【正文】 調(diào)信號，而基帶信號叫做調(diào)制信號。 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。 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 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)字蜂窩移動通信系統(tǒng)。整個系統(tǒng)的工作過程是： ① 中心站通過射頻模塊周期性的發(fā)送同步控制指令（包含各個信標(biāo)的位置信息）； ② 各 個信標(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； ③ 目標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到該同步指令后，立刻啟動定時器，同時采集超聲波信號，并把指令中的有用信息（各個信標(biāo)的位置信息）存儲起來，方便后續(xù)定位使用； ④ 超聲波信號到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)時，取出定時器的計數(shù)值，得到時間 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)收到多于三個信標(biāo)的信號時，便可做定位算法運(yùn)算。首先在室內(nèi)空間建立坐標(biāo)系，長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 8 選定三個參考點(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)答是指一個基站發(fā)出呼叫信號，定位物體應(yīng)答，所有 基站接收應(yīng)答信號。它是利用壓電材料的正逆壓電效應(yīng)來工作的。 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 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，是相對于人耳的聽域范圍而言的。比如采用距離或角度測定，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，本文通過對各種室內(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)還可以利用越來越多加入進(jìn)來的參與者來提高定位的準(zhǔn)確度。它實(shí)現(xiàn)了幾何測量和近似法兩種定位技術(shù)，當(dāng)接收到多個信標(biāo)的信號時利用幾何測量計算位置；如果只有一個信標(biāo)的信號，就采用近似法。根據(jù)基站測量無線設(shè)備發(fā)射的信號場強(qiáng)和信噪比，系統(tǒng)計算出建筑物內(nèi)定位目標(biāo)的二維位置。 控制器發(fā)送射頻請求包，同時利用有線網(wǎng)絡(luò)向 設(shè)置在 屋頂?shù)膫鞲衅靼l(fā)送一個同步復(fù)位信號。 吉林大學(xué)，上海交通大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)曾經(jīng)對紅外 超聲定位技術(shù)進(jìn)行過研究。 生活中，大型商場、醫(yī)院、大型地下停車場等室內(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)時性和厘米級的定位精度。例如，在工業(yè)控制現(xiàn)場、機(jī)器人和移動車、安全防護(hù)、礦井作業(yè)環(huán)境等都需要準(zhǔn)確的室內(nèi)定位信息來實(shí)現(xiàn)空間上的高效控制。 本課題針對 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光時，會產(chǎn)生假的紅外線散射，這使得 Active Badge 在定位時會有些困難。從 Bat 標(biāo)簽到傳感器，如果超聲脈沖是經(jīng)過反射，而不是沿直線路徑傳輸，將產(chǎn)生錯誤的傳感器測量值，而用統(tǒng)計修正可以減少這種誤差。每當(dāng)信標(biāo)發(fā)送 RF 消息的同時還并行傳出一個超聲脈沖。它通過無線電信號強(qiáng)度的衰減來測量信號經(jīng)過的距離。因此，研究針對室內(nèi)特定環(huán)境的定位和系統(tǒng)迫切需要開辟新的途徑和方法。第四章是硬件設(shè)計，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，不接收信號，信號由定位物體發(fā)送 ,基站只進(jìn)行接收信號。 本系統(tǒng)設(shè)計采用類 GPS 超聲波定位方式，信號只由基站發(fā)射，定位物體接收并處理信號從而得到當(dāng)前的狀態(tài)參數(shù)，通過計算得到定位物體坐標(biāo)。 圖 23 AOA 原理圖 TDOA(到達(dá)時間差 )測距 基于 TDOA 測距原理是發(fā)射節(jié)點(diǎn)同時發(fā)射兩種不同傳播速度的無線信號，接 A C B 1? 2? 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 7 收節(jié)點(diǎn)根據(jù)兩種信號到達(dá)的時間差以及已知這兩種信號的傳播速度，計算兩個節(jié)點(diǎn)之間的距離，再通過已有基本的定位算法計算出節(jié)點(diǎn)的位置。超聲波傳播的時間則是兩個時間的 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) ， 給每個基站分配一個單獨(dú)的偽隨機(jī)碼，將偽隨機(jī)碼與超聲載波進(jìn)行二進(jìn)制幅移鍵控長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 11 調(diào)制 (偽隨機(jī)二進(jìn)制序列為高電 1 時，發(fā)送超聲脈沖；為低電平 0 時，不發(fā)送超聲脈沖 )，用已調(diào)信號驅(qū)動超聲發(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)分各個基站發(fā)送過來的信號，進(jìn)而估計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)計特性 ， 在 不知其生成方法的偵聽者來說像 真的偽隨機(jī)序列。 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 14 m 序列與超聲載波的調(diào)制 數(shù)字信號調(diào)制及其分類 調(diào)制（ modulation) 是指對信號源的信息進(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^程，就 是使載波隨信號而改變的技術(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)制信號仿真電路 圖 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 16 圖 37 示波器 range time 為 時仿真結(jié)果 當(dāng) 把 示波器參數(shù) Range Time 改為 時，運(yùn)行結(jié)果如下： 圖 38 當(dāng)示波器參 range time 為 時仿真圖 由仿真結(jié)果可以看到，當(dāng) m 序列為 1 時，發(fā)射超聲波脈沖，當(dāng) m 序列為 0時，不發(fā)射超聲波脈沖。由于被傳輸?shù)氖菙?shù)字信號 1 和 0，因此，在每個碼元持續(xù)期間要用抽樣判決電路對低通濾波器的輸出作一次判決以確定信號取值。 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 20 第 4 章 硬件設(shè)計 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，這三個組成部分都裝配有無線收發(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 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 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聲速的影響 。 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 27 第 6 章 總結(jié)與 展望 全文總結(jié) 超聲測距技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)與國防中有著廣泛的應(yīng)用，用多傳感器組合測距，可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的空間定位與運(yùn)動跟蹤。本論文通過軟件仿真，把信號的發(fā)送 （調(diào)制）、 以及接受 （解調(diào)） 的過程做了仿真，說明本論文在理論上是可以實(shí)現(xiàn)三維定位的。 （ 4）、本設(shè)計中還未深入研究多徑問題、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 ！ 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 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]． 檢測技術(shù)與自動化裝置 ． 20xx，9： 79． [4] 苑寶玉 ． 超聲波室內(nèi)定位技術(shù) [D]． 長春理工大學(xué)碩士論文 ． 20xx 年 3 月 ． [5] 謝亞琴 ， 張業(yè)榮 ． 基于信號到達(dá)時間的 UWB 定位算法 [J]． 南京郵電大學(xué)學(xué)報 (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 ， 吳永輝 ． 無線局域定位系統(tǒng)的分析與設(shè)計 [J]． 電子產(chǎn)品世界 ， 20xx 年 ，4(19):7680． [8] 王艷燕 ． CDMA 系統(tǒng)中的無線定位技術(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， 20xx， 24（ 1）： 3639． [10] 徐巧勇 ， 陳浩珉 ， 王宗欣 ． DS2UWB 定位系統(tǒng)傳輸時延估計 [J]． 復(fù)旦學(xué)報 (自然科學(xué)版 )，20xx， 43(1):92~96． [11] 王洋 ， 王忠基 ．基 于 CC2431 的無線定位系統(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 [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．