專利名稱：：基于脈沖超寬帶測距的方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及通訊技術(shù)，特別涉及脈沖超寬帶、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)。
背景技術(shù)：
：UWB(UltraWideband)是一種無載波通信技術(shù)，利用納秒至微微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)。通過在較寬的頻譜上傳送極低功率的信號，UWB能在10米左右的范圍內(nèi)實現(xiàn)數(shù)百Mbit/s至數(shù)Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。UWB具有抗干擾性能強、傳輸速率高、帶寬極寬、消耗電能小、發(fā)送功率小等諸多優(yōu)勢，主要應(yīng)用于室內(nèi)通信、高速無線LAN、家庭網(wǎng)絡(luò)、無繩電話、安全檢測、位置測定、雷達等領(lǐng)域。和通信領(lǐng)域相比，UWB在感知、探測領(lǐng)域的前途更加廣闊。由于脈沖的寬度在納秒級別，具有極高的時域分辨率，理論上的測距精度可以達到厘米級。目前被IEEE802.15.4a工作組制定為WPAN(無線個域網(wǎng))的首選物理層技術(shù)。利用脈沖進行測距的技術(shù)主要分為三類，基于到達時間(TimeofArrival),到達角度(AngleofArrival)和信號強度(SignalStrength),考慮到A0A技術(shù)的成本相對較高，SS方法沒有充分利用到脈沖信號的特點，目前使用得最廣泛的是TOA技術(shù)。TOA技術(shù)測距的關(guān)鍵目標就是尋找多徑信號中的直達徑分量，當DP分量尋找成功后，就可以獲取收發(fā)兩端的時間延遲r，利用公式"="得到收發(fā)信機的距離，其中c為光速。目前尋找DP的算法包括門限檢測和極大似然估計兩大類，門限檢測類的測距關(guān)鍵在于門限的設(shè)置，需要信號能量，噪聲功率水平等先驗知識，可以獲取較高的測距精度，但是復(fù)雜度相對較高。極大似然估計類算法主要用于視距傳輸條件，即收發(fā)信機之間的信道環(huán)境中沒有物體遮擋，DP的能量在多徑分量中最高。這種方法實現(xiàn)較為簡單，不需要先驗知識，在實現(xiàn)方面具有一定的優(yōu)勢。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的就是提供一種脈沖超寬帶測距的實現(xiàn)方法和系統(tǒng)，采用廣義極大似然方法，計算發(fā)射機發(fā)送的直達徑分量信號與接收指令信號的時間差，從而得到發(fā)射機與接收機之間的距離，解決現(xiàn)有技術(shù)中成本相對較高以及復(fù)雜度相對較高的技術(shù)問題。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的方案是，采用基于脈沖超寬帶測距的方法，該方法包括以下步驟A.首先搭建具有發(fā)射機和接收機的測距系統(tǒng)；B.由發(fā)射機發(fā)射超寬帶脈沖信號，同時向接收機發(fā)送接收指令信號；發(fā)射機由超寬帶脈沖信號模塊產(chǎn)生超寬帶脈沖信號，或者利用高速計數(shù)器的進位脈沖作為超寬帶脈沖信號的產(chǎn)生模塊，現(xiàn)場可編程陣列電路通過對計數(shù)器進行初始置位來調(diào)整脈沖的位置。C.由接收機接收步驟B中的信號，確定多徑信號中的直達徑分量信號位置，計算獲取直達徑分量信號與接收指令信號的時間差，從而得到發(fā)射機與接收機之間的距離，采用廣義極大似然方法估計直達徑分量信號位置。本步驟C中還包括以下分步Cl.接收機接收步驟B中的信號后，先進行低噪聲放大；采用高速數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片(ADC)對射頻信號進行采樣；然后送入現(xiàn)場可編程陣列電路進行基帶處理。C2.針對接收系統(tǒng)建立離散模型；C3.以固定間隔的采樣信號都接收的信號進行采樣；C4.確定積分長度、等價的離散求和長度和離散時間差，獲得似然函數(shù)關(guān)系；C5.采用廣義極大似然估計方法預(yù)估計接收信號的離散時間值；C6.采用廣義極大似然方法求解，獲取似然函數(shù)的極值、接收信號的估計值以及收發(fā)信機的離散延遲時間，從而求得發(fā)射機與接收機之間的距離。實現(xiàn)上述方法的系統(tǒng)包括發(fā)射機和接收機，所述發(fā)射機包括有超寬帶脈沖信號發(fā)生器以及發(fā)送天線，所述接收機包括有信號接收天線、低噪放大器，采樣電路ADC以及現(xiàn)場可編程陣列電路，所述發(fā)射機與接收機之間連接有信號線。所述發(fā)射機的超寬帶脈沖信號發(fā)生器為超寬帶脈沖信號產(chǎn)生模塊或者是高速計數(shù)器的進位脈沖輸出模塊，所述高速計數(shù)器的型號為MC100EP016。所述現(xiàn)場可編程陣列電路包括基于廣義極大似然估計方法設(shè)計的估算模塊以及測距計算模塊。這種方法實現(xiàn)較為簡單，不需要經(jīng)過大量的技術(shù)和先驗知識，成本比較低，系統(tǒng)的復(fù)雜程度也較低，在實現(xiàn)方面具有較大的優(yōu)勢。圖l是本發(fā)明的系統(tǒng)示意圖。圖2是本發(fā)明中發(fā)射機的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明中接收機的結(jié)構(gòu)示意圖。具體實施例方式結(jié)合上述本發(fā)明的具體實施例。一種基于脈沖超寬帶測距的方法包括以下步驟A.首先搭建具有發(fā)射機和接收機的測距系統(tǒng)；B.由發(fā)射機發(fā)射超寬帶脈沖信號，同時向接收機發(fā)送接收指令信號；發(fā)射機由超寬帶脈沖信號模塊產(chǎn)生超寬帶脈沖信號，或者利用高速計數(shù)器的進位脈沖作為超寬帶脈沖信號的產(chǎn)生模塊，現(xiàn)場可編程陣列電路通過對計數(shù)器進行初始置位來調(diào)整脈沖的位置。本系統(tǒng)采用全數(shù)字體制，發(fā)射機可以利用高速計數(shù)器MC100EP016的進位脈沖作為UWB信號的產(chǎn)生模塊，F(xiàn)PGA通過對計數(shù)器進行初始置位來調(diào)整脈沖的位置(如圖l所示)。C.由接收機接收步驟B中的信號，確定多徑信號中的直達徑分量信號位置，計算獲取直達徑分量信號與接收指令信號的時間差，從而得到發(fā)射機與接收機之間的距離，采用廣義極大似然方法估計直達徑分量信號位置。步驟C中還包括以下分步驟-CI.接收機接收步驟B中的信號后，先進行低噪聲放大；采用ADC對射頻信號進行采樣；然后送入現(xiàn)場可編程陣列電路進行基帶處理。如圖3所示，接收信號經(jīng)過天線和LNA后，直接使用采樣率為2G/s的ADC對射頻信號進行采樣，然后送入FPGA進行基帶處理。這種方法的優(yōu)點在于靈活性極高，改變接收機算法時基本不需要修改硬件電路，信息處理能力很強，能夠進行較高速率的數(shù)據(jù)傳輸。步驟C中還包括以下分步驟C2.—C3.假設(shè)系統(tǒng)帶寬為K針對接收系統(tǒng)建立離散模型，利用采樣間隔乙，=i的ADC對接收信號進行采樣有y2『<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>確定積分長度、等價的離散求和長度和離散時間差，獲得似然函數(shù)關(guān)系；例如當積分長度為7;時，則等價的離散求和長度為27;『，離散時間差為5=2『"從而可以獲取似然函數(shù)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(2)根據(jù)極大似然原理，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(3)C5.—C6.采用廣義極大似然估計方法預(yù)估計接收信號的離散時間值；采用廣義極大似然方法求解，獲取似然函數(shù)的極值、接收信號的估計值以及收發(fā)信機的離散延遲時間，從而求得發(fā)射機與接收機之間的距離。例如采用的廣義極大似然估計(GML)，即通過某種方法先估計出接收信號S，然后再利用極大似然方法求解。(3)式的等效似然函數(shù)為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(4)根據(jù)廣義極大似然估計的定義，為了獲取似然函數(shù)的極值，令似然函數(shù)的導(dǎo)數(shù)為o，有<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(5)獲得接收信號的估計值<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(6)因此收發(fā)信機的離散延遲為纟=argmax{rXr」3,"}=argmaxj]一,+《(7)由圖1中可知，這種基于脈沖超寬帶測距的系統(tǒng)包括發(fā)射機100和接收機200，所述發(fā)射機100包括有超寬帶脈沖信號發(fā)生器110以及發(fā)送天線120，所述接收機200包括有信號接收天線210、低噪放大器LNA、采樣電路ADC以及現(xiàn)場可編程陣列電路FPGA，所述發(fā)射機與接收機之間連接有信號線300。發(fā)射機和接收機之間通過信號線300連接，在發(fā)射機通過天線發(fā)送測距脈沖的同時在導(dǎo)線上也傳輸一個低電平，用以通知接收機開始接收。利用廣義極大似然的算法得到脈沖的峰值位置，作為視距傳輸?shù)闹边_徑分量。所述發(fā)射機的超寬帶脈沖信號發(fā)生器為超寬帶脈沖信號產(chǎn)生模塊或者是高速計數(shù)器的進位脈沖輸出模塊，所述高速計數(shù)器的型號為MC100EP016，所述現(xiàn)場可編程陣列電路包括基于廣義極大似然估計方法設(shè)計的估算模塊以及測距計算模塊。測試實例首先確定探測環(huán)境，目前采用的是IEEE802.15.4aCMl信道，傳輸?shù)钠骄旁氡雀鶕?jù)距離不同略有變化，應(yīng)該在8-12dB之間。發(fā)送的脈沖速率為12.5Mbps，7}=80m，連線長度為9米。測試了幾組距離，每個距離測量10組數(shù)據(jù)。結(jié)果如下，其中A,是測試中的一個時間參量?？梢钥闯?，測量基本誤差在10%以內(nèi)。<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當視為屬于本發(fā)明的保護范圍。權(quán)利要求1.一種基于脈沖超寬帶測距的方法，其特征在于該方法包括以下步驟A.首先搭建具有發(fā)射機和接收機的測距系統(tǒng)；B.由發(fā)射機發(fā)射超寬帶脈沖信號，同時向接收機發(fā)送接收指令信號；C.由接收機接收步驟B中的信號，確定多徑信號中的直達徑分量信號位置，計算獲取直達徑分量信號與接收指令信號的時間差，從而得到發(fā)射機與接收機之間的距離。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟B中的發(fā)射機由超寬帶脈沖信號模塊產(chǎn)生超寬帶脈沖信號。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于步驟B中利用高速計數(shù)器的進位脈沖作為超寬帶脈沖信號的產(chǎn)生模塊，現(xiàn)場可編程陣列電路通過對計數(shù)器進行初始置位來調(diào)整脈沖的位置。4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的方法，其特征在于步驟C中還包括以下分步驟Cl.接收機接收步驟B中的信號后，先進行低噪聲放大；采用高速數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片對射頻信號進行采樣；然后送入現(xiàn)場可編程陣列電路進行基帶處理。5.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的方法，其特征在于步驟C中采用廣義極大似然方法估計直達徑分量信號位置。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于步驟C中還包括以下分步驟C2.針對接收系統(tǒng)建立離散模型；C3.以固定間隔的采樣信號對接收的信號進行采樣；C4.確定積分長度、等價的離散求和長度和離散時間差，獲得似然函數(shù)關(guān)系；C5.采用廣義極大似然估計方法預(yù)估計接收信號的離散時間值；C6.采用廣義極大似然方法求解，獲取似然函數(shù)的極值、接收信號的估計值以及收發(fā)信機的離散延遲時間，從而求得發(fā)射機與接收機之間的距離。7.—種基于脈沖超寬帶測距的系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括發(fā)射機和接收機，所述發(fā)射機包括有超寬帶脈沖信號發(fā)生器以及發(fā)送天線，所述接收機包括有信號接收天線、低噪放大器、采樣電路ADC以及現(xiàn)場可編程陣列電路，所述發(fā)射機與接收機之間連接有信號線。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于所述發(fā)射機的超寬帶脈沖信號發(fā)生器為超寬帶脈沖信號產(chǎn)生模塊或者是高速計數(shù)器的進位脈沖輸出模塊。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于所述高速計數(shù)器的型號為MC100EP016。10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于所述現(xiàn)場可編程陣列電路包括基于廣義極大似然估計方法設(shè)計的估算模塊以及測距計算模塊。全文摘要一種基于脈沖超寬帶測距的系統(tǒng)包括發(fā)射機和接收機，所述發(fā)射機包括有超寬帶脈沖信號發(fā)生器以及發(fā)送天線，所述接收機包括有信號接收天線、低噪放大器、采樣電路ADC以及現(xiàn)場可編程陣列電路，所述發(fā)射機與接收機之間連接有信號線。本發(fā)明的方法由發(fā)射機發(fā)射超寬帶脈沖信號，同時向接收機發(fā)送接收指令信號；由接收機接收信號，確定多徑信號中的直達徑分量信號位置，計算獲取直達徑分量信號與接收指令信號的時間差，從而得到發(fā)射機與接收機之間的距離，這種方法實現(xiàn)較為簡單，不需要經(jīng)過大量的技術(shù)和先驗知識，成本比較低，系統(tǒng)的復(fù)雜程度也較低，在實現(xiàn)方面具有較大的優(yōu)勢。文檔編號H04B1/69GK101320995SQ20081006859公開日2008年12月10日申請日期2008年7月23日優(yōu)先權(quán)日2008年7月23日發(fā)明者張乃通,張欽宇,張霆廷,野王申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院