基于线性调频信号的超宽带无线定位研究

论文摘要

近年来,由于社会对中短距离无线通信、定位的巨大需求和微电子、射频等硬件技术的长足进步,超宽带（UWB）系统逐渐成为研究的热点。本文关注的线性调频信号（Chirp）超宽带就是其中的一种。由于此系统具有多径分辨率高,传输距离较远,信号穿透力强,对抗干扰和多普勒频偏的能力强,信号峰均比小,功耗和成本低等众多优点,十分适合于室内外中短距离定位。本文主要针对车站、机场、商场、学校和医院等中小尺度空间进行超宽带定位。其高可靠性的定位结果可以用于跟踪、导引、消防营救、反恐或其它紧急服务。本文主要研究如何利用Chirp超宽带进行定位,而定位的关键在于是否能准确地测量信号到达时间差（TDOA）。针对接近实际传播环境的超宽带信道模型,在现有的各种时延测量和定位算法的基础上,重点进行了下列工作:首先介绍了Chirp超宽带的相关背景,并详细分析了Chirp信号的扩频原理和基于脉冲压缩的时延估计方法。针对同一超宽带信道,使用不同带宽的Chirp信号进行仿真。仿真结果说明此方法的时延估计性能与Chirp信号带宽密切相关,适合大带宽下的定位应用。然后引入高阶累计量的概念,计算Chirp信号的四阶累积量,改进了基于四阶累积量TLS-ESPRIT算法。此方法先通过TLS-ESPRIT算法进行初步时延估计并以此确定谱峰搜索的区间,接着使用MUSIC算法对初步估计结果进行修正,同时剔除虚径。MATLAB仿真结果表明新算法适用于Chirp信号的带宽较小且信道包含色噪声的情况。同时,本文还指出了在仿真设计和工程应用中,三个重要参数需要服从的几个关系。接着介绍了多级维纳滤波器相关内容,推导了Chirp信号的四阶矩矩阵,在此基础上改进了基于解相干MUSIC算法。此算法用基本的乘加运算避免了超分辨算法中的特征值分解,极大地减小了运算量,方便硬件处理实现。当Chirp信号的带宽较小且信道为白噪声时,仿真结果表明在运算复杂度极大降低的前提下,本文算法仍然保持了解相干MUSIC算法的优越性能。最后将本文提出的时延估计算法用于时间差的测量,并使用了四种基于时间到达差的无线定位算法处理数据。通过仿真实验证明了前面提出的时延估计方法可以准确地测量时间差,并且以此为基础获得较为理想的定位效果。同时仿真结果指出,Chirp信号带宽的不同,适用的定位算法也不一样。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 Chirp 超宽带背景简介
• 1.2 基于Chirp 超宽带测距文献综述
• 1.3 本文的研究对象和论文结构
• 第二章 基于脉冲压缩的超宽带时延估计
• 2.1 Chirp 超宽带介绍
• 2.1.1 Chirp 信号时域分析
• 2.1.2 Chirp 信号频域分析
• 2.1.3 Chirp 超宽带的优点
• 2.2 超宽带信道模型介绍
• 2.2.1 路径损耗模型和阴影衰落模型
• 2.2.2 功率时延包络模型
• 2.2.3 小尺度衰落模型
• 2.3 基于脉冲压缩的时延估计
• 2.4 本章小节
• 第三章 基于超分辨算法的超宽带时延估计
• 3.1 高阶统计量理论
• 3.1.1 高阶矩和高阶累积量的定义
• 3.1.2 高阶累积量的主要性质
• 3.1.3 高斯信号的高阶矩和高阶累积量
• 3.2 Chirp 信号的高阶累积量
• 3.2.1 信号模型
• 3.2.2 Chirp 信号的高阶累积量
• 3.3 基于TLS-ESPRIT 的时延估计
• 3.3.1 基于ESPRIT 的时延估计
• 3.3.2 TLS-ESPRIT 改进的时延估计
• 3.3.3 仿真参数设置
• 3.4 MUSIC 快速伪谱修正
• 3.5 信道幅度的估计
• 3.6 算法仿真
• 3.7 本章小节
• 第四章 基于多级维纳滤波的超宽带时延估计
• 4.1 多级维纳滤波原理
• 4.1.1 经典维纳滤波器
• 4.1.2 多级维纳滤波降阶分解原理
• 4.1.3 多级维纳滤波算法
• 4.2 多级维纳滤波的相关特性
• 4.3 超分辨算法的快速子空间分解
• 4.3.1 简化信号模型
• 4.3.2 Chirp 信号的高阶矩
• 4.3.3 基于多级维纳滤波的快速子空间分解
• 4.4 基于快速解相干MUSIC 的时延估计
• 4.4.1 快速解相干MUSIC 算法步骤
• 4.4.2 信号子空间阶数估计
• 4.5 基于改进的快速解相干MUSIC 的时延估计
• 4.6 算法仿真
• 4.7 本章小节
• 第五章 基于TDOA 的超宽带定位实现
• 5.1 无线定位技术介绍
• 5.2 基于TDOA 的相关定位算法
• 5.2.1 基于TDOA 的定位模型
• 5.2.2 CHAN 算法
• 5.2.3 Taylor 算法
• 5.3 基于TDOA 的定位实现
• 5.3.1 基于脉冲压缩测量时延的定位算法比较
• 5.3.2 基于改进TLS-ESPRIT 算法测量时延的定位算法比较
• 5.3.3 基于快速MUSIC 算法测量时延的定位算法比较
• 5.4 本章小节
• 第六章 结论
• 6.1 本文主要工作和贡献
• 6.2 未来工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间的研究成果
• 个人简历