基于手機(jī)的聲學(xué)超寬帶室內(nèi)定位*

雷旭東，禹 健

（中北大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，太原　030051）

基于手機(jī)的聲學(xué)超寬帶室內(nèi)定位*

雷旭東，禹 健**

（中北大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，太原030051）

針對(duì)室內(nèi)定位技術(shù)部署復(fù)雜、成本高的問(wèn)題，提出了一種利用手機(jī)接收聲學(xué)信號(hào)通過(guò)脈沖壓縮進(jìn)行室內(nèi)定位的方法。通過(guò)借鑒雷達(dá)系統(tǒng)中的脈沖壓縮技術(shù)，將信號(hào)和噪聲分離，并提取出信號(hào)到達(dá)時(shí)延估計(jì)。為了減小定位誤差，研究了手機(jī)的聲學(xué)特性，設(shè)計(jì)了聲學(xué)超寬帶信號(hào)的信道模型，將應(yīng)答節(jié)點(diǎn)時(shí)延回傳，進(jìn)一步減小信號(hào)傳播的時(shí)延估計(jì)。在停車場(chǎng)的試驗(yàn)結(jié)果表明：定位結(jié)果和實(shí)際位置相符，平均定位誤差在30 cm以內(nèi)。

超寬帶；室內(nèi)定位；脈沖壓縮；延時(shí)估計(jì)；信道模型；匹配濾波

1　引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，人們對(duì)位置信息的感知需求日益增多，尤其是復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境中，如機(jī)場(chǎng)、展廳、倉(cāng)庫(kù)、超市、地下停車場(chǎng)、礦井等常常需要確定移動(dòng)終端或者其持有者的位置信息［1］。然而，由于全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）信號(hào)在建筑物內(nèi)的大幅度衰減，無(wú)法保證對(duì)室內(nèi)空間的有效覆蓋。近幾年，涌現(xiàn)出大量的室內(nèi)定位方案，如ZigBee網(wǎng)絡(luò)定位、基于WIFI定位技術(shù)、超寬帶（Ultra-wideband，UWB）定位技術(shù)［2］和線性調(diào)頻擴(kuò)頻（Chirp Spread Spectrum，CSS）定位技術(shù)［3］等。然而，由于定位精度、部署成本、使用環(huán)境等因素的限制，上述室內(nèi)定位方法均無(wú)法大規(guī)模地使用。實(shí)際上，在智能手機(jī)快速發(fā)展的今天，若利用手機(jī)已有的麥克風(fēng)揚(yáng)聲器及其聲學(xué)特性來(lái)進(jìn)行室內(nèi)定位，便使這種研究具備了大規(guī)模推廣的條件。

考慮到聲學(xué)信號(hào)在空氣中的傳播速度，可以認(rèn)為聲學(xué)信號(hào)具備和UWB電磁波信號(hào)一樣的距離分辨率［1］。其定位的基礎(chǔ)是對(duì)超寬帶聲學(xué)信號(hào)進(jìn)行脈沖壓縮，并利用脈沖壓縮結(jié)果進(jìn)行時(shí)延估計(jì)，進(jìn)而求得手機(jī)與應(yīng)答節(jié)點(diǎn)之間距離，通過(guò)定位算法計(jì)算手機(jī)位置，從而實(shí)現(xiàn)定位。本文充分研究了Chirp信號(hào)優(yōu)良的抗噪性、UWB信號(hào)優(yōu)越的多徑分辨能力和手機(jī)的聲學(xué)頻響特性，將CSS技術(shù)和UWB技術(shù)應(yīng)用到手機(jī)聲學(xué)信號(hào)中，提出一種基于手機(jī)的聲學(xué)超寬帶（Acoustic Chirp-UWB）室內(nèi)定位方法，一方面滿足了UWB的規(guī)范，另一方面可以讓聲學(xué)信號(hào)具備CSS的優(yōu)點(diǎn)。

本文安排如下：第2節(jié)分析了市場(chǎng)內(nèi)主流的手機(jī)的聲學(xué)頻響特性，并給出了本文選擇聲學(xué)信道帶寬的依據(jù)；第3節(jié)介紹了聲學(xué)超寬帶技術(shù)的特點(diǎn)，并根據(jù)其特性建立聲學(xué)信道模型；第4節(jié)分析了利用手機(jī)聲學(xué)特性進(jìn)行室內(nèi)定位的原理，并給出定位方案；第5節(jié)通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該定位技術(shù)的有效性；最后對(duì)本研究進(jìn)行總結(jié)并指出未來(lái)研究方向。

2　手機(jī)的聲學(xué)頻響特性

手機(jī)的設(shè)計(jì)本來(lái)就是用于方便人們進(jìn)行通信，尤其是語(yǔ)音通信，同時(shí)手機(jī)的處理器性能也越來(lái)越高，其內(nèi)部包含了數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Processing，DSP）模塊，完全具備處理聲學(xué)信號(hào)的條件。為了證明手機(jī)聲學(xué)特性并選擇出手機(jī)上合適的聲學(xué)信號(hào)頻段，我們使用了當(dāng)前市場(chǎng)內(nèi)主流的智能手機(jī)作為測(cè)試目標(biāo)。

圖1展示了Nexus 5→Iphone 4、Lenovo A530→Nexus 5、Iphone 4→Lenovo A530的聲學(xué)信道的頻響曲線。這3條曲線的測(cè)量是在噪聲為20 dB的會(huì)議室環(huán)境下，通過(guò)其中一部手機(jī)播放合成好的0.1～22 kHz的Chirp音頻信號(hào)，另外一部在相距10 m的地方進(jìn)行接收。

圖1　Nexus 5、Lenovo A530、Iphone 4頻響曲線Fig.1 Frequency response of Nexus 5，Lenovo A530 and Iphone 4

理想的頻響曲線在0 dB處是一條水平直線，意味著從發(fā)送端到接收端任何頻率成份都沒(méi)有損失。然而，圖1所展示的和理想的頻響曲線相差甚遠(yuǎn)。因此，我們得出手機(jī)聲學(xué)頻響特性的特點(diǎn)為高頻衰減，即聲音信號(hào)在高頻部分有較大衰減，尤其是在15 kHz以后的頻率衰減得比較嚴(yán)重。為了保證手機(jī)的通信質(zhì)量，我們選擇手機(jī)頻響曲線相對(duì)平滑且沒(méi)有明顯衰減的頻段作為通信頻段，本文選用1～13 kHz作為主要通信頻段。

3　聲學(xué)超寬帶技術(shù)

3.1聲學(xué)Chirp-UWB信號(hào)及匹配濾波器

2002年4月，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（Federal Communications Commission，F(xiàn)CC）給出UWB的定義：信號(hào)在-10 dB處的絕對(duì)帶寬大于0.5 GHz或其相對(duì)帶寬大于20%的為超寬帶信號(hào)［4］。這里的相對(duì)帶寬定義為

式中：fH、fL分別為功率較峰值功率下降10 dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的高端頻率和低端頻率；fc是信號(hào)的中心頻率，fc=（fH+fL）/2。

從FCC對(duì)UWB相對(duì)帶寬的定義看出當(dāng)前的UWB信號(hào)也不再局限于最初的脈沖無(wú)線電信號(hào)，而是包括了任何使用超寬帶頻譜的通信形式，包括聲學(xué)頻譜。

3.1.1聲學(xué)Chirp-UWB信號(hào)

在第2節(jié)中我們選擇了1～13 kHz的聲音頻段作為通信頻段，顯然滿足公式（1）的相對(duì)帶寬的定義，因此我們將其稱為聲學(xué)超寬帶信號(hào)。本文中我們采用雙曲調(diào)頻的Chirp信號(hào)作為數(shù)據(jù)的載體，對(duì)于數(shù)字1用一個(gè)固定長(zhǎng)度有較大幅度的Chirp超寬帶聲音信號(hào)表示，數(shù)字0用相同長(zhǎng)度的幅度為0的信號(hào)表示。綜上，在這里我們將所使用的信號(hào)稱作聲學(xué)Chirp-UWB信號(hào)。

雙曲調(diào)頻信號(hào)的形式為

式中：A是信號(hào)的幅度；T為脈寬；rect（t）=1；μ= 2Tfmaxfmin/B，fmax、fmin分別為最高和最低頻率，B=fmax-fmin。

通過(guò)對(duì)公式（2）進(jìn)行傅里葉變換可以得到該信號(hào)的頻譜函數(shù)：

3.1.2匹配濾波器設(shè)計(jì)

信號(hào)通過(guò)音頻進(jìn)行傳送，接收端收到的必定是混雜了噪聲的信號(hào)，要想識(shí)別有效信號(hào)就必須將有效信號(hào)和噪聲分離。

根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)接收機(jī)的理論，結(jié)合3.1.1節(jié)的分析，我們可以看出這種信號(hào)具有時(shí)寬積，理論上是可以實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮。根據(jù)Woodward（伍德沃德）提出的模糊函數(shù)我們可以得出：

式中：S（ξ）是原始信號(hào)的頻譜；S*（ξ-fd）是信號(hào)匹配濾波器之后的頻率響應(yīng)；S*（ξ-fd）S（ξ）是匹配之后的頻譜，再求其逆傅里葉變換就是一簇信號(hào)的響應(yīng)，這是一個(gè)寬度很窄、幅度很高的窄脈沖信號(hào)。

匹配濾波器就是以輸出最大信噪比為基準(zhǔn)的最佳匹配濾波器［5］。參照雷達(dá)系統(tǒng)教科書(shū)中的討論可知，匹配濾波器的頻率響應(yīng)和輸入信號(hào)頻譜是共軛關(guān)系，其核心的脈沖壓縮的數(shù)學(xué)模型為

式中：N為采樣點(diǎn)數(shù)；n=0，1，2，3，…，N-1；接收到的信號(hào)序列為Si（n）；u（n）為信號(hào)的原始序列。

匹配濾波器運(yùn)算原理如圖2所示。

圖2　匹配濾波器的實(shí)現(xiàn)模型Fig.2 Implementation of matching filter

從框圖2中分析，匹配濾波器需要兩個(gè)輸入，一個(gè)是u（n），另外一個(gè)是Si（n）。在接收端，由于u（n）是一個(gè)相對(duì)固定的序列，可以將u（n）的頻譜共軛計(jì)算好之后導(dǎo)入手機(jī)程序，減小手機(jī)運(yùn)算量。其信號(hào)、頻譜以及該信號(hào)通過(guò)匹配濾波器之后的結(jié)果如圖3所示，我們可以看到理想情況下，通過(guò)匹配濾波器之后的結(jié)果很容易辨別出原始信號(hào)。

圖3　Chirp-UWB信號(hào)、頻譜及其脈沖壓縮仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of chirp-UWB signal，spectrum and pulse compression

3.2聲學(xué)超寬帶技術(shù)特點(diǎn)

由于我們采用的信號(hào)脈寬T=10.6 ms，B= 13 kHz-1 kHz=12 kHz，得到BT=127.2?1，結(jié)合公式（4），從理論上完全滿足脈沖壓縮（Pulse Compression，PC）的條件。為了驗(yàn)證這種信號(hào)在手機(jī)上表現(xiàn)出來(lái)的特性，我們?cè)谠肼暭s為30 dB的地下停車場(chǎng)進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)：

（1）在Matlab中合成采樣率為48 kHz，脈寬為10.6 ms、頻率范圍為1～13 kHz、時(shí)長(zhǎng)為20.12 ms的雙曲調(diào)頻信號(hào)，并保存成wav文件；

（2）用Nexus 5通過(guò)音頻播放器播放該音頻文件，在距Nexus 5 8 m處，Lenovo A530通過(guò)麥克風(fēng)接收該信號(hào)，并將其保存成文件；

（3）將第二步的文件導(dǎo)入Matlab與原始信號(hào)進(jìn)行脈沖壓縮，其結(jié)果如圖4所示。

圖4　對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行脈沖壓縮Fig.4 Pulse compression of the data received

綜上分析，這種信號(hào)在聲學(xué)中依然具有多徑分辨率高、抗噪性好、受頻偏影響小以及發(fā)射功率低的特性。

（1）多徑分辨率高

采用脈沖壓縮技術(shù)，將持續(xù)時(shí)間為T(mén)的寬帶信號(hào)壓縮為主瓣時(shí)間為2/B的窄脈沖。上面實(shí)驗(yàn)證明在手機(jī)上使用聲學(xué)信號(hào)進(jìn)行脈沖壓縮得到的結(jié)果依然有較高的多徑分辨率。

（2）抗噪性好

由3.1節(jié)分析可知，對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行脈沖壓縮，輸出的壓縮脈沖包絡(luò)被放大為原來(lái)的倍，由于信號(hào)和其他信號(hào)的互相關(guān)性很弱，脈沖壓縮不會(huì)使得噪聲獲得增益，因此BT積越大意味著就有越強(qiáng)的抗噪能力。

（3）受頻偏影響小

在實(shí)際的定位中手機(jī)和基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此存在多普勒頻移現(xiàn)象，這給信號(hào)時(shí)延測(cè)量帶來(lái)很大影響。為了盡可能減小這樣的誤差，我們選用的雙曲調(diào)頻Chirp信號(hào)，其特點(diǎn)便是對(duì)多普勒有更好的寬容性［6-9］。

（4）發(fā)射功率低

選用的信號(hào)是寬帶信號(hào)，在擴(kuò)展帶寬的同時(shí)將信號(hào)的能量平均地分散在信號(hào)的整個(gè)持續(xù)時(shí)間內(nèi)，因此對(duì)器件的要求就變得更低了，手機(jī)的聲學(xué)器件完全滿足這樣的條件。

這些特點(diǎn)都說(shuō)明了手機(jī)具備了處理超寬帶聲學(xué)信號(hào)、實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位的條件。

3.3聲學(xué)超寬帶信道模型

為了保證手機(jī)和應(yīng)答節(jié)點(diǎn)之間有效通信，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于聲學(xué)超寬帶信號(hào)的信道模型［10-12］。

發(fā)送的脈沖序列為

式中：p（t）為聲學(xué)Chirp-UWB信號(hào)脈沖；Tf為信號(hào)周期；N為發(fā)送的序列中脈沖的個(gè)數(shù)。則通過(guò)聲波傳輸之后接收到的信號(hào)為

式中：w（t）為環(huán)境噪聲；h（t）為當(dāng)前信道的沖激響應(yīng)。

對(duì)公式（7）進(jìn)行脈沖壓縮運(yùn)算得到

對(duì)公式（8）進(jìn)行峰值檢測(cè)，R（t）最大值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間就是時(shí)延估計(jì)值。

綜合應(yīng)答器節(jié)點(diǎn)延時(shí)、聲音在空氣中的傳播速度和應(yīng)答器節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)等實(shí)際情況，本文中我們規(guī)定使用二進(jìn)制流的方式傳輸響應(yīng)的數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1　定位聲文的格式Tab.1 Format of the location text

定位聲文的基本單位是幀，一幀定位聲文的時(shí)長(zhǎng)為160 ms，包含15 b數(shù)據(jù)，每幀聲文第一個(gè)字是前導(dǎo)文，作為各子幀的同步起點(diǎn)。第2～7位為應(yīng)答節(jié)點(diǎn)的編號(hào)，第8～15位為應(yīng)答器節(jié)點(diǎn)時(shí)延。

3.4聲學(xué)超寬帶信號(hào)通信模型

該模型建立在手機(jī)和聲波定位應(yīng)答器節(jié)點(diǎn)之間，主要由廣播單元和接收單元兩大部分組成。廣播單元主要是對(duì)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可以播放的數(shù)字信號(hào)，并將該信號(hào)通過(guò)揚(yáng)聲器廣播出去；接收單元的主要功能就是對(duì)接收到的聲波信號(hào)進(jìn)行脈沖壓縮、波峰檢測(cè)等處理，并最終還原出有效數(shù)據(jù)信息。手機(jī)聲學(xué)信道通信模型如圖5所示。

圖5　基于聲學(xué)超寬帶信號(hào)測(cè)通信示意圖Fig.5 Diagram of acoustic measurement of UWB signal communication

4　聲波超寬帶信號(hào)定位原理

4.1聲學(xué)定位模型

如圖6～7所示，定位模型主要由手機(jī)和應(yīng)答器組成，手機(jī)和應(yīng)答器節(jié)點(diǎn)通過(guò)聲波脈沖進(jìn)行通信，在手機(jī)端監(jiān)測(cè)信號(hào)到達(dá)時(shí)延，根據(jù)時(shí)延來(lái)計(jì)算手機(jī)和應(yīng)答節(jié)點(diǎn)間的距離。

圖6　結(jié)構(gòu)示意Fig.6 Structure diagram

圖7　定位模型示意Fig.7 Positioning model diagram

該模型具體工作流程是：每個(gè)應(yīng)答節(jié)點(diǎn)都有自己的編號(hào)，相應(yīng)地在服務(wù)端記錄了和編號(hào)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)。手機(jī)首先發(fā)出10 ms的定位請(qǐng)求，應(yīng)答節(jié)點(diǎn)接收并識(shí)別出該信號(hào)之后將自身的處理時(shí)延和自身ID合成的定位聲文信息通過(guò)揚(yáng)聲器播放出去；手機(jī)對(duì)采集到的信號(hào)處理，通過(guò)聲文中的同步脈沖識(shí)別出聲波到達(dá)時(shí)間，通過(guò)聲文信息中包含的延時(shí)和ID獲得聲波真實(shí)傳播時(shí)間和應(yīng)答節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)；根據(jù)接收到的多個(gè)應(yīng)答節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，最終計(jì)算出手機(jī)的位置。

4.2基于TOA的測(cè)距與定位

由于聲學(xué)Chirp-UWB信號(hào)具有較寬的帶寬和較好的時(shí)間分辨能力，因此使用時(shí)間到達(dá)（Time of Arrival，TOA）法在理論上可以達(dá)到很高的定位精度。如圖8所示，手機(jī)在T0時(shí)刻向應(yīng)答器節(jié)點(diǎn)發(fā)出單脈沖請(qǐng)求，應(yīng)答器對(duì)接收到的信號(hào)識(shí)別之后，回送一個(gè)包含自身編號(hào)和處理數(shù)據(jù)延時(shí)的信號(hào)給手機(jī)，手機(jī)根據(jù)收到的信號(hào)時(shí)間計(jì)算聲音傳播時(shí)間。

圖8　基于TOA雙邊測(cè)距示意圖Fig.8 TOA bilateral location diagram

由圖8可得如下計(jì)算距離公式：

式中：Tof為聲波傳輸時(shí)間。計(jì)算出信號(hào)傳輸時(shí)間TOA之后，根據(jù)球形定位模型的建立方程組。在笛卡爾坐標(biāo)系中，我們?cè)O(shè)手機(jī)在室內(nèi)空間的坐標(biāo)位置為（x，y，z），參考節(jié)點(diǎn)i的坐標(biāo)為（xi，yi，zi）：

式中：v為聲速；ti為聲音信號(hào)在手機(jī)和第i個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的傳播時(shí)間，即TOA。根據(jù)3個(gè)應(yīng)答節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)代入方程組解出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在空間的相對(duì)坐標(biāo)。

5　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

5.1實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)計(jì)

根據(jù)第2節(jié)手機(jī)頻響實(shí)驗(yàn)結(jié)果與通信模型，我們選定的信號(hào)參數(shù)如表2所示，聲音的傳播速度為330 m/s，聲學(xué)信號(hào)傳播距離有限，實(shí)驗(yàn)表明在10 m左右衰減就比較嚴(yán)重［12］，故令手機(jī)與應(yīng)答器節(jié)點(diǎn)的距離在10 m之內(nèi)，應(yīng)答器節(jié)點(diǎn)之間距離也在10 m之內(nèi)。

表2　選用信號(hào)的參數(shù)Tab.2 The signal parameters

2015年3月，我們?cè)谔兄斜贝髮W(xué)地下停車場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)系統(tǒng)由1個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和4個(gè)應(yīng)答節(jié)點(diǎn)組成，其中應(yīng)答節(jié)點(diǎn)以8 m的間隔固定在停車場(chǎng)頂部，并詳細(xì)記錄其對(duì)應(yīng)坐標(biāo)。我們選擇5臺(tái)目前市面主流的Android手機(jī)構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)，分別是1臺(tái)Nexus5、3臺(tái)Lenovo A530、1臺(tái)Oppo find 5，其中Nexus 5作為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，其余4臺(tái)作為應(yīng)答節(jié)點(diǎn)。用自行編寫(xiě)的基于Android平臺(tái)的信號(hào)采集和脈沖壓縮的軟件包進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，并將結(jié)果以文件的形式保存下來(lái)。為了方便分析，我們將結(jié)果導(dǎo)入Matlab進(jìn)行分析，并統(tǒng)計(jì)不同位置、不同環(huán)境下測(cè)距和定位的誤差。

圖9所示為在噪聲為30 dB和80 dB的環(huán)境下測(cè)距誤差及其標(biāo)準(zhǔn)差值。從圖10所測(cè)量的結(jié)果可以看出測(cè)量平均誤差均在30 cm之內(nèi)，這表明不管在有噪還是無(wú)噪的環(huán)境下這種方法都可以達(dá)到較高的測(cè)距精度。

圖9　噪聲為30 dB和80 dB下的測(cè)距結(jié)果Fig.9 The distance mesasurement results under 30 dB and 80 dB niose

圖10　噪聲為30 dB和80 dB環(huán)境下的定位誤差和誤差的標(biāo)準(zhǔn)差Fig.10 Position deviation and error condition under 30 dB and 80 dB noise

5.2誤差來(lái)源分析

測(cè)距是整個(gè)定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是產(chǎn)生誤差的主要來(lái)源。

（1）時(shí)鐘不同步

由于整個(gè)系統(tǒng)使用的是基于TOA的雙邊測(cè)距，但是并沒(méi)有對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和應(yīng)答節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行時(shí)間同步，因此會(huì)導(dǎo)致聲音傳播時(shí)間上的誤差。

（2）聲速誤差

由于聲音在不同的溫度、不同的大氣壓下傳播速度也會(huì)有差別。

（3）量化誤差

根據(jù)表2的參數(shù)，我們采用的計(jì)時(shí)脈沖頻率為48 kHz，周期為0.02 ms，在25°C下的量化誤差為7.2 mm。

（4）碼間串?dāng)_

由于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)有可能同時(shí)收到多個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)男盘?hào)，當(dāng)應(yīng)答節(jié)點(diǎn)同時(shí)應(yīng)答會(huì)導(dǎo)致多個(gè)信號(hào)會(huì)疊加在一起，很難區(qū)分信號(hào)到達(dá)的時(shí)間。

對(duì)于第1點(diǎn)提到的時(shí)鐘同步，我們也可以通過(guò)設(shè)置中繼點(diǎn)來(lái)達(dá)到無(wú)需時(shí)鐘同步［5］的目的；針對(duì)第2點(diǎn)，我們可以通過(guò)設(shè)置測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)聲速進(jìn)行測(cè)量來(lái)解決，而且一般室內(nèi)的溫度氣壓變化不會(huì)很大；第3、4點(diǎn)是產(chǎn)生誤差最主要的來(lái)源。

6　結(jié)束論

本文分析、討論并驗(yàn)證聲學(xué)超寬帶信號(hào)應(yīng)用于手機(jī)進(jìn)行室內(nèi)定位的可能性，借鑒雷達(dá)系統(tǒng)的脈沖壓縮技術(shù)，建立其信道模型和通信結(jié)構(gòu)模型；采用JNI編程技術(shù)，編寫(xiě)基于Android平臺(tái)的信號(hào)采集和處理程序，并在真實(shí)的環(huán)境下進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：通過(guò)合理設(shè)計(jì)特殊包絡(luò)信號(hào)，并保證BT積滿足脈沖壓縮條件，可以使室內(nèi)定位的精度保持在接受的范圍之內(nèi)；同時(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了利用聲學(xué)超寬帶信號(hào)作為信息載體，使用手機(jī)的聲學(xué)特性進(jìn)行室內(nèi)定位數(shù)據(jù)傳輸?shù)目尚行院陀行?。這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)成本低，易推廣：智能手機(jī)上的麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器作為其必要構(gòu)成，使得基于手機(jī)的聲學(xué)超寬帶室內(nèi)定位方法具備了大規(guī)模推廣的條件，部署成本約為其他方案平均成本的50%。此外，由于采用了聲學(xué)的超寬帶信號(hào)，獲得了較低的頻譜密度；通過(guò)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行脈沖壓縮處理，獲得了較高的處理增益可以清晰分辨脈沖到達(dá)，能很好地抵抗環(huán)境噪聲干擾。

基于手機(jī)的聲學(xué)超寬帶室內(nèi)定位仍然有很多問(wèn)題需要繼續(xù)研究，比如移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位、多個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)同時(shí)定位、應(yīng)答節(jié)點(diǎn)之間的自動(dòng)協(xié)調(diào)工作等。同時(shí)，本文建立的基于手機(jī)的聲學(xué)超寬帶信號(hào)的信道模型、通信模型也可以應(yīng)用于基于手機(jī)的聲學(xué)近場(chǎng)通信、水聲通信、水下定位等系統(tǒng)中，從而衍生出新的近場(chǎng)通信方式。

［1］梁久禎.無(wú)線定位系統(tǒng)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2013. LIANG Jiuzhen.Wi-Fi positioning system［M］.Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2013.（in Chinese）

［2］肖竹，王勇超，田斌，等.超寬帶定位研究與應(yīng)用：回顧和展望［J］.電子學(xué)報(bào)，2011（1）：131-141. XIAO Zhu，WANG Yongchao，TIAN Bin，et al.Development and prospect of utra-wideband localization research and application［J］.Acta Electronica Sinica，2011（1）：131-141.（in Chinese）

［3］宋毅鋒.基于線性調(diào)頻信號(hào)的超寬帶無(wú)線定位研究［D］.成都：電子科技大學(xué)，2010. SONG Yifeng.Study of wireless location based on ultrawideband linear frequency modulated signal［D］.Chengdu：University of Electronic Science and Technology of China，2010.（in Chinese）

［4］蔡惠智，劉大利，劉云濤.水下連續(xù)波有源探測(cè)的回波檢測(cè)算法［J］.聲學(xué)學(xué)報(bào)，2014（2）：163-169. CAI Huizhi，LIU Dali，LIU Yuntao.An echo detection algorithm for underwater continuous wave active detection［J］.Acta Acustica，2014（2）：163-169.（in Chinese）

［5］XU B，SUN G D，YU R，et al.High-accuracy TDOA-based localization without time synchronization［J］.IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems，2013，24（8）：1567-1576.

［6］周旭廣.雷達(dá)脈沖壓縮中兩種調(diào)頻信號(hào)的研究分析［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2014. ZHOU Xuguang.Analysis of two frequency modulation signals in radar pulse compression［D］.Xi'an：Xidian U-niversity，2014.（in Chinese）

［7］何曉云，馮冀寧，楊曉波.基于LFM模型的高動(dòng)態(tài)弱GPS信號(hào)載波捕獲［J］.電訊技術(shù)，2015，55（8）：895-900. HE Xiaoyun，F(xiàn)ENG Jining，YANG Xiaobo.Carrier acquisition of high dynamic and weak GPS signal based on LFM model［J］.Telecommunication Engineering，2015，55（8）：895-900.（in Chinese）

［8］毛永毅，張曉佳.一種基于場(chǎng)強(qiáng)差的移動(dòng)臺(tái)定位改進(jìn)算法［J］.電訊技術(shù)，2015，55（6）：618-622. MAO Yongyi，ZHANG Xiaojia.An improved mobile station positioning algorithm based on field strength difference［J］.Telecommunication Engineering，2015，55（6）：618-622.（in Chinese）

［9］WALREE P A，OTNES R.Ultrawideband underwater acoustic communication channels［J］.IEEE Journal of O-ceanic Engineering，2013，38（4）：678-688.

［10］PREISIG J.Acoustic propagation considerations for underwater acoustic communications network development［J］.ACM SIGMOBILE Mobile Computation Communication Review，2007，11（4）：2-10.

［11］STOJANOVICM，PREISIG J C.Underwater acoustic communication channels：Propagation models and statistical characterization［J］.IEEE Communication Magazine，2009，47（1）：84-89.

［12］WALREE P V.Channel sounding for acoustic communications：techniques and shallow-water examples［R］// FFI-rapport 2011/00007.Horten，Norway：FFI，2011.

雷旭東（1989—），男，山西沁源人，2013年獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為碩士研究生，主要從事室內(nèi)定位技術(shù)的研究和定位系統(tǒng)性能優(yōu)化相關(guān)工作；

LEI Xudong was born in Qinyuan，Shanxi Province，in 1989.He received the B.S.degree in 2013.He is now a graduate student.His research concern indoor positioning and the performance optimization of positioning system.

Email：ziyingzhishang@163.com

禹 ?。?971—），男，山西太原人，2009年獲博士學(xué)位，現(xiàn)為副教授，主要從事新型模數(shù)轉(zhuǎn)換理論及技術(shù)、信號(hào)處理、衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)設(shè)計(jì)等研究。

YU Jian was born in Taiyuan，Shanxi Province，in 1971.He received the Ph.D.degree in 2009.He is now an associate professor.His research concerns new analog-digital conversion theory and technology，signal processing，navigation signal processing，etc.

Email：yujian71@hotmail.com

Ultra-wideband Indoor Acoustic Positioning Based on Mobile Phone

LEI Xudong，YU Jian
（School of Computer Science and Control Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China）

In view of the problem of high cost and complex deployment in indoor positioning technology，an indoor positioning method is presented which uses a mobile phone to receive acoustic signal by pulse compression.According to the pulse compression technology in radar system，signal and noise is separated，and the signal arrival time delay estimation is extracted.In order to reduce the positioning error，the acoustic channel model of ultra-wideband（UWB）signal is designed according to the acoustic features of mobile phone，and node time delay is feedback to further reduce the signal propagation time delay estimation.The test in parking lots show that the positioning result is consistent with actual position and the average positioning error is within 30 cm.

ultra-wideband；indoor positioning；pulse compression；delay estimation；channel model；matching filtering

TN912.3

A

1001-893X（2016）04-0436-07

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.04.015

雷旭東，禹健.基于手機(jī)的聲學(xué)超寬帶室內(nèi)定位［J］.電訊技術(shù)，2016，56（4）：436-442.［LEI Xudong，YU Jian.Ultra-wideband indoor acoustic positioning based on mobile phone［J］.Telecommunication Engineering，2016，56（4）：436-442.］

2015-09-30；

2015-12-25 Received date:2015-09-30；Revised date:2015-12-25

**通信作者:yujian71@hotmail.com Corresponding author：yujian71@hotmail.com