【正文】 調(diào)信號(hào)，而基帶信號(hào)叫做調(diào)制信號(hào)。 CDMA 編碼采用 Mtalab 進(jìn)行仿真 。在本系統(tǒng)中基站發(fā)射的信號(hào)是偽隨機(jī)碼和超聲載波以 BASK調(diào)制后的擴(kuò)頻脈沖信號(hào)。 長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 第 3 章 軟件仿真 CDMA(碼分多址 )技術(shù) CDMA 是以碼分多址接入技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)的工作過(guò)程是： ① 中心站通過(guò)射頻模塊周期性的發(fā)送同步控制指令（包含各個(gè)信標(biāo)的位置信息）； ② 各 個(gè)信標(biāo)收到該指令后，立刻向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送擴(kuò)頻超聲波信號(hào)； ③ 目標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到該同步指令后，立刻啟動(dòng)定時(shí)器，同時(shí)采集超聲波信號(hào)，并把指令中的有用信息（各個(gè)信標(biāo)的位置信息）存儲(chǔ)起來(lái)，方便后續(xù)定位使用； ④ 超聲波信號(hào)到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)時(shí)，取出定時(shí)器的計(jì)數(shù)值，得到時(shí)間 T，由 d=C*T（ C 為常溫下超聲波的傳播速度）得到信標(biāo)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離，當(dāng)收到多于三個(gè)信標(biāo)的信號(hào)時(shí)，便可做定位算法運(yùn)算。首先在室內(nèi)空間建立坐標(biāo)系，長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 選定三個(gè)參考點(diǎn) 3，設(shè)待定位的目標(biāo)點(diǎn)為 M，它們的空間坐標(biāo)如圖 24 所示，其中參考點(diǎn)坐標(biāo)己知，目標(biāo)點(diǎn) 坐標(biāo)未知。則接收端到發(fā)射端的距離 d 可由（ 2）式得到。幾何原理如圖 21 所示，圖中 B1， B2， B3 分別代表參考節(jié)點(diǎn) 1， 2， 3。上行應(yīng)答是指一個(gè)基站發(fā)出呼叫信號(hào)，定位物體應(yīng)答，所有 基站接收應(yīng)答信號(hào)。它是利用壓電材料的正逆壓電效應(yīng)來(lái)工作的。 長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 第 2 章 超聲波 定位原理 超聲波定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式及比較 超聲波技術(shù) 所謂超聲，是相對(duì)于人耳的聽(tīng)域范圍而言的。比如采用距離或角度測(cè)定，干擾和沖突的避免，根據(jù)距離 /角度得到坐標(biāo)的算法等方面有很 多相似之處，本文通過(guò)對(duì)各種室內(nèi)定 位技術(shù)的比較，提出一種定位精度高，保密性好，功耗小的定位系統(tǒng) ——基于 CDMA 室內(nèi)超聲波三維定位系統(tǒng)。這使得系統(tǒng)還可以利用越來(lái)越多加入進(jìn)來(lái)的參與者來(lái)提高定位的準(zhǔn)確度。它實(shí)現(xiàn)了幾何測(cè)量和近似法兩種定位技術(shù)，當(dāng)接收到多個(gè)信標(biāo)的信號(hào)時(shí)利用幾何測(cè)量計(jì)算位置；如果只有一個(gè)信標(biāo)的信號(hào)，就采用近似法。根據(jù)基站測(cè)量無(wú)線設(shè)備發(fā)射的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)和信噪比，系統(tǒng)計(jì)算出建筑物內(nèi)定位目標(biāo)的二維位置。 控制器發(fā)送射頻請(qǐng)求包，同時(shí)利用有線網(wǎng)絡(luò)向 設(shè)置在 屋頂?shù)膫鞲衅靼l(fā)送一個(gè)同步復(fù)位信號(hào)。 吉林大學(xué)，上海交通大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)曾經(jīng)對(duì)紅外 超聲定位技術(shù)進(jìn)行過(guò)研究。 生活中，大型商場(chǎng)、醫(yī)院、大型地下停車場(chǎng)等室內(nèi)或地下環(huán)境當(dāng)中 。提出了一種基于 CDMA 室內(nèi)超聲波三維定位系統(tǒng)，能達(dá)到較高的定位實(shí)時(shí)性和厘米級(jí)的定位精度。例如，在工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)、機(jī)器人和移動(dòng)車、安全防護(hù)、礦井作業(yè)環(huán)境等都需要準(zhǔn)確的室內(nèi)定位信息來(lái)實(shí)現(xiàn)空間上的高效控制。 本課題針對(duì) 室內(nèi)超聲波定位系統(tǒng)具有定位精度高，成本相低廉，終端運(yùn)算量較小等的優(yōu)點(diǎn) ，提出了基于 CDMA 室內(nèi)超聲波三維定位系統(tǒng)技術(shù)。由于采用的是紅外線技術(shù)，當(dāng)環(huán)境中有熒光燈或直射陽(yáng)光時(shí)，會(huì)產(chǎn)生假的紅外線散射，這使得 Active Badge 在定位時(shí)會(huì)有些困難。從 Bat 標(biāo)簽到傳感器，如果超聲脈沖是經(jīng)過(guò)反射，而不是沿直線路徑傳輸，將產(chǎn)生錯(cuò)誤的傳感器測(cè)量值，而用統(tǒng)計(jì)修正可以減少這種誤差。每當(dāng)信標(biāo)發(fā)送 RF 消息的同時(shí)還并行傳出一個(gè)超聲脈沖。它通過(guò)無(wú)線電信號(hào)強(qiáng)度的衰減來(lái)測(cè)量信號(hào)經(jīng)過(guò)的距離。因此，研究針對(duì)室內(nèi)特定環(huán)境的定位和系統(tǒng)迫切需要開(kāi)辟新的途徑和方法。第四章是硬件設(shè)計(jì)，主要介紹本系統(tǒng)的各部分硬件電路 組成 。超聲 波換能器實(shí)質(zhì)上是一類機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置。與 GPS 定位系統(tǒng)的信號(hào)傳遞方向相反，在常規(guī)超聲局部定位系統(tǒng)中，定位物體只發(fā)送信號(hào)，不接收信號(hào)，信號(hào)由定位物體發(fā)送 ,基站只進(jìn)行接收信號(hào)。 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用類 GPS 超聲波定位方式，信號(hào)只由基站發(fā)射，定位物體接收并處理信號(hào)從而得到當(dāng)前的狀態(tài)參數(shù)，通過(guò)計(jì)算得到定位物體坐標(biāo)。 圖 23 AOA 原理圖 TDOA(到達(dá)時(shí)間差 )測(cè)距 基于 TDOA 測(cè)距原理是發(fā)射節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)射兩種不同傳播速度的無(wú)線信號(hào)，接 A C B 1? 2? 長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 收節(jié)點(diǎn)根據(jù)兩種信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差以及已知這兩種信號(hào)的傳播速度，計(jì)算兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離，再通過(guò)已有基本的定位算法計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置。超聲波傳播的時(shí)間則是兩個(gè)時(shí)間的 和。 點(diǎn) 2 （ x , 0 , 0 ）點(diǎn) 1 （ 0 , 0 , 0 ）M （ x , y , z ）點(diǎn) 3 （ 0 , y , 0 ） 圖 25 定位原理圖 空間中任意一點(diǎn) M(X， Y， Z)到三個(gè)確定點(diǎn) 1（ 0， 0， 0）、 2（ x， 0， 0）、 3 (0，y， 0)的距離分別 l、 m、 n，側(cè)有： 2 2 2 22 2 2 22 2 2 2()()X Y Z lX x Y Z mX Y y Z n? ? ? ?? ? ? ? ??? ? ? ? ?? (4) 由（ 4）式推導(dǎo)后可以得到點(diǎn)的坐標(biāo)為 ??????????????????22222222222YXlZynlyYxmlxX (5) 因此，可知測(cè)出 l、 m、 n 即可得到點(diǎn) M(X， Y， Z)。如果采用碼分多址技術(shù) ， 給每個(gè)基站分配一個(gè)單獨(dú)的偽隨機(jī)碼，將偽隨機(jī)碼與超聲載波進(jìn)行二進(jìn)制幅移鍵控長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 調(diào)制 (偽隨機(jī)二進(jìn)制序列為高電 1 時(shí)，發(fā)送超聲脈沖；為低電平 0 時(shí)，不發(fā)送超聲脈沖 )，用已調(diào)信號(hào)驅(qū)動(dòng)超聲發(fā)送器，由于具有不同結(jié)構(gòu)的偽隨機(jī)碼幾乎不相關(guān)，據(jù)此定位物體可以區(qū)分各個(gè)基站發(fā)送過(guò)來(lái)的信號(hào)，進(jìn)而估計(jì)出與定位基站的距離。在 CDMA 系統(tǒng)中，不同用 戶傳輸?shù)男畔⑹强扛髯圆煌木幋a序列來(lái)區(qū)分的。 之所以稱其為偽隨機(jī) (偽噪聲 )序列 ， 是因?yàn)樗憩F(xiàn)出白噪聲采樣序列的統(tǒng)計(jì)特性 ， 在 不知其生成方法的偵聽(tīng)者來(lái)說(shuō)像 真的偽隨機(jī)序列。 長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 m 序列與超聲載波的調(diào)制 數(shù)字信號(hào)調(diào)制及其分類 調(diào)制（ modulation) 是指對(duì)信號(hào)源的信息進(jìn)行處理加到載波上，使其變?yōu)檫m合于信道傳輸?shù)男问降倪^(guò)程，就 是使載波隨信號(hào)而改變的技術(shù)?？刂戚d波的相位， PSK（二進(jìn)制相移鍵控調(diào)制 )。 所謂 “鍵控 ”是指一種如同 “開(kāi)關(guān) ”控制的調(diào)制方式。 仿真 結(jié)果 如下： 圖 36 m 序列與超聲波調(diào)制信號(hào)仿真電路 圖 長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 圖 37 示波器 range time 為 時(shí)仿真結(jié)果 當(dāng) 把 示波器參數(shù) Range Time 改為 時(shí)，運(yùn)行結(jié)果如下： 圖 38 當(dāng)示波器參 range time 為 時(shí)仿真圖 由仿真結(jié)果可以看到，當(dāng) m 序列為 1 時(shí)，發(fā)射超聲波脈沖，當(dāng) m 序列為 0時(shí)，不發(fā)射超聲波脈沖。由于被傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào) 1 和 0，因此，在每個(gè)碼元持續(xù)期間要用抽樣判決電路對(duì)低通濾波器的輸出作一次判決以確定信號(hào)取值。 長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 第 4 章 硬件設(shè)計(jì) 在前面提到的本定位系統(tǒng)主要由中心站、基站和定位物體或定位目標(biāo)等三部分組成，這三個(gè)組成部分都裝配有無(wú)線收發(fā)模塊。 c c 2 4 3 0 A T M E G A 8擴(kuò) 頻 超 聲 波 發(fā)射 電 路 模 塊控 制 電 路P R B S發(fā) 射 換 能 器超 聲 波 圖 42 信標(biāo)超聲波 發(fā)射 示意圖 實(shí)物 圖為 ： 圖 43 信標(biāo)的外觀圖 圖 44 信標(biāo)的電路板 長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 圖 45 超聲波發(fā)射電路原理圖 目標(biāo)節(jié)點(diǎn) 目標(biāo)節(jié)點(diǎn)由無(wú)線模塊、超聲波接收模塊、 ATMEGA128 核心板 組成。 本實(shí)驗(yàn)先在平面上實(shí)驗(yàn)最后擴(kuò)展到三維。但是測(cè)量結(jié)果比較穩(wěn)定 ,具有一定的重復(fù)性。 因此 ， 我們只需要研究溫度對(duì)聲速的影響 。 長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 27 第 6 章 總結(jié)與 展望 全文總結(jié) 超聲測(cè)距技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)與國(guó)防中有著廣泛的應(yīng)用，用多傳感器組合測(cè)距，可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的空間定位與運(yùn)動(dòng)跟蹤。本論文通過(guò)軟件仿真，把信號(hào)的發(fā)送 （調(diào)制）、 以及接受 （解調(diào)） 的過(guò)程做了仿真，說(shuō)明本論文在理論上是可以實(shí)現(xiàn)三維定位的。 （ 4）、本設(shè)計(jì)中還未深入研究多徑問(wèn)題、多普勒效應(yīng)、人為噪聲等可能影響本系統(tǒng)的定位精度。 謝謝 ！ 長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 29 參考文獻(xiàn) [1] 王福東 ． 超聲波定位系統(tǒng)的原理與應(yīng)用 [J]． 自動(dòng)化與儀表 ． 1998， 3（ 3） ： 1517． [2] 李娟 ， 唐小超 ， 葛立峰基 ． 于 CC1101 射頻技術(shù)的室內(nèi)超聲定位系統(tǒng) [J]． 自動(dòng)化與儀表20xx， 6： 14． [3] 祝思文 ． 基于寬 帶超聲傳感器的室內(nèi)定位系統(tǒng)的研究 [J]． 檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置 ． 20xx，9： 79． [4] 苑寶玉 ． 超聲波室內(nèi)定位技術(shù) [D]． 長(zhǎng)春理工大學(xué)碩士論文 ． 20xx 年 3 月 ． [5] 謝亞琴 ， 張業(yè)榮 ． 基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間的 UWB 定位算法 [J]． 南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版 )， 20xx， 27(3):7175． [6] 王碧波．室內(nèi)精確定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)［ D］．北京：清華大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 ． 20xx． [7] 劉豐華 ， 張遠(yuǎn)見(jiàn) ， 吳永輝 ． 無(wú)線局域定位系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì) [J]． 電子產(chǎn)品世界 ， 20xx 年 ，4(19):7680． [8] 王艷燕 ． CDMA 系統(tǒng)中的無(wú)線定位技術(shù)研究 [D]． 哈爾濱工程大學(xué)碩士論文 ． 20xx 年 12月 ． [9] 沈劍峰 ， 王宗欣 ． 室內(nèi) CDMA 用戶定位方法研究 [J]． 復(fù)旦大學(xué)報(bào)， 20xx， 24（ 1）： 3639． [10] 徐巧勇 ， 陳浩珉 ， 王宗欣 ． DS2UWB 定位系統(tǒng)傳輸時(shí)延估計(jì) [J]． 復(fù)旦學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版 )，20xx， 43(1):92~96． [11] 王洋 ， 王忠基 ．基 于 CC2431 的無(wú)線定位系統(tǒng) [J]． 通信技術(shù)， 20xx， 42(9)： 190192． [12] 林玉書 ． 超聲換能器的原理及設(shè)計(jì) [M]． 北京： 科學(xué)出版社， 20xx 年 ． [13] 周窘槃 ， 龐沁華 ， 續(xù)大我 ． 通信原理 [M]． 北京： 北京郵電大學(xué)出版社 ， 20xx 年 ． [14] 紹佳 ， 董辰輝 ． MATLAB/Simulink 通信系統(tǒng)建模與仿真實(shí)例精講 [M]． 北京： 電子工業(yè)出版社 ， 20xx 年 ． [15] 魯琦，受國(guó)華 ． 基于單片機(jī)的紅外超聲室內(nèi)定位系統(tǒng) [J]． 微處理機(jī)， 20xx， 4（ 2）： 89． [16] 趙軍 ． 基于射頻信號(hào)強(qiáng)度的零配置室內(nèi)定位系統(tǒng) [D]． 浙江大學(xué) ， 20xx． [17] 唐煒 ． 基于 ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的定位服務(wù)研究和應(yīng) 用 [D]． 浙江大學(xué)， 20xx． [18] Cli Randell and Henk Muller．