CN115133948A - 一种在uwb定位中无线信号的处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在UWB定位中无线信号的处理方法，采用模块化软件无线电设计，通过后级处理器选择功能模块及参数和系统模式，并通过IF数字接口与IF电路、进而与射频RF电路联通，从而形成完整的信号收发系统。信号收发系统采用体制可变、体制内参数可变的实现架构，体制可变即OFDM与SC‑FDE可变，体制内参数可变，即子载波参数可变、信道衰落对抗处理可变、调制FEC纠错可变。本发明解决了现有技术中存在的区域定位不准确或者效果差的问题。

Description

一种在UWB定位中无线信号的处理方法

技术领域

本发明属于区域定位技术领域，具体涉及一种在UWB定位中无线信号的处理方法。

背景技术

实现区域定位的环境比较复杂，需要对定位设备进行精准的位置标定。多径效应及障碍物对定位精度有着很大的影响。而要改善此类问题需要专业的技术人员来结合场地图纸，凭借部署经验完成安装部署。通常会花费了较多的人力和物力，且由于实际部署很依赖技术人员的经验，因此会出现某些区域定位不准确或者效果差的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种在UWB定位中无线信号的处理方法，解决了现有技术中存在的区域定位不准确或者效果差的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种在UWB定位中无线信号的处理方法，采用模块化软件无线电设计，通过后级处理器选择功能模块及参数和系统模式，并通过IF数字接口与IF电路、进而与射频RF电路联通，从而形成完整的信号收发系统。

本发明的特点还在于，

信号收发系统采用体制可变、体制内参数可变的实现架构，体制可变即OFDM与SC-FDE可变，体制内参数可变，即子载波参数可变、信道衰落对抗处理可变、调制FEC纠错可变。

信号收发系统分为数字接口与数字变频UDC/DDC逻辑、Tx/Rx通道预处理与时钟分配逻辑、数字PHY组件逻辑和数据接口与后处理逻辑四大部分，其中数字PHY组件逻辑为核心，其他三部分为系统通用设计。

数字PHY组件逻辑包括正交频分复用物理层OFDM PHY和单载波频域均衡物理层SC-FDE PHY两大逻辑部分，两者共用部分基础算法模块和功能逻辑模块；

正交频分复用OFDM体制作为主用模式，采用参数化模块化可配置化的设计思想，单载波频域均衡SC-FDE作为一种针对高速高频点移动通信信道环境下的通信体制的补充和前向兼容纳入设计考量，与正交频分复用物理层OFDM PHY共用多个模块设计，作为正交频分复用物理层OFDM PHY的有效补充方案。

物理层帧结构采用超帧/复帧/传输帧的多层帧结构，其中，超帧指一次上行/下行的传输循环，由一个上行复帧、一个下行复帧、两个分别位于上/下行复帧之间的保护间隔构成，并且采用可上下行可配置超帧结构，其中保护间隔G0用于上下行之间的传输时延的保护；

复帧指多个上行传输帧或下行传输帧的复合，复帧中的传输帧数目可变，从而超帧的周期可变，根据信源的数据率需求和QoS需求改变，每个复帧中第一个传输帧的SIGNAL域携带复帧控制信息，包括复帧中传输帧数目，从而使接收端知道接收何时结束，发送何时开始；

传输帧是物理层传输的基本单位，包含独立完整的一次单向传输所需全部信息。

数字PHY组件逻辑总体电路工作状态转移的状态机FSM具体为：主站电路在复位结束后立即进入发送状态，且由定时器激励而周期地在发送态和接收态间转移，从站在复位结束后立即进入接收态，从接收态转入发送态的是由其所接收到的上行复帧激励的，从发送态转移至接收态则是由定时器控制。

物理层Tx电路中采用了平坦化的实现方式，即所有主要子模块都由发送状态机FSM_TX控制，各子模块间的逻辑关系由收发状态机控制，状态机描述如下：系统上电执行RESET后，主站TX电路处于数据发送状态，受控发送上行复帧后转为接收状态；收到新超帧后转为发送状态，从站TX电路处于数据接收状态，收到上行复帧后转为发送态，数据发送结束后转为接收状态，对应电路工作时序设计为：上升沿有效，等长帧，三个TRAIN位，后一个SINGLE位作为数据段的开始，数据字段收发，拖尾样点作为帧结束位。

Rx电路由MATCH_FILT匹配滤波器模块、分组检测模块FRM_DET、帧粗同步模块FRM_SYNC0、帧细同步模块FRM_SYNC1、信道估计模块CH_EST、频域均衡模块FDE、SIGNAL域解调模块SIG_RET和DATA域解调模块DAT_RET组成，根据OFDM和SC-FDE两种工作模式，每个模块均为2种参数配置状态。

本发明的有益效果是，提高抗干扰能力及对干扰信号的鉴别，提升整体定位效果。

附图说明

图1是总体框架；

图2是数字PHY电路系统框图；

图3是物理层帧结构图；

图4是收发FSM状态转移图；

图5是图Tx电路设计；

图6是图Tx电路时序设计；

图7是图Rx逻辑架构设计。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种在UWB定位中无线信号的处理方法，提高抗干扰能力及对干扰信号的鉴别，同时可以降低对技术人员经验的依赖，提升整体定位效果。

整体设计采用模块化软件无线电设计方案，即实现主要基带数字PHY(物理层)功能，提供可选的功能模块或参数，通过后级处理器选择功能模块及其参数和系统模式，并通过IF数字接口与IF电路、进而与RF(射频)电路联通，从而形成完整的信号收发系统。

针对多种信道环境和多种速率、通信距离等应用需求，采用体制可变(OFDM与SC-FDE可变)、体制内参数可变(子载波参数可变、信道衰落对抗处理可变、调制FEC纠错可变等)的实现架构。其总体框架如图1所示：

整个系统可分为“数字接口与数字变频UDC/DDC”逻辑、“Tx/Rx通道预处理与时钟分配”逻辑、“数字PHY组件”逻辑和“数据接口与后处理”逻辑四大部分，其中核心部分是数字PHY组件逻辑，其他三部分为系统通用设计，采用成熟技术架构。

下面介绍“数字PHY组件”逻辑。

(1)数字PHY模块总体方案

数字PHY逻辑组件包括正交频分复用物理层OFDM PHY和单载波频域均衡物理层SC-FDE PHY两大逻辑部分，两者共用部分基础算法模块和功能逻辑模块。数字PHY逻辑方案如图2所示。

正交频分复用OFDM体制作为主用模式，采用参数化模块化可配置化的设计思想。

单载波频域均衡SC-FDE作为一种针对高速高频点移动通信(高多普勒、弱多径)信道环境下的通信体制的补充和前向兼容纳入设计考量，可与OFDM PHY共用多个模块设计，作为OFDM PHY的有效补充方案。

(2)数字PHY空口设计方案(帧结构)

依据项目设计目标与应用环境的分析，物理层帧结构采用超帧/复帧/传输帧的多层帧结构，如图3所示。

其中，超帧指物理层中的超帧指一次上行/下行的传输循环。由一个上行复帧、一个下行复帧、两个分别位于上/下行复帧之间的保护间隔构成，并且采用可上下行可配置超帧结构。其中保护间隔G0用于上下行之间的传输时延的保护。

复帧指多个上行传输帧或下行传输帧的复合。复帧中的传输帧数目可变，从而超帧的周期可变，可根据信源的数据率需求和QoS需求改变。每个复帧中第一个传输帧的SIGNAL域携带复帧控制信息(如复帧中传输帧数目，从而使接收端知道接收何时结束，发送何时开始等)。

传输帧是物理层传输的基本单位，包含独立完整的一次单向传输所需全部信息。

(3)数字PHY电路工作设计

数字PHY总体电路工作状态转移的FSM(状态机)状态转移如图4所示例。

由图可知，主站电路在复位结束后立即进入发送状态，且由定时器激励而周期地在发送态和接收态间转移。从站在复位结束后立即进入接收态，其从接收态转入发送态的是由其所接收到的上行复帧激励的，从发送态转移至接收态则是由定时器控制。

(3.1)Tx电路设计

为简化电路结构，物理层Tx电路中采用了平坦化的实现方式，即所有主要子模块都由FSM_TX(发送状态机)控制。各子模块间的逻辑关系由收发状态机控制。

状态机描述如下：系统上电执行RESET后，主站TX电路处于数据发送状态，受控发送“上行复帧”后转为接收状态；收到“新超帧”后转为发送状态。从站TX电路处于数据接收状态，收到“上行复帧”后转为发送态，数据发送结束后转为接收状态。如图5所示。

图6为对应电路工作时序设计。

上升沿有效，等长帧，三个TRAIN位，后一个SINGLE位作为数据段的开始，数据字段收发，拖尾样点作为帧结束位。

3.2)Rx电路设计

Rx电路由匹配滤波器模块(MATCH_FILT)、分组检测模块(FRM_DET)、帧粗同步模块(FRM_SYNC0)、帧细同步模块(FRM_SYNC1)、信道估计模块(CH_EST)、频域均衡模块(FDE)、SIGNAL域解调模块(SIG_RET)和DATA域解调模块(DAT_RET)等模块组成，根据OFDM和SC-FDE两种工作模式，每个模块均为2种参数配置状态。Rx整体逻辑架构设计如图7所示。

综上所述，UWB无线信号在OFDM和SC-FDE两种体制间依据环境的不同(多遮挡环境或多径现象严重)自动切换，利用OFDM和SC-FDE两种体制信号调制及处理特点可以有效剔除信号干扰。辅以帧结构的延时、应答设计完成对复杂环境下的区域精准的位置标定。

Claims (8)

1.一种在UWB定位中无线信号的处理方法，其特征在于，采用模块化软件无线电设计，通过后级处理器选择功能模块及参数和系统模式，并通过IF数字接口与IF电路、进而与射频RF电路联通，从而形成完整的信号收发系统。

2.根据权利要求1所述的一种在UWB定位中无线信号的处理方法，其特征在于，信号收发系统采用体制可变、体制内参数可变的实现架构，体制可变即OFDM与SC-FDE可变，体制内参数可变，即子载波参数可变、信道衰落对抗处理可变、调制FEC纠错可变。

3.根据权利要求2所述的一种在UWB定位中无线信号的处理方法，其特征在于，信号收发系统分为数字接口与数字变频UDC/DDC逻辑、Tx/Rx通道预处理与时钟分配逻辑、数字PHY组件逻辑和数据接口与后处理逻辑四大部分，其中数字PHY组件逻辑为核心，其他三部分为系统通用设计。

4.根据权利要求3所述的一种在UWB定位中无线信号的处理方法，其特征在于，所述数字PHY组件逻辑包括正交频分复用物理层OFDM PHY和单载波频域均衡物理层SC-FDE PHY两大逻辑部分，两者共用部分基础算法模块和功能逻辑模块；

正交频分复用OFDM体制作为主用模式，采用参数化模块化可配置化的设计思想，单载波频域均衡SC-FDE作为一种针对高速高频点移动通信信道环境下的通信体制的补充和前向兼容纳入设计考量，与正交频分复用物理层OFDM PHY共用多个模块设计，作为正交频分复用物理层OFDM PHY的有效补充方案。

5.根据权利要求4所述的一种在UWB定位中无线信号的处理方法，其特征在于，物理层帧结构采用超帧/复帧/传输帧的多层帧结构，其中，超帧指一次上行/下行的传输循环，由一个上行复帧、一个下行复帧、两个分别位于上/下行复帧之间的保护间隔构成，并且采用可上下行可配置超帧结构，其中保护间隔G0用于上下行之间的传输时延的保护；

复帧指多个上行传输帧或下行传输帧的复合，复帧中的传输帧数目可变，从而超帧的周期可变，根据信源的数据率需求和QoS需求改变，每个复帧中第一个传输帧的SIGNAL域携带复帧控制信息，包括复帧中传输帧数目，从而使接收端知道接收何时结束，发送何时开始；

传输帧是物理层传输的基本单位，包含独立完整的一次单向传输所需全部信息。

6.根据权利要求5所述的一种在UWB定位中无线信号的处理方法，其特征在于，所述数字PHY组件逻辑总体电路工作状态转移的状态机FSM具体为：主站电路在复位结束后立即进入发送状态，且由定时器激励而周期地在发送态和接收态间转移，从站在复位结束后立即进入接收态，从接收态转入发送态的是由其所接收到的上行复帧激励的，从发送态转移至接收态则是由定时器控制。

7.根据权利要求6所述的一种在UWB定位中无线信号的处理方法，其特征在于，物理层Tx电路中采用了平坦化的实现方式，即所有主要子模块都由发送状态机FSM_TX控制，各子模块间的逻辑关系由收发状态机控制，状态机描述如下：系统上电执行RESET后，主站TX电路处于数据发送状态，受控发送上行复帧后转为接收状态；收到新超帧后转为发送状态，从站TX电路处于数据接收状态，收到上行复帧后转为发送态，数据发送结束后转为接收状态，对应电路工作时序设计为：上升沿有效，等长帧，三个TRAIN位，后一个SINGLE位作为数据段的开始，数据字段收发，拖尾样点作为帧结束位。

8.根据权利要求7所述的一种在UWB定位中无线信号的处理方法，其特征在于，Rx电路由MATCH_FILT匹配滤波器模块、分组检测模块FRM_DET、帧粗同步模块FRM_SYNC0、帧细同步模块FRM_SYNC1、信道估计模块CH_EST、频域均衡模块FDE、SIGNAL域解调模块SIG_RET和DATA域解调模块DAT_RET组成，根据OFDM和SC-FDE两种工作模式，每个模块均为2种参数配置状态。

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