室内超宽带无线定位技术研究_室内超宽带无线定位技术研究方向

摘 要：超宽带技术由于功耗低、抗多径干扰能力强、系统复杂度低、定位精度高等优点，已经成为室内无线定位技术中极具潜力的技术。基于到达时间差（TDOA）定位技术，提出了一种基于Taylor算法和Chan算法的定位方法，并对三种不同算法进行了比较，完成了室内超宽带无线定位算法的仿真。在FPGA开发平台上完成了对室内超宽带无线定位系统的设计。着重介绍了基带信号的帧结构、扩频码的选择、脉冲的生成和扩频码的同步捕获。对各个模块的功能和设计原理进行了描述，通过Verilog语言对室内超宽带无线定位系统的各部分模块进行设计与仿真。

0 引言

定位是一种对未知物体的位置进行预判的技术。超宽带定位系统可以提供的定位精度较高，尤其适用于室内定位系统中[1]。TDOA定位技术只要求接收机时间精确同步，不要求测量接收机与发射机之间的绝对时间同步，所以，其时钟的精准度相对于基于到达时间定位方法更易于实现。与基于达到强度和基于到达角度定位方法相比，这种方法可以更好地适应复杂的室内环境，定位精度高[2]。本文针对TDOA定位算法，提出一种Taylor算法和Chan算法相结合的定位算法，以提高定位精度。而在超宽带通信系统中，窄带脉冲持续时间极短，带宽很宽，时间分辨率良好，抗多径能力强。本文的室内超宽带定位系统在FPGA平台下完成，将基带信号扩频后采用脉冲无线电方式发射，在接收端解扩、解调后得出TDOA测量值，再将其带入到解算算法中，实现定位。这种方式无需载波调制，系统复杂度低，实现简单。

1 系统的定位算法设计

常用的TDOA定位算法有Taylor算法和Chan算法。Taylor算法采用递归的方式，对定位系统的待测目标位置求解，其特点是计算量大，定位精度较高。但是，如果不能很好地对Taylor算法的初始位置进行选择，算法的收敛性会受到影响。在室内环境的应用中，初始位置不易确定，所以Taylor算法的定位精度受到了限制。Chan算法是一种具有解析表达式的非递归算法，其特点是计算量小，受到室内环境的影响，定位精度较差。但是，该算法可以整合到其他计算量较大的算法中，在不影响运算结果的前提下，可以减少计算量[3]。

为了利用Taylor算法定位精度高的优势，可以在保证初始估计位置和实际位置较接近的情况下，再使用Taylor算法进行计算，所以，在此之前要找到一种算法可以较好地确定初始位置。Chan算法刚好可以保证定位的准确度，而且该算法的计算量小于其他计算复杂的算法，可以更好地提高系统的计算效率。因此，用Chan算法与Taylor算法相结合来进一步提高Taylor算法的收敛性，实现精确定位。改进算法的流程如图1所示。

首先，将已知的接收机的坐标和测量得到的TDOA值代入到Chan算法中，再通过该算法的结果计算出加权系数，同时，将Chan算法得到的结果作为Taylor算法的初始值，进行Taylor级数展开。在一些情况下，Taylor算法的结果是发散的，为避免这个问题的出现，采用加权系数的估算，估算对象为Taylor级数展开后的结果、通过Chan算法得到的加权系数和Chan算法的计算结果。通过这种方式对两种定位算法的结果进行优化，并得到最终结果，获得定位坐标，完成定位过程。

2 室内超宽带定位系统的设计

2.1 基带信号帧结构

系统中基带信号的定位信息帧由帧头、定位信息和保护间隔三部分组成，其格式示意图如图2所示。

其中，帧头的作用是便于接收端实现码元同步的捕获和跟踪，因此不需要通过帧头来传递定位信息。在本系统中，帧头均用符号“1”来实现。定位信息可以用于TDOA定位测量时，同时可以实现在定位过程中与基站的通信功能，通过定位信息可以判断出该信息是由哪一个参考基站发送出来的。为了区分帧头和定位信息，第一个定位信息在传送信息前插入独特码。每个参考站根据时间顺序依次发送定位信息，在两个定位信息之间添加保护间隔。第一个参考基站在定位信息之前先发送帧头。

在接收端的扩频码同步捕获过程中，系统不能自行判断帧头与定位信息的位置，即便可以找到帧头，也不能判断此处为帧头的第几位，因此也不能正确地捕获定位信息，这样整个捕获过程不能进行。所以，在帧头与定位信息之间插入一段独特码。由于巴克码的相关特性较好，因此用作这里的独特码。这里的独特码仅由第一个参考基站发送，其他接收机无需对信号进行这样的处理。接收机在成功匹配独特码后，就可以确定帧头的位置，并确定后续的接收数据，如果不能匹配，就认为捕获失败。这种方法可以消除误捕获，避免定位错误，提高定位精度。

保护间隔作为不同定位信息之间的保护，并作为测量时间差的基准值。在发射端，使用一个固定的保护间隔。当发送的信号到达接收端时，这个保护间隔会根据传输距离的不同而有所改变，这个变化就是所要测量的时间差。要想确定待测目标的位置，需要3组时间差。测量到的时间差在统计上是相互独立的，将测量时间差带入到解算算法中，就可以求出待测目标的位置，从而实现定位。

通过接收端和发射端测量出的TDOA值的示意图如图3所示。

2.2 扩频码的选择

本文选用直扩系统，在扩频码的选择上，选取M序列作为扩频码，原因有两点：其一，与长度为63的m序列相比，长度为64的M序列的扩频倍数为2的整数倍，这样给FPGA的基带信号处理及其他后续信号的处理带来了方便；其二，M序列优选对的条数比m序列要多，这样就有利于多用户的码分多址[4]。对于64位的M序列，其相应的移位寄存器为6级，通过查找表得到其反馈系数103，其对应的特征多项式为：

f（x）=x6+x+1（1）

由反馈系数原理可知，在第1级和第6级需要进行反馈，移位寄存器反馈原理图如图4所示。

2.3 脉冲信号的产生

为了避免多径干扰，需要对扩频码序列的占空比进行调整，这样在扩频的基础上又对频谱展宽，产生窄带脉冲信号。这种方式就避免了载波调制，简化了接收机的结构。

2.4 扩频码同步捕获

本文采用基带控制信号线性步进串行搜索捕获的方法来完成系统同步[5]，设计框图如图5所示。

捕获过程的实现方法如下：积分器对输入的超宽带信号进行积分，输出积分值，系统将该积分值与预先设定好的阈值做比较，完成判别过程。当积分值超过阈值时，系统输出一个脉冲信号到FPGA中，FPGA在设定的时间内对这种脉冲信号进行统计计数，对计数的结果做判决，如果大于一个规定的值，那么，此时认为系统捕获成功，收发两端的扩频码码片的相位差在一个码片宽度以内，这时的时钟即为接收端的同步时钟，继续进入跟踪环路。如果FPGA的计数值没有满足要求，FPGA会输出一个反馈到控制单元，控制单元会输出一个信号来控制相位信号进行一个单位的步进，这个步进后的相位信号最终作用在积分器上。在该信号的下降沿，积分器进行正常的积分运算，在信号的上升沿，对积分器进行清零，从而实现对积分器的控制作用。重复以上过程，直到FPGA的计数值满足系统要求。如果在完成一帧的搜索后仍无法满足以上要求，那么将FPGA中计数值的最大结果对应的时钟信号近似为系统接收端的同步信号，进入后续跟踪环路。

在系统同步的过程中，当脉冲的计数值超过了系统所设定的阈值后，系统认为同步，此时的时钟信号可以作为系统解调过程中的时钟信号，对于已经解扩的信号再进行解调过程。在解调过程中，在时钟的上升沿对解扩信号进行采样，若采样信号为高电平，相应地输出高电平；当采样信号为低电平时，相应地输出低电平，这样，就完成了解调过程。将解调后的基带信号再进行拆帧处理，这样就可以得到TDOA的测量值，再带入到第2节中提出的算法中即可。

3 算法性能比较

在第1节设计的定位算法的基础上，对各个算法进行比较。TDOA测量标准差对定位结果的影响如图6所示。在各种算法中，均方根误差与TDOA的测量值标准差成近似正比的关系。基于真实值的Taylor级数展开算法的性能最佳，基于Chan算法与Taylor算法的协同算法次之，非常接近于真实值的估算结果，比Chan算法单独使用时性能要高很多。

4 仿真结果及分析

4.1 M序列生成模块

6级M序列发生器可产生周期为64的扩频码序列，先构造周期为63的m序列，并在一个适当的位置插入一个全零状态，即可得到64位M扩频码序列，扩频码仿真图如图7所示。其中，out为通过移位寄存器生成的M序列，temp为移位寄存器的状态，由图可以看出，在0X20与0X01之间插入了0X00状态。

4.2 脉冲生成模块

扩频调制后的扩频码序列的信号占空比为100%，在本模块中，将原来的1个扩频码码片在时间上分成16份，即对扩频码的时钟信号进行16倍频，并调整其占空比，只将16份中的第一份设置为高，而其余的15份均为0，这样就对波形占空比进行了调整，形成窄带脉冲。脉冲发生器仿真图如图8所示。

4.3 扩频码序列的同步捕获

接收端，同步捕获模块的时序仿真波形图如图9所示。图中，en表示系统的使能端，当其为高电平时，系统可以进行同步捕获；为低电平时，系统不能工作。rst_n是系统复位信号，低电平有效，此时系统各种寄存器清零。clk是系统基准时钟，data_in表示输入到该模块的脉冲结果，flag为同步捕获标志位，step为步进次数。

该模块完成系统同步捕获的数字化处理，对输入的脉冲进行采样计数，每隔16个时钟周期对信号的计数值进行判断。设置系统的计数阈值为14，当计数值超过阈值时，认为系统捕获成功，同步捕获标志位flag置高电平；否则，系统的同步捕获标志位flag置低电平，同时，步进次数step加1，相位控制信号步进一次。当复位信号为高电平有效时，系统重新开始搜索同步捕获。

5 结论

本文选取了室内超宽带定位系统最佳定位方法：TDOA定位方法。在现有TDOA算法的基础上，提出了一种将Chan算法与Taylor算法的相结合定位算法。仿真验证的结果表明，该算法可以对Chan算法和Taylor算法的不足进行弥补。为简化接收机的结构，本文结合扩频通信方法，设计了一种采用窄带脉冲发射的室内超宽带无线定位系统。通过对基带信号的帧结构设计，接收端的信号在完成解扩、解调后，可以直接得出TDOA测量值，再经过解算算法就可以方便地求出待测目标的位置，实现定位功能。对系统中各模块的原理进行了介绍，并使用Verilog语言建模，完成了系统仿真。

参考文献

[1] 施长宝，李瑾.基于超宽带技术的室内无线定位的研究[J]．科技信息，2012（7）：171，146.

[2] DIBENEDETO A G， GIANCOLA G. Understanding ultra wide band radio fundamentals[M]. New Jersey： Prentice Hall Professional Technical Reference， 2004．

[3] 庞艳.UWB精确定位算法研究[D].北京：北京交通大学，2006.

[4] 田日才.扩频通信[M].北京：清华大学出版社，2007.

[5] 王伟，焦健，蔡鹤皋，等.基于FPGA的扩频信号快速捕获电路设计与实现[J].弹箭与制导学报，2009，29（5）：227-231，238.