（節(jié)選）2013年--外文翻譯--基于高精度低復(fù)雜度的偽多普勒的定位算法（譯文）

1、<p><b>　　中文4500字</b></p><p>　　出處：Babjak B, Szilvasi S, Volgyesi P. On accurate, low-complexity quasi doppler based localization[C]//The Third International Conference on Digital Information

2、and Communication Technology and its Applications (DICTAP2013). The Society of Digital Information and Wireless Communication, 2013: 85-92.</p><p>　　基于高精度低復(fù)雜度的偽多普勒的定位算法</p><p><b>　　概述</

3、b></p><p>　　本篇論文的目的是討論偽多普勒方式的位置估計(jì)并展示現(xiàn)代數(shù)字信號處理和信號相關(guān)知識是如何提升偽多普勒技術(shù)并使它可應(yīng)用于簡易定位的。本文的基本思路是不均勻地轉(zhuǎn)換發(fā)射端天線，并且精確地檢測相位突變以排除其他原因帶來的相位改變（如調(diào)制，時鐘不同步，時鐘抖動）來實(shí)現(xiàn)位置估計(jì)。</p><p><b>　　關(guān)鍵詞</b></p><

4、;p>　　定位，偽多普勒，數(shù)字信號處理</p><p><b>　　1 說明</b></p><p>　　自從方向性天線實(shí)用以來精確方位估計(jì)及定位被廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)有的研究主要依靠高分辨率，多通道算法例如SAGE,MUSIC,ESPRIT，他們都是復(fù)雜的系統(tǒng)和大量資源來獲得可靠并準(zhǔn)確的方位信息。然而小的，低能耗的設(shè)備需要不同的方法。單通道多普勒定位方法就能提供較方

5、向天線高的準(zhǔn)確度。它的內(nèi)容就是一個全向天線繞著一個中心旋轉(zhuǎn)，在正常觀測信號上疊加上一個多普勒頻移，而這個多普勒頻移時方位角（AOA）的函數(shù)。我們可以用模擬的方法很方便地提取出這個信息，這在當(dāng)時只有模擬信號處理情況下是很正常的，并且現(xiàn)在新的技術(shù)仍在應(yīng)用它。此技術(shù)進(jìn)化版本就是用轉(zhuǎn)換均勻分布在一個圓上的天線（形成環(huán)形陣列UCA）來替代天線的旋轉(zhuǎn)。這就是偽多普勒技術(shù)，它的優(yōu)勢在于沒有轉(zhuǎn)動部分并且可以形成基本的定位方法。</p>&

6、lt;p>　　正因?yàn)樗暮啽阈圆⑶抑恍枰罨镜奶炀€設(shè)備，人們廣泛地使用偽多普勒技術(shù)。這些應(yīng)用包括了傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，業(yè)余無線電泛濫，甚至安裝在車輛上。然后所有簡單的事物上都是細(xì)節(jié)決定成敗，直接的應(yīng)用總是忽略隱藏在背后的機(jī)會和一些復(fù)雜的重點(diǎn)。舉個例子，一個集中地天線陣列可能引起反射或者散射。每個天線必須準(zhǔn)確地匹配來消除額外的相位偏移。另外天線間的距離必須小于波長以此來避免相位模糊，盡管我們?nèi)杂幸恍┓椒词挂陨蠗l件不都滿足。相位偏移

7、不是微不足道的并且除了它我們還有正弦擬合的課題。如果信號不是簡單的正弦波而是經(jīng)過調(diào)制的攜帶信息的載波，突然的轉(zhuǎn)換可能引起信號劣化，我們的目標(biāo)是不僅僅確定位置并且提取出攜帶的信息。最近幾年很多人開始提出此方法的缺點(diǎn)。為了應(yīng)對突然的轉(zhuǎn)換帶來的副作用，人們開始研究了平滑轉(zhuǎn)換。人們提出了一個算法來在輸出信號中完全消除轉(zhuǎn)換信息。為了處理信道中噪聲，每個天線上的鎖相環(huán)（pll）被提出。方向性天線技術(shù)保證了更高的信噪比因此更遠(yuǎn)的有效距離但同時周期性地

8、失去了信號。干涉測量法使得別人可能在更低的頻率上操作此系統(tǒng)。上述這些方法都是偽多普勒方法的提高，但是都是基于模擬信號處理的角度。然而最先進(jìn)的</p><p>　　本文的主要貢獻(xiàn)在于（1）確定偽多普勒技術(shù)的主要問題并描述絕決方案，（2）介紹基于上述解決方案的具體操作，（3）提供實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本文展示了如何通過精確地調(diào)整天線轉(zhuǎn)換和相位突變檢測來完善偽多普勒技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)抗調(diào)制，抗不匹配，抗時鐘抖動的不影響信息內(nèi)容的精確定

9、位。</p><p>　　剩下的部分時這么組織的：第二部分簡述傳統(tǒng)多普勒技術(shù)，最后解釋基于偽多普勒的完整定位系統(tǒng)。第三部分進(jìn)一步提高信號處理方法。第四部分給出結(jié)果。</p><p><b>　　2 概述</b></p><p>　　2.1 簡述多普勒技術(shù)</p><p>　　假設(shè)一個全向天線正在接受一個由在一個不受限制的

10、空間中的全向天線發(fā)射的單一正弦波，并沒有多徑效應(yīng)。為了簡便，兩根天線都是在z=0的平面，接收端在（x，y），信號強(qiáng)度是（A），載波頻率（fc）,相位（φ）都是常數(shù)。又假設(shè)發(fā)射機(jī)離著很遠(yuǎn)，這樣當(dāng)信號到達(dá)時可以被考慮為平面波。用簡單的尺度變換接收到的信號就可以被寫成(1)，這里，是波長，頻率f c ，θ是方位角或平面波的AOA。</p><p>　　f c t+φ+(cosθ+ysinθ)) (1)</p&

11、gt;<p>　　記住了這個公式，我們基于多普勒現(xiàn)象的定位方法：被測量頻率隨著接受其的移動而改變。讓我們給接收點(diǎn)配一個順時針或逆時針方向旋轉(zhuǎn)的天線。</p><p>　　圖片1：多普勒方法，一個天線以恒定角速度繞ω著中心旋轉(zhuǎn)，半徑r，從t=0時刻開始。</p><p>　　這個系統(tǒng)是定義在實(shí)際天線是在t=0時刻開始的。在接收天線在以固定的角速度旋轉(zhuǎn)時它在遠(yuǎn)離信源和靠近信源兩種

12、狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。這兩種情況下頻率偏移都是可以觀測的，于是觀測角（AOA）就可以被計(jì)算出來。如果接收端的移動半徑是r角速度ω，那么我們能得到（2）式。</p><p>　　Xcosθ+ysinθ=rcos(ωt)cosθ+rsin(ωt)sinθ</p><p>　　=rcos(ωt-θ)</p><p>　　將此式帶入（1）中，就是多普勒的最基本等式。</p&g

13、t;<p>　　f(r, θ,t)=Acos(2f c t+φ+rcos(ωt-θ)) (3)</p><p>　　等式（3）意味著信號因?yàn)榄h(huán)形運(yùn)動而受到了調(diào)制。重點(diǎn)是這里的調(diào)制信號rcos(ωt-θ)包涵AOA，而且我們可以以rcos(ωt)為參考。圖2為一個接收到的信號。注意這里相位是由180到-180變化的，并且這個結(jié)果是由特定的測量方式引起的并沒有代表性。用不同的方式相位變化可能或多或少

14、，之后的情況下相位將被折疊。</p><p>　　圖2：上部分是被調(diào)制信號，下面是調(diào)制信號或由天線旋轉(zhuǎn)引起的相位變化。</p><p>　　2.2 偽多普勒技術(shù)簡介</p><p>　　偽多普勒舍棄了旋轉(zhuǎn)的天線而用在天線陣之間轉(zhuǎn)換的方式。圖3體現(xiàn)了三個天線情況下時情形，其他情況可能更多天線。開始系統(tǒng)的方位角是以第一個天線為基準(zhǔn)定義的。其他天線按順序編號。</p

15、><p>　　圖片3：用陣列天線的偽多普勒</p><p>　　為了更好的理解多普勒和偽多普勒的關(guān)系，給出下圖，以多普勒開始，信源發(fā)射正弦波，接收天線旋轉(zhuǎn)，把天線在三個地方暫停，比如方位角60度，180度，300度。開始時相比于移動的時間暫停的時間比較短，然后我們逐漸延長暫停時間，我們會得到圖4那樣的偽多普勒波形。多普勒的圖像時連續(xù)的沒有突變的錢，而偽多普勒是有突變的。</p>

16、<p>　　圖4：由于天線改變旋轉(zhuǎn)方式的得到的調(diào)制信號，保持時間共有4個階段。</p><p>　　我們看到偽多普勒是多普勒調(diào)制信號的的采樣。像圖4那樣的相位突變在每次轉(zhuǎn)換天線時都會出現(xiàn)。相位突變在[12]中有介紹。</p><p>　　為了完全準(zhǔn)確，我們假設(shè)第一個天線到最后一個的轉(zhuǎn)換是發(fā)生在t=0時刻的。但是在沒有同步的情況下觀測者只能在有相對時間τ的情況下觀測。注意因此原來的

17、cos(ωt)就應(yīng)該改為（4），在我們知道何時轉(zhuǎn)換天線時，τ1，τ2 ….</p><p>　　2.3基于偽多普勒的定位</p><p>　　只要有一個位置估計(jì)的方法我們就能做出一個定位系統(tǒng)。但是看來以前的方法都不直接適用，因?yàn)榻邮斩诵枰《唵?，于是?fù)雜的天線旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)是不可能的。還有一個以前沒說的問題就是我們說的概念都是對稱的。旋轉(zhuǎn)天線或者陣列天線既可以放在接收端然后已接收端的角度觀測A

18、OA也可以被放在發(fā)射端。哪種方法的測量信號都會是圖2圖4那樣的，所以多普勒和偽多普勒效應(yīng)在接收端時小型簡便天線系統(tǒng)時也是可有的。圖5展示了一個接收端和兩個發(fā)射端的情況，兩個發(fā)射端的位置和方向知道了就可以用三角型計(jì)算位置。</p><p>　　圖5：基于偽多普勒的定位系統(tǒng)</p><p><b>　　3 信號處理</b></p><p>　　在這

19、部分里我們討論改進(jìn)的多普勒信號處理方法。我們以一個簡單概括的方法開始，然后用更加復(fù)雜的概念來做出能用在之前所說的定位系統(tǒng)的接收端中的信號處理方法。思路很明確：提取出和天線旋轉(zhuǎn)/轉(zhuǎn)換相關(guān)的相位信息然后和cos(ωt)一起得出AOA的結(jié)果。這里有很多處理方法這里沒有提到，但是我們的目的不是把他們?nèi)苛信e出來而是闡述需要考慮的重要的方面。</p><p>　　3.1 多普勒和偽多普勒方法</p><

20、p>　　圖6給出了一個框圖，第一個相位解調(diào)器提取出相位，這里包含了和載波和多普勒效應(yīng)相關(guān)的相位信息。得到的信號在通過微分器之后會有一個直流分量，并可以用高通濾波器濾掉。接下來的集成系統(tǒng)得到調(diào)制信號，一個很窄的帶通濾波器濾掉在轉(zhuǎn)換天線過程中產(chǎn)生的高次諧波和噪聲。將得到的輸出和參考信號比較得到AOA。更加準(zhǔn)確地說，再通過帶通濾波器之后產(chǎn)生了一個時延，為了得到精確的結(jié)果我們需要一些糾正措施。為了簡單，上述措施沒有在結(jié)果中體現(xiàn)出來。<

21、;/p><p>　　圖6：多譜勒，偽多普勒的信號處理方式 圖7：仿真調(diào)制信號相比于真實(shí)信號。</p><p>　　這個看似簡單的方法還有兩個問題。較嚴(yán)重的是其他因素影響的相位變化，如調(diào)制，時鐘不匹配，時鐘抖動和頻率不穩(wěn)?？磮D7中的由于頻率不穩(wěn)導(dǎo)致的相位變化。一種解決方法是提高穩(wěn)定性或者減少天線轉(zhuǎn)換之間時間來使頻率在觀測的時間內(nèi)變化不大。</p><p>

22、　　另一種方法就是仔細(xì)地檢查調(diào)制信號中的相位突變，然而這里有個小問題，相位突變不是突然的所以我們不能一下只找出攜帶所有信息的單個樣本，所以我們需要一個時間窗。這就意味著可能會引進(jìn)一些噪聲，但如果窗口足夠小，噪聲不會有顯著的影響。</p><p>　　3.2 偽多普勒：合適的窗口選擇器</p><p>　　如果我們能有天線選擇信號（陣列天線在接收端處），這個信號就可以用來選擇相位變化。見圖8

23、的框圖。這個方法的副作用是在轉(zhuǎn)換時間處的離散的時間窗口不是連續(xù)地提供調(diào)制信號，我們只有當(dāng)轉(zhuǎn)換發(fā)生時的數(shù)據(jù)，就像灰色箭頭指出的那樣。想到（4），我們不需要有整個cos(ωt)，我們可以不全部利用。</p><p>　　圖8：有合適的窗口選擇器的偽多普勒方法</p><p>　　還有一個關(guān)于相位解調(diào)中自帶的相位模糊問題。計(jì)算任何相位時都會有一個±N360度的誤差，這會使得這種方法無效

24、考慮到正弦波的適應(yīng)問題：相位會被扭曲到無法還原出正弦波的程度。既然相位計(jì)算可以給出較小的結(jié)果，我們可以減小相位突變的幅度。所以我們可以減小兩個天線之間的距離（如果天線允許）或者增大波長。</p><p>　　3.3 偽多普勒方法：合適的窗口選擇器，相位模糊矯正</p><p>　　到現(xiàn)在為止解決相位模糊的方法是由以下技術(shù)</p><p>　　實(shí)現(xiàn)的：相位突變的和實(shí)際

25、上是一個正弦波的積分，所以如果把整個周期內(nèi)的（越多越好）相位變化加在一起應(yīng)該會十分接近0。如果我們用同一種方式±360°這樣使得相位和相加為零并使得絕對值相加最大的結(jié)果就是有效的。有些時候可能得到不止一種結(jié)果。圖9就是一種方法，相位模糊被糾正使得輸出像是正弦波。</p><p>　　圖9：偽多普勒放方法，有時間窗，相位模糊糾正</p><p>　　這里的問題是接收端沒有

26、天線轉(zhuǎn)換信息和準(zhǔn)確的在接收端和發(fā)射端之間的同步。</p><p>　　3.4 偽多普勒方法：時間窗，相位糾正，近似的時間槽</p><p>　　在沒有轉(zhuǎn)換信息的情況下，我們?nèi)阅軌蛘业较辔煌蛔?。假設(shè)我們知道第一個天線轉(zhuǎn)換的時刻。一種方法是找到在一個時間槽的最大值，然后基于以前的相位變化動態(tài)調(diào)整時間槽。如圖10。</p><p>　　圖10：時間窗和時間槽，用來和調(diào)制信

27、號和其微分選擇相位突變。</p><p>　　圖11有一個流程圖，圖12有結(jié)果，這里實(shí)際測得的結(jié)果用紅色表示。</p><p>　　圖11：偽多普勒方式，用時間窗，位模糊糾正，時間槽</p><p>　　圖12：三天線測得的調(diào)制信號的微分，時間槽用綠色，相位突變用紅色表示</p><p>　　還有的問題是系統(tǒng)是完全對稱的，于是就沒有參考來卻定

28、何時轉(zhuǎn)換到第一個天線。于是就引入了一個觀測角模糊，三個天線可能給出3個方向。</p><p>　　3.5 偽多普勒方法：偽多普勒方式，用時間窗，位模糊糾正，時間槽，滑動窗，無參考</p><p>　　圖13：合適的時間窗和滑動的時間窗來找和調(diào)制信號和其微分有關(guān)的相位突變</p><p>　　一個創(chuàng)新的解決缺少參考的方式是在兩次轉(zhuǎn)換時間之間不設(shè)時間段。這樣的話，比如三

29、個時間窗分別對應(yīng)三個轉(zhuǎn)換事件。于是我們一起滑動這三個窗直到找到合適的結(jié)果，他們相位突變的和是零，絕對值相加很高，然后我們就知道了第一個天線開始的時間同時知道了之后的所有轉(zhuǎn)換時間。</p><p>　　圖14：偽多普勒方法：偽多普勒方式，用時間窗，位模糊糾正，時間槽，滑動窗，無參考</p><p>　　圖14展示了一個流程圖，相相位解調(diào)器提取出相位之后計(jì)算微分，高通濾波器去掉和載波頻率有關(guān)的

30、直流。這時信號被分為兩路。一路包括滑動時間窗，找出在轉(zhuǎn)換附近時間。一個最大值尋找器在時間窗之內(nèi)最大的相位變化并將其認(rèn)為成有轉(zhuǎn)化天下會引起的變化。合適時間窗選擇器會用這個最大值的位置和高通濾波器的輸出找到相位突變處附近樣本，然后整合在一起。相位模糊糾正器找到最合適的像正弦波的方案，也告訴之前的設(shè)備是否正確。連續(xù)的相位就能給出AOA，但需要很多計(jì)算。有了這些就可以在沒有參考的事后定位。而且，一旦找到了合適的結(jié)果我們就可以把那些有轉(zhuǎn)換引起的相