一种超宽带高精度接收时间戳获取方法及装置与流程

1.本发明涉及超宽带技术领域，特别是涉及一种超宽带高精度接收时间戳获取方法及装置。


背景技术：

2.超宽带（ultra wideband，简称uwb）技术可以提供厘米级的高精度主动测距以及定位服务，目前正快速被应用到智能家居，安防监控，老人监护等一系列场景中。基于测量出电磁信号从发射端到接收端的时间差，超宽带主动测距技术可以计算出接收端和发射端设备之间的距离，由于在发射端可以根据时钟边沿获得理想的发射时间戳，因此测距的精度很大程度上依赖于接收端获取的时间戳的精确度。
3.常用的接收端获取时间戳的方法为，首先数字基带接收机根据adc（analog to digital converter，模数转换器）采样获得数字脉冲，然后确定模拟脉冲的能量最大点，最终将其对应的时刻确定为接收时间戳。然而现有技术中接收端获取时间戳的方法不能兼顾高精度和低功耗。
4.因此，有必要提供一种超宽带高精度接收时间戳获取方法及装置，能够广泛应用到低功耗的物联网设备之中。


技术实现要素：

5.本发明提供一种超宽带高精度接收时间戳获取方法及装置，可以在有限的adc采样速率下，获得高精度的接收时间戳。
6.本发明实施例提供一种超宽带高精度时间戳获取方法，包括以下步骤：使用第一采样率的adc对模拟脉冲信号进行采样，获得数字脉冲采样信号；对所述数字脉冲信号求模，得到所述数字脉冲信号的第一脉冲能量序列；使用插值方法将所述能量序列的adc采样率提高为第二采样率，以得到所述数字脉冲信号的第二脉冲能量序列；对所述第二脉冲能量序列使用最小二乘估计得到脉冲能量模板序列；在执行测距时，获取当前接收时间戳的第三能量脉冲序列，将所述第三能量脉冲序列扩展后获得第四能量脉冲序列；将所述第四能量脉冲序列和所述脉冲能量模板序列执行滑动相减、求模、累加处理，得到能量差集合，通过所述能量差集合中能量最小值的索引确定所述第四能量脉冲序列和所述脉冲能量模板序列最相似的相对位置。
7.优选地，所述第一采样率大于等于信号奈奎斯特采样率。
8.优选地，所述获得数字脉冲采样信号之后还包括使用本地前导脉冲序列对所述数字脉冲采样信号进行匹配滤波，以消除所述数字脉冲采样信号的噪声。
9.优选地，所述使用插值方法将所述能量序列的adc采样率提高为第二采样率，具体通过以下公式进行计算：
其中，表示在时刻对应的插值结果，表示所述第一脉冲能量序列，表示sinc插值系数。
10.优选地，所述得到所述数字脉冲信号的第二脉冲能量序列，具体通过以下公式进行计算：其中，表示所述第二脉冲能量序列，所述第二脉冲能量序列通过n组插值脉冲能量序列获得。
11.优选地，所述对所述第二脉冲能量序列使用最小二乘估计得到脉冲能量模板序列，具体通过以下公式进行计算：优选地，所述将所述第四能量脉冲序列和所述脉冲能量模板序列执行滑动相减、求模、累加处理，得到能量差集合，具体通过以下公式进行计算：其中，表示能量差集合，所述第四能量脉冲序列，其中，表示对所述第三能量脉冲序列进行倍内插。
12.优选地，通过所述能量差集合中能量最小值的索引确定所述第四能量脉冲序列和所述脉冲能量模板序列最相似的相对位置，具体通过以下公式进行计算：其中，表示所述能量差集合中能量最小值的索引。
13.优选地，所述脉冲能量模板序列为多个，根据多个主流芯片的脉冲特性获取所述多个脉冲能量模板序列。
14.本发明实施例还提供一种超宽带高精度时间戳获取装置，包括：数字脉冲采样信号获取模块，其用于使用第一采样率的adc对模拟脉冲信号进行采样，获得数字脉冲采样信号；第一脉冲能量序列获取模块，其用于对所述数字脉冲信号求模，得到所述数字脉冲信号的第一脉冲能量序列；第二脉冲能量序列获取模块，其用于使用插值方法将所述能量序列的adc采样率提高为第二采样率，以得到所述数字脉冲信号的第二脉冲能量序列；脉冲能量模板序列获取模块，其用于对所述第二脉冲能量序列使用最小二乘估计得到脉冲能量模板序列；测距模块，其用于在执行测距时，获取当前接收时间戳的第三能量脉冲序列，将所
述第三能量脉冲序列扩展后获得第四能量脉冲序列；相对位置获取模块，其用于将所述第四能量脉冲序列和所述脉冲能量模板序列执行滑动相减、求模、累加处理，得到能量差集合，通过所述能量差集合中能量最小值的索引确定所述第四能量脉冲序列和所述脉冲能量模板序列最相似的相对位置。
15.与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：本发明实施例提供的一种超宽带高精度时间戳获取方法及装置，使用第一采样率的adc对模拟脉冲信号进行采样，获得数字脉冲采样信号；对所述数字脉冲信号求模，得到所述数字脉冲信号的第一脉冲能量序列；使用插值方法将所述能量序列的adc采样率提高为第二采样率，以得到所述数字脉冲信号的第二脉冲能量序列，对所述第二脉冲能量序列使用最小二乘估计得到脉冲能量模板序列，通过将第一采样率使用插值方法将能量序列的adc采样率提高为第二采样率，从而可以在有限的adc采样速率下，获得高精度的接收时间戳；进一步地，在执行测距时，获取当前接收时间戳的第三能量脉冲序列，将所述第三能量脉冲序列扩展后获得第四能量脉冲序列；将所述第四能量脉冲序列和所述脉冲能量模板序列执行滑动相减、求模、累加处理，得到能量差集合，通过所述能量差集合中能量最小值的索引确定所述第四能量脉冲序列和所述脉冲能量模板序列最相似的相对位置，因为使用了预先通过统计方法计算的脉冲能量模板序列，在实际测距过程中执行的计算量没有明显增加，因此不会显著提高系统的复杂度，整体功耗及计算复杂度都远低于使用高采样率adc的手段来获取高精度时间戳的测距系统；进一步地，所述脉冲能量模板序列为多个，根据多个主流芯片的脉冲特性获取所述多个脉冲能量模板序列，可以在多个主流芯片上适用。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，而不是全部实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本发明的一个实施例提供的一种超宽带高精度时间戳获取方法的流程示意图；图2为本发明的一个实施例提供的一种超宽带高精度时间戳获取方法中获取第二能量脉冲序列的示意图；图3为本发明的一个实施例提供的一种超宽带高精度时间戳获取方法中获取能量差集合中能量最小值的索引示意图；图4为本发明的一个实施例提供的一种超宽带高精度时间戳获取装置的模块示意图。
具体实施方式
18.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是
本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.下面以具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
20.基于现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种超宽带高精度时间戳获取方法及装置，可以在有限的adc采样速率下，获得高精度的接收时间戳。
21.图1为本发明的一个实施例提供的一种超宽带高精度时间戳获取方法的流程示意图，现在参看图1，本发明提供一种超宽带高精度时间戳获取方法，包括以下步骤：步骤s101：使用第一采样率的adc对模拟脉冲信号进行采样，获得数字脉冲采样信号。
22.在具体实施中，所述第一采样率大于等于信号奈奎斯特采样率，为防止混叠现象的产生，信号采样的频率必须满足采样定理规定的最低采样频率，即奈奎斯特采样率。
23.获得数字脉冲采样信号为两路正交的脉冲数字采样信号，记为以及。
24.在具体实施中，所述获得数字脉冲采样信号之后还包括使用本地前导脉冲序列对所述数字脉冲采样信号进行匹配滤波，以消除所述数字脉冲采样信号的噪声。
25.步骤s102：对所述数字脉冲信号求模，得到所述数字脉冲信号的第一脉冲能量序列。
26.在具体实施中，所述第一脉冲能量序列记为，其中为一个脉冲的数字域采样长度。
27.步骤s103：使用插值方法将所述能量序列的adc采样率提高为第二采样率，以得到所述数字脉冲信号的第二脉冲能量序列。
28.在具体实施中，所述使用插值方法将所述能量序列的adc采样率提高为第二采样率，具体通过以下公式进行计算：其中，表示在时刻对应的插值结果，表示所述第一脉冲能量序列，表示sinc插值系数。
29.图2为本发明的一个实施例提供的一种超宽带高精度时间戳获取方法中获取第二能量脉冲序列的示意图，现在参看图2，其中当l个乘法器的左输入依次为时，加法器输出为。将第二采样率提高至第一采样率的倍，最终获得长度为的脉冲能量序列。
30.重复前述两个步骤n次，获得n组插值脉冲能量序列，即为第二脉冲能量序列，记做
,其中，其中，表示所述第二脉冲能量序列，所述第二脉冲能量序列通过n组插值脉冲能量序列获得。
31.步骤s104：对所述第二脉冲能量序列使用最小二乘估计得到脉冲能量模板序列。
32.在具体实施中，所述对所述第二脉冲能量序列使用最小二乘估计得到脉冲能量模板序列，具体通过以下公式进行计算：在执行测距接收时间戳获取之前，将脉冲能量模板序列存储于数字基带接收机中。
33.步骤s105：在执行测距时，获取当前接收时间戳的第三能量脉冲序列，将所述第三能量脉冲序列扩展后获得第四能量脉冲序列。
34.在具体实施中，在执行测距过程中，接收机利用前两个步骤获取用于计算接收时间戳的脉冲能量序列：其中，表示所述第三能量脉冲序列，对其使用0值进行m倍内插，将序列扩展为：其中，表示所述第四能量脉冲序列，并且有。
35.步骤s106：将所述第四能量脉冲序列和所述脉冲能量模板序列执行滑动相减、求模、累加处理，得到能量差集合，通过所述能量差集合中能量最小值的索引确定所述第四能量脉冲序列和所述脉冲能量模板序列最相似的相对位置。
36.在具体实施中，所述将所述第四能量脉冲序列和所述脉冲能量模板序列执行滑动相减、求模、累加处理，得到能量差集合，具体通过以下公式进行计算：其中，表示能量差集合，所述第四能量脉冲序列，其中，表示对所述第三能量脉冲序列进行倍内插。
37.在具体实施中，通过所述能量差集合中能量最小值的索引确定所述第四能量脉冲序列和所述脉冲能量模板序列最相似的相对位置，具体通过以下公式进行计算：其中，表示所述能量差集合中能量最小值的索引。
38.从而可以确定当前adc采样率下的耐冲能量序列与脉冲能量模板序列最相似的相对位置。
39.图3为本发明的一个实施例提供的一种超宽带高精度时间戳获取方法中获取能量差集合中能量最小值的索引示意图，现在参看图3，上图为芯片内使用低采样率adc得到的脉冲采样序列，下图为使用脉冲能量模板序列得到的脉冲采样序列，可见通过本发明的方法可以通过将低采样率下的脉冲采样序列映射至高采样率脉冲能量模板序列下，从而获得
远高于低采样率adc采样精度的时间戳。
40.在具体实施中，所述脉冲能量模板序列为多个，根据多个主流芯片的脉冲特性获取所述多个脉冲能量模板序列。
41.用于估计接收时间戳的芯片通常不知道当前发射出当前接收帧的发射机的脉冲特性，因此基于前面提出的方法可以对k个主流芯片的脉冲特性进行统一脉冲能量模板序列获取，脉冲能量模板序列集合为。
42.当使用前述方法获取到扩展序列后，依次计算出,并估计出,进而得到了和k个主流芯片相适应的多个序列。最后通过寻找中最小值可以确定第k组脉冲能量模板序列为当前接收脉冲的最小二乘估计。同时可以根据获取在模板下的高精度接收时间戳。
43.图4为本发明的一个实施例提供的一种超宽带高精度时间戳获取装置的模块示意图，现在参看图4，本发明还提供一种超宽带高精度时间戳获取装置，包括：数字脉冲采样信号获取模块41，其用于使用第一采样率的adc对模拟脉冲信号进行采样，获得数字脉冲采样信号；第一脉冲能量序列获取模块42，其用于对所述数字脉冲信号求模，得到所述数字脉冲信号的第一脉冲能量序列；第二脉冲能量序列获取模块43，其用于使用插值方法将所述能量序列的adc采样率提高为第二采样率，以得到所述数字脉冲信号的第二脉冲能量序列；脉冲能量模板序列获取模块44，其用于对所述第二脉冲能量序列使用最小二乘估计得到脉冲能量模板序列；测距模块45，其用于在执行测距时，获取当前接收时间戳的第三能量脉冲序列，将所述第三能量脉冲序列扩展后获得第四能量脉冲序列；相对位置获取模块46，其用于将所述第四能量脉冲序列和所述脉冲能量模板序列执行滑动相减、求模、累加处理，得到能量差集合，通过所述能量差集合中能量最小值的索引确定所述第四能量脉冲序列和所述脉冲能量模板序列最相似的相对位置。
44.与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：本发明实施例提供的一种超宽带高精度时间戳获取方法及装置，使用第一采样率的adc对模拟脉冲信号进行采样，获得数字脉冲采样信号；对所述数字脉冲信号求模，得到所述数字脉冲信号的第一脉冲能量序列；使用插值方法将所述能量序列的adc采样率提高为第二采样率，以得到所述数字脉冲信号的第二脉冲能量序列，对所述第二脉冲能量序列使用最小二乘估计得到脉冲能量模板序列，通过将第一采样率使用插值方法将能量序列的adc采样率提高为第二采样率，从而可以在有限的adc采样速率下，获得高精度的接收时间戳；进一步地，在执行测距时，获取当前接收时间戳的第三能量脉冲序列，将所述第三能量脉冲序列扩展后获得第四能量脉冲序列；将所述第四能量脉冲序列和所述脉冲能量模板序列执行滑动相减、求模、累加处理，得到能量差集合，通过所述能量差集合中能量最小
值的索引确定所述第四能量脉冲序列和所述脉冲能量模板序列最相似的相对位置，因为使用了预先通过统计方法计算的脉冲能量模板序列，在实际测距过程中执行的计算量没有明显增加，因此不会显著提高系统的复杂度，整体功耗及计算复杂度都远低于使用高采样率adc的手段来获取高精度时间戳的测距系统；进一步地，所述脉冲能量模板序列为多个，根据多个主流芯片的脉冲特性获取所述多个脉冲能量模板序列，可以在多个主流芯片上适用。
45.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。