超宽带室内通信定位系统的FPGA设计与实现

论文摘要

随着社会经济的快速发展,人们对无线定位服务精度的要求越来越高。在室内环境下,由于多径传播及非视距的影响,导致室内定位精度大大降低。而超宽带冲激无线电,通过产生极短脉冲来得到带宽特别宽、功率谱密度极低的信号,这种信号抗多径衰落能力强、功耗低、良好的时间分辨率和多径分辨能力等特性,使之在通信与定位系统中有着广泛的应用前景。在超宽带无线定位系统中,同步捕获及首达脉冲检测(TOA)是实现的难点,同时也是影响系统性能的重要因素。目前国内外对超宽带信号的同步与检测解决方法主要分为两大类:相关检测法与非相关检测法。由于采用能量非相干检测的TOA估计方案[1]具有结构简单、成本低廉等特点,成了当前研究的热点。本课题旨在室内环境下实现一个基于超宽带无线通信的精确定位系统。本文研究了在超宽带无线通信的基础上完成定位功能的FPGA设计与实现。主要包括:超宽带信号产生的基带控制;非相干能量检测接收机方案设计;线性步进同步捕获算法设计;首达脉冲检测设计;定位算法与测试方案设计等。重点提出了把通信系统的同步捕获过程与首达脉冲检测的粗测量过程“合二为一”,并在此基础上进行细测量,从而在提高定位精度的同时简化了接收机的结构。通过超宽带发射机与接收机基带处理模块的VHDL设计与仿真,结合外围电路调试,最后完成了超宽带通信与定位系统的测试,并取得了良好的定位精度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 超宽带技术的国内外研究现状
• 1.3 超宽带技术用于室内定位的优势
• 1.4 FPGA概述及其优点
• 1.5 论文结构安排
• 第二章 超宽带理论基础及其室内信道模型
• 2.1 UWB的定义
• 2.2 UWB通信的实现方式
• 2.2.1 脉冲无线电
• 2.2.2 单载波方式
• 2.2.3 多带载波方式
• 2.3 IEEE802.15.4a信道模型
• 2.3.1 路径损耗模型
• 2.3.2 多径延时模型
• 2.3.3 小尺度衰落模型
• 2.3.4 信道参数及其模型仿真
• 2.4 本章小结
• 第三章 超宽带无线定位算法及其定位方案设计
• 3.1 测距和定位的概述
• 3.2 主要测距定位算法
• 3.2.1 基于信号强度检测的算法-RSSI
• 3.2.2 基于到达角度的检测方法-AOA
• 3.2.3 基于到达时间的检测方法-TOA
• 3.3 UWB定位方案分析与设计
• 3.3.1 基本定位方案
• 3.3.2 一种基于单路往返传输信号的异步定位方案
• 3.3.3 一种改进的异步定位方案
• 3.4 本章小结
• 第四章 超宽带通信定位系统的发射机结构及其FPGA设计与仿真
• 4.1 超宽带通信定位系统发射机模型
• 4.1.1 OOK-UWB信号发射机
• 4.1.2 UWB信号产生器的设计
• 4.2 UWB信号发射机的基带电路设计与仿真
• 4.2.1 时钟单元
• 4.2.2 信源模块
• 4.2.3 OOK编码系统模块
• 4.3 本章小结
• 第五章 超宽带通信定位系统的接收机结构及其FPGA设计与仿真
• 5.1 超宽带通信定位系统接收机模型
• 5.1.1 OOK-UWB通信定位系统接收机
• 5.1.2 积分检测电路设计
• 5.2 超宽带通信定位系统的同步捕获
• 5.2.1 同步捕获设计
• 5.2.2 同步捕获性能分析
• 5.3 超宽带通信定位系统的首达脉冲检测
• 5.3.1 首达脉冲估计算法
• 5.3.2 定位系统首达脉冲检测的设计
• 5.4 UWB通信定位接收机的基带电路设计与仿真
• 5.4.1 UWB信号接收机基带电路工作流程
• 5.4.2 同步捕获模块
• 5.4.3 逻辑控制及门控信号产生模块
• 5.4.4 码元恢复及检测模块
• 5.4.5 首达脉冲检测模块
• 5.4.6 接收机基带系统顶层模块
• 5.5 本章小结
• 第六章 系统电路测试结果
• 6.1 FPGA芯片选择
• 6.1.1 基带FPGA开发板
• 6.1.2 FPGA的配置方式
• 6.1.3 目标FPGA芯片接口引脚定义
• 6.2 系统组成与测试
• 6.2.1 测试系统的组成结构
• 6.2.2 系统测试及数据分析
• 6.3 本章小结
• 第七章 结束语
• 7.1 工作总结
• 7.2 今后的工作
• 参考文献
• 致谢
• 作者在攻读硕士期间的主要研究成果
• 附录A