确定多普勒引起的码相位偏差的位置确定系统的制作方法

本发明涉及用于确定移动接收机单元的位置的系统和方法。

背景技术：

已知使用诸如超声信号的信号通过从多个发射机单元(可以固定到建筑物的墙壁或天花板)发射信号来以三维确定移动单元或标签的位置。信号编码相应的发射机单元的标识符。这些信号由移动接收机单元(可以附接到诸如人或设备的对象)接收。如果静态发射机单元的位置是已知的，则使用标准几何计算，一组信号到达移动单元中的一个的时间可以用来估计该移动单元在环境中的位置。在us6292106(cubicdefencesystems,inc.)中描述这种系统的示例。

在wo2012/137017中，申请人已经公开其中多个静态发射机站发射相应的相位调制签名的定位系统。每个签名由11比特巴克码的两个或多个实例组成，所述实例具有特定于相应的发射机站的时间和相位偏移。签名由移动接收机单元接收，并且它们的到达时间用来确定接收机单元的位置。传输还可以包括可选的消息数据。由于多普勒效应，超声信号中可能存在运动引起的相位变化，因此接收机单元不使用正交调制器将再生的载波信号与所接收的信号混合，如通常在同步无线电系统中所做的那样。替代地，将所接收的信号与巴克码的参考副本互相关，从而生成包含同相信息和正交信息两者的复数相关信号z(i)，根据其确定对应于特定发射机站的签名的存在和到达时间。

尽管已经发现wo2012/137017中描述的方法非常有效，但是申请人已经发现，可以如本申请中所述对信令进行进一步的精确和可靠性改善。

因此，本发明试图提供改进的方法。

技术实现要素：

根据第一方面，本发明提供一种用于确定移动接收机单元在环境中的位置的系统，所述系统包括：

多个发射机单元，每个发射机单元包括发射机并且被配置成发射被相位调制在载波信号上的相应的发射机单元标识符；

移动接收机单元，其包括接收机并且被配置成从所述多个发射机单元中的发射机单元接收对发射机单元标识符进行编码的信号；以及

处理子系统，其被配置成：

对所接收的信号进行采样以生成表示所述所接收的信号的采样数据，其中所述发射机单元标识符跨越所述采样数据的发射机单元标识符承载部分；

获得对应于所述发射机单元标识符的模板数据；

分析所述采样数据以确定在所述采样数据的所述发射机单元标识符承载部分内的多普勒引起的相位偏差；

调整所述模板数据或所述采样数据，以便使所述模板数据内或所述采样数据的所述发射机单元标识符承载部分内的一个或多个相移改变取决于所确定的多普勒引起的相位偏差的量；

在所述调整之后，将所述模板数据与所述采样数据互相关；

确定所述发射机单元标识符到达所述移动接收机单元的到达时间；

从所述采样数据中解码所述发射机单元标识符；以及

使用所述到达时间和所解码的发射机单元标识符来确定与所述移动接收机单元在环境中的位置有关的信息。

根据第二方面，本发明提供一种确定移动接收机单元在环境中的位置的方法，所述方法包括：

对由所述移动接收机单元接收的信号进行采样以生成表示所接收的信号的采样数据，其中发射机单元的发射机单元标识符跨越所述采样数据的发射机单元标识符承载部分；

提供对应于所述发射机单元标识符的模板数据；

分析所述采样数据以确定在所述采样数据的所述发射机单元标识符承载部分内的多普勒引起的相位偏差；

调整所述模板数据或所述采样数据，以便使所述模板数据内或所述采样数据的所述发射机单元标识符承载部分内的一个或多个相移改变取决于所确定的多普勒引起的相位偏差的量；

在所述调整之后，将所述模板数据与所述采样数据互相关；

确定所述发射机单元标识符到达所述移动接收机单元的到达时间；

从所述采样数据中解码所述发射机单元标识符；以及

使用所述到达时间和所解码的发射机单元标识符来确定与所述移动接收机单元在环境中的位置有关的信息。

因此，本领域技术人员将看到，根据本发明，由移动接收机单元与发射机单元之间的相对运动引起的对发射的发射机单元标识符的改变在发射机单元标识符与模板数据互相关之前被补偿，以便确定到达时间。已经发现这导致更精确的互相关结果，这导致由移动接收机单元接收的发射机单元标识符的成功解码的更高的速率。

这与wo2012/137017中描述的方法形成对比，在wo2012/137017中，所接收的信号与11比特巴克码互相关而没有任何这种补偿。替代地，wo2012/137017教导在已经执行该互相关之后对运动引起的相移施加补偿，并且随后仅补偿可能跟随签名的任何可选的消息数据的解码(而不是签名本身的解码)。

然而，申请人现在已经意识到，通过对原始样本或对原始模板数据应用相位调整，在执行样本与模板数据的互相关之前，可以显著改善正确检测发射的发射机单元标识符的可能性。

在期望移动接收机单元以环境中的信号的速度的两个或三个数量级内的速度移动的情况下，本发明的优点尤其明显。发射的信号可以是电磁信号，例如无线电信号或光信号，但是在一组优选的实施例中，它们是声信号。它们可以是超声信号。超声信号是具有高于正常人类听力范围的频率的声信号，通常，这意味着具有大于20khz(例如在30khz与100khz之间)的频率的信号。

声信号特别适合在定位系统中使用，尤其是在室内使用，因为它们行进的速度比无线电波和光波慢得多。因此，与使用光速信号的实施例相比，对于给定的空间分辨率，使用声信号的实施例可以需要较不精确的时间测量。

环境可以是室内环境，尽管这不是必需的。其可以例如包括一个或多个建筑物，诸如购物中心、医院、仓库、办公综合楼、家庭住宅等。

发射机单元可以是移动的，但是优选地是静态的。它们可以例如固定到建筑物的相应结构构件，诸如到一个或多个墙壁或天花板。不管发射机单元是移动的还是静止的，或者是两者的组合，它们的位置都可以为处理子系统所知。这可以帮助处理子系统确定移动接收机单元在环境中的位置。

每个发射机单元优选地间隔，例如周期性地，重复发射其相应的发射机单元标识符。这使得随时间推移能够追踪移动接收机单元的位置。

移动单元可以包括处理子系统中的一些或全部。这可以避免从移动接收机单元传送数据以在其他地方(例如，在远程服务器上)进行处理的需要。

在一些实施例中，发射机单元中的一者或多者可以包括处理子系统中的一些或全部。处理子系统中的一些或全部可以在移动接收机单元和发射机单元的外部，例如，在一个或多个外部服务器上。这在减少对移动接收机单元的处理要求方面可以是有利的，即使在考虑从移动接收机单元发射数据(例如，通过无线电)的需要之后，这也可以减少其成本和功耗。当移动接收机单元由电池供电时，这尤其有用。处理子系统可以拆分为多个处理器或多个位置，或拆分为两者。移动接收机单元可以被配置成将所接收的信号或从所接收的信号导出的信息发射到远程处理单元。移动接收机单元和/或发射机单元可以包括用于发射与接收或发射的信号有关的信息的有线或无线发射机，诸如无线电发射机。

系统可以包括被布置成将定时信息发射到发射机单元和/或移动接收机单元的无线电发射机。发射机单元和移动接收机单元可以同步，以使得代替到达时间差，到达时间信息可以用于定位。这可以要求较少的发射机单元在范围内，并且可以更精确。

优选地，处理子系统被配置成使用一个或多个信号的相应的传输时间和/或相应的到达时间来确定与移动接收机单元与发射机单元中的一者或多者之间的相应距离有关的信息，并在确定移动接收机单元的位置时使用该距离信息。

移动接收机单元可以被配置成从不同的发射机单元接收多个所述信号，并且处理子系统可以被配置成对所接收的发射机单元标识符进行解码，并使用发射机单元标识符来确定与移动接收机单元的位置有关的信息。

处理子系统可以使用信号强度和/或到达时间和/或到达时间差信息来确定与移动接收机单元的位置有关的信息，例如，通过执行对于本领域技术人员来说是熟悉的三边测量计算。与移动接收机单元的位置有关的信息可以例如包括移动单元相对于固定原点的估计位置坐标。位置信息可以在二维或三维上与移动接收机单元的位置有关。

处理子系统可以使用确定的多普勒引起的相位偏差来确定移动接收机单元的速度或速率信息。速率信息的速度可以是绝对的(例如，相对于地面的速度)，或者其可以是相对的，具体地，如果发射机单元中的一者或多者是移动的，则速度或速率信息可以与本身可以处于运动中的移动发射机单元有关。当确定与移动接收机单元的位置有关的信息时，可以另外使用该速度或速率信息。例如，处理子系统可以使用卡尔曼滤波器来确定位置信息，并且可以将例如除了移动接收机单元与发射机单元中的一者或多者之间的距离的一系列值之外的速率信息输入到卡尔曼滤波器。

移动接收机单元可以是专用定位标签，例如，其包括用于将标签紧固到人或对象上，用于追踪人或对象的装置，或者其可以是具有附加功能的便携式电子设备，诸如移动电话或平板电脑。

移动接收机单元可以包含所有处理子系统，当移动接收机单元具有显示屏和功能强大的处理器(例如，如果其是智能手机)时，这可以特别适用。在这种情况下，移动接收机单元可以被布置成存储与其位置有关的信息。

在其他实施例中，移动接收机单元可以包括处理子系统的仅一些部分，或者甚至不包括其任何部分，例如，包括用于对接收机信号进行采样的采样器，而处理子系统的其他部分，例如，被配置成使用到达时间和解码后的发射机单元标识符以确定移动接收机单元的位置的元件，可以驻留在一个或多个其他单元中，诸如在远程计算机或服务器上。移动接收机单元可以包括无线电、光学或其他发射机，例如蓝牙、wifi或蜂窝网络发射机。其可以使用发射机将与所接收的超声信号有关的数据发射到远程处理单元；这可以是模拟声音文件或数字样本或已处理的数据。

每个发射机单元的发射机可以包括无线电天线、发光元件、声换能器或发射相位调制载波信号的其他适当装置。其可以包括用于驱动或控制传输的适当电路，诸如dac、放大器等。在一组优选的实施例中，每个发射机单元包括用于产生超声信号的至少一个超声换能器。

处理子系统和/或每个发射机单元和/或移动接收机单元可以包括用于进行所描述的步骤的处理器、dsp、asic、fpga中的任一者或多者。其可以包括用于存储数据和/或用于存储将由处理器、dsp或fpga执行的软件指令的存储器。其可以包括任何其他适当的模拟或数字部件，包括电源、振荡器、adc、dac、ram、闪存、网络接口、用户接口等。其可以是单个单元或可以包括可以被布置成通过一个或多个有线或无线链路进行通信的多个处理单元。

位置确定系统优选地还包括数据存储器和/或显示器和/或数据连接，并且被布置成存储和/或显示和/或电子传送与移动接收机单元的位置有关的信息。系统可以例如被布置成在建筑物或环境的地图或平面图上指示移动接收机单元的位置。

每个发射机单元可以被配置成发射不同的发射机单元标识符。处理子系统可以被布置成根据解码后的发射机单元标识符确定发射机单元的标识。处理子系统可以访问与发射机单元在环境中的位置有关的信息，并且可以在确定移动接收机单元的位置时使用该信息。然而，应理解，在较大的系统中，可以有必要在发射机单元之间共享标识符。这可以通过确保标识符在具有重叠传输范围的发射机单元之间不共享，或者通过提供附加信息来完成，处理子系统可以使用所述附加信息来从解码后的发射机单元标识符来确定发射机单元的标识。

每个发射机单元标识符可以包括或者可以是预先确定的模式。每个发射机单元标识符可以是相移键(psk)编码的、或差分相移键(dpsk)编码的、序列或代码，例如，正交(qpsk)编码的序列。发射机单元标识符优选地全部是公共长度。尽管被相位调制在载波信号上的发射机单元标识符可以包括一个或多个巴克码，如wo2012/137017中所述(其全部内容以引用方式并入本文)，但是在优选实施例中，发射机单元标识符包括或者是互补码键控(cck)码。发射机单元标识符可以是单个cck码。cck码可以是八个复数码片长(对应于十六比特)。每个发射机单元可以被配置成发射不同的相应cck码作为发射机单元标识符。

如本领域中已知，cck码是在零点偏移时给出强自相关并且在非零点偏移时给出低自相关的序列。它们的自相关特性使它们高度耐受由无线通信环境中的多径传播引起的符号间干扰。长度为8个码片的cck码是已知的，旨在将其在载波上进行qpsk编码。

当然，可以使用其他发射机单元标识符和/或相位调制方案，诸如戈莱码、金氏码、m进制正交键控、正交调幅(qam)等。

由于声信号中可能存在运动引起的相位变化，因此通常不期望使用正交调制器将再生的载波信号与所接收的信号混合，如通常在同步无线电接收机中所做的那样。替代地，处理子系统将模板数据与采样数据互相关。(应理解，该互相关运算可以任何适当的方式来实现，并且可以将模板数据与采样数据互相关，反之亦然)。

模板数据可以由处理子系统生成，或者可以由处理子系统例如从存储器中检索。用于发射机单元标识符的模板数据可以包括表示相位调制的发射机单元标识符、优选在基带处、以间隔采样的一组值(其可以是复数值)。然而，其他表示当然也是可能的。

发射机单元可以以公共码片(或符号)速率来发射它们相应的发射机单元标识符。码片优选地对应于相位调制的基本符号，诸如使用qpsk时的比特对。处理子系统可以等于或优选地大于码片速率(例如，码片速率的至少两倍或四倍)的采样速率对所接收的信号进行采样。它可以最初以较高的速率对所接收的信号进行采样，并且随后降采样(例如，使用抽取)到较低的采样率。该较低的采样率可以仍然大于码片速率(优选地至少是码片速率的两倍)，但优选地不超过码片速率的16、8或4倍。处理子系统可以最少四倍的码片速率对所接收的信号进行采样，以便降低直接在所接收的码片的相变边缘上采样的风险。

处理子系统可以被配置成使用滑动能量窗口来检测采样数据内的发射机单元标识符。能量窗口的长度可以等于发射机单元标识符的长度。

能量窗口可以应用于采样数据以生成一系列能量值，每个能量值表示在采样数据内能量窗口的相应位置处、能量窗口内的样本的能量。位置可以例如一对一地对应于样本，以使得能量窗口一次一个样本地跨过采样数据。(需注意，如先前所说明，所接收的信号首先可以从较高的初始采样率降采样。)可以通过识别能量值中的峰值来检测发射机单元标识符。处理子系统可以要求峰值满足要检测的发射机单元标识符的一个或多个标准，诸如超过阈值水平。每个能量值可以任何适当的方式表示能量窗口内的一些或所有样本的能量或功率值的平均值或总和。

由于期望表示发射机单元标识符的样本的能量水平高于表示背景噪声的样本的能量水平，因此当能量窗口与采样数据的发射机单元标识符承载部分精确对准时，预期能量值的序列处于最高水平。

当在滑动能量窗口的特定位置处已经检测到发射机单元标识符时，可以选择所述位置处的能量窗口内的样本作为采样数据的发射机单元标识符承载部分。

能量窗口可以被布置成忽略窗口内的一个或多个固定位置处的样本。这可以用于滤除所接收的信号的例如由发射机单元和/或移动接收机单元上的换能器对相移的响应性的实际限制引起的伪影可能影响的样本。例如，在一些实施例中，能量窗口的能量窗口函数可以忽略发射机单元标识符的每个码片的第一样本和/或最后样本，因为在发射机单元标识符的连续码片之间的边界处的样本更可能由于潜在的相移而经历不稳定的幅度变化，所述相移在其他方面可能对能量窗口内的能量或功率计算产生负面影响。

发射机单元标识符的到达时间可以从能量值中的峰值的时间位置来确定。该到达时间或时间位置随后可以用于选择跨越采样数据的发射机单元标识符承载部分的一组样本，用于进一步分析。可以一个采样间隔的分辨率来确定到达时间。然而，在一些实施例中，处理子系统可以从能量值导出梯度信息，并且使用梯度信息来以比所述间隔更精细的时间分辨率识别能量值中的峰值的位置。峰值检测器可以基于跨越三个连续能量值的滑动峰值检测窗口来识别峰值。在能量值序列中的每个位置处，位置之前的梯度和位置之后的梯度可以用于识别峰值。这些梯度的这些幅度可以用于估计峰值的位置。峰值检测还可能需要能量值的二阶导数来满足要检测峰值的条件，因为这可以提供峰值与噪声的更好分离。

尽管在一些实施例中，随后可以确定更精确的到达时间，但是可以单独使用根据能量窗口的到达时间来节省功率。因此，在一些实施例中，如果从能量值中的峰值的时间位置确定的飞行时间与先前确定的飞行时间(由发射机单元的较早传输确定)相同或者在其阈值之内，则处理子系统可以不对能量窗口中的样本进行进一步分析；其可能保持在低功耗模式。处理系统可以被配置成仅在移动接收机单元与发射机单元中的一者或多者之间的距离已经变化超过阈值量时执行分析。

据信，这种使用对应长度的能量窗口来检测采样信号数据内的固定长度的相位调制或频率调制信号的方法本身是新颖的。

因此，根据其他方面，本发明提供检测具有固定长度的相位调制或频率调制信号的方法，所述方法包括：

对接收的信号进行间隔采样以生成采样数据；

将具有等于所述固定长度的长度的滑动能量窗口应用于所述采样数据以生成一系列能量值，每个能量值表示在所述采样数据内所述能量窗口的相应位置处、所述能量窗口内的样本的能量；以及

通过识别所述能量值中的峰值来检测所述固定长度相位调制信号或频率调制信号。

根据另一方面，本发明提供用于检测具有固定长度的相位调制或频率调制信号的接收机设备，所述接收机设备包括：

用于接收无线信号的输入端；以及

处理系统，

其中所述处理系统被配置成：

对在所述输入端处接收的信号进行间隔采样以生成采样数据；

将具有等于所述固定长度的长度的滑动能量窗口应用于所述采样数据以生成一系列能量值，每个能量值表示在所述采样数据内所述能量窗口的相应位置处、所述能量窗口内的样本的能量；以及

通过识别所述能量值中的峰值来检测所述固定长度相位调制信号或频率调制信号。

峰值可能必须满足要检测的固定长度的相位调制或频率调制信号的一个或多个标准，例如超过阈值水平。

据信，使用能量值中的梯度信息来估计固定长度的相位调制或频率调制信号的到达时间本身也是新颖的。

因此，根据其他方面，本发明提供估计具有固定长度的相位调制或频率调制信号的到达时间的方法，所述方法包括：

对接收的信号进行间隔采样以生成采样数据；

将具有等于所述固定长度的长度的滑动能量窗口应用于所述采样数据以生成一系列能量值，每个能量值表示在所述采样数据内所述能量窗口的相应位置处、所述能量窗口内的样本的能量；

从所述能量值导出梯度信息，并且使用所述梯度信息来以比所述间隔更精细的时间分辨率识别所述能量值中的峰值的位置；以及

根据所述峰值的所述位置估计所述相位调制信号或频率调制信号的到达时间。

根据另一方面，本发明提供用于估计具有固定长度的相位调制或频率调制信号的到达时间的接收机设备，所述接收机设备包括：

用于接收无线信号的输入端；以及

处理系统，

其中所述处理系统被配置成：

对在所述输入端处接收的信号进行间隔采样以生成采样数据；

将具有等于所述固定长度的长度的滑动能量窗口应用于所述采样数据以生成一系列能量值，每个能量值表示在所述采样数据内所述能量窗口的相应位置处、所述能量窗口内的样本的能量；

从所述能量值导出梯度信息，并且使用所述梯度信息来以比所述间隔更精细的时间分辨率识别所述能量值中的峰值的位置；以及

根据所述峰值的所述位置估计所述相位调制信号或频率调制信号的到达时间。

如前所述，具有固定长度的相位调制或频率调制信号可以是发射机单元标识符。在适当的情况下，本文所公开的任何方面或实施例的特征也可以是这些方面的实施例的特征，反之亦然。

在本文所公开的任何方面中，存在可以分析采样数据以确定多普勒引起的相位偏差的许多不同的方式。还存在可以调整模板数据或采样数据并且可以使它们互相关以确定发射机单元标识符的到达时间的许多不同的方式。还存在可以从采样数据中解码发射机单元标识符的许多不同的方式。

从其确定相位偏差的发射机单元标识符承载部分可以等于采样数据中的发射机单元标识符的长度，或者其可以小于发射机单元标识符。如果其仅覆盖编码的发射机单元标识符的一部分，则在一些实施例中，可以调整采样数据，以便另外使发射机单元标识符承载部分之外的一个或多个相移改变取决于确定的多普勒引起的相位偏差的量。

在一组实施例中，每个编码的发射机单元标识符包括在第一位置处的第一符号和在第二位置处的第二符号，其中所述第一符号和所述第二符号具有预先确定的相位关系。对于所有发射机单元标识符，第一位置和第二位置优选是相同的。它们可能是相邻的符号。对于所有发射机单元标识符，预先确定的相位关系优选是相同的。每个编码的发射机单元标识符可以包括在预先确定的位置处的另外的参考符号，所有参考符号都具有预先确定的相位差。

处理子系统可以从这些参考符号的样本确定多普勒引起的相位偏差。处理子系统还可以可选地分析所接收的发射机单元标识符的在发射机单元之间不同的区别部分的一个或多个样本，以确定相位偏差；然而，因为这些样本的相位通常预先不为处理子系统所知，所以在一些实施例中，仅分析参考符号以确定多普勒引起的相位偏差。

例如，发射机单元标识符可以全部包括由两个或更多个预先确定的qpsk比特对组成的前导码。这些可以用作参考符号，因为从第一比特对到第二比特对(例如，加上90度)的相变是预先已知的，并且对于所有发射机单元标识符都是相同的。在一些实施例中，这两个或更多个qpsk比特对中的最后一个比特对可以是cck码的第一码片。在这种情况下，cck的剩下七个码片可以形成每个发射机单元标识符的区别部分。

优选地，第一符号和第二符号是相邻的符号并且偏移180度。已经发现在每个发射机单元标识符中的已知位置处包括这种最大相位变化可以提高多普勒引起的相位偏差测量的精度。其还可以根据互相关提高到达时间测量的时间精度。然而，也可以使用其他相位偏移。

处理子系统可以通过计算与参考符号有关的样本上的相位偏差率(不是由于编码)来确定多普勒引起的相位偏差。其可以将这些样本中的至少一些乘以在对应的样本位置处发射的相应符号的复共轭。这消除由于编码和相位调制而引起的相移。其可以对所得值相位解缠，以在连续相空间中生成一组值。处理子系统可以表征与该组值的线性相位偏差(优选在解缠后)。其可以例如使用线性回归来确定该组解缠值的梯度。该梯度可以表示多普勒引起的相位偏差。

可以从乘法运算中排除一个或多个样本，诸如与所有发射机单元标识符中的已知相变的位置相邻的样本。通过去除可能由于发射或接收换能器或天线中引入的伪影而不可靠的样本，这可以提高多普勒引起的相位偏差的估计的精度。

随后，处理子系统可以使用梯度或线性相位偏差的其他表征来调整采样数据的发射机单元标识符承载部分内的样本中的一些或全部。其可以通过使每个样本旋转例如通过线性外推从梯度或表征确定的角度来完成该操作。

在一些实施例中，处理子系统确定发射机单元标识符承载部分内的样本子集以进行调整。处理子系统可以使用参考符号的样本来选择发射机单元标识符的样本，以执行所述调整和/或用于解码发射机单元标识符。处理子系统可以使用参考符号的样本来从发射机单元标识符的每个码片中选择样本，所述样本基本上不受缓慢的换能器相位响应的影响(在发射机单元标识符的连续码片之间改变相位输出时)。通过选择性地选择用于解码过程的采样数据，可以避免跨越连续码片之间的相变的数据样本，因为由于码片转变之间的换能器响应缓慢，这些样本通常表现出较大的相位变化。

处理子系统可以针对发射机单元标识符的区别部分的每个码片或符号仅调整一个样本；这些可以处于每个码片(例如，每个码片的第三样本)的共同的相应位置。其可以通过基于估计的多普勒引起的相位偏差使参考符号中的两者或更多者旋转并且随后针对一个符号内的每个样本索引，分析该样本索引处的参考符号，并且根据质量标准选择具有最高分的样本索引来确定要调整的样本。在区别部分的符号内的该样本索引处的样本随后可以调整，并且用于解码和/或互相关运算。质量标准可以是参考符号上每个(旋转的)样本处同相分量值的平均值。这可以避免其相位和/或幅度可能已经受到编码引起的相位跳变周围的发射或接收分量的限制的影响的样本。随后的互相关可以码片速率执行，或者所选择的样本可以例如按比例放大到采样率。

处理子系统可以使用互相关来从调整后的数据样本中解码发射机单元标识符。使用采样数据的子集来解码发射机单元标识符可以降低解码过程的复杂性。通过将调整后的采样数据与用于发射机单元标识符中的每一者的模板数据互相关，可以从采样数据中解码发射机单元标识符。用于每个发射机单元标识符的模板数据可以包括在基带处间隔对应于相位调制的发射机单元标识符的一组复数值。处理子系统可以为每个候选发射机单元标识符生成相关幅度数据。在所有的发射机单元标识符中的其相关幅度数据具有最高峰值的发射机单元标识符可以被选择作为解码的发射机单元标识符。当发射机单元标识符包括相应的cck码时，处理子系统可以包括快速沃尔什变换单元，其可以使用快速沃尔什变换操作将调整后的采样数据与模板数据互相关。

在这些实施例中，互相关优选地包括时域中的逐点乘法和加法。

在将采样数据与调整后的模板数据互相关之前，一些实施例可以基于多普勒引起的相位偏差来使模板数据旋转，而不是调整采样数据。然而，这具有较低的效率。

可以根据模板数据与采样数据的互相关来确定到达时间。这可以代替或用于改善根据滑动能量窗口确定的到达时间。

信号的到达时间可以根据用于解码的发射机单元标识符的相关幅度数据中的峰值的时间位置来确定。可以比采样率或码片速率更精细的时间分辨率来确定相关幅度数据中的峰值。峰值检测器可以使用相关幅度数据随时间的导数来以比采样率更精细的时间分辨率确定峰值的位置。接收机单元可以另外使用峰值的位置来确定信号到达接收机的到达时间。

在一组优选的实施例中，峰值检测器可以基于跨越三个连续样本点的滑动窗口来识别峰值。在相关幅度数据中的每个点处，点之前的梯度和点之后的梯度可以用于识别峰值。这些梯度还优选地用于基于梯度的相应幅度来估计峰值的位置。阈值最小值也可以应用于要检测的峰值。峰值检测还可能需要相关函数的二阶导数来满足条件，因为这可以提供峰值与噪声的更好分离。

在一组实施例中，处理子系统通过计算发射机单元标识符的区别部分内的采样数据的相位随时间的导数来确定多普勒引起的相位偏差。

这可以避免在发射机单元标识符中包括参考符号(诸如前导码)的需要，因此提高传输的带宽效率。这对于带宽极其有限并且较短传输有益的声学传输特别重要。较短传输占用较少的信道容量，不容易受到多径干扰，并且更有可能在其持续时间内仅经历恒定的多普勒频移(而不是变化的多普勒频移)。

处理子系统可以针对采样数据的发射机单元标识符承载部分内的一个或多个或每个连续样本对计算相位导数。

由于多普勒频移可以表征为发射的信号的相位随时间的线性偏差(假设移动接收机单元在传输的持续时间内恒定的相对运动)，因此发射机单元标识符中的相同码片或符号的连续复数iq数据样本的相位导数可以用于估计多普勒引起的相位失真。

优选地，根据从发射机单元标识符承载部分中的样本的子集计算出的相位导数来确定多普勒引起的相位偏差。子集可以通过滤除受发射机单元标识符中的编码引起的相移影响的样本或导数值而获得。子集可以通过对相位导数值进行滤波以去除离群值而获得。

可以通过以升序对相位导数值进行排序并保留中心分数(例如，四分位距中的值)来执行相位导数值的滤波。这允许在执行多普勒引起的相位偏差的确定之前，滤除由具有不同编码值的两个码片上的连续样本产生的较大的相位导数值。

可以对相位导数(任选地在滤波之后)进行平均，以估计在发射机单元标识符承载部分上的多普勒引起的相位偏差率。

处理子系统可以使用相位导数值来选择采样数据的样本，以进行调整和/或用于解码发射机单元标识符。处理子系统可以使用相位导数值来选择样本(例如，来自发射机单元标识符的每个码片的一个样本)，所述样本受编码引起的相变和/或由环境噪声引起的相位变化的影响较小。

在一些实施例中，采样数据的幅度的导数可以用于选择采样数据的样本，针对所述样本执行基于多普勒引起的相位偏差的所述调整。幅度数据的导数可以与相位导数值结合使用，以选择采样数据的基本上不受换能器响应的不规则性(诸如在码片转变时出现的不规则相位或幅度值)的影响的样本。

由于在由于跨两个连续码片进行编码而出现的相位变化期间，可以抑制由换能器产生的信号的幅度，因此在那些情况下出现的样本的相位值可能不可靠。因此，可以通过去除幅度数据的导数高于阈值的位置处的样本对采样数据进行滤波。

可选地，相位的导数可以比采样数据更高的时间分辨率获得。这是可能的，如果已从初始采样数据中对采样数据进行降采样的话。随后，可以在降采样之前基于初始采样数据来确定相位的导数。

优选地，通过基于多普勒引起的相位偏移来使样本解旋来调整采样数据或样本的子集。可替代地，模板数据可以旋转，但这较不优选。

在一些实施例中，处理子系统可以分析调整后的采样数据以确定在调整后的采样数据内的多普勒引起的相位偏差的进一步估计。通过改变调整后的采样数据内的一个或多个相移，对多普勒引起的相位偏差的进一步估计可以用于调整调整后的采样数据。使用调整后的采样数据对多普勒引起的相位偏差执行第二估计可以是有益的，因为由于时间导数的噪声性质，多普勒引起的相位偏差的初始估计可能不精确。计算剩下的多普勒引起的相位偏差的附加估计并且基于进一步估计来进一步调整调整后的采样数据，可以允许去除更多的多普勒引起的相位失真。处理子系统可以通过从调整后的采样数据中去除一个或多个编码引起的相移来计算多普勒引起的相位偏差的进一步估计。随后，其可以例如通过执行线性回归操作以确定梯度来表征所得数据内的线性相位偏差。通过从调整后的采样数据的每个相位值中减去pi/2弧度的整数倍直到所有相位值都在宽度pi/2的范围内(例如，在零到pi/2的范围内)，可以从调整后的采样数据中去除编码引起的相位分量。该减法过程应消除所有编码引起的相位跳变，仅留下剩下的多普勒引起的相位偏差。

在一组实施例中，处理子系统分析采样数据以针对多个发射机单元标识符模板中的每一者确定采样数据的发射机单元标识符承载部分内的相位偏差。换句话说，对于多个发射机单元标识符中的每一者，处理子系统可以假设已经接收特定的发射机单元标识符，并且可以基于该假设来估计不是由于编码而引起的相位偏差。随后，其可以针对多个发射机单元标识符中的每一者测试相位偏差估计的质量并且滤波不满足质量标准的发射机单元标识符。该方法可能需要更多的处理能力，但是可以在不需要将任何相位参考符号包括在发射机单元标识符中的情况下执行，从而有效地利用有限的带宽。

可以通过对发射机单元标识符承载部分中的样本且对相应的发射机单元标识符模板执行逐样本乘法运算来确定相位偏差。在执行逐样本乘法之前，乘法运算可以采用输入中的一者(例如，发射机单元标识符模板)的复共轭。发射机单元标识符承载部分中的每个样本都可以相乘，或者仅子集相乘。逐样本乘法运算可以对每个模板执行一次，或者其可以在不同的时间偏移处执行多于一次，例如，如果不能精确地知道样本数据内的发射机单元标识符的时间位置的话。对于正确的发射机单元标识符，该乘法运算应消除由于编码引起的所有相移，仅(或主要)留下由于多普勒频移引起的相位偏差。(对于不匹配的发射机单元标识符，相位偏差可以归因于编码偏移和多普勒频移的组合。)处理子系统可以例如通过线性回归从逐样本乘法运算的输出确定梯度信息，并且可以从梯度信息确定相位偏差。处理子系统可以滤除一个或多个发射机单元标识符，对于所述发射机单元标识符，逐样本乘法运算的输出的相关系数、标准偏差、方差或其他一致性测量值高于阈值。

对于一些实施例，当在滤波之后仅剩下一个发射机单元标识符时，则已经解码发射机单元标识符。当在滤波之后留下多个发射机单元标识符时，优选地，对于多个发射机单元标识符中的每一者，调整相应的发射机单元标识符模板(即，模板数据)以便使模板内的一个或多个相移改变取决于该发射机单元标识符的相应确定的(多普勒引起的)相位偏差的量。这可以通过根据相应的相位偏差估计来使样本旋转来完成。随后，每个调整后的模板可以与采样数据互相关，并且可以识别所有调整后的模板中的具有最高相关峰值的模板。以这种方式，可以解码发射机单元标识符(作为与所识别的模板相对应的标识符)。

在一些实施例中，优选地对于每个发射机单元标识符，可以在发射机单元标识符承载部分内的采样数据与多个发射机单元标识符模板中的每一者之间执行初始互相关运算。这可以在估计任何相位偏差之前完成。在为剩下的多个发射机单元标识符模板估计相位偏差之前，可以滤除其互相关幅度不超过阈值的任一个或多个发射机单元标识符模板。通过去除一些模板，该初始粗滤波可以使解码过程更有效。其还可以为逐样本乘法运算提供对准信息。互相关运算用于在特定的时间对准处针对一个正确匹配的发射机单元标识符模板消除编码引起的相位跳变，从而导致在该时间位置处的相关幅度峰值。然而，由于可能存在多普勒频移，直接基于该初始相关数据来解码发射的发射机单元标识符可能是可靠的。

如前所述，到达时间可以根据能量窗口确定。然而，其可以根据所述初始互相关运算，或者根据与调整后的模板的随后互相关确定。

在一些实施例中，在与相应模板的每个互相关之前，可以基于相应确定的(多普勒引起的)相位偏差来调整样本数据。这可以完成而不是调整模板。

在一些实施例中，可以例如通过在执行线性回归之前丢弃一些值根据逐样本乘法运算的输出中的值的子集来确定多个发射机单元标识符模板中的每一者的相应的多普勒引起的相位偏差。逐样本乘法运算数据的输出中的值的幅度可以用于确定对于每个模板，输出的哪些值用于估计多普勒引起的相位偏差。例如，处理子系统可以选择输出的所有偶数索引值或所有奇数索引值，这取决于值的哪个子集在求和时具有较高的值。这可以确保仅使用与发射机单元标识符模板精确对准的那些样本。

在一些实施例中，处理子系统可以在确定相应的多普勒引起的相位偏差之前，去除逐样本乘法运算的输出中的对应于预先确定的样本索引位置的值。这可以允许排除已知可能受编码引起的相变的影响的位置处的值，以便提高结果的质量。预先确定的样本索引位置可以取决于特定的发射机单元标识符模板，因为相变的位置由于每一个的不同基础二进制值而将在模板之间不同。

尽管多普勒引起的相位偏差在本文中通常描述为线性的(假设移动单元的任何相对运动在发射机单元标识符传输的持续时间内将是恒定的)，但是应理解，在一些实施例中，非线性多普勒引起的相位偏差可以被确定并用于调整模板数据或采样数据。在例如已知移动接收机单元正在加速或遵循非线性轨迹的情况下，这可能是相关的。在这种情况下，线性回归可以用二次回归、指数回归或任何其他适当的分析代替。

在适当的情况下，本文描述的任何方面或实施例的特征可以应用于本文描述的任何其他方面或实施例。在参考不同实施例或实施例集合的情况下，应理解，这些未必是不同的，而是可重叠。

附图说明

现在将参考附图仅通过举例的方式描述本发明的某些优选实施例，其中：

图1是体现本发明的定位系统的透视图；

图2是用于定位系统中的静态发射机单元和移动接收机单元的示意图；

图3是示出移动接收机单元中的功能单元的示意图；

图4是在一些实施例中由静态发射机单元发射的签名的相量图；

图5示出说明在一些实施例中定位系统的cck分组检测器的操作的图表；

图6示出说明在一些实施例中在定位系统中使用的三点峰值检测算法的图表；

图7是示出在定位系统的第一实施例中使用的非相干cck码决策模块的功能单元的示意图；

图8是接收样本组的示意图；

图9是示出在定位系统的第二实施例中使用的非相干cck码决策模块的操作的流程图。

具体实施方式

图1示出可以用于例如购物中心中以便确定购物者在购物中心内的位置的定位系统的一部分。当然，这只是一个示例环境，并且定位系统还可以用于仓库、医院、家庭住宅、车辆等中。

图1示出房间1，四个静态发射机单元2、3、4、5粘附到所述房间1的墙壁上。房间中的人6正携带移动接收机单元7。网络电缆8将每个发射机单元2、3、4、5连接到通常位于另一个房间中或另一个建筑物中的服务器9。这些部件协作以提供能够估计移动接收机单元7在房间1内的三维位置的定位系统。在实践中，系统可以具有安装在整个建筑物或一系列房间中的其他相似的发射机单元、以及附接到或结合到人、动物、车辆、机器人、牲畜、设备等的多个相似的移动接收机单元。

图2示出发射机单元2、3、4、5中的代表性的一者和移动接收机单元7。每个发射机单元2、3、4、5具有相应的超声测深仪201、用于引起超声换能器201发射超声信号的控制器202以及用于向发射机单元供电的电池203。移动接收机单元7具有能够从发射机单元2、3、4、5接收超声信号的麦克风204、用于对所接收的信号进行采样和处理的控制器205以及用于为移动接收机单元7供电的电池207。发射机单元2、3、4、5和移动接收机单元7可以具有其他标准电子部件，诸如无线电收发器、有线网络接口、显示屏、按钮等。

控制器202、205可以包括一个或多个处理器、dsp、asic和/或fpga。它们可以包括用于存储数据和/或用于存储将由处理器或dsp执行的软件指令的存储器。它们可以包括任何其他适当的模拟或数字部件，包括振荡器、adc、dac、ram、闪存等。

尽管此处将发射机单元2、3、4、5示为静态的，但是应理解，在其他实施例中，它们可以是移动的，例如，发射机单元中的一者或多者可以是相应用户所有的移动电话或装置。

在使用中，服务器9引起每个发射机单元2、3、4、5间隔发射该发射机单元唯一的签名。(应理解，在大型部署中，签名可能仅在一个地方内是唯一的；如果在整个系统中重用签名，则附加数据优选地用来区分相同的签名。)每个签名编码在超声载波(例如20khz或40khz载波)上，并且包括一组64个qpsk编码的互补码键控(cck)码中的相应一者。签名可以包含在较长传输中，所述传输还具有优选地还在相同的超声载波上进行qpsk编码的一个或多个附加元素，诸如前导码和/或数据内容。

每个cck码由八个复数码片组成，每个复数码片被编码为四个可能的qpsk符号中的一者。

从扩频无线电通信系统中已知cck码。当在相干无线电系统中使用时，可以在每个cck码的正交相位中对附加的两比特信息进行编码，从而使得八比特(d7...d0)数据能够由每个码(即256个不同的码片序列)编码，其中d0是最低有效比特，并且是时间上的第一位。然而，在本超声系统中，移动接收机单元7没有用于所接收的cck码的相位参考，这将唯一签名组限制为六十四个。

64个可能的签名中的每一者都对应于不同的八比特字符串d0...,d7，其定义相应的cck码，c，如下：

其中使用以下方案从数据比特获得相位参数φ1…φ4：

(d1，d0)→φ1，(d3，d2)→φ2，(d5，d4)→φ3，(d7，d6)→φ4。

每个码片都是复数qpsk比特对。首先发射码的最高有效比特，以使得首先发射码片

在该示例实施例中，cck码片速率是500码片/秒，这意味着每个cck码具有16ms的持续时间。每个cck码都被调制在20khz声学载波信号上，并且由相应的发射机单元2、3、4、5间隔发射。当然，速率也是可能的。

在该示例中，在移动接收机单元7处的声采样率是2000样本/秒，这意味着每个码片被四倍过采样。定位系统具有2毫秒的基本时间分辨率，其对应于大约68cm(＝0.002秒×空中声速340m/s)的空间分辨率。然而，使用下面描述的技术，可以实现更好的时间分辨率。

当然，可以在其他实施例中使用其他码片速率和采样速率。

具体在具有多于64个发射机单元的实施例中，可能期望发射允许移动接收机单元7区分来自不同发射机单元2、3、4、5的相同签名的附加信息。例如，短距离rf信号或在由发射机单元2、3、4、5中的一者或多者发射的超声信号中编码的附加数据可以允许cck码在跨站点的不同位置中重用而不会产生歧义。

移动接收机单元7检测并解调所接收的超声信号，以尝试识别在接收机单元7的听觉范围内已由发射机单元2、3、4、5发射的cck码。

对于接收和解调的每个cck码，可以确定发送码的相应的发射机单元2、3、4、5的标识。

接收机单元7优选地与发射机单元2、3、4、5同步，并且因此还可以针对其接收的每个签名计算飞行时间(tof)。通过组合来自已知发射机位置的三个或更多个tof测量值，可以使用三边测量或多边测量的已知原理来确定移动接收机单元7的位置。

如果接收机单元7不同步，则飞行时间差(tdof)方法仍然可以用来确定其位置；然而，在这种情况下，需要四个或更多个发射机位置。

位置确定计算可以在移动接收机单元7上执行，或者接收机单元7可以将关于所接收的信号的信息(包括定时或距离信息)发送到可以执行计算的部分或全部的服务器9。

移动接收机单元7无论何时朝向或远离发射机单元2、3、4、5中的一者移动，都发生多普勒频移。

由于多普勒频移引起的频率变化由以下公式给出

其中v是移动接收机单元7在朝向或远离发射机单元2、3、4、5的方向上的速度分量，c是空气中的波的速度，并且f是从发射机单元发射的信号的频率。正v表示移动接收机单元7朝向发射机单元2、3、4、5的移动。

空气中相对较低的声速值(约340m/s)导致甚至低速运动以在发射的信号中产生相对较大的频移。作为示例，如果携带移动接收机单元7的人6以每秒1.5米的速度朝向发射机单元2、3、4、5中的一者行走，则20khz的声信号将经历大约90hz的频率上升。

qpsk解码器必须能够区分运动引起的相位变化和由于cck编码所引起的相位变化。在20khz的载波频率下，波长为1.7cm。由于qpsk编码而引起的最小相位变化为90度，因此当移动接收机单元7朝向或远离发射机移动时，qpsk解码器不能可靠地区分由于qpsk编码而引起的相移和由于4mm或更大的路径长度(对应于波长的四分之一)的变化而引起的多普勒引起的相移。

因此，系统使用多普勒频移补偿来提高对发射的cck码进行解码的精度和定位算法的精度。

多普勒频移补偿机构补偿多普勒频移以允许对所接收的cck签名进行精确解码，并且确定cck签名到达移动接收机单元7的到达时间。然而，它还可以输出多普勒频移的测量值，所述测量值可以用来确定关于移动接收机单元7的速度或速率的信息。该附加信息可以由服务器9或移动接收机单元7用来改善接收机单元7的位置估计或追踪。

由于多普勒频移改变所接收的信号的相位，因此移动接收机单元7不能可靠地恢复载波相位并且不能使用相干检测方法。因此，使用异步检测方法。

在下面的示例实施例中详细说明结合多普勒补偿的若干替代异步检测方法。每种方法用于相应的实施例中，并且可以在移动接收机单元7和/或服务器9中实现。尽管处理步骤在本文中描述为由接收机单元7执行，但是应当理解，在一些实施例中，在适当的情况下，这些步骤可以替代地由服务器9全部或部分地执行。中间结果可以通过诸如无线电链路的任何适当的装置在接收机单元7与服务器9之间传送。

图3示出移动接收机单元7的总体结构，其为下面描述的所有多普勒补偿方法所共用。

所接收的超声能量首先通过正交解调器301，所述正交解调器301将超声信号下变频为基带信号并获得同相302和正交相303样本。

通过将所接收的超声能量与来自本地振荡器304的本地产生的20khz信号的两个副本进行频率混合来实现下变频，一个相对于另一个延迟90度。两个频率混合信号通过相应的低通滤波器305，所述低通滤波器305去除混合操作产生的高频分量。

所得的同相302和正交303分量通过相应的模数转换器306进行采样(通常以2khz，对应于发射信号的码片速率的四倍)。同相和正交样本随后在307处组合以给出一系列复数iq数据样本。

复数iq数据样本被逐样本馈送到cck分组检测器308中。cck分组检测器308检测cck码可能存在于所接收的信号中的时间和地点。

随后，cck分组检测器308将相关样本输出到非相干cck码决策模块309。cck分组检测器308还可以将到达时间估计传递到接收机单元7和/或服务器9内的其他模块。cck码决策模块309识别六十四个cck码中的哪一个与所接收的cck码最匹配。基于该签名的知识，发射源标识符模块310确定发射了所接收的信号的发射机单元2、3、4、5的标识。cck码决策模块309还可以为cck码确定更精确的到达时间估计，其可以将所述到达时间估计传递到其他模块，诸如三边测量模块311。

三边测量模块311从cck分组检测器308和/或cck码决策模块309接收该标识以及到达时间信息。其可以使用定时信息来确定移动接收机单元7在房间中的位置，例如通过在球面相交或抛物面相交计算中组合关于三个或更多个静态发射机单元2、3、4、5的此类信息。当然，在其他实施例中，可以在诸如服务器9上远离移动接收机单元7进行这些计算。

由cck分组检测器308、cck码决策模块309和发射源标识符模块310执行的详细操作取决于所使用的多普勒补偿方法在实施例之间变化。现在将提供各种不同的示例性方法的进一步细节。

方法i

在图4中示出的一个实施例中，每个带签名的传输都以两个qpsk码片401的前导码开始，在两个码片之间没有相移。cck码紧随前导码之后。cck码的第一复数码片与两个前导码码片成180°相位角402跟随前导码。需注意，因为移动接收机7没有先验相位参考，所以接收机7不能对来自两个前导码码片和cck码的第一复数码片的任何数据进行解码；然而，它们建立相位参考，用于解调传输的其余部分。(由于这个原因，cck码的第一码片可以同样被视为是前导码的一部分，其中如上所述，前两个码片是第一参考符号和第二参考符号，而第一cck码码片是第三参考符号。)

移动接收机单元7使用前导码码片来表征所接收的信号中的任何多普勒频移引起的相位失真。该表征随后用来校正所接收的cck码403的cck码片的相位值。

前导码码片与cck码的第一码片之间的180°相位差允许cck分组检测器308以高的时间精度来确定cck码403的开始404。

图5更详细地示出在实现该第一多普勒补偿方法时cck分组检测器308如何操作。

将长度为四十个样本的滑动能量检测窗口501应用于保存输入的复数样本502的缓存器。(四十个样本相当于以四倍过采样率发射的信号的长度，如下面更详细地说明。)cck分组检测器308通过对窗口内的样本值求和来计算四十个样本的滚动时间帧上的总能量。每次新样本到达时，都会计算更新的总能量值。这些总能量值绘制在图5的底部图表中。当窗口与跨越来自发射机单元2、3、4或5中的一者的由八个前导码样本和三十二个cck样本组成的完整信号的样本完全对准时，预期总能量达到最高。这是因为预期前导码样本和cck码样本的水平高于环境噪声的水平。

假设相对较低的背景噪声水平，当包含前导码样本和cck码样本的信号开始落入四十样本能量检测窗口501中时，在四十个样本上测量的总能量将上升503，并且当所有前导码样本和cck样本都落在能量检测窗口501内时，总能量最终达到峰值504。这在图5中示出。随后，当cck码样本移出能量检测窗口501并且仅包含噪声的稍后接收的样本移入能量检测窗口501中时，总能量将开始下降505。当所有前导码样本和cck样本已经移出能量检测窗口501时，总能量将返回到反映环境噪声水平的基线能量水平506。

当四十样本窗口中的总能量超过阈值水平时，cck分组检测器308输出肯定检测。

为了以比采样间隔更精细的时间分辨率确定到达时间的初始估计，三点峰值检测方法可以用来定位总能量峰值504，如图5所示。该子分辨率初始估计可以稍后进行细化，如下所述，但是它本身可能有用，例如，用于实现低功率运动检测器，所述低功率运动检测器比较连续的到达时间估计以检测阈值水平以上的变化并且仅在检测到运动时继续进行样本的进一步处理。当移动接收机单元7静止时，这可以允许系统节省功率。

图6说明该方法。图6中的上部图表601示出图5中围绕峰值504的总能量图的一部分507的特写。三峰检测器使用跨越三个连续样本点的滑动窗口。对于总能量数据中的每个点，计算紧接在点之前的梯度603和紧接在点之后的梯度604。这些梯度用来识别峰值，并且还基于梯度的相应幅度来估计峰值的精确位置。图6中的下部图表602绘制总能量数据中每对点之间的梯度。零交叉点605的时间位置以子分辨率精度提供总能量数据中的对应峰值504的时间估计。该时间估计可以用作来自相关位置发射机的超声传输的到达时间的估计，或者可以用来计算这种估计(例如，对于签名传输或传输的cck码部分的开始或结束的到达时间)。

可以使用以下三峰检测算法在ts的采样周期(例如0.0005秒)中获得精确的峰值位置估计：

1.计算每个总能量数据点x(t)的任一侧的梯度，即

a＝x(t+ts)-x(t)，b＝x(t)-x(t-ts)；

2.如果a<0andb>0andx(t)超过合适的阈值，则检测x(t)附近峰值的存在；以及

3.计算峰值的精确定时为：

在下面描述的一些其他实施例中，不存在前导码码片。在这种情况下，由cck分组检测器308使用的滑动能量检测窗口仅需要足够长以检测cck码样本(除非在cck码之后存在任何附加数据，在这种情况下，将使用适当长度的窗口)。在此类实施例中，cck分组检测器308可以使用三十二个而不是四十个样本的窗口来检测以四倍码片速率采样的cck码。

在变型实施例中，cck分组检测器308可以使用能量窗口，所述能量窗口掩蔽每个cck码片的每四个样本，即当能量窗口与输入的代码完全对准时，其忽略可以分别对应于每个码片的最后一个样本的八个周期中的信号幅度。这可以提高能量窗口匹配的精度，因为发射的cck码可能潜在地使每个码片(即，每四个样本)相移，并且在该相移期间，可以基于发射换能器201的响应时间来抑制信号的幅度。每个码片中的剩下三个样本在码片内并且在所有码片上应该具有接近相等的幅度。通过掩蔽可能包含相变的周期，可以提高定时精度。

随后，cck分组检测器308将落在对应于总能量峰值的时间窗口中的四十个样本输出到非相干cck码决策模块309。其还可以将到达时间信息传递到三边测量模块311。

图7示出根据该第一补偿方法的非相干cck码决策模块309的详细结构。cck码决策模块309在此使用多普勒频移补偿模块701和修改的快速沃尔什变换操作块702来识别所接收的cck码。

多普勒频移补偿模块701包括多普勒频移估计模块703、样本选择逻辑704以及多普勒消旋模块705。

多普勒频移估计模块703使用两个前导码码片401和cck码的第一码片的样本来计算包含前导码和第一码片的十二个样本上的相位失真率(由于多普勒频移)。不使用十二个样本中的第一个样本，因为发射超声信号的超声换能器201可能在传输开始时仍处于斜升的过程。第八个样本和第九个样本也被忽略，因为这些样本跨越前导码与cck码403的第一样本之间的180°相变402并且因此很可能处于过渡相位，因为发射换能器和接收换能器不能实现瞬时相位变化。在一些实施例中，第十二个样本也可能被忽略，因为如果第二cck码片与第一cck码片不同，则其可能处于转变状态。

多普勒频移估计模块703将第一前导码码片的第二样本、第三样本和第四样本乘以第一发射的前导码码片的已知固定值的复共轭。多普勒频移补偿模块703另外将第二前导码码片的第一样本、第二样本和第三样本乘以第二前导码码片的复共轭，并且将第一cck码片的第二码片、第三码片和第四码片乘以发射的第一cck码片(对于所有64个cck码，其相对于前导码具有固定的180°相位关系)的复共轭。通过已知的码片值进行的复共轭乘法的过程用于从这些样本中去除由于qpsk符号调制而引起的相位分量，以使得在所有剩下相位分量上的任何变化都归因于多普勒频移。

在将六个前导码样本和第一cck码的三个样本乘以它们的发射值的复共轭之后，多普勒频移估计模块703对每个经复共轭乘法的样本执行相位解缠，以表征不连续相空间(-πto-π)到连续相的线性相位失真趋势。可以通过将2π弧度添加到由于相位缠绕而经历约2π弧度的相位下降的样本来执行相位解缠。由于多普勒频移，所得的相位分量表征线性相位随时间的变化。

使用这些初始样本的相位值，多普勒频移估计模块703基于前十二个样本(如已经说明的那样，其中三个被忽略)随时间的线性相位失真趋势来估计所接收的信号中的多普勒频移频率ωd。多个样本上线性相位失真的变化率表示以弧度/样本为单位的多普勒速度。例如，如果在第二样本到第十二样本上的相位变化是φp(即，十一样本时间窗口)，则多普勒频移估计由φp/11弧度/样本给出。

假设多普勒频移在cck码的整个传输期间是恒定的，则在两个前导码码片和第一cck码片上计算出的由于多普勒频移而引起的相位失真可以线性外推，并且用于通过以相应的速率对样本消旋来校正整个cck码。

由于发射cck码的超声换能器201和接收它的麦克风204两者可能慢地响应连续cck码片之间的相变，因此多普勒补偿模块701使用样本选择逻辑704来在所有码片上智能地选择四个样本位置中的一者，其最可能具有接近发射机单元处的cck码片的已知调制相位的稳定相位值。例如，可能选择每个码片的第三样本。这个所选择的样本被认为是整个码片的代表，并且用于消旋操作中(即，样本集抽取四分之一)。

样本选择逻辑704首先使用从多普勒频移估计模块703获得的多普勒速度估计来对所接收的信号的前十二个样本(跨越两个前导码码片和第一cck码片)执行多普勒补偿。样本选择逻辑随后针对码片内的第一样本位置、第二样本位置、第三样本位置和第四样本位置中的每一者，计算三个码片上的多普勒校正后的样本的同相分量的平均值。选择具有最高平均值的样本位置作为在整个cck码上使用的最佳样本位置。因此，选择每个cck码片中最佳样本位置处的样本(例如，每个码片的第三样本)作为多普勒消旋模块705的输入。

随后，多普勒消旋模块705使用多普勒频移估计来为多普勒引起的相位失真补偿跨越整个cck码的所选择的八个样本。通过使所选择的样本旋转相位值来实现该相位补偿，所述相位值对应于在各个样本的时间实例下由于多普勒频移而引起的预计的相位失真。

多普勒补偿样本可以表示为

其中n是由样本选择逻辑选择的八个样本中的每一者的样本位置索引(例如，索引3、7、11、15、19等)，并且ωd是以弧度/样本为单位的多普勒速度。

下面使用数字示例进一步说明上述实施例。在该示例中，包含八个前导码样本和三十二个cck码样本的四十个样本在样本索引零处开始，并在样本索引三十九处结束。假设第一前导码码片的第二样本与第二前导码码片的第三样本之间的相位变化为弧度φ，则使用两个前导码码片测量的多普勒速度为φ/6弧度/样本。由于在样本索引n处的由于多普勒频移而引起的外推相位变化由φ/6×n弧度给出，其中n在8到39之间。多普勒补偿模块使由样本选择逻辑704选择的八个样本中的每一者旋转对应于其样本索引的相位。

随后将八个多普勒补偿cck码样本传递到修改的快速沃尔什变换操作块702以进行解码。快速沃尔什变换处理技术从实现ieee802.11b规范的某些无线电接收机中是已知的，并且可以在适当修改的情况下在此使用。快速沃尔什变换块702有效地同时使所有六十四个可能的cck码与调整后的所接收的信号互相关。六十四个互相关输出被输入到最大模量拾取器电路706，其通过找到最大的互相关量来确定已接收六十四个cck码中的哪一个(以及因此哪个签名)。

基于所接收的签名的标识，移动接收机单元7的发射源标识符模块310确定发射了所接收的信号的发射机单元2、3、4、5的标识。在一些情况下，这可能涉及使用附加信息来解决潜在的歧义，例如如果在整个安装中多于一次使用相同的签名。

一旦已经成功地识别发射的cck码，则一些实施例可以随后改善由cck分组检测器308获得的初始到达时间估计。

为此，对所接收的信号的三十六个存储样本(由cck分组检测器308检测的三十二个样本加上两个较早的样本和两个较晚的样本)进行消旋。随后通过在四个时间位置(在由cck分组检测器308识别的(通常非整数)子样本分辨率到达时间之前的两个(整数值)样本位置，以及在该到达时间之后的两个(整数值)样本位置)处计算消旋的三十六个样本和三十二样本cck码模板的内积来执行互相关。(可替代地，也可以包括已知的前导码码片，其中所接收的信号的样本数相应增加，并且cck码模板使前导码在前。)

所得的四个内积值包含有关出现真正最大值的地方的信息，所述信息可以通过对四个相关值应用三点峰值识别方法以与上面针对能量窗口所述的峰值检测方法相对应的方式来以子样本分辨率精确识别。该精确的定时信息可以用来改善或替换使用cck分组检测器308获得的初始到达时间信息。

如果接收机模块7具有同步时钟，则三边测量模块311可以根据到达时间信息来确定静态发射机单元2、3、4、5与移动接收机单元7之间的信号路径的长度。如果系统未同步，则到达时间差可以由三边测量模块311用来例如基于双曲面相交来确定位置信息。

方法ii

在另一组实施例中，在cck码之前没有发射前导码码片。替代地，基于cck码内的相位导数，估计运动引起的相位失真。

尽管多普勒相位分析可以在极性或iq(同相和正交)空间中执行，但是在该实施例中，使用每个码片样本的实部分量和虚部分量及其离散时间导数分量在iq空间中计算相位导数。这通过估算表达式来完成，

其中x和y是复数iq样本的实部和虚部，并且dx和dy是复数iq样本的实部分量和虚部分量在固定时间段(诸如一个采样周期)内的变化。

在这些实施例中，cck分组检测器308使用长度为三十二个样本的能量检测窗口来检测已经接收候选cck码的时间。

cck码决策模块309从检测窗口中的三十二个cck码样本计算三十一个相位导数值dθ。

cck码被四倍过采样。当不存在多普勒频移时，一个码片内的连续样本应具有相同的调制相位，并且因此它们之间的相位差应约为零。然而，如果连续样本之间存在近似恒定的、非零相位导数，则这指示由于多普勒频移而引起的相移。

图8示出示例性接收信号的相位随时间的导数的图。可以看到平均相位导数值小于零，指示存在多普勒频移。dθ的大值指示由于qpsk编码而引起的相邻码片之间的相变，如在图8中的三个点801处所发生的那样。

接下来，该方法识别用于表示cck码的每个码片的一个样本位置(例如，来自每个码片的第三样本)，同时还获得初始多普勒速度估计。为此，首先针对离群值估计相位导数值dθ。由于相邻cck码片值的变化或受噪声严重影响的样本，离群值可能表示相位跳变。通过按幅度升序对三十一个相位导数值进行排序并且保留十七个最中心dθ值及其索引来完成离群值滤波。即，保留第八至第二十四位置值以及其原始样本索引。随后，通过对这十七个保留的dθ值求平均值，得出多普勒速度的初始估计。

随后，通过对保留的十七个dθ值中的每一者的索引进行模四减少并且计算十七个模四减少的索引的平均值，找到用于表示每个码片的最佳样本索引位置。所得的平均索引值指示每个码片内的样本位置，平均而言，具有变化小的dθ，并且因此受编码引起的相位变化的影响较小。可以基于获得的最佳样本位置来选择cck码的每个码片的一个复数iq样本。

在一些实施例中，cck码样本的幅度的导数用于对样本进行滤波，以便优化代表性样本位置和多普勒频移的初始估计。cck码样本的幅度r的时间导数可以使用表达式计算

从三十二个cck码样本中获得三十一个幅度导数值dr。根据其幅度对dr值进行排序，并且对十六个最小dr值的样本索引进行模四减小并求平均。该样本位置可以用从上面的dθ获得的值进行平均，或者可以用作替代。随后可以从每个码片内的代表性位置处的dθ值估计初始多普勒频移。基于幅度的滤波起作用，因为信号幅度将通常由于发射机和接收机换能器的限制而在相邻码片之间的相变附近变化，并且排除高dr值应排除由于位于码片对之间的转变而可能不可靠的样本。

随后使用初始多普勒频移估计对根据获得的最佳样本位置选择的八个样本进行消旋。

以这种方式，仅cck码就可以用于执行多普勒频移引起的相位失真的初始表征而无需前导码。没有前导码的传输更短，并且使用更少的信道容量。然而，在一些实施例中，该确定多普勒频移引起的相位失真的方法可以与上面所述的前导码方法结合使用，以进一步提高多普勒频移补偿的精度。

如果在接收机单元7处通过混合和抽取操作获得复数iq样本，则当信号可用作较高采样率数据流时，优选在抽取处理之前计算iq样本的导数数据。因此，混合和抽取模块可以输出iq样本和样本的相位和幅度的时间导数数据两者。

使用多普勒频移引起的相位失真的估计来对来自cck码片的所选样本进行消旋通常消除多普勒失真的大部分。然而，由于时间导数中的噪声，通常不能完全消除多普勒失真。因此，消旋的样本被进一步处理以去除残留的相位分量。这通过解缠消旋码片的相位(从不连续的相位域到连续的相位域)并且通过针对位于不同相位象限中的相位值减去π/2的整数倍以使得所有所得的相位都进入范围[0，π/2)来消除与cck编码相关联的任何相位跳变来完成。随后可以假设该范围内的任何相位变化都是由于仍然存在于消旋样本中的多普勒失真而引起。(这假设在每个cck码片的四个样本上，由于残留的多普勒失真而引起的相移小于π/2弧度。)

可以假设发射机单元2、3、4或5与移动接收机7之间的任何运动在cck码的持续时间内具有恒定的速度。因此，任何残留相位漂移都应随样本索引以线性方式变化，其中线性趋势的梯度表征需要在cck码识别之前去除的残留多普勒分量ωr。因此，移动接收机单元7通过使用多普勒分量ωr进一步对所选择的样本进行消旋以使得它们样本总共消旋ωd+ωr而执行更彻底的多普勒频移分量的去除。

多普勒补偿样本可以表示为

其中n是由cck码决策模块309中的样本选择逻辑选择的八个样本中的每一者的样本位置索引。

随后，使用可以与上面结合方法i所述的快速沃尔什变换块702相同的修改的快速沃尔什变换块来解调多普勒补偿样本以识别cck码。

如方法i中所述，可以可选地通过与识别的cck码的互相关来改善或替换初始到达时间估计。

方法iii

在另一组实施例中，不发射前导码。替代地，移动接收机单元7的非相干cck码决策模块309使用穷举搜索方法来识别发射的cck码，通过首先将所接收的信号与六十四个cck码模板中的每一者互相关(不应用任何多普勒校正)，随后将cck码模板的子集识别为候选模板，随后基于每个候选cck码模板估计多普勒频移，调整用于多普勒频移的候选码，并且最后用多普勒调整后的cck码模板的子集执行进一步的互相关运算以识别正确的cck码。

在下面的说明中假设41khz的载波信号，尽管方法决不限于该频率的载波。

首先，类似于先前描述的cck分组检测器308，cck分组检测器通过应用长度为三十二个样本的能量检测窗口来识别所接收的信号中的候选cck码。

其次，在识别的信号部分周围的所接收的样本与六十四个cck码模板中的每一者互相关。从理论上讲，这应该在特定的时间对准下完全消除由于对一个正确匹配的cck码模板的cck编码而引起的相位跳变，但是对于其他六十三个cck码或匹配的cck码的不同的时间偏移量不会这样做。因此，在对应于cck码的到达时间的时间位置处，在相关幅度上应当存在峰值。

生成六十四组相关幅度输出，并且识别峰值相关幅度。选择生成包含超过预先确定的阈值的峰值幅度的相关输出的所有那些cck码模板。对于所选择的cck码模板中的每一者，逐样本乘法在所接收的信号与cck码模板的复共轭之间执行，在所接收的信号中的峰值幅度的位置处对准。与先前的互相关运算不同，结果不在样本索引上求和。在所得的模板相乘的数据中的每个样本索引处，计算极性空间中的相位值。随后，将计算出的相位值从不连续相相位解缠到连续相。对于正确的代码，这些相位值应表示由于多普勒频移而不是由于cck编码本身而引起的相位变化。

对于每组模板相乘的数据，计算解缠的相位值的最佳拟合线。保留低于某个阈值内的标准偏差的相位数据集。

如果仅保留一个数据集，则cck码已被解码。

如果存在多个保留数据集，则对于保留集中的每一者，其最佳拟合线的梯度用于通过使cck模板的每个样本旋转从最佳拟合线获得的对应的相位值来调整对应的cck模板。随后，所接收的信号与这组多普勒补偿cck码模板互相关，并且将产生最高峰值相关幅度的cck码识别为发射的cck码。

图9示出这种穷举的cck码搜索方法的流程图。该方法的特征可以在于在多普勒补偿之前执行初始互相关。图9中的步骤中的一些或全部可以在非相干cck决策模块309中实现。

发射机单元2、3、4或5以4,100码片/秒的码片率发射相应的cck码。cck码被调制到41khz载波上。

在步骤901处，由移动接收机单元7以两倍的码片采样率(8,200个样本/秒)生成或访问六十四个cck码模板。这些可以预先计算。

在步骤902处，以四倍的载波频率，即，以164ks/s(千样本/秒)采样由移动接收机单元7接收的超声。

在步骤903处，执行混合抽取，其中输入的信号x(n)(以四倍的载波频率采样)抽取为四个数据流(，x(4n)，x(4n+1)，x(4n+2)，x(4n+3))，每个数据流具有等于载波频率的采样率(41ks/s)。复数iq数据流z(n)由移动接收机单元7生成为：

z(n)＝(x(4n+1)-x(4n+3))+j.(x(4n)-x(4n+1))

因此，复数iq数据也具有等于载波频率的采样率。由于所得的iq数据流严重过采样，因此应用进一步的带宽降低。在该示例中，通过抽取五分之一，实现采样率的降低而未丢失信息。这导致8.2ks/s的复数iq数据流。因此，以两倍的4100码片/s的码片速率对iq信号进行采样。

混合抽取和随后的带宽减少的目的在于，其允许移动接收机单元7使用软件直接从调制的载波信号中获得iq数据。不需要常规的混频器硬件来下变频调制信号。

cck分组检测步骤904将长度为十六个样本的滚动能量检测窗口应用于所采样的所接收的信号，以确定所接收的cck符号的近似出现。cck分组检测器选择所接收的信号的具有超过预先确定的阈值的总样本能量的十六个样本。

在步骤905处，从cck分组检测器中选择的十六个iq数据样本与六十四个cck模板中的每一者互相关。在十六个样本的两边都填充零，以执行互相关。生成六十四组相关幅度数据。

在步骤906处，移动接收机单元7对于出现超过设定阈值的至少三个连续点并且对于超过峰值阈值的峰值幅度的值检查六十四组相关数据中的每一个的幅值。高峰值指示与cck模板的强匹配。仅满足这些测试的模板被选择，并且用于相位分析。

移动接收机单元7在最大幅度的点处检查所选择的相关数据集，以确定模板信号的长度。这随后用于码片样本对准，这对于测量码片样本的相位变化是重要的。以两倍的码片速率进行采样确保八个奇数或偶数码片样本中的至少一者完全落入cck码的单个相位块内。

在步骤907处，对于产生超过设定阈值的最大峰值幅度的每个模板，将采样数据与模板的复共轭相乘，以生成一组模板相乘的数据。

对于每组模板相乘的数据，将模板相乘的数据的十六个样本抽取为偶数样本和奇数样本的两个块。获得每个块中的八个样本的幅度和，并选择具有更高幅度和的块，因为这指示所接收的信号与cck码模板的更好对准。

为了避免由多普勒频移引起的由于相位缠绕而在相位分析中出现的任何问题，将模板相乘的数据样本的相位值从连续相空间映射到不连续相空间。这通过将模板相乘的数据的八个选定样本乘以它们的平均相位值来实现。该运算使中央样本旋转大约零相位值，以使得任何多普勒引起的相位变化都围绕零相位对称。

对于每个数据集，将线性最佳拟合曲线拟合到八个相位值。曲线表征由多普勒引起的失真引起的线性相位趋势。线性最佳拟合曲线的梯度表示以弧度/秒为单位的多普勒速度。

在步骤908处，移动接收机单元7检查所有生成的线性最佳拟合曲线，并且滤除没有线性最佳拟合曲线而标准偏差低于预先确定的阈值的模板相乘的数据的任何集合。这样做的目的是选择最好地表征由于多普勒频移而引起的相位失真的一组线性最佳拟合曲线。

在步骤909处，对于每个选定的模板相乘的数据集，用于该数据集的最佳拟合曲线用于针对多普勒引起的相移校正其对应的cck码模板。使cck码模板的八个样本中的每一者旋转使用由线性最佳拟合曲线的斜率给出的多普勒速度估计而获得的相位值。八个多普勒补偿后的模板样本可以表示为

其中n＝{0,1,2,3,4,5,6,7}，并且ωd是以弧度/秒为单位的多普勒速度。

(需注意，在本文的所有描述中，可以任何适当的方式缩放样本的索引。可以任何适当的方式将样本索引映射到其他时间测量值，例如映射到移动接收机单元7中的时钟或计数器值。)

在步骤910处，将多普勒补偿cck码模板与所接收的信号的八个所选择的样本互相关。在步骤911处，每个相关输出的峰值幅度用于识别发射的cck码。如前所述，三点峰值检测方法可以用于确定峰值的精确到达时间。

因此，确定所接收的cck码及其到达时间。

在一些实施例中，可以从针对相位值的线性最佳拟合曲线的计算中排除六十四组模板相乘的数据的一个或多个样本。某些样本的排除可能取决于用于生成相应组的模板相乘的数据的cck码模板。例如，可以排除紧接在每个cck编码引起的相位跳变之前的样本的相位值和紧接在每个cck编码引起的相位跳变之后的样本的相位值。可以保留模板相乘的数据的剩下样本。以这种方式，受cck编码引起的相位跳变影响最大的样本可以排除，因此它们无助于确定模板相乘的数据的最佳拟合曲线。

本领域的技术人员将了解，本发明已通过描述本发明的一个或多个具体实施例进行了说明，但不限于这些实施例；在所附权利要求的范围内，许多变型和修改是可能的。