专利名称：一种超宽带定位的toa估计方法及电路总成的制作方法
技术领域：
本发明属于超宽带无线通信技术领域，具体涉及一种超宽带的首达脉冲到达时间估计方法。
背景技术：
超宽带(Ultrawideband,简称UWB)技术是一种衬叠式使用频谱资源的新型无线通信技术，在近年来得到了广泛的关注，其发送信号带宽可高达数吉赫兹(GHz)。UWB技术一般可以分为脉冲体制和载波体制两种基本的实现方式。脉冲体制UWB通过基带脉冲序列传输信息，具有系统结构简单、成本低、功耗低等优点，在无线通信、测距、探测等领域具有广泛的用途；脉冲体制UWB技术，在接收端可采用峰值检测、能量检测、模拟相关检测等方法，其处理性能受到模拟处理的限制，一般只能实现较低速率的无线通信和探测、定位等功倉泛。IEEE针对UWB诸多应用场景颁布了相关标准，包括高速无线个域网标准IEEE802.15.3和低速无线传感器网络标准IEEE802.15.4，以及用于医疗监测领域的无线身域网(Wireless Body Area Network,简称 WBAN)。脉冲无线电超宽带的脉冲宽度为纳米级，在理论上可以获得厘米级的定位精度。在脉冲超宽带定位系统中，如何精确的估计脉冲超宽带(IR-UWB)信号的到达时间(TOA)是定位精度的关键问题。脉冲超宽带基于能量检测的非相干接收方法由于其结构简单而越来越受到研究人员的重视。传统的基于能量检测的非相干接收机的基本原理是接收信号先经滤波放大，然后模拟平方律-积分器件进行能量积分，最后A/D采样后进行基带处理，通过确定直达路径位置，从而做出TOA估计，TOA的估计精度和A/D的取样率有很大关系，要获得纳秒级的TOA估计精度需要高达吉赫兹以上的取样率，对A/D的要求仍然很高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种对A/D取样率要求低的超宽带定位TOA估计方法。为达到上述目的，本发明是这样实现的:一种基于非相干能量检测的超宽带定位TOA估计方法，包括如下步骤:
步骤A，接收到的脉冲超宽带信号在能量积分之后触发生成矩形脉冲信号；
步骤B，矩形脉冲信号经RC积分电路生成RC充放电波形信号；
步骤C，A/D转换器对输出的RC充放电波形信号进行数字化并送入数字信号处理器；步骤D，进行TOA粗估计，数字信号处理器对A/D转换器输出的数字化的信号进行处理，得到RC电路起始充电时间的估计位置；
步骤E，进行TOA细估计，根据充电电压与充电时间的关系获得精确的RC电路充电起始时间，该时间即为精确的TOA估计。具体的，所述步骤A为:
设定比较器门限值，该门限值应能在较宽的信噪比范围上取得较好的性能，从而保证提取直达脉冲位置信息的准确性；
在设定的门限下，能量积分输出的信号经比较器及脉冲延展电路得到宽度较宽的矩形脉冲信号，该矩形脉冲信号的上升沿位置保留了直达脉冲信号到达的位置信息，从而通过提取矩形脉冲信号上升沿位置信息可以估计直达脉冲信号到达的位置；
具体的，所述步骤B为:
在矩形脉冲信号的上升沿到来时开始对RC积分电路的电容进行充电，在矩形脉冲信号的下降沿到来时电容结束充电并开始放电，输出RC充放电波形信号，RC电路的起始充电起始时间保留了矩形脉冲信号的上升沿位置信息，从而通过估计RC电路的起始充电时间可以估计直达脉冲信号到达的位置；
步骤C为:RC充放电波形信号经A/D转换器采样转化为数字波形信号；
具体的，所述步骤D为:
数字波形信号从零值变化为非零值的位置包含RC电路充电的起始位置信息对采样得到的数据进行处理得到RC电路起始充电时间的估计位置，该估计位置的准确性取决于A/D转换器的米样速率；
具体的，所述步骤E为:
根据充电电压与充电时间的关系，由RC电路起始充电时间估计位置处的电压值获得精确的RC电路充电起始时间，这个时间即为精确的直达脉冲信号的TOA估计。本发明的目的在于提供一种超宽带定位的TOA估计方法，对现有的基于能量检测的非相干接收方法进行改进，在AD采样之前加入首达脉冲位置信息提取电路，首达脉冲位置信息提取电路包括门限比较和脉冲延展电路，从而将能量积分得到的脉冲信号转化为保留直达脉冲信号到达位置信息的矩形脉冲信号，矩形脉冲信号经RC积分电路生成上升沿比较缓的RC充放电波形信号，采用较低采样速率的A/D转换器对其数模转换并处理得到RC电路起始充电时间的估计位置，根据充电时间与充电时间的关系，由估计位置处的采样值从而得到精确的TOA估计，从而使较低采样速率的A/D能够用于超宽带定位系统并实现精确的TOA估计。本发明要解决的另一个技术问题是，提供一种实现超宽带定位的TOA估计方法的电路总成。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:该电路总成包括顺序连接的能量检测电路、A/D转换器和数字信号处理器，在能量检测电路和A/D转换器之间还设有首达脉冲位置信息提取电路和RC积分电路，所述首达脉冲位置信息提取电路包括比较器和脉冲延展电路，能量检测电路接收到脉冲超宽带信号后顺序经过比较器和脉冲延展电路得到宽度较宽的矩形脉冲信号，该矩形脉冲信号经RC积分电路后输出RC充放电波形信号至A/D转换器。进一步的，所述RC积分电路和A/D转换器之间还设置有采样保持电路。
图1接收机框 图2 RC积分电路的不意 图3信号处理的示意图；图4是实现超宽带定位的TOA估计方法的电路总成 图5是图4中加有采样保持电路后的电路总成图。
具体实施例方式实施例:
图1为超宽带定位的TOA估计方法的流程图(接收机框图)，下面结合附图对本发明的具体实施方式
进行详细说明:
在超宽带冲激无线电系统中，以结合OOK调制的脉冲超宽带为例实施基于非相干能量检测的超宽带定位TOA估计方法。发射信号可以表示为:
权利要求
1.一种超宽带定位的TOA估计方法，包括如下步骤: 步骤A，接收到的脉冲超宽带信号在能量积分之后触发生成矩形脉冲信号； 步骤B，矩形脉冲信号经RC积分电路生成RC充放电波形信号； 步骤C，A/D转换器对输出的RC充放电波形信号进行数字化并送入数字信号处理器； 步骤D，进行TOA粗估计，数字信号处理器对A/D转换器输出的数字化的信号进行处理，得到RC电路起始充电时间的估计位置； 步骤E，进行TOA细估计，根据充电电压与充电时间的关系获得精确的RC电路充电起始时间，该时间即为精确的TOA估计。
2.根据权利要求1所述的超宽带定位的TOA估计方法，其特征在于，所述步骤A具体为:设定比较器门限值，该门限值应能在较宽的信噪比范围上取得较好的性能，从而保证提取直达脉冲位置信息的准确性； 在设定的门限下，能量积分输出的信号经比较器及脉冲延展电路得到宽度较宽的矩形脉冲信号。
3.根据权利要求1或2所述的超宽带定位的TOA估计方法，其特征在于，所述步骤B具体为:在矩形脉冲信号的上升沿到来时开始对RC积分电路的电容进行充电，在矩形脉冲信号的下降沿到来时电容结束充电并开始放电，输出RC充放电波形信号，RC电路的起始充电时间保留了矩形脉冲信号的上升沿位置信息，从而通过估计RC电路的起始充电时间可以估计直达脉冲信号到达的位置。
4.根据权利要求3所述的超宽带定位的TOA估计方法，其特征在于，所述步骤D具体为:数字波形信号从零值变化为 非零值的位置包含RC电路充电的起始位置信息，对采样得到的数据进行处理得到RC电路起始充电时间的估计位置，该估计位置的准确性取决于A/D转换器的采样速率。
5.根据权利要求4所述的超宽带定位的TOA估计方法，其特征在于，所述步骤E具体为:根据充电电压与充电时间的关系，由RC电路起始充电时间估计位置处的电压值获得精确的RC电路充电起始时间，该时间即为精确的直达脉冲信号的TOA估计。
6.一种实现权利要求Γ5任一项所述的超宽带定位的TOA估计方法的电路总成，该电路总成包括顺序连接的能量检测电路、A/D转换器和数字信号处理器，其特征在于，在能量检测电路和A/D转换器之间还设有首达脉冲位置信息提取电路和RC积分电路，所述首达脉冲位置信息提取电路包括比较器和脉冲延展电路，能量检测电路接收到脉冲超宽带信号后顺序经过比较器和脉冲延展电路得到宽度较宽的矩形脉冲信号，该矩形脉冲信号经RC积分电路后输出RC充放电波形信号至A/D转换器。
7.根据权利要求6所述的电路总成，其特征在于，所述RC积分电路和A/D转换器之间还设置有采样保持电路。
全文摘要
本发明公开了一种超宽带定位的TOA估计方法，包括如下步骤步骤A，接收到的脉冲超宽带信号在能量积分之后触发生成矩形脉冲信号；步骤B，矩形脉冲信号经RC积分电路生成RC充放电波形信号；步骤C，A/D转换器对输出的RC充放电波形信号进行数字化；步骤D，进行TOA粗估计，对A/D转换器输出的数字化信号进行处理，得到RC电路起始充电时间的估计位置；步骤E，进行TOA细估计，根据充电电压与充电时间的关系获得精确的RC电路充电起始时间，该时间即为精确的TOA估计。本发明还涉及一种实现该超宽带定位的TOA估计方法的电路总成。
文档编号H04B1/7163GK103118428SQ20131006536
公开日2013年5月22日 申请日期2013年3月1日 优先权日2013年3月1日
发明者李冀 申请人:无锡优辰电子信息科技有限公司