基于TOA估计的超宽带测距系统实现研究

摘要

最近几年传感器网络、物联网及智能家居等信息技术的高速发展,越来越贴近人们的日常生活和工业生产。而距离信息往往是这些现代化信息技术提供其他服务的基础条件,所以测距是一项必不可少的功能。超宽带技术作为以纳秒级或亚纳秒级的窄脉冲作为信息载体,具有非常高的时间分辨率,进而可以达到厘米级的空间分辨率。而且它还非常低的功率谱密度,良好的穿透性等特点。所以,可以说超宽带信号具有无与伦比的测距优势。超宽带测距目前主要有基于到达角度、基于接收信号强度、基于到达时间三种实现技术,基于到达角度技术需要使用天线整列,会导致系统的体积增大、功耗增大和成本增加;基于接收信号技术则需要准确的信道模型估计,测距精度得不到保证;而基于到达时间技术则充分发挥了超宽带技术高时间分辨率的优势,可以得到较好的测距精度,实现复杂度也相对较低,因此本论文基于TOA技术在硬件平台进行超宽带测距系统的实现。到达时间的估计算法主要有相干检测,非相干检测。传统相干和广义极大似然相干检测都需要高速采样接收,然后与本地产生模板信号相关运算,硬件成本高而且运算量大。非相干检测则主要有能量峰值检测,能量门限比较检测和带回溯门限的能量峰值检测。结合硬件平台的特点,本论文选择了能量峰值的到达时间估计算法。
　　本文在硬件平台实现了单向测距功能,双向测距功能和远距离测距功能,并进行了大量的测试,误差统计结果表明该测距系统能够达到比较好的测距精度。系统的开发工作主要有FPGA芯片上的时序电路设计,ARM芯片上的通信功能设计和PC端的用户端设计。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景和来源

1.2 本课题的研究目的和意义

1.3 国内外相关技术的研究现状

1.4 本文主要研究内容与章节安排

第2章 超宽带测距知识和硬件平台

2.1 UWB的基本概念

2.2 UWB测距技术

2.3 系统的硬件平台

2.4 本章小结

第3章 单向测距系统实现研究

3.1 单向测距系统方案分析与设计

3.2 单向测距系统的实现研究

3.3 单向测距系统实现的性能分析和总结

3.4 本章小结

第4章 双向测距系统实现研究

4.1 双向测距系统的方法分析与介绍

4.2 双向测距系统的实现研究

4.3 双向测距系统的性能分析

4.4 远距离测距的实现研究

4.5 远距离测距的性能分析

4.6 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢