（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(hào)處理和信號(hào)相關(guān)知識(shí)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(shí)鐘不同步，時(shí)鐘抖動(dòng)）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(hào)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(gè)全向天線繞著一個(gè)中心旋轉(zhuǎn)，在正常觀測信號(hào)上疊加上一個(gè)多普勒頻移，而這個(gè)多普勒頻移時(shí)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(gè)信息，這在當(dāng)時(shí)只有模擬信號(hào)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(gè)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(dòng)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(huì)和一些復(fù)雜的重點(diǎn)。舉個(gè)例子，一個(gè)集中地天線陣列可能引起反射或者散射。每個(gè)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(hào)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(hào)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(gè)算法來在輸出信號(hào)中完全消除轉(zhuǎn)換信息。為了處理信道中噪聲，每個(gè)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(shí)周期性地

8、失去了信號(hào)。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(hào)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(shí)鐘抖動(dòng)的不影響信息內(nèi)容的精確定

9、位。</p><p>　　剩下的部分時(shí)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(hào)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(gè)全向天線正在接受一個(gè)由在一個(gè)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(hào)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(hào)到達(dá)時(shí)可以被考慮為平面波。用簡單的尺度變換接收到的信號(hào)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(gè)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(dòng)而改變。讓我們給接收點(diǎn)配一個(gè)順時(shí)針或逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的天線。</p><p>　　圖片1：多普勒方法，一個(gè)天線以恒定角速度繞ω著中心旋轉(zhuǎn)，半徑r，從t=0時(shí)刻開始。</p><p>　　這個(gè)系統(tǒng)是定義在實(shí)際天線是在t=0時(shí)刻開始的。在接收天線在以固定的角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)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(dòng)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(hào)因?yàn)榄h(huán)形運(yùn)動(dòng)而受到了調(diào)制。重點(diǎn)是這里的調(diào)制信號(hào)rcos(ωt-θ)包涵AOA，而且我們可以以rcos(ωt)為參考。圖2為一個(gè)接收到的信號(hào)。注意這里相位是由180到-180變化的，并且這個(gè)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(hào)，下面是調(diào)制信號(hào)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(gè)天線情況下時(shí)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(gè)天線為基準(zhǔn)定義的。其他天線按順序編號(hào)。</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(gè)地方暫停，比如方位角60度，180度，300度。開始時(shí)相比于移動(dòng)的時(shí)間暫停的時(shí)間比較短，然后我們逐漸延長暫停時(shí)間，我們會(huì)得到圖4那樣的偽多普勒波形。多普勒的圖像時(shí)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(hào)，保持時(shí)間共有4個(gè)階段。</p><p>　　我們看到偽多普勒是多普勒調(diào)制信號(hào)的的采樣。像圖4那樣的相位突變在每次轉(zhuǎn)換天線時(shí)都會(huì)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(gè)天線到最后一個(gè)的轉(zhuǎn)換是發(fā)生在t=0時(shí)刻的。但是在沒有同步的情況下觀測者只能在有相對時(shí)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(shí)轉(zhuǎn)換天線時(shí)，τ1，τ2 ….</p><p>　　2.3基于偽多普勒的定位</p><p>　　只要有一個(gè)位置估計(jì)的方法我們就能做出一個(gè)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《唵危谑菑?fù)雜的天線旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)是不可能的。還有一個(gè)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(hào)都會(huì)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(shí)小型簡便天線系統(tǒng)時(shí)也是可有的。圖5展示了一個(gè)接收端和兩個(gè)發(fā)射端的情況，兩個(gè)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(hào)處理</b></p><p>　　在這

19、部分里我們討論改進(jìn)的多普勒信號(hào)處理方法。我們以一個(gè)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(hào)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(gè)框圖，第一個(gè)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(hào)在通過微分器之后會(huì)有一個(gè)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(hào)，一個(gè)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(hào)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(gè)時(shí)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(hào)處理方式 圖7：仿真調(diào)制信號(hào)相比于真實(shí)信號(hào)。</p><p>　　這個(gè)看似簡單的方法還有兩個(gè)問題。較嚴(yán)重的是其他因素影響的相位變化，如調(diào)制，時(shí)鐘不匹配，時(shí)鐘抖動(dòng)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(shí)間來使頻率在觀測的時(shí)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(hào)中的相位突變，然而這里有個(gè)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(gè)樣本，所以我們需要一個(gè)時(shí)間窗。這就意味著可能會(huì)引進(jìn)一些噪聲，但如果窗口足夠小，噪聲不會(huì)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(hào)（陣列天線在接收端處），這個(gè)信號(hào)就可以用來選擇相位變化。見圖8

23、的框圖。這個(gè)方法的副作用是在轉(zhuǎn)換時(shí)間處的離散的時(shí)間窗口不是連續(xù)地提供調(diào)制信號(hào)，我們只有當(dāng)轉(zhuǎn)換發(fā)生時(shí)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(gè)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(gè)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(shí)都會(huì)有一個(gè)±N360度的誤差，這會(huì)使得這種方法無效

24、考慮到正弦波的適應(yīng)問題：相位會(huì)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(gè)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(gè)正弦波的積分，所以如果把整個(gè)周期內(nèi)的（越多越好）相位變化加在一起應(yīng)該會(huì)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(shí)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(shí)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(shí)間窗，相位糾正，近似的時(shí)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(gè)天線轉(zhuǎn)換的時(shí)刻。一種方法是找到在一個(gè)時(shí)間槽的最大值，然后基于以前的相位變化動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)間槽。如圖10。</p><p>　　圖10：時(shí)間窗和時(shí)間槽，用來和調(diào)制信

27、號(hào)和其微分選擇相位突變。</p><p>　　圖11有一個(gè)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(shí)間窗，位模糊糾正，時(shí)間槽</p><p>　　圖12：三天線測得的調(diào)制信號(hào)的微分，時(shí)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(shí)轉(zhuǎn)換到第一個(gè)天線。于是就引入了一個(gè)觀測角模糊，三個(gè)天線可能給出3個(gè)方向。</p><p>　　3.5 偽多普勒方法：偽多普勒方式，用時(shí)間窗，位模糊糾正，時(shí)間槽，滑動(dòng)窗，無參考</p><p>　　圖13：合適的時(shí)間窗和滑動(dòng)的時(shí)間窗來找和調(diào)制信號(hào)和其微分有關(guān)的相位突變</p><p>　　一個(gè)創(chuàng)新的解決缺少參考的方式是在兩次轉(zhuǎn)換時(shí)間之間不設(shè)時(shí)間段。這樣的話，比如三

29、個(gè)時(shí)間窗分別對應(yīng)三個(gè)轉(zhuǎn)換事件。于是我們一起滑動(dòng)這三個(gè)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(gè)天線開始的時(shí)間同時(shí)知道了之后的所有轉(zhuǎn)換時(shí)間。</p><p>　　圖14：偽多普勒方法：偽多普勒方式，用時(shí)間窗，位模糊糾正，時(shí)間槽，滑動(dòng)窗，無參考</p><p>　　圖14展示了一個(gè)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(shí)信號(hào)被分為兩路。一路包括滑動(dòng)時(shí)間窗，找出在轉(zhuǎn)換附近時(shí)間。一個(gè)最大值尋找器在時(shí)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(huì)引起的變化。合適時(shí)間窗選擇器會(huì)用這個(gè)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