【文章內容簡介】 間差法（TDOA－Time Difference of Arrival）。最后接收端到發(fā)射端之間的距離d就簡化成（3）式 （3） 三邊定位算法在測得距離的前提下，設計了以下定位方法。首先在室內空間建立坐標系，選定三個參考點3，設待定位的目標點為M，它們的空間坐標如圖24所示，其中參考點坐標己知，目標點坐標未知。三個參考點選在同一參考平面上，可選室內地板作為此參考平面。其中點1定為整個室內空間坐標系的原點，分別與點點3構成X軸、Y軸。確定需要定位的目標點后，使用系統(tǒng)硬件手段和軟件程序測出目標點和三個參考點的距離l、m、n，算出目標點的坐標值。式中變量如圖25所示。圖25 定位原理圖空間中任意一點M(X，Y，Z)到三個確定點1（0，0，0）、2（x，0，0）、3 (0，y，0)的距離分別l、m、n，側有： (4)由（4）式推導后可以得到點的坐標為 (5)因此，可知測出l、m、n即可得到點M(X，Y，Z)。通過三邊定位可以得到空間任一點的坐標，從而完成三維定位。 本系統(tǒng)由中心站、信標和目標節(jié)點組成。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（包含各個信標的位置信息）；②各個信標收到該指令后，立刻向目標節(jié)點發(fā)送擴頻超聲波信號；③目標節(jié)點收到該同步指令后，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超聲波信號到達目標節(jié)點時，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）得到信標到目標節(jié)點的距離，當收到多于三個信標的信號時，便可做定位算法運算。對采集到的超聲波信號進行相關處理，確定是幾號基站發(fā)過來的超聲波信號，從而確定目標節(jié)點的三維坐標。本系統(tǒng)的示意圖如圖26所示。本系統(tǒng)工作流程圖如圖27所示。圖26 本系統(tǒng)的示意圖圖27 本系統(tǒng)工作流程圖本系統(tǒng)為實現(xiàn)空間三維定位采用了多個信標，如果用傳統(tǒng)的單脈沖超聲測距方法定位物體就無法區(qū)分各個基站發(fā)送過來的信號。如果采用碼分多址技術，給每個基站分配一個單獨的偽隨機碼，將偽隨機碼與超聲載波進行二進制幅移鍵控調制(偽隨機二進制序列為高電1時，發(fā)送超聲脈沖；為低電平0時，不發(fā)送超聲脈沖)，用已調信號驅動超聲發(fā)送器，由于具有不同結構的偽隨機碼幾乎不相關，據(jù)此定位物體可以區(qū)分各個基站發(fā)送過來的信號，進而估計出與定位基站的距離。然后通過解算非線性定位方程組得到定位物體的當前位置。本文將在下一章介紹CDMA技術。第3章 軟件仿真 CDMA(碼分多址)技術 CDMA是以碼分多址接入技術為基礎的數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)。碼分多址是以擴頻技術為基礎的，所謂擴頻是把信息的頻譜擴展到寬帶中進行傳輸?shù)募夹g，將擴頻技術應用于通信系統(tǒng)中，可以加強系統(tǒng)的抗干擾、抗多徑、隱蔽、保密和多址能力。適用于碼分多址蜂窩通信系統(tǒng)的擴頻技術是直接序列擴頻（DS）簡稱直擴。它的產(chǎn)生包括調制和擴頻兩個步驟。比如，先用要傳送的信息對載波進行調制，再用偽隨機序列（PN序列）擴展信號的頻譜；也可以先用偽隨機序列與信息相乘（把信息的頻譜擴展），再對載波進行調制，二者是等效的。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。雖然信號在時間域和頻率域是重疊的，但用戶信號可以依靠各自不同的編碼序列來區(qū)分的。本系統(tǒng)中的CDMA技術是通過m序列（偽隨機碼）和超聲波載波以BASK調制形成擴頻信號。在本系統(tǒng)中基站發(fā)射的信號是偽隨機碼和超聲載波以BASK調制后的擴頻脈沖信號。本系統(tǒng)采用CDMA技術，給每個基站分配一個單獨的偽隨機碼，將偽隨機碼與超聲載波進行二進制幅移鍵控調制(偽隨機二進制序列為高電1時，發(fā)送超聲脈沖；為低電平0時，不發(fā)送超聲脈沖)，從而區(qū)分不同基站發(fā)來的超聲波信號。偽隨機序列又稱偽隨機碼，它是具有類似于隨機序列基本特性的確定序列。M序列是最常用的一種偽隨機序列，它是由線性反饋移位寄存器產(chǎn)生的周期最長的序列。在本文中基站所使用的測距碼是偽隨機碼，的區(qū)別在于：隨機碼是不可預測的，它在將來時刻的取值只能從統(tǒng)計意義上去描述；偽隨機序列實質上不是隨機的，而是收發(fā)雙方都知道的確定性信號。之所以稱其為偽隨機(偽噪聲)序列，是因為它表現(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序列。m序列可以由線性移位寄存器(LSR)產(chǎn)生，圖31是一個4級反饋移位寄存器的示意圖，其中包括4級移位寄存器，模2相加反饋電路及脈沖發(fā)生器。圖31 4級反饋移位寄存器示意圖本系統(tǒng)采用CDMA技術，給每個基站分配一個單獨的偽隨機碼，將偽隨機碼與超聲載波進行二進制幅移鍵控調制(偽隨機二進制序列為高電1時，發(fā)送超聲脈沖；為低電平0時，不發(fā)送超聲脈沖)，從而區(qū)分不同基站發(fā)來的超聲波信號。CDMA編碼采用Mtalab進行仿真。5級線性反饋移位寄存器產(chǎn)生m序列的仿真系統(tǒng)（初始狀態(tài)00001)。5級m序列的特征多項式為F(x)=1+x3+x5，其仿真電路如圖32所示，m序列波形圖如圖33所示。圖31 級線性反饋移位寄存器產(chǎn)生m序列的仿真系統(tǒng)圖33 F(x)=1+ x3+x5在matlab軟件的simulink完成系統(tǒng)框圖設計，采用五個延遲器搭建電路，延遲器初值依次設為0，0，0，0，1。通過仿真產(chǎn)生5級m序列波形如上圖所示。 m序列與超聲載波的調制 數(shù)字信號調制及其分類調制（modulation) 是指對信號源的信息進行處理加到載波上，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。一般來說，信號源的信息（也稱為信源）含有直流分量和頻率較低的頻率分量，稱為基信號。基帶信號往往不能作為傳輸信號，因此必須把基帶信號轉變?yōu)橐粋€相對基帶頻率而言頻率非常高的信號以適合于信道傳輸。這個信號叫做已調信號，而基帶信號叫做調制信號。調制是通過改變高頻載波即消息的載體信號的幅度、相位或者頻率，使其隨著基帶信號幅度的變化而變化來實現(xiàn)的。而解調則是將基帶信號從載波中提取出來以便預定的接收者（也稱為信宿）處理和理解的過程。通信系統(tǒng)中，用的數(shù)字調制方式有ASK（振幅移鍵控調制)，控制載波的幅度?？刂戚d波的頻率，稱為FSK(頻率移鍵控調制)?？刂戚d波的相位，PSK（二進制相移鍵控調制)。 二進制振幅鍵控（2ASK）本系統(tǒng)所采用的超聲載波頻率為40kHz。m序列的參數(shù)選定之后，必須對m序列與超聲載波的調制方式進行選擇分析。首先，超聲換能器的窄帶特性決定了系統(tǒng)不宜采用BFSK調制方式。m序列與超聲載波采用BPSK調制方式時，上述對單脈沖回波信號特點的分析可知，作為機械裝置的超聲換能器在發(fā)送和接收超聲波時存在一定的振動慣量，聲接收信號在“1”碼與“0”碼交接處沒有明顯的相位改變，所以系統(tǒng)無法利用BPSK調制方式。實踐證明，BASK是最適合超聲定位系統(tǒng)使用的調制方式，即偽隨機碼二進制序列為高電平“1”發(fā)送超聲脈沖。為低電平“0”時，不發(fā)送超聲脈沖。2ASK稱為二進制振幅鍵控又稱為OOK，它是以單極性不歸零碼序列來控制正弦載波的開啟與關閉。所謂“鍵控”是指一種如同“開關”控制的調制方式。比如對于二進制數(shù)字信號，由于調制信號只有兩個狀態(tài)，調制后的載波參量也只能具有兩個取值，其調制過程就像用調制信號去控制一個開關，從兩個具有不同參量的載波中選擇相應的載波輸出，從而形成已調信號?！版I控”就是這種數(shù)字調制方式的形象描述。在2ASK中，載波幅度隨著調制信號1和0的取值而在兩個狀態(tài)之間變化。二進制幅度鍵控中最簡單的形式稱為通——斷鍵控（OOK），即載波在數(shù)字信號1或0的控制下來實現(xiàn)通或斷。OOK信號的時域表達式為 （31）這里，A為載波幅度，ωc為載波頻率，an為二進制數(shù)字信息，an可表示為 (32)在一般情況下，調制信號是具有