实时定位系统中的自适应门限接收技术研究

宋伟宁,纪圣华

(威海北洋电气集团股份有限公司，山东 威海 264209)



实时定位系统中的自适应门限接收技术研究

宋伟宁,纪圣华

(威海北洋电气集团股份有限公司，山东 威海 264209)

提高接收机灵敏度的最通用方法为相干积分技术，但在实时定位系统中，由于发射信号为短时突发，所取得的相干积分增益有限；为此，提出采用自适应门限接收技术提高接收灵敏度，并通过仿真实验，分析了相干积分时间、残余频差等参数对自适应门限接收技术改进效果的影响；仿真结果表明，当残余频差为120 Hz时，通过长度为50个伪码周期的相干积分及自适应门限检测技术的应用，可以有效提高接收机灵敏度约17 dB。

相干积分；自适应门限；实时定位系统

0 引言

实时定位系统中，标签往往佩戴于人员身上或附着于待定位资产上，通过对标签发射信号的到达时刻提取并解算即可完成对载体(人员、货物)的定位[1]。载体的可移动性，决定了标签必须采用电池供电。为延长电池的工作时间，在可以正常进行接收解调的前提下，必须尽量降低标签的发射功率，相应地则需要提高读写器的接收灵敏度。提高接收灵敏度最有效的方法就是延长积分时间[2]，但对于实时定位系统，标签的发射信号为突发信号，每次发射信号的长度为固定值，通过延长积分时间而获得的增益受到信号持续时间的限制而效果有限。

本章首先介绍了相干积分技术，并研究了其在实时定位系统中的应用；在此基础上，提出通过自适应门限检测技术进一步提高读写器接收灵敏度，并通过仿真验证了接收机的关键参数对自适应门限检测效果的影响。

1 相干积分技术

相干积分原理框图如图1所示[3]。

图1 多径模型图

(1)

其中：A为信号幅度；D(t)为调制数据；PN(t)为伪码序列；f为载波频率；fD为多普勒频率；τ0为时延；φ0为载波相位；n(t)为噪声。简单起见，式(1)中忽略了伪码的多样性。

经过采样后的基带信号可以表示为(忽略上标y)：

(2)

用本地码PN(l+τ)与r(l)相关，其中τ为时延估计，则将Mc个采样信号相干累加后得到：

(3)

其中：yμ为信号相干累加分量，wμ为噪声相干累加分量。

对比式(2)与式(3)可知，wμ服从高斯分布，其均值为0，方差为[4]：

(4)

下面考虑信号相干累加分量yμ。

当本地码与接收伪码对准时，并记Ds,μ为相干积分过程中的数据分量，则有：

(5)

考虑ej2πfdTs，利用泰勒公式将其展开，有：

(6)

当j2πfdTs≼1时，可以忽略高阶小项，则近似有：

(7)

将式(7)代入式(5)，有：

(8)

当本地伪码与接收伪码未对准时，Gold序列的三值互相关特性如表1所示。

表1 Gold码序列的互相关函数特性

可见，伪码未对准时，对式(8)的影响仅为其幅度的变化。

2 相干积分的限制

考虑式(8)中的sinc(α)项，如图2所示。

图2 sinc(α)曲线图

由图2可以看出，当α(即fdMcTs)不等于0时，信号幅度迅速衰减，从而使得信噪比改善效果变差。为保证足够长的积分时间(McTs)，则必须使得残余频差(fd)足够小。

考虑式(4)中的数据分量Ds,μ：在相干积分过程中若出现数据跳变，则将导致前后伪码周期的信号分量符号相反而互相抵消，从而使得相干积分对信噪比的改善效果变差。为了有效地进行相干积分，有以下两种方法：(1)采用消除数据影响的算法；(2)应用发射数据已知的帧头部分进行相干积分运算。简单起见，本文仅考虑第二种方式，则可能达到的最长积分时间为帧同步头的长度。

3 自适应门限检测

由图1可知，相干积分的能量检测量为：

(9)

其服从2个自由度的非中心χ2分布，且其累计密度满足[5]：

(10)

其中：非中心参数yμ满足：

(11)

传统的固定门限检测算法是将式(9)中Λ与固定门限Λ0相比较从而判断捕获是否成功：

(12)

H1代表估计的码相位τ与τ0对齐，反之则未对齐。

传统的固定门限检测将伪随机码当做理想随机序列，即：认为相位未对准时扩频码的相关值为0，这一理想假设造成检测性能的下降。本节将研究一种考虑伪随机码自相关特性的自适应门限检测算法。

自适应门限检测算法则是根据N-P准则，在给定虚警检测概率PFA下使得检测概率PD最大。

虚警概率PFA可以表示为[6]：

(13)

则自适应检测门限为：

(14)

相应的检测概率为：

(15)

4 仿真验证与分析

仿真中，选取伪码长度为63的Gold序列，帧同步段长为100个伪码周期。假定接收机参数为噪声温度T0=290 K，噪声系数F=3，虚警概率PFA=10-5。记信号载波功率与噪声功率之比为CNR。

仿真中，取相干积分长度分别为1个伪码周期(Mc=1，此时接收机为传统接收机)、50个伪码周期(Mc=50)及100个伪码周期(Mc=100)。不同残余频差的情况下，检测概率随载噪比的变化情况如图3(a)～(e)所示。

图3 不同残余频差情况下，检测概率与载噪比关系

由图3中可以看出，增加相干积分时间，可以有效提高接收机灵敏度。以检测概率98%为例：

(1)相干积分时间的影响：残余频差fd≤120 Hz时，相干积分对接收机灵敏度的影响与残余频差基本无关；当相干积分时间从1个伪码周期增加至50个伪码周期时，对接收灵敏度改善效果明显——接收灵敏度分别提高约12 dB(固定门限检测)/17 dB(自适应门限检测)；当相干积分时间继续增加至100个伪码周期时，改善效果则明显减小——接收灵敏度分别提高约1 dB(固定门限检测)/3 dB(自适应门限检测)。

(2)残余频差的影响：当残余频差为60 Hz、120 Hz时，残余频差引起的接收灵敏度损失约为1 dB，损失效果并不明显；当残余频差进一步增大至240 Hz、360 Hz时，使得接收机灵敏度损失达到3 dB以上。

(3)自适应门限检测技术的影响：当残余频差fd≤240 Hz时，自适应门限检测技术相对固定门限检测技术的改善效果主要受相干积分时间的影响——相干积分时间为1个伪码周期时，两者的检测概率曲线基本重合；当相干积分时间分别为50与100个伪码周期时，相对于固定门限检测技术，自适应门限检测技术对接收机灵敏度的提高分别约为6 dB与8 dB。当残余频差增大至360 Hz时，自适应门限相对于固定门限的改善效果减小，约为3 dB左右。

5 结论

[1] 赵 斐，张 波，张彦仲，等.基于扩频技术的RFID区域实时定位系统设计[J]. 计算机测量与控制，2013，21(1)：192-194.

[2] 王勇松. 高灵敏度GNSS关键接收技术研究 [D].杭州：浙江大学，2010.

[3] Ward P, Understanding GPS: Principles and Applications. Norwood, MA, USA: Artech House Publishers, 1996, ch. 5: Satellite Signal Acquisition and Tracking.

[4] 刘海涛. 高灵敏度GPS_Galileo双模导航接收机的研究与开发[D]. 长沙：国防科技大学，2006.

[5] Simon M K. Probability Distributions Involving Gaussian Random Variables[M]. Norwell, MA, USA: Kluwer Academic Publishers, 2002.

[6] Harry V T. 检测、估计和线性调制理论[M]. 毛士艺，周荫清，张其善译.北京：电子工业出版社，2007.

Study on Adaptive Threshold in Real Time Locating System

Song Weining, Ji Shenghua

(Weihai Beiyang Electric Group Co., LTD., Weihai 264209, China)

Coherent integration is mostly used to enhance receiver sensitivity. But in Real Time Locating System, gain from coherent integration is limited because of burst signal. Thus, adaptive threshold is used and the impact of parameters such as coherent integration time and residual frequency difference is analysis. Result shows that with 120Hz residual frequency difference, the receiver sensitivity is enhanced by 17dB by means of 50 pseudo code periods and adaptive threshold detecting technology.

coherent integration; adaptive threshold; real time locating system

2015-11-06；

2015-12-07。

宋伟宁(1983-)，男，山东威海人，博士，主要从事RFID、定位系统方向的研究。

1671-4598(2016)03-0270-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.03.074

TN 967.1

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