宋偉寧,紀圣華

(威海北洋電氣集團股份有限公司，山東 威海 264209)

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實時定位系統中的自適應門限接收技術研究

宋偉寧,紀圣華

(威海北洋電氣集團股份有限公司，山東 威海 264209)

提高接收機靈敏度的最通用方法為相干積分技術，但在實時定位系統中，由于發(fā)射信號為短時突發(fā)，所取得的相干積分增益有限；為此，提出采用自適應門限接收技術提高接收靈敏度，并通過仿真實驗，分析了相干積分時間、殘余頻差等參數對自適應門限接收技術改進效果的影響；仿真結果表明，當殘余頻差為120 Hz時，通過長度為50個偽碼周期的相干積分及自適應門限檢測技術的應用，可以有效提高接收機靈敏度約17 dB。

相干積分；自適應門限；實時定位系統

0 引言

實時定位系統中，標簽往往佩戴于人員身上或附著于待定位資產上，通過對標簽發(fā)射信號的到達時刻提取并解算即可完成對載體(人員、貨物)的定位[1]。載體的可移動性，決定了標簽必須采用電池供電。為延長電池的工作時間，在可以正常進行接收解調的前提下，必須盡量降低標簽的發(fā)射功率，相應地則需要提高讀寫器的接收靈敏度。提高接收靈敏度最有效的方法就是延長積分時間[2]，但對于實時定位系統，標簽的發(fā)射信號為突發(fā)信號，每次發(fā)射信號的長度為固定值，通過延長積分時間而獲得的增益受到信號持續(xù)時間的限制而效果有限。

本章首先介紹了相干積分技術，并研究了其在實時定位系統中的應用；在此基礎上，提出通過自適應門限檢測技術進一步提高讀寫器接收靈敏度，并通過仿真驗證了接收機的關鍵參數對自適應門限檢測效果的影響。

1 相干積分技術

相干積分原理框圖如圖1所示[3]。

圖1 多徑模型圖

(1)

其中：A為信號幅度；D(t)為調制數據；PN(t)為偽碼序列；f為載波頻率；fD為多普勒頻率；τ0為時延；φ0為載波相位；n(t)為噪聲。簡單起見，式(1)中忽略了偽碼的多樣性。

經過采樣后的基帶信號可以表示為(忽略上標y)：

(2)

用本地碼PN(l+τ)與r(l)相關，其中τ為時延估計，則將Mc個采樣信號相干累加后得到：

(3)

其中：yμ為信號相干累加分量，wμ為噪聲相干累加分量。

對比式(2)與式(3)可知，wμ服從高斯分布，其均值為0，方差為[4]：

(4)

下面考慮信號相干累加分量yμ。

當本地碼與接收偽碼對準時，并記Ds,μ為相干積分過程中的數據分量，則有：

(5)

考慮ej2πfdTs，利用泰勒公式將其展開，有：

(6)

當j2πfdTs?1時，可以忽略高階小項，則近似有：

(7)

將式(7)代入式(5)，有：

(8)

當本地偽碼與接收偽碼未對準時，Gold序列的三值互相關特性如表1所示。

表1 Gold碼序列的互相關函數特性

可見，偽碼未對準時，對式(8)的影響僅為其幅度的變化。

2 相干積分的限制

考慮式(8)中的sinc(α)項，如圖2所示。

圖2 sinc(α)曲線圖

由圖2可以看出，當α(即fdMcTs)不等于0時，信號幅度迅速衰減，從而使得信噪比改善效果變差。為保證足夠長的積分時間(McTs)，則必須使得殘余頻差(fd)足夠小。

考慮式(4)中的數據分量Ds,μ：在相干積分過程中若出現數據跳變，則將導致前后偽碼周期的信號分量符號相反而互相抵消，從而使得相干積分對信噪比的改善效果變差。為了有效地進行相干積分，有以下兩種方法：(1)采用消除數據影響的算法；(2)應用發(fā)射數據已知的幀頭部分進行相干積分運算。簡單起見，本文僅考慮第二種方式，則可能達到的最長積分時間為幀同步頭的長度。

3 自適應門限檢測

由圖1可知，相干積分的能量檢測量為：

(9)

其服從2個自由度的非中心χ2分布，且其累計密度滿足[5]：

(10)

其中：非中心參數yμ滿足：

(11)

傳統的固定門限檢測算法是將式(9)中Λ與固定門限Λ0相比較從而判斷捕獲是否成功：

(12)

H1代表估計的碼相位τ與τ0對齊，反之則未對齊。

傳統的固定門限檢測將偽隨機碼當做理想隨機序列，即：認為相位未對準時擴頻碼的相關值為0，這一理想假設造成檢測性能的下降。本節(jié)將研究一種考慮偽隨機碼自相關特性的自適應門限檢測算法。

自適應門限檢測算法則是根據N-P準則，在給定虛警檢測概率PFA下使得檢測概率PD最大。

虛警概率PFA可以表示為[6]：

(13)

則自適應檢測門限為：

(14)

相應的檢測概率為：

(15)

4 仿真驗證與分析

仿真中，選取偽碼長度為63的Gold序列，幀同步段長為100個偽碼周期。假定接收機參數為噪聲溫度T0=290 K，噪聲系數F=3，虛警概率PFA=10-5。記信號載波功率與噪聲功率之比為CNR。

仿真中，取相干積分長度分別為1個偽碼周期(Mc=1，此時接收機為傳統接收機)、50個偽碼周期(Mc=50)及100個偽碼周期(Mc=100)。不同殘余頻差的情況下，檢測概率隨載噪比的變化情況如圖3(a)～(e)所示。

圖3 不同殘余頻差情況下，檢測概率與載噪比關系

由圖3中可以看出，增加相干積分時間，可以有效提高接收機靈敏度。以檢測概率98%為例：

(1)相干積分時間的影響：殘余頻差fd≤120 Hz時，相干積分對接收機靈敏度的影響與殘余頻差基本無關；當相干積分時間從1個偽碼周期增加至50個偽碼周期時，對接收靈敏度改善效果明顯——接收靈敏度分別提高約12 dB(固定門限檢測)/17 dB(自適應門限檢測)；當相干積分時間繼續(xù)增加至100個偽碼周期時，改善效果則明顯減小——接收靈敏度分別提高約1 dB(固定門限檢測)/3 dB(自適應門限檢測)。

(2)殘余頻差的影響：當殘余頻差為60 Hz、120 Hz時，殘余頻差引起的接收靈敏度損失約為1 dB，損失效果并不明顯；當殘余頻差進一步增大至240 Hz、360 Hz時，使得接收機靈敏度損失達到3 dB以上。

(3)自適應門限檢測技術的影響：當殘余頻差fd≤240 Hz時，自適應門限檢測技術相對固定門限檢測技術的改善效果主要受相干積分時間的影響——相干積分時間為1個偽碼周期時，兩者的檢測概率曲線基本重合；當相干積分時間分別為50與100個偽碼周期時，相對于固定門限檢測技術，自適應門限檢測技術對接收機靈敏度的提高分別約為6 dB與8 dB。當殘余頻差增大至360 Hz時，自適應門限相對于固定門限的改善效果減小，約為3 dB左右。

5 結論

[1] 趙 斐，張 波，張彥仲，等.基于擴頻技術的RFID區(qū)域實時定位系統設計[J]. 計算機測量與控制，2013，21(1)：192-194.

[2] 王勇松. 高靈敏度GNSS關鍵接收技術研究 [D].杭州：浙江大學，2010.

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

[4] 劉海濤. 高靈敏度GPS_Galileo雙模導航接收機的研究與開發(fā)[D]. 長沙：國防科技大學，2006.

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

[6] Harry V T. 檢測、估計和線性調制理論[M]. 毛士藝，周蔭清，張其善譯.北京：電子工業(yè)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。

宋偉寧(1983-)，男，山東威海人，博士，主要從事RFID、定位系統方向的研究。

1671-4598(2016)03-0270-03

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

TN 967.1

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