湖南科技学院第十届科技创新节

自然科学类学术论文

题 目：基于FPGA的超宽带室内通信定位系统的设计与实现

姓 名： XXXX XXXX XXXX

学 号：XXXXXXXXX XXXXXXXXX XXXXXXXXX

系 部： 电子工程系

指导老师： XXXXXX

1 基于FPGA的超宽带室内通信定位系统的设计与实现

摘要：超宽带（UWB）技术在研究和应用领域得到了很大的重视，UWB技术最大的优势在于其极宽的传输带宽，使其在精确测距和定位、抗多径、难截获和保密通信等方面具有优异的性能。本文设计了一种超宽带信道模型下的室内定位系统，系统主要采用跳时—脉冲位置调制（TH-PPM）及并行相关检测的技术进行信号调制和传播时间的估计；通过仿真测试表明可减小测距误差，从而进一步提高定位精度。

关键词：超宽带 室内 无线定位 复合定位算法

Abstract：In resent years, Ultra-wideband (UWB) communications has received great

interests from both the research community and industry. UWB technology is the

biggest advantage of very wide bandwidth, the precise distance measuring and

positioning, multipath, difficult to capture and secure communication and has

excellent performance. This paper introduces a design of model under the indoor

positioning system, system mainly uses the jump - pulse position modulation

( TH-PPM ) and parallel correlation detection technology for signal modulation and

spread time estimation; through the simulation tests show that the ranging error can be

reduced, thereby further improving positioning accuracy.

Keywords: Ultra Wideband; Indoor;Wireless location;Composite Positioning

Algorithm

1 引言

1.1研究背景和意义

定位通常是指确定地球表面某个物体在某一参考坐标系中的位置。目前，可以采用的定位方法通常分为三类：推算定位（DR, Dead Reckoning）、接近式定位（Proximity）和无线定位（Radio Location），其中无线定位又可分为卫星无线定位和地面无线定位。推算定位基于一个相对参考点或起点，借助地图匹配算法来确定移动目标的位置；接近式定位又称信标（Signpost或Beacon）定位，运动目标的位置通过与其最靠近的固定参考点来估计定位；卫星定位利用GPS、GLONASS、北斗双星等卫星系统的多个卫星实现移动目标的三维定位；地面无线定位则通过测量无线电波从发射机到接收机的传播时间、时间差、信号强度、相位和入射角等参数来实现移动目标的定位[1]。

近年来，无线通信技术快速发展，移动计算设备与人们的日常生活联系越来越密切，这些增大了与定位相关的应用场景，引起室内定位系统的研究热潮。商业应用中，需求日益增大的室内定位系统主要有以下这些用途：追踪一些特殊的人体，例如离开看护人员的老人、儿童，或给盲者导航；定位医院里有需要的人体、仪器等；定位大型建筑物（商场、仓库等）里的特殊项目或设备。在公共安

2 全和军事应用方面，定位系统通常用于跟踪监狱里的犯人，以及给消防员、士兵导航，方便他们完成任务。作为用户随时携带的功能强大的通信处理设备，下一代移动定位设备经常应用于室内环境。因此，开发室内精确定位技术非常重要。

已有的定位系统如全球定位系统（GPS）和无线紧急911服务系统（E-911）同样涉及定位问题，但这些技术并不适用于室内应用，且不能提供室内环境中的精确位置信息。例如，开阔环境中GPS定位必须满足GPS接收机设备与至少4颗GPS卫星间存在直线联系，但GPS信号通常不能穿透地面上的大多建筑物。另外，室内定位系统与GPS、E-911这种传统的定位系统在很多方面存在相当大的区别，包括应用场合、操作环境、系统需求及性能要求等。因此，需要一种新定位技术在室内提供精确的位置估计[2]。

超宽带（Ultra Wideband，UWB）信号是具有非常大频率带宽的信号，一般由非正弦波形、持续时间极短的单周期或多个周期的正弦脉冲串无线电信号构成。2002年2月美国联邦通信委员会(FCC)初步确定采用“发射信号的-10dB测量部分带宽大于20%或射频(RF)带宽大于500MHz”来定义超宽带信号，分配给通信与测量使用的频段为3.1～10.6GHz，同时对信号辐射作了比较严格的限制 [3]。

相对于目前已有的其它定位系统，利用UWB信号实现定位与跟踪具有以下优势：

(1)具有极高的距离分辨能力。距离分辨力与信号带宽成反比，由于超宽带特性，UWB的距离分辨精度是其它系统的成百上千倍。Loran C导航系统采用100kHz脉冲，覆盖范围达2500英里，而距离分辨精度在1500英尺左右；GPS全球定位系统民用码的精度最高能达到6米多；而UWB定位精度在厘米数量级。

(2)良好的穿透能力。UWB信号对建筑物、墙体等障碍物具有良好的穿透能力，这使UWB定位系统在一般信号的覆盖盲区都能正常工作。

(3)有利于分集接收。 UWB为时间宽度为ns级的时间离散窄脉冲，这在时间上可以直接区分大部分多径信号与直达信号。

(4)频谱共享。由于极低的功率谱密度，UWB信号对其它窄带系统而言相当于噪声，因而对所处频段内的其它无线业务基本上不构成干扰；其它窄带无线业务信号相对于如此宽的频带而言，仅相当于单频干扰，很容易与UWB信号相分离。因此UWB信号可占用常规通信系统频段工作，实现频率资源的再利用，这在频率资源异常紧张的现代信息社会中更具吸引力。

(5)多功能，结构简单。在完成定位跟踪的同时还能进行低速率的数据通信，定位与通信功能的融合极大地扩展了系统的应用范围；由于UWB一般无正弦载波，因而无接收中频系统，几乎全数字硬件结构，导致系统实现结构简单，功耗低，连续工作时间长。

3 本文给出的UWB室内定位方案，将UWB应用于室内定位系统，充分发挥UWB信号超高速的传输速度和低成本/低功耗等优势。该方案是现有定位系统的延伸和扩充，可以在GPS覆盖不到的区域实现快速准确的定位

1.2 国内外相关研究

目前已有的室内无线定位技术包括光跟踪定位、室内GPS定位、超声波定位及蓝牙技术等[4]。

第一种，光跟踪定位技术要求所跟踪目标和探测器之间可视及所监测的目标不透明。在视频监视系统中，往往采用在被监控的环境中安装多台摄像设备，这些摄像设备可连接到一台或几台视频监控器上，通过视频监控器对观察对象实行实时动态的监控。由于光本身的特点，要实现高精度的光定位技术，其配备要求比较复杂。第二种，GPS定位中，由于信号受建筑物的影响而使室内接收到的信号衰减到十分微弱的地步，不可能像室外一样直接从卫星广播中提取导航数据和时间信息。为了得到较高的信号灵敏度，需要延长在每个码延迟上的停留时间，A-GPS技术可以解决这个问题。但这种室内GPS定位技术由于需要在手机内集成GPS接收机，决定了它的应用受限性。超声波定位技术由于其成本低、结构简单易于实现而被广泛采用。第三种，超声波测距大都采用反射式测距法，即发射超声波并接收由被测物产生的回波，根据回波与发射波的时间差计算出待测距离。

当前比较流行的Wi-Fi定位是IEEE802.11的一种定位解决方案。目前，它应用于小范围的室内定位，成本较低，但Wi-Fi收发器只能覆盖半径90m以内的地理区域，很容易受到其他信号干扰，从而影响定位精度，并不十分可靠，而且定位器的能耗较高。

最后，蓝牙技术是一种短距离低功耗的无线传输技术，支持点到点、点到多点的话音和数据业务，可以实现不同设备之间的短距离无线互联。在室内安装适当的蓝牙局域网接入点，把网络配置成基于多用户的基础网络连接模式，并保证蓝牙局域网接入点始终是这个微微网（piconet）的主设备（master），就可以获得用户的位置信息，实现利用蓝牙技术定位的目的。采用该技术作室内短距离定位的优点是容易发现设备且信号传输不受视距的影响，缺点是目前蓝牙器件和设备价格昂贵。

过去的几年里，许多研究人员已经研究了室内定位的各个方面。然而大量的研究工作只是针对一些室内定位的应用，而没有太多考虑基本的定位系统，如文献[4][5]。除了研究人员对室内定位日益增长的兴趣之外，第一代各种各样的室内定位产品[6][7]正涌入市场。文献[8]表示，无线电传输信道的特性对室内环境的定位精度有很大的影响，因此有必要深入地研究用于室内定位的无线电定位技术。

4 2 超宽带室内定位系统的设计

2.1 UWB室内定位系统的设计

一般定位系统的结构分为基于移动台和基于网络两种。由于商业上室内定位通常用于找寻或追踪一些特殊的人体或重要物体，因此设计室内UWB测距/定位系统时主要考虑两方面。第一，为增加标签的可移动性、可携带性，及延长其使用寿命，即降低标签的功耗，应力求标签的组成越简单越好；第二，将测距/定位与通信两种技术结合起来，设计系统的时候考虑其扩展性，方便今后在定位的同时能够进行数据通信。综合这两点，提出一种UWB室内定位系统方案。图中，系统由标签（TAG）和参考节点构成，标签由一个收发器组成，接收基站发出来的定位信号之后再直接将定位信号发射回基站，不对信号作任何处理。首先，参考节点产生的UWB脉冲通过TH-PPM调制后，经双工器发射出去；接收到返回的信号后，与延迟后的本地模板信号进行相关判决，其中相关后峰值最大的模板信号的延迟则为定位信号传播的往返时间，往返时间的一半乘以光速即得距离测量值。其中，每个节点拥有自身独有的跳时序列，便于确认返回的信号。从图2.1中可以看出，整个系统主要由参考节点的发射部分、接收部分和UWB信道组成，下面主要介绍参考节点发射部分和接收部分的设计和原理。

图2.1 UWB室内定位系统框图

2.2 发射部分的设计

发射UWB信号最常用和最传统的方法是发射时域上很短的脉冲。信息数据符号对脉冲进行调制，UWB调制方式的实现是多种多样的，被传输信息可以以多种方式在UWB信号上编码。目前比较常用的UWB调制方式主要有：脉冲位置调制（PPM），脉冲幅度调制（PAM），开关键控（OOK）和二进制相移键控（BPSK又称为正反极性调制）以及这些调制的方式的结合方式[40] [41]。本章设