jìn)而提取到達(dá)時(shí)間差，提高了時(shí)差測量的精度，信號(hào)緩存，采用非實(shí)時(shí)處理避免了實(shí)時(shí)的插值后數(shù)據(jù)量太大以及工作頻率過高的問題。
文檔編號(hào)G01S5/06GK102508200SQ201110361270
公開日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月16日
發(fā)明者梁彪, 田華梅, 胡愛群, 錢妍池 申請(qǐng)人:東南大學(xué), 南京三寶科技股份有限公司