實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)中的自適應(yīng)門限接收技術(shù)研究

宋偉寧,紀(jì)圣華

(威海北洋電氣集團(tuán)股份有限公司，山東 威海 264209)

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實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)中的自適應(yīng)門限接收技術(shù)研究

宋偉寧,紀(jì)圣華

(威海北洋電氣集團(tuán)股份有限公司，山東 威海 264209)

提高接收機(jī)靈敏度的最通用方法為相干積分技術(shù)，但在實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)中，由于發(fā)射信號(hào)為短時(shí)突發(fā)，所取得的相干積分增益有限；為此，提出采用自適應(yīng)門限接收技術(shù)提高接收靈敏度，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，分析了相干積分時(shí)間、殘余頻差等參數(shù)對(duì)自適應(yīng)門限接收技術(shù)改進(jìn)效果的影響；仿真結(jié)果表明，當(dāng)殘余頻差為120 Hz時(shí)，通過(guò)長(zhǎng)度為50個(gè)偽碼周期的相干積分及自適應(yīng)門限檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，可以有效提高接收機(jī)靈敏度約17 dB。

相干積分；自適應(yīng)門限；實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)

0 引言

實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)中，標(biāo)簽往往佩戴于人員身上或附著于待定位資產(chǎn)上，通過(guò)對(duì)標(biāo)簽發(fā)射信號(hào)的到達(dá)時(shí)刻提取并解算即可完成對(duì)載體(人員、貨物)的定位[1]。載體的可移動(dòng)性，決定了標(biāo)簽必須采用電池供電。為延長(zhǎng)電池的工作時(shí)間，在可以正常進(jìn)行接收解調(diào)的前提下，必須盡量降低標(biāo)簽的發(fā)射功率，相應(yīng)地則需要提高讀寫器的接收靈敏度。提高接收靈敏度最有效的方法就是延長(zhǎng)積分時(shí)間[2]，但對(duì)于實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)，標(biāo)簽的發(fā)射信號(hào)為突發(fā)信號(hào)，每次發(fā)射信號(hào)的長(zhǎng)度為固定值，通過(guò)延長(zhǎng)積分時(shí)間而獲得的增益受到信號(hào)持續(xù)時(shí)間的限制而效果有限。

本章首先介紹了相干積分技術(shù)，并研究了其在實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)中的應(yīng)用；在此基礎(chǔ)上，提出通過(guò)自適應(yīng)門限檢測(cè)技術(shù)進(jìn)一步提高讀寫器接收靈敏度，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了接收機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)自適應(yīng)門限檢測(cè)效果的影響。

1 相干積分技術(shù)

相干積分原理框圖如圖1所示[3]。

圖1 多徑模型圖

(1)

其中：A為信號(hào)幅度；D(t)為調(diào)制數(shù)據(jù)；PN(t)為偽碼序列；f為載波頻率；fD為多普勒頻率；τ0為時(shí)延；φ0為載波相位；n(t)為噪聲。簡(jiǎn)單起見(jiàn)，式(1)中忽略了偽碼的多樣性。

經(jīng)過(guò)采樣后的基帶信號(hào)可以表示為(忽略上標(biāo)y)：

(2)

用本地碼PN(l+τ)與r(l)相關(guān)，其中τ為時(shí)延估計(jì)，則將Mc個(gè)采樣信號(hào)相干累加后得到：

(3)

其中：yμ為信號(hào)相干累加分量，wμ為噪聲相干累加分量。

對(duì)比式(2)與式(3)可知，wμ服從高斯分布，其均值為0，方差為[4]：

(4)

下面考慮信號(hào)相干累加分量yμ。

當(dāng)本地碼與接收偽碼對(duì)準(zhǔn)時(shí)，并記Ds,μ為相干積分過(guò)程中的數(shù)據(jù)分量，則有：

(5)

考慮ej2πfdTs，利用泰勒公式將其展開，有：

(6)

當(dāng)j2πfdTs?1時(shí)，可以忽略高階小項(xiàng)，則近似有：

(7)

將式(7)代入式(5)，有：

(8)

當(dāng)本地偽碼與接收偽碼未對(duì)準(zhǔn)時(shí)，Gold序列的三值互相關(guān)特性如表1所示。

表1 Gold碼序列的互相關(guān)函數(shù)特性

可見(jiàn)，偽碼未對(duì)準(zhǔn)時(shí)，對(duì)式(8)的影響僅為其幅度的變化。

2 相干積分的限制

考慮式(8)中的sinc(α)項(xiàng)，如圖2所示。

圖2 sinc(α)曲線圖

由圖2可以看出，當(dāng)α(即fdMcTs)不等于0時(shí)，信號(hào)幅度迅速衰減，從而使得信噪比改善效果變差。為保證足夠長(zhǎng)的積分時(shí)間(McTs)，則必須使得殘余頻差(fd)足夠小。

考慮式(4)中的數(shù)據(jù)分量Ds,μ：在相干積分過(guò)程中若出現(xiàn)數(shù)據(jù)跳變，則將導(dǎo)致前后偽碼周期的信號(hào)分量符號(hào)相反而互相抵消，從而使得相干積分對(duì)信噪比的改善效果變差。為了有效地進(jìn)行相干積分，有以下兩種方法：(1)采用消除數(shù)據(jù)影響的算法；(2)應(yīng)用發(fā)射數(shù)據(jù)已知的幀頭部分進(jìn)行相干積分運(yùn)算。簡(jiǎn)單起見(jiàn)，本文僅考慮第二種方式，則可能達(dá)到的最長(zhǎng)積分時(shí)間為幀同步頭的長(zhǎng)度。

3 自適應(yīng)門限檢測(cè)

由圖1可知，相干積分的能量檢測(cè)量為：

(9)

其服從2個(gè)自由度的非中心χ2分布，且其累計(jì)密度滿足[5]：

(10)

其中：非中心參數(shù)yμ滿足：

(11)

傳統(tǒng)的固定門限檢測(cè)算法是將式(9)中Λ與固定門限Λ0相比較從而判斷捕獲是否成功：

(12)

H1代表估計(jì)的碼相位τ與τ0對(duì)齊，反之則未對(duì)齊。

傳統(tǒng)的固定門限檢測(cè)將偽隨機(jī)碼當(dāng)做理想隨機(jī)序列，即：認(rèn)為相位未對(duì)準(zhǔn)時(shí)擴(kuò)頻碼的相關(guān)值為0，這一理想假設(shè)造成檢測(cè)性能的下降。本節(jié)將研究一種考慮偽隨機(jī)碼自相關(guān)特性的自適應(yīng)門限檢測(cè)算法。

自適應(yīng)門限檢測(cè)算法則是根據(jù)N-P準(zhǔn)則，在給定虛警檢測(cè)概率PFA下使得檢測(cè)概率PD最大。

虛警概率PFA可以表示為[6]：

(13)

則自適應(yīng)檢測(cè)門限為：

(14)

相應(yīng)的檢測(cè)概率為：

(15)

4 仿真驗(yàn)證與分析

仿真中，選取偽碼長(zhǎng)度為63的Gold序列，幀同步段長(zhǎng)為100個(gè)偽碼周期。假定接收機(jī)參數(shù)為噪聲溫度T0=290 K，噪聲系數(shù)F=3，虛警概率PFA=10-5。記信號(hào)載波功率與噪聲功率之比為CNR。

仿真中，取相干積分長(zhǎng)度分別為1個(gè)偽碼周期(Mc=1，此時(shí)接收機(jī)為傳統(tǒng)接收機(jī))、50個(gè)偽碼周期(Mc=50)及100個(gè)偽碼周期(Mc=100)。不同殘余頻差的情況下，檢測(cè)概率隨載噪比的變化情況如圖3(a)～(e)所示。

圖3 不同殘余頻差情況下，檢測(cè)概率與載噪比關(guān)系

由圖3中可以看出，增加相干積分時(shí)間，可以有效提高接收機(jī)靈敏度。以檢測(cè)概率98%為例：

(1)相干積分時(shí)間的影響：殘余頻差fd≤120 Hz時(shí)，相干積分對(duì)接收機(jī)靈敏度的影響與殘余頻差基本無(wú)關(guān)；當(dāng)相干積分時(shí)間從1個(gè)偽碼周期增加至50個(gè)偽碼周期時(shí)，對(duì)接收靈敏度改善效果明顯——接收靈敏度分別提高約12 dB(固定門限檢測(cè))/17 dB(自適應(yīng)門限檢測(cè))；當(dāng)相干積分時(shí)間繼續(xù)增加至100個(gè)偽碼周期時(shí)，改善效果則明顯減小——接收靈敏度分別提高約1 dB(固定門限檢測(cè))/3 dB(自適應(yīng)門限檢測(cè))。

(2)殘余頻差的影響：當(dāng)殘余頻差為60 Hz、120 Hz時(shí)，殘余頻差引起的接收靈敏度損失約為1 dB，損失效果并不明顯；當(dāng)殘余頻差進(jìn)一步增大至240 Hz、360 Hz時(shí)，使得接收機(jī)靈敏度損失達(dá)到3 dB以上。

(3)自適應(yīng)門限檢測(cè)技術(shù)的影響：當(dāng)殘余頻差fd≤240 Hz時(shí)，自適應(yīng)門限檢測(cè)技術(shù)相對(duì)固定門限檢測(cè)技術(shù)的改善效果主要受相干積分時(shí)間的影響——相干積分時(shí)間為1個(gè)偽碼周期時(shí)，兩者的檢測(cè)概率曲線基本重合；當(dāng)相干積分時(shí)間分別為50與100個(gè)偽碼周期時(shí)，相對(duì)于固定門限檢測(cè)技術(shù)，自適應(yīng)門限檢測(cè)技術(shù)對(duì)接收機(jī)靈敏度的提高分別約為6 dB與8 dB。當(dāng)殘余頻差增大至360 Hz時(shí)，自適應(yīng)門限相對(duì)于固定門限的改善效果減小，約為3 dB左右。

5 結(jié)論

[1] 趙 斐，張 波，張彥仲，等.基于擴(kuò)頻技術(shù)的RFID區(qū)域?qū)崟r(shí)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2013，21(1)：192-194.

[2] 王勇松. 高靈敏度GNSS關(guān)鍵接收技術(shù)研究 [D].杭州：浙江大學(xué)，2010.

[3] Ward P, Understanding GPS: Principles and Applications. Norwood, MA, USA: Artech House Publishers, 1996, ch. 5: Satellite Signal Acquisition and Tracking.

[4] 劉海濤. 高靈敏度GPS_Galileo雙模導(dǎo)航接收機(jī)的研究與開發(fā)[D]. 長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)，2006.

[5] Simon M K. Probability Distributions Involving Gaussian Random Variables[M]. Norwell, MA, USA: Kluwer Academic Publishers, 2002.

[6] Harry V T. 檢測(cè)、估計(jì)和線性調(diào)制理論[M]. 毛士藝，周蔭清，張其善譯.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

Study on Adaptive Threshold in Real Time Locating System

Song Weining, Ji Shenghua

(Weihai Beiyang Electric Group Co., LTD., Weihai 264209, China)

Coherent integration is mostly used to enhance receiver sensitivity. But in Real Time Locating System, gain from coherent integration is limited because of burst signal. Thus, adaptive threshold is used and the impact of parameters such as coherent integration time and residual frequency difference is analysis. Result shows that with 120Hz residual frequency difference, the receiver sensitivity is enhanced by 17dB by means of 50 pseudo code periods and adaptive threshold detecting technology.

coherent integration; adaptive threshold; real time locating system

2015-11-06；

2015-12-07。

宋偉寧(1983-)，男，山東威海人，博士，主要從事RFID、定位系統(tǒng)方向的研究。

1671-4598(2016)03-0270-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.03.074

TN 967.1

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