本发明涉及声波室内定位领域，更具体地，涉及一种用于声波室内定位的声波信号帧同步方法。
背景技术：
随着移动互联网的发展和智能移动终端的普及，基于位置的服务得到广泛关注，其应用已经极大改变了人们的生活，定位技术有着巨大的需求和广阔的前景，在室外，gps定位技术得到广泛应用，但在室内gps信号衰减过大，难以实现有效的定位。但是，在大型购物中心、会展馆、图书馆、博物馆、医院、机场、大型停车场、地下采矿业区等室内场所，对室内定位技术存在着迫切需求。室内定位技术可以实现人、物的定位与追踪，也可以实现各种基于位置的服务，研究意义和市场价值非常大，因此吸引了国内外众多研究者投身于这一领域，室内定位技术已成为研究热点。
目前已经提出多种室内定位技术，有基于wifi、射频标签(rfid)、蓝牙(bluetooth)、超宽带(uwb)、超声波、计算机视觉等技术，但由于技术复杂性、成本等方面的制约，这些技术并没有得到大规模应用。利用声波进行室内定位可充分利用室内场所的音频设备和广泛应用的智能手机等移动终端自带的麦克风和处理器等资源，此外，声波属于机械波，其传播速度比电磁波慢得多，因此利用声波进行室内定位对系统同步的要求低，这也降低了系统成本。可见，声波室内定位是一种低成本、推广性好的定位方法。
声波室内定位技术中，声波信号帧的同步是一个关键技术问题，是对声波信号帧进行正确解调和解码等处理的基础和前提。本发明提供一种用于声波室内定位的声波信号帧同步方法，解决了声波室内定位中的这一关键技术问题。
技术实现要素：
本发明的目的是提出一种用于声波室内定位的声波信号帧同步方法，解决声波室内定位中声波信号帧的同步这一关键技术问题。
为实现以上发明目的，采用的技术方案是：
一种用于声波室内定位的声波信号帧同步方法，用于采用数字机制的声波信号进行周期性发射，包括以下步骤：
s1：设计声波信号帧的结构和用于同步的起始帧的信息内容；
s2：对起始帧进行粗同步；
s3：对起始帧进行细同步。
其中步骤s1所述声波信号帧的结构包括起始帧、数据帧和结束帧。
其中步骤s1所述起始帧的信息内容包括信标节点的标识号。
优选的是，所述信标节点的标识号采用2fsk调制方式。
步骤s2包括以下步骤：
s2.1：声波信号接收端提取数据流进行分析并设定滑动窗口，滑动窗口每滑动一次进行一次短时傅里叶变换(stft)频谱成分分析；其中滑动窗口的长度等于码元信号部分持续时长tsig；
s2.2：从步骤s2.1的结果中取出有效频率fδ对应频点的频域值与阈值进行比较，检测是否大于等于阈值，如果小于阈值则窗口继续以原步长滑动；
s2.3：如果大于等于阈值，则窗口分别向前、向后继续滑动
s2.4：取初始捕获窗口、初始捕获窗口前移
其中步骤s2.1所述的码元包括信号部分和置空部分。
步骤s2.3所述初始捕获信号有效依据为对初始捕获信号，若满足“初始窗口位置、初始窗口位置前移
步骤s3包括以下步骤：
s3.1：取判决窗口的长度为码元信号部分持续时长tsig，由设计要求确定判决窗口的滑动步长tprecise；
s3.2：判决窗口以粗同步位置为起点，沿着粗同步确定的滑动方向以tprecise为步长滑动，每滑动一次计算一次窗内信号的stft频谱值并存储；
s3.3：根据“窗口滑动方向正确性判据”检验滑动方向是否正确，若方向不正确则调整为窗口从粗同步位置开始沿相反方向滑动。若沿着相反方向stft频谱值仍然递减，则该位置为细同步结果，提前结束细同步；
s3.4：滑动方向正确后，检测是否达到最大滑动次数nmax，未达到则继续滑动窗口、计算stft频谱值并存储；达到最大滑动次数nmax后，以粗同步位置为起点沿着滑动方向计算连续m(m为大于等于3的奇数)个判决窗口的有效频点stft频谱值之和。建议m取3～9之间的奇数，且应考虑tprecise的取值情况，若tprecise较大，则m可取较小的值，若tprecise较小，则m可取较大的值；
s3.5：搜索连续m个判决窗口的有效频点stft频谱值之和最大的一组，该组窗口中居中的一个窗口即为与码元信号部分最吻合的窗口，该位置作为细同步输出结果。
步骤s3.3所述窗口滑动方向正确性判据包括：
(1)若窗内stft频谱值递增，则滑动方向正确；
(2)若窗内stft频谱值递减，则滑动方向错误，改为相反方向；
(3)若向前、后两个方向滑动窗内stft频谱值都递减，则该位置为窗口与信号最吻合位置，该位置作为细同步输出，细同步结束。
优选的是，所述声波信号为20hz至20khz频段的声波信号
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)帧结构设置起始帧、数据帧和结束帧，移动节点能通过起始帧识别不同的信标节点，数据帧能有效接收信标节点的坐标信息。
2)码元结构设置信号部分和置空部分，能有效避免余振效应和信号到达时间错位的影响。
3)对起始帧进行同步后无需对后续的数据帧、结束帧进行同步，可以基于起始帧的同步结果直接判决码元的位置。
附图说明
图1为本发明的定位系统框架图；
图2为本发明的系统定位示意如；
图3为声波信号的码元结构图；
图4为声波信号的信号帧结构图；
图5为叠加的信标起始帧示意图；
图6为起始帧粗同步示意图；
图7为粗同步有效信号特性分析图；
图8为起始帧粗同步流程图；
图9为起始帧细同步流程图；
图10为细同步窗口滑动捕捉示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
实施例1
定位系统主要包括信标节点和移动节点。信标节点是固定坐标系的参考点，安装于室内定位环境中，移动节点是待定位的移动目标。本实施例采用tdoa定位算法，在三维空间定位至少需要4个信标，本实施例将4个信标安装于室内定位的环境中。移动节点为可进行实时计算的移动平台。
图2为本发明的系统定位示意图。图中的节点m1、m2、m3、m4是系统的信标节点，对应坐标分别为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)、(x4,y4,z4)。节点s是待定位的移动节点，其坐标为(x,y,z)，定位的基本过程是：多个信标节点在系统同步信号控制下同时发射声波信号，移动节点接收到各信标发出的信号后进行同步、解调和解码，得出各信标信号到达时间信息和各信标的坐标信息，然后基于到达时间差(timedifferenceofarrival，tdoa)算法求出移动节点的位置。本实施例中节点m1的坐标为(0，6，3)，m2的坐标为(0，0，3)，m3的坐标为(6，0，3)，m4的坐标为(6，6，3)，坐标单位为米。
本实施例的调制方式选择二进制数字频移键控2fsk，并取f1＝17khz、f2＝19khz两个频率的声波信号作为2fsk调制信号，二进制码1映射为f1＝17khz，二进制码0映射为f2＝19khz。
信息码元结构如图3所示。一个码元包括信号部分和置空部分。该结构可保证信息传输的稳定性、可靠性和信号解码的成功率，其中，信号部分持续时长为tsig，置空部分持续时长为tnull。
一个完整的信号帧由一个起始帧、一个数据帧和一个结束帧组成，如图4所示。起始帧用于移动节点判决信标节点信号的到达、进行同步捕捉和测量各信标信号的到达时间信息。数据帧用于发送各信标节点的坐标信息。结束帧用于指示移动节点信号帧的结束。
为了使移动节点通过起始帧识别出不同的信标节点，本发明提出了移动节点基于频率信息区分信标节点的方法，该方法采用不同信标发射不同频率组合的声波信号的方式，移动节点可以根据频率实时地区分信标信号的来源。相对传统的信标轮询方式，本发明提出的方法可实现信标信号同步发送，提高了定位的实时性。
首先对各信标进行二进制编码作为信标标识号(id)，id作为每个信标起始帧的数据信息。
本发明提出的信标id的设计准则是：
1)每个id的信息位数均等于信标节点的个数；
2)每个id的有效信息位唯一且与信标节点一一对应。
按上述信标id设计准则，若选择有效信息位为1，则信标1的id为(1000)，信标2的id为(0100)，信标3的id为(0010)，信标4的id为(0001)。将设计好的信标id作为每个信标起始帧的数据信息，采用2fsk调制方式，将码1映射为频率为f1的调制信号、码0映射为频率为f2的调制信号。当各信标同时发送起始帧时，在时间上叠加的结果如图5所示。可见，这样的信标id设计使得每个码元判决窗内仅有一个频率为f1的调制信号，频率f1即是用于识别信标的有效频率成分，记为fδ，这样对起始帧的判决转变为对有效频率fδ的判决，通过对起始帧叠加信号的每个码元频率成分的分析，移动节点可以判定对应的信标。
起始帧粗同步是细同步的基础，接收端进行粗同步的目标是判定有无信标信号到达、对信息码元进行粗定位、给出下一步细同步的搜索方向。
本发明提供的起始帧粗同步方法为：接收端提取信号数据流，然后用判决窗口截取一段数据进行分析，判决窗口的长度等于码元信号部分持续时长tsig，判决窗口每次滑动的步长等于tsig，每滑动一次进行一次短时傅里叶变换(stft，short-timefouriertransform)频谱成分分析，检测有效频率fδ对应的频域值是否大于阈值，由stft给出频率成分分析结果。
起始帧粗同步示意图如图6所示。由于判决窗口长度为tsig且每次滑动步长为tsig，当一个码元的信号部分进入判决窗口时，经过连续两次窗口滑动，一般是一个窗口截取长度小于
对有效信号的特性进行分析，如图7所示，可以发现如下特性：
(1)当一个码元的信号部分进入判决窗口时，判决窗口右边沿相对信号起点的位置在[0,2tsig]区间内随机均匀分布，窗口右边沿相对信号起点的位置由0增至tsig时，窗内stft归一化频谱值由0线性增大至1；窗口右边沿相对信号起点的位置由tsig增至2tsig时，窗内stft归一化频谱值由1线性减小至0；
(2)初始窗口位置、初始窗口位置前移
max{stfti}+sec{stfti}≥3min{stfti}，i＝1,2,3
式中，sec{stfti}表示取集合{stfti}中的第二大值，集合{stfti}，i＝1，2，3即上述三个窗口内信号的stft频谱值构成的集合。
上式也可写为
考虑随机噪声的影响，可将上式中的3倍降低为略小于3的经验值，如2.8。
为了避免噪声对频率判决的干扰，将上述有效信号特性用于判决初始捕获的信号是否有效：
对初始捕获信号，若满足“初始窗口位置、初始窗口位置前移
此外，应用有效信号特性可判断下一步进行细同步的窗口滑动方向
若初始捕获信号有效，判决窗口应向窗内信号stft频谱值递增的方向滑动搜索。
设初始捕获窗口内信号的stft频谱值为stftm，初始捕获窗口前移tsig的窗内频谱值为stftf，初始捕获窗口后移
1)当stftf>stftb且stftf-stftb≥ε·stftm时，窗口前移后stft频谱值递增显著，窗口应向前滑动；
2)当stftb>stftf且stftb-stftf≥ε·stftm时，窗口后移后stft频谱值递增显著，窗口应向后滑动；
3)当stftf>stftb且stftf-stftb<ε·stftm时，窗口前移后stft频谱值递增但不显著，窗口应向前滑动，并由细同步进行窗口滑动方向正确性检验和调整；
4)当stftb>stftf且stftb-stftf<ε·stftm时，窗口后移后stft频谱值递增但不显著，窗口应向后滑动，并由细同步进行窗口滑动方向正确性检验和调整。
其中，ε为一个小于1的系数，如0.1，以ε·stftm为基准，衡量窗口前移、后移对应的stft频谱值的差值是否显著。
综上，粗同步的流程为：
(1)接收端提取信号数据流，用判决窗口截取一段数据进行分析，本实施例中，判决窗口长度等于码元信号部分持续时长tsig，即50ms，判决窗口每次滑动的步长等于tsig，即50ms，每滑动一次进行一次基于stft的频谱成分分析，检测是否捕捉到了有效频率fδ(在本实施例中fδ为f1，即17khz)，起始帧粗同步示意图如图6所示。
(2)从步骤1的计算结果中取出有效频率17khz的stft频域值与阈值进行比较，检测是否大于等于阈值，如果小于阈值则窗口继续以原步长滑动。
(3)如果大于阈值(捕捉到17khz信号)，窗口分别向前、向后继续滑动tsig，即25ms，再次检测17khz信号频率值，根据“初始捕获信号有效判据”检验其是否符合有效信号特征(仍有一个判决为有效信号)，当符合时便判决初始捕获信号有效，窗口停止滑动。
(4)给出如下2个输出结果：
输出结果一：取初始捕获有效频率17khz的位置、初始捕获位置再向前移动25ms的位置、初始捕获位置再向后移动25ms的位置三者中最大的stft频域值对应的位置作为粗同步输出结果；
输出结果二：根据“搜索窗口滑动方向判据”给出下一步进行细同步的搜索方向，例如，初始捕获位置向前移动25ms的窗内归一化频谱值小于窗口向后移动25ms的窗内归一化频谱值，则下一步进行细同步时，搜索窗口应向后移。粗同步流程如图8所示。
起始帧细同步在粗同步基础上基于stft频谱分析进一步精确定位信号位置。
取判决窗口的长度等于码元信号部分持续时长tsig，判决窗口的滑动步长tprecise则由设计要求确定：
1)要求tprecise相对各信标信号的最大到达时间差δtmax尽量小，即tprecise＜＜δtmax，以便精确测量各信标信号的到达时间信息；
2)定位精度要求，若声波传播速度为c，则导致的定位误差为tprecise·c。
判决窗口从粗同步位置向粗同步确定的方向以步长tprecise滑动，计算窗内stft频谱值并存储结果，窗口滑动并计算若干次频谱值后，检验滑动方向是否正确，由有效信号特性，可得出如下检验判据：
1)若窗内stft频谱值递增，则滑动方向正确；
2)若窗内stft频谱值递减，则滑动方向错误，改为相反方向；
3)若向前、后两个方向滑动窗内stft频谱值都递减，则该位置为窗口与信号最吻合位置，该位置作为细同步输出，细同步结束。
为提高抗干扰性，可计算连续几个窗口的有效频点stft频谱值之和，并考察其沿着窗口滑动方向递增或递减的情况。
由图6中的码元时长关系可知，以粗同步位置为起点，细同步判决窗口向前、向后最多滑动
为提高抗干扰性，本发明提出的细同步方法不是搜索有效频点stft频谱最大峰值并将对应的位置作为细同步输出，而是搜索连续几个判决窗口有效频点stft频谱值之和最大的一组窗口，并将该组窗口中居中的一个窗口的位置作为细同步输出。
综上，细同步的流程如图9所示：
(1)确定参数：
1)取判决窗口的长度为码元信号部分持续时长tsig，即50ms。
2)本实施例中，信标间最大距离是6米，设声音速度为340m/s，则对应的最大时间差为
(2)判决窗口以粗同步位置为起点，沿着粗同步确定的滑动方向(本实施例为向后)以tprecise＝0.1ms为步长滑动。每滑动一次计算一次窗内信号的stft频谱值并存储。
(3)根据“窗口滑动方向正确性判据”检验滑动方向是否正确，为提高抗干扰性，计算连续5个判决窗口的有效频点stft频谱值之和，并考察其是否沿着窗口滑动方向递增，若递增则方向正确，若递减则调整为窗口从粗同步位置开始沿相反方向滑动，若沿着反向stft频谱值之和仍然递减，则该位置为细同步结果，提前结束细同步；
(4)检测是否达到最大滑动次数
(5)搜索连续m＝5个判决窗口的有效频点stft频谱值之和最大的一组，该组窗口中居中的一个窗口即为与码元信号部分最吻合的窗口，该位置作为细同步输出结果，细同步完成。
图10为细同步窗口滑动捕捉示意图，图中由上至下给出了码元结构图、粗同步窗口位置、细同步窗口滑动捕捉过程，图中示意了连续m＝5个判决窗口的有效频点stft频谱值之和最大的一组，该组窗口中居中的一个窗口(从下面数第3个)即为与码元信号部分最吻合的窗口，该窗口位置作为细同步的输出结果。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。