基于擴頻多址的差轉(zhuǎn)游標測距方法與應(yīng)用

劉慶元,王佳鈺,史學威,楊文波,陳祝明

(電子科技大學長三角研究院(衢州),浙江 衢州 324003)

0 引 言

面向復(fù)雜工業(yè)現(xiàn)場的定位系統(tǒng)是工業(yè)安全系統(tǒng)的重要組成部分。與辦公、生活等商用和民用的通信環(huán)境相比,工業(yè)場景的無線通信環(huán)境更加復(fù)雜[1]。以危險化學品生產(chǎn)環(huán)境為例,危險化學品的毒害、爆炸、腐蝕等性質(zhì)會對定位設(shè)備造成影響,生產(chǎn)環(huán)境結(jié)構(gòu)復(fù)雜,穿管布線具有很高的施工成本,還可能增加新的安全隱患,定位設(shè)備的高頻維護也會增加企業(yè)運維成本。為了加強對安全生產(chǎn)的監(jiān)管、及時發(fā)現(xiàn)隱患,需要對危險化學品生產(chǎn)環(huán)境進行人員定位、智能巡檢?！豆I(yè)互聯(lián)網(wǎng)+?；踩a(chǎn)》[2]要求規(guī)范巡檢流程,提升巡檢數(shù)字化、智能化,對巡檢作業(yè)人員要實時定位,并且實現(xiàn)多人巡檢定位[3]。因此,面向工業(yè)現(xiàn)場的定位系統(tǒng)要做到低功耗、低成本、低安裝施工量,還需要具有很高的定位精度,能夠?qū)崿F(xiàn)多址定位。

傳統(tǒng)室內(nèi)定位系統(tǒng)無法滿足復(fù)雜工業(yè)現(xiàn)場的定位需求,如藍牙定位的精度不夠、超寬帶定位成本高等[4]。目前,室內(nèi)定位系統(tǒng)是以距離測量為基礎(chǔ)的,高精度的距離測量決定了高精度的定位,基于游標法[5]的轉(zhuǎn)發(fā)式定位系統(tǒng)可以通過測量時間間隔來實現(xiàn)高的測距精度。這種系統(tǒng)主要由詢問器和轉(zhuǎn)發(fā)信標組成,其轉(zhuǎn)發(fā)信標電路結(jié)構(gòu)簡單,易于實現(xiàn)低成本和低功耗,但在多個詢問器同時工作時無法正常測距。因此,詢問器需要具備多址訪問技術(shù)來解決這一工程問題。

直接序列擴頻(Direct Sequence Spread Spectrum,DSSS)技術(shù)可以采用正交的偽隨機(Pseudo-Noise,PN)碼序列來實現(xiàn)碼分多址[6]。PN碼具有類似白噪聲的相關(guān)特性,干擾信息與偽隨機序列不相關(guān)。在接收端經(jīng)過擴展后,落入信號頻帶內(nèi)的干擾信號功率大幅降低,所以擴頻系統(tǒng)抗干擾、抗多徑的能力得以增強。擴頻碼的選擇直接影響擴頻系統(tǒng)的性能,其類型有m序列、Gold序列等,本文方法采用由兩個m序列構(gòu)成的具有良好正交性能的Gold序列作為擴頻碼。

本文基于復(fù)雜工業(yè)現(xiàn)場定位的實際需求,綜合游標法和DSSS技術(shù),提出了一種基于擴頻多址的差轉(zhuǎn)游標測距方法并構(gòu)建了相應(yīng)的測距系統(tǒng)。

1 游標測距法原理及其轉(zhuǎn)發(fā)測距時的問題

傳統(tǒng)的游標測距方法是基于游標測時的,使用游標法測量時間間隔[7],進而計算出距離。游標法測時的原理[8]如圖1所示。

圖1 游標法測時原理Fig.1 Principle of time measurement using vernier method

游標法測時需要有兩個時鐘信號,這兩個時鐘信號的頻率和周期之差都極小,較高頻率信號為主時鐘,其周期為T1,較低頻率信號為游標時鐘,其周期為T2。每次當游標時鐘上升沿到來時,相對于主時鐘上升沿都會產(chǎn)生一段較小的延遲：

ΔT=T2-T1

(1)

然后發(fā)射端發(fā)送與主時鐘完全同步的脈沖信號,經(jīng)過傳輸時延t之后接收方收到該信號,t即是待測的短時間間隔。開始測量后發(fā)射端持續(xù)發(fā)射脈沖信號,當游標時鐘上升沿到來時,對發(fā)射脈沖上升沿進行鑒別,如果它們發(fā)生重合,則開始對游標時鐘進行計數(shù)。此后便關(guān)注接收脈沖,當游標時鐘上升沿每次到來時,對接收脈沖上升沿進行鑒別,如果它們發(fā)生重合,則立即停止計數(shù),假設(shè)游標時鐘計數(shù)結(jié)果為K。這就是一次完整的測時過程,可知過程耗時T為

T=KT2=KT1+t

(2)

可以得出時間間隔t=KΔT。因此,測量出t就可以計算出待測距離,而游標法測距的測量精度就取決于游標法測量時間間隔的精度,為主時鐘與游標時鐘周期的差值ΔT。若主時鐘與游標時鐘周期無限接近,則測量精度理論上可以達到很高的水平[9]。

這種傳統(tǒng)的游標測距法只適用于單一詢問器和轉(zhuǎn)發(fā)信標的場景,而在實際應(yīng)用場景中,往往會存在多個詢問器和多個轉(zhuǎn)發(fā)信標,這就要求詢問器不僅能夠接收和識別自身發(fā)射的測距脈沖,還要能夠識別出是哪一個信標轉(zhuǎn)發(fā)的。

2 基于擴頻多址的差轉(zhuǎn)游標測距系統(tǒng)

針對傳統(tǒng)游標測距法應(yīng)用中的問題,本文提出了一種基于擴頻多址的差轉(zhuǎn)游標測距方法及測距系統(tǒng)。系統(tǒng)在詢問器中增加了DSSS技術(shù),采用31位Gold序列對信號進行直接序列擴頻處理,以提高抗干擾能力,區(qū)分不同詢問器的測距信號[10];在轉(zhuǎn)發(fā)信標中采用差頻轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù),利用不同的轉(zhuǎn)發(fā)頻率來區(qū)分不同的轉(zhuǎn)發(fā)信標。測距系統(tǒng)的組成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成框圖Fig.2 Block diagram of system composition

詢問器包括時鐘控制模塊、擴頻/解擴模塊、調(diào)制/解調(diào)模塊、射頻收/發(fā)天線、游標時鐘計數(shù)器以及數(shù)據(jù)處理模塊;轉(zhuǎn)發(fā)信標包括差頻模塊以及轉(zhuǎn)發(fā)控制模塊;通信基站用于對詢問器和轉(zhuǎn)發(fā)信標的通信和調(diào)度。

系統(tǒng)的工作流程如下：

首先,詢問器的時鐘控制模塊產(chǎn)生周期相近的主時鐘和游標時鐘信號,并且產(chǎn)生與主時鐘信號同步的主時鐘脈沖作為測距信號。假設(shè)主時鐘和游標時鐘的頻率分別為fclk1和fclk2,且fclk1>fclk2,兩頻率十分接近,可知主時鐘和游標時鐘的周期分別為T1=1/fclk1和T2=1/fclk2,則游標法分辨率為兩周期差ΔT=(T2-T1)。當主時鐘信號和游標時鐘信號的上升沿重合時啟動游標時鐘計數(shù)器。計數(shù)啟動脈沖初始化保持低電平,如圖3所示。當主時鐘脈沖與游標時鐘的上升沿重合時,上升沿對應(yīng)時刻就被作為啟動計數(shù)的時刻。計數(shù)啟動脈沖置為高電平,激勵游標時鐘計數(shù)器開始計數(shù)。

圖3 時間測量過程Fig.3 Time measurement process

系統(tǒng)采用正交的Gold碼進行擴頻,要求擴頻碼的位數(shù)滿足多址測距的要求,能夠區(qū)分多個不同的測距信號。研究以正交Gold序列作為擴頻碼的擴頻系統(tǒng)的誤比特率,繪出圖4所示的誤比特率-信噪比曲線,分析多址對擴頻的影響。

圖4 正交Gold序列性能曲線Fig.4 Performance curve of orthogonal Gold sequence

正交Gold序列之間互相關(guān)值約為0,性能基本不會隨用戶數(shù)增加而下降。本文的系統(tǒng)采用正交的Gold碼作為擴頻碼,系統(tǒng)可以區(qū)分不同標簽的測距信號,性能基本不會受多個地址的影響。

將Gold序列與主時鐘信號生成的脈沖序列進行直接序列擴頻即可得到擴頻后的測距信號,如圖3中擴頻后信號,已調(diào)制后發(fā)射載波頻率為fc1的測距信號。

轉(zhuǎn)發(fā)信標持續(xù)接收載波頻率為fc1測距信號,對測距信號進行差頻和放大處理,差頻后發(fā)射的測距信號載波頻率為fc2,采用雙工器實現(xiàn)收發(fā)信號的隔離。

詢問器接收端持續(xù)接收載波頻率為fc2,測距回波信號,對接收到的信號進行解調(diào)處理,然后對整形得到的數(shù)字信號進行相干解擴。解擴采用的是數(shù)字匹配濾波器[12],首先要預(yù)先存儲接收整數(shù)周期的參考序列,然后接收序列逐位移入移位寄存器,兩組移位寄存器的對應(yīng)比特進行模2加,然后將模2加的結(jié)果累加。只有當對應(yīng)寄存器的數(shù)據(jù)完全一致時,輸出最大值N(N=2n-1),而當其他的正交PN碼序列輸入的時候,累加的結(jié)果為-1。然后經(jīng)過門限比較電路,根據(jù)累加的結(jié)果與預(yù)設(shè)的門限值進行比較判決,從而恢復(fù)出主時鐘脈沖。

計數(shù)停止脈沖初始化為低電平,如圖3,當解擴后信號與游標時鐘信號的上升沿重合時,將計數(shù)停止脈沖置為高電平,令計數(shù)器停止計數(shù)。解擴前信號與主時鐘脈沖存在著時延t,即待測量的時間間隔。根據(jù)游標法原理,游標法是以犧牲時間為代價來提高時間測量精度的,每經(jīng)過一個周期,游標時鐘與解擴后測距信號的上升沿之間的間隔就縮小ΔT,所以最終的計數(shù)結(jié)果乘以ΔT就等于待測時間t。

假設(shè)計數(shù)器的計數(shù)結(jié)果為K,通過計數(shù)器測得的計數(shù)結(jié)果可以計算出待測時間t。由游標法原理得

t=K(T2-T1)=KΔT

(3)

式中：ΔT為周期差;t即測距信號的傳播時間。

當測量出測距信號的傳播時間后,就可以計算出距離。詢問器與轉(zhuǎn)發(fā)信標之間的距離為t/2時間內(nèi)測距信號的傳播距離d為

(4)

式中：v即測距信號在空氣中的傳播速率,等于光速。由所測傳播時間計算出距離后,詢問器通過通信基站將距離信息發(fā)送給上位機進行顯示,完成一次測距。

為了驗證系統(tǒng)DSSS擴頻和游標測量性能,搭建了系統(tǒng)基帶模塊進行時間測量精度實驗。實驗參數(shù)如表1所示。

表1 實驗參數(shù)Tab.1 Experimental parameters

采用數(shù)字延時器作為基準延時,利用多組時間延時進行實驗,測量結(jié)果如表2所示。

表2 實驗測量結(jié)果Tab.2 Experimental measurement results

目前實驗測量最大誤差約等于理論誤差0.833 ns,對于光速傳播的射頻信號,對應(yīng)的測距精度約為25 cm,這種亞米級的精度測距基本滿足了大多數(shù)工業(yè)場景和室內(nèi)場景的人員定位管理需求。

3 基于擴頻多址的差轉(zhuǎn)游標測距系統(tǒng)的應(yīng)用

在工業(yè)生產(chǎn)中,安全是十分重要的,巡檢能夠及時發(fā)現(xiàn)安全隱患,提高生產(chǎn)的安全性。巡檢人員在巡檢過程中也可能遇到危險情況或是進入危險區(qū)域,對巡檢人員進行定位能夠規(guī)范巡檢流程,獲取實時位置,便于統(tǒng)一管理。這種巡檢人員定位管理的特點在于：一是生產(chǎn)現(xiàn)場區(qū)域大,需要布設(shè)的轉(zhuǎn)發(fā)信標數(shù)量多,要求轉(zhuǎn)發(fā)信標成本低,施工簡單,運維方便;二是巡檢人員少,行走速度較慢,所佩戴的定位標簽數(shù)量少,對其成本、功耗和定位的數(shù)據(jù)率要求都不高;三是定位精度要求高,能夠正確地獲取巡檢人員的行走軌跡。

目前工業(yè)生產(chǎn)中使用的基于Ubeacon信標的定位系統(tǒng),也可以實現(xiàn)亞米級高精度定位[13]。該系統(tǒng)采用UWB定位技術(shù)和Ubeacon信標,Ubeacon信標如圖5所示,可以采用內(nèi)部電池供電、外部無線信號傳輸,實現(xiàn)快速部署。

由圖5中Ubeacon信標電路與轉(zhuǎn)發(fā)信標電路結(jié)構(gòu)的對比可以看出,基于DW1000的Ubeacon信標需要通過時鐘控制模擬接收機、發(fā)射機,同時還包含數(shù)字收發(fā)信機、電源管理、主機接口與狀態(tài)控制器等模塊?；贑C1352P的轉(zhuǎn)發(fā)信標結(jié)構(gòu)主要分為4個部分：主CPU、RF Core、通用硬件模塊以及傳感器接口。但是相比轉(zhuǎn)發(fā)信標,Ubeacon信標電路結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜,發(fā)射超寬帶信號會有更高的功耗,同等條件下,Ubeacon信標續(xù)航時間更短。

本文提出的基于擴頻多址的差轉(zhuǎn)游標測距系統(tǒng)采用了游標法獲取高的定位精度,轉(zhuǎn)發(fā)信標采用簡單的差轉(zhuǎn)電路結(jié)構(gòu),因此其成本和功耗都很低;采用電池供電和無線通信調(diào)度后,安裝施工和運行維護的成本也很低,非常適合于工業(yè)現(xiàn)場的巡檢人員定位管理。

系統(tǒng)由以下核心設(shè)備組成：詢問標簽(即詢問器)、轉(zhuǎn)發(fā)信標和定位系統(tǒng)上位機。詢問標簽由巡檢人員攜帶,轉(zhuǎn)發(fā)信標布設(shè)在工業(yè)現(xiàn)場的固定位置,上位機與詢問標簽通過通信基站進行通信。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure diagram of the positioning system

在工業(yè)巡檢路線上布設(shè)轉(zhuǎn)發(fā)信標,當轉(zhuǎn)發(fā)信標接收到通信基站發(fā)來的調(diào)度信號后開啟轉(zhuǎn)發(fā)功能。巡檢人員佩戴詢問標簽按規(guī)劃路線進行巡檢時,所有的詢問標簽發(fā)射相同載波頻率fc1的測距信號,不同的詢問標簽采用不同的PN擴頻碼區(qū)分。各個轉(zhuǎn)發(fā)信標具有不同的差轉(zhuǎn)頻率fc21,fc22,fc23,詢問標簽采用單通道調(diào)諧接收機依次接收不同信標轉(zhuǎn)發(fā)的載波頻率fc21,fc22,fc23的測距信號。

以圖6中的詢問標簽1為例,通過發(fā)射3組測距信號以獲得3個轉(zhuǎn)發(fā)信標的回波信號進行測距,獲取3組距離信息s1,s2,s3,3個信標位置坐標已知為(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),解方程組

(5)

即可得到詢問標簽1的唯一位置坐標(x0,y0)。

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于擴頻多址的差轉(zhuǎn)游標測距方法,采用游標法實現(xiàn)高精度測距,采用DSSS技術(shù)以正交的PN碼區(qū)分發(fā)射載波頻率相同的不同標簽,采用不同的差轉(zhuǎn)頻率區(qū)分不同的轉(zhuǎn)發(fā)信標。這種方法使得轉(zhuǎn)發(fā)信標結(jié)構(gòu)簡單,成本低,功耗小,易于電池供電;采用無線通信方式后很容易大規(guī)模地布設(shè)于工業(yè)現(xiàn)場以進行人員的定位管理,特別適合于?；踩a(chǎn)等領(lǐng)域巡檢人員高精度定位管理的要求。