基于CSS技术的无线测距方法及CSS无线终端

摘要

本发明公开了一种基于CSS技术的无线测距方法及CSS无线终端。本发明的设计构思是基于窄脉冲扩频序列（CSS）的测距技术，采用抗干扰能力较强的窄脉冲扩频序列，收发端基于对称双面双向测距算法，并采用数字匹配滤波器设计技术,其测距精度可以提高到1米以内。

说明书

技术领域

本发明涉及一种列车防撞技术领域，尤其涉及一种基于CSS的无线测距方法及CSS无线终端。

背景技术

近年来，我国的铁路运输发展迅猛，尤其动车和高速列车已经处于世界领先的地位。但是，随着铁路网的扩展和纵横交错，越来越小的行车间隔以及不断提高的列车速度，使轨道交通的安全性面临巨大的挑战，“7.23”和“9.27”事故表明了目前我国的列车在运行过程中缺乏完善的、具有连续性和实时性的监测手段，对于前后车辆的监视缺乏更可靠的措施。因此，需要装备独立系统监测列车之间的位置，给驾驶员提供预警，这就使得列车防撞设备在铁路市场上有着极大的需求。

列车防撞技术在我国还处于起步阶段，但在国际上有一些国家将其列为一项尖端技术展开研究，并已研制出相应的系统设备。德国航空航天中心研究人员在火车上安装了火车防撞系统进行测试，可以及时就前方险情向列车司机发出警报。这种防撞系统使用了卫星定位、雷达测速、立体成像等传感器技术和通信技术，可以实现列车之间的相互“交流”；印度研发的列车防撞系统从GPS卫星系统获取信号，用于位置更新和彼此间的网络信息交换，这种防撞装置适合在黑暗中检测，不同列车通过无线电相互识别沟通。

现有技术中，在无线传感器网络中，位置信息对传感器的监视活动至关重要，事件发生的位置是传感器网络监视所包含的重要信息之一。无线传感器的定位方法分为测距和非测距两种，基于测距的定位方法具有更高的定位精度，其应用也更加广泛。在基于距离的定位算法中包括TOA，TDOA，AOA，RSSI等，其中RSSI的测距算法是依据接收信号强度来判断，定位精度不高；AOA的测距算法则需要特殊的硬件支持，不适用于列车防撞；TDOA测距算法的测距精度高，但要求节点间有精确的时间同步，对硬件要求高；TOA测距算法实现简单，定位精度高。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种基于CSS技术的无线测距方法，包括第一CSS无线终端、第二CSS无线终端，所述两个CSS无线终端安装在两个不同的装置上，且两个CSS无线终端建立通信；测试所述两个装置间距包括如下步骤：

步骤1：第一CSS无线终端向第二CSS无线终端发送CSS调制信号，同时，第一CSS无线终端开始计时；

步骤2：第二CSS无线终端对CSS调制信号进行处理，处理时长为T2，然后发送给第一CSS无线终端；

步骤3：当第一CSS无线终端收到第二CSS无线终端的应答信号并判断出相关峰后计时停止，从第一CSS无线终端开始计时到停止的时长为T1； 

步骤4：第二CSS无线终端向第一CSS无线终端发送CSS调制信号，同时，第二CSS无线终端开始计时；

步骤5：第二CSS无线终端对CSS调制信号进行处理，处理时长为T4，然后发送给第一CSS无线终端；

步骤6：当第二CSS无线终端收到第一CSS无线终端的应答信号并判断出相关峰后计时停止，从第二CSS无线终端开始计时到停止的时长为T3；

步骤7：计算两个列车间的距离，具体为：设定CSS调制信号的传播延迟为T,则:

                          

于是得到CSS调制信号的传播延迟T为：

                      

那么计算得到第一CSS无线终端和第二CSS无线终端的距离Dis为：

；其中，C为CSS调制信号在空气中的传播速度。

进一步的，采用chirp信号作为物理层传输信号。

应用于上述基于CSS技术的无线测距方法的CSS无线终端，包括射频模块及与射频模块连接的核心处理模块。

所述射频模块主要由I/Q调制解调模块、匹配电路、第一射频开关、第二射频开关、带通滤波器、功率放大器、电源和控制逻辑模块组成；

其中，核心处理模块与I/Q调制解调模块连接；控制逻辑模块输出端与电源、功率放大器顺次连接，同时，控制逻辑模块与第一射频开关，第二射频开关连接；功率放大器输入端连接第一射频开关，输出端连接第二射频开关，第一射频开关与第二射频开关互联，第一射频开关与匹配电路、I/Q调制解调模块顺次连接，第二射频开关与带通滤波器连接；带通滤波器与天线连接；外部晶振通过倍频器与I/Q调制解调模块连接；

所述I/Q调制解调模块用于将中频模拟信号调制为差分射频信号，或者将射频信号解调为中频信号；

匹配电路实现核心处理电路和外部射频输入信号之间的平衡，滤除干扰信号；

第一射频开关控制发射信号是否通过30dBm功率放大器，第二射频开关控制发射信号和接收信号之间的切换； 

控制逻辑模块用于接收核心处理的指令，并控制电源模块调节功率放大器输出信号功率；

核心处理模块主要完成信号的编码和解码，精确计算出测距的时间。

核心处理模块包括数字信号处理模块、发射信道、接收信道；发射通道用于将两路编码后的中频数字信号送D/A转换成中频模拟Chirp信号，所述模拟信号经过低通滤波器后送入I/Q调制模块调制成射频I/Q信号；接收通道用于接收I/Q解调模块解调输出的模拟I/Q中频信号，所述模拟I/Q信号经过自动增益控制后经过低通滤波器，再经过自动增益控制后送入A/D模块变为数字信号后送入数字信号处理模块进行译码处理。

优选的，所述数字信号处理模块包括顺次连接的数字匹配滤波模块、求模模块、反馈环路模块、峰值出现时间查找模块；

所述数字滤波模块用于对数字信号处理模块的输入信号进行数字滤波；

所述求模模块用于对数字匹配滤波模块的输出信号进行取模；

所述反馈环路模块用于重复性的对求模模块的输出信号进行信号放大积累，提高信噪比，直到峰值出现时间查找模块找出反馈环路模块输出信号的最大值；

峰值出现时间查找模块用于找出反馈环路模块输出信号的最大值。

优选的，峰值出现时间查找模块包括极值寄存器、时间寄存器、定时器，所述定时器每隔一个符号周期就送出清除信号清除所述极值寄存器、时间寄存器上一个周期的值，同时，所述时间寄存器的值输出信号作为峰值出现时间查找模块的输出信号。

优选的，所述数字滤波模块采用单比特匹配滤波。

本发明的有益效果为：

本发明运用于列车防撞系统中，可作为现有系统的安全补充措施。由于CSS无线测距技术对功耗的要求较低，且抗干扰能力强，测距精度高，成本低廉。所以它特别适用于地理环境复杂，安全措施比较薄弱的支线，工业用轨道线，施工或列车调轨路段等。

鉴于列车运行环境的复杂性，对设备的抗干扰性能和测距精度的要求较高，所以本发明在列车防撞系统中将有较好的发展前景。

附图说明

图1为归一化的匹配输出波形。

图2为基于对称双面双向测距算法的原理。

图3为射频模块示意图。

图4为核心处理模块示意图。

图5 为数字处理模块内数字信号处理流程图。

具体实施方式

本发明的设计构思为：基于窄脉冲扩频序列（CSS）的测距技术，采用抗干扰能力较强的窄脉冲扩频序列，只需要简单的硬件时钟同步，收发端基于对称双面双向测距算法，测距精度可以提高到1米以内。

下面首先介绍CSS扩频技术原理。

采用chirp扩频技术作为其物理层的传输手段可以有效的实现低功耗和低复杂度的需求。一个标准的chirp信号其数学表达式为：

            （1）

如果,则表示chirp信号的频率是随着时间的持续而增加，即up-chirp,反之，如果，则表示chirp信号的频率是随着时间的持续而减少，即down-chirp信号。CSS信号其频率随时间线性变化，整个频谱能量分布在信号带宽范围内，可以保证对频率资源的充分利用。

Chirp信号非常特殊之处在于利用匹配滤波器可以在高斯白噪声信道下获得非常好的匹配特性并获得最佳的系统信噪比(SNR)，而且一个chirp信号的匹配滤波器冲击响应就是一个除了chirp率与该信号相反外其它参数完全相同的共轭chirp信号。(1)式chirp信号的匹配滤波器冲击响应为：

                （2）

那么可以推导出匹配滤波器的输出信号幅度是：

      (3)

 其归一化的匹配输出波形如图1所示。根据公式（3）结合仿真图1可以看出，chirp信号经过匹配滤波器后的输出信号具有sinc函数的特征。经过匹配滤波以后，chirp信号由最初的一个在时间段内持续，能量输出平均的低峰值功率信号变成一个能量集中在很短时间内，具有很高峰值功率的有利于检测和捕捉的信号，即整个过程可以看成是一种将能量压缩的过程，最后形成了一个理想的脉冲压缩信号。

下面介绍对称双面双向测距算法（SDS-TWR）。

基于对称双面双向测距算法的原理如图2所示，其核心是根据TOA（Time of Arrival，到达时间算法）算法实现测距的。包括下列步骤：

步骤1：第一CSS无线终端（如图中的节点A）向第二CSS无线终端（如图中的节点B）发送CSS调制信号，同时，第一CSS无线终端开始计时；

步骤2：第二CSS无线终端对CSS调制信号进行处理，处理时长为T2，然后发送给第一CSS无线终端；

步骤3：当第一CSS无线终端收到第二CSS无线终端的应答信号并判断出相关峰后计时停止，从第一CSS无线终端开始计时到停止的时长为T1； 

步骤4：第二CSS无线终端向第一CSS无线终端发送CSS调制信号，同时，第二CSS无线终端开始计时；

步骤5：第二CSS无线终端对CSS调制信号进行处理，处理时长为T4，然后发送给第一CSS无线终端；

步骤6：当第二CSS无线终端收到第一CSS无线终端的应答信号并判断出相关峰后计时停止，从第一CSS无线终端开始计时到停止的时长为T3；

步骤7：计算两个列车间的距离，具体为：设定CSS调制信号的传播延迟为T,则:

                          

于是得到CSS调制信号的传播延迟为：

                      

那么计算得到第一CSS无线终端和第二CSS无线终端的距离Dis为：

；其中，C为CSS调制信号在空气中的传播速度。

下面对基于CSS测距技术的CSS无线终端硬件部分进行介绍。

基于CSS测距技术的硬件实现主要由射频模块和核心处理模块两部分组成。

1.射频模块

如图3所示。射频模块主要由：I/Q调制解调模块，匹配电路，两个射频开关，带通滤波器，功率放大器，电源和控制逻辑模块组成。下面分别介绍各个模块作用。

I/Q调制解调模块：

I/Q调制解调模块主要完成两个功能：（1）将核心处理模块送入的中频模拟I/Q信号经过调制后变为差分TxP/TxN射频信号；（2）将匹配电路送入的射频信号RxP/RxN经过解调后变为I/Q两路中频模拟信号。外部晶振模块送出本振信号经过倍频器后作为I/Q调制解调模块的本振频率。

匹配电路：

匹配电路实现核心处理电路和外部射频输入信号之间的平衡，滤除干扰信号。

射频开关：

第二射频开关（图中的射频开关B）控制发射信道和接收信道之间的切换，第一射频开关（图中的射频开关A）控制发射信号是否通过30dBm功率放大器。射频开关的指标为：

a.频率DC~2000MHz

b.输入信号电平：<30dBm

c.损耗：<0.5dB

d.隔离度：≤70dB

e.电源：+28V，电流：<1A

f.驻波：1.3

带通滤波器：

带通滤波器滤除带外的信号，提高输入信号的信噪比。带通滤波器的中心频率为930.5MHz,通带频率为80Mhz。

功率放大器：

当信号发射时功率放大器为可选模块，通过第一射频开关和第二射频开关之间的切换来控制，其增加的最大功率可达30dBm。

电源和控制逻辑模块：

核心处理模块向控制逻辑模块下发指令，通过控制电源模块调节功率放大器输出信号功率。

2.核心处理模块

核心处理模块主要完成信号的编码和解码。

核心处理模块的组成如图4所示。包括数字信号处理模块、发射信道、接收信道；发射通道用于将两路编码后的中频数字信号送D/A转换成中频模拟信号，所述中频模拟信号经过低通滤波器后送入I/Q调制模块调制成射频信号；接收通道用于接收I/Q解调模块解调输出的中频模拟I/Q信号，所述模拟I/Q信号经过自动增益控制后经过低通滤波器，再经过自动增益控制后送入A/D模块变为数字信号后送入数字信号处理模块进行译码处理。

数字信号处理在整个核心处理模块中处于非常重要的地位，

如图5所示，为所述数字信号处理模块内的处理流程，根据功能区分，所述数字信号处理模块包括顺次连接的数字匹配滤波模块、求模模块、反馈环路模块、峰值出现时间查找模块。

所述数字滤波模块用于对数字信号处理模块的输入信号进行数字滤波；

所述求模模块用于对数字匹配滤波模块的输出信号进行取模；

所述反馈环路模块用于重复性的对求模模块的输出信号进行信号放大，提高信噪比，直到查找峰值出现时间模块找出反馈环路模块输出信号的最大值；

峰值出现时间查找模块用于找出反馈环路模块输出信号的最大值。峰值出现时间查找模块是本发明的关键点之一，该电路内部需要有两个寄存器: 极值寄存器和时间寄存器, 另外还需要一个定时器记录时间。所述定时器每隔一个符号周期送出清除信号, 清除极值寄存器和时间寄存器上个周期的值, 同时时间寄存器的值作为查找电路的估计值输出。

数字信号处理模块内的处理流程可以描述为：将经过数字滤波模块后的信号取模，然后通过反馈环路模块来提高信噪比，由于噪声是不相关的，经过反馈环路模块后，有用信号被加强、而噪声基本保持不变，最后根据查找反馈环路模块输出信号的最大值可以准确估计Chirp信号的到达时间。

在本发明中，数字匹配滤波模块的设计尤为重要。当前Chirp匹配滤波器一般使用声表面滤波器。由于工艺水平有限, 使用声表面波器件会带来相当大的插入损耗(大概20~ 30dB ), 使得发射机需要大幅提高发射功率。本发明中通过在大规模逻辑器件中运用软件对数字匹配滤波模块进行设计，可使用简单的同步算法实现时间同步，提高系统设计的灵活性。由于chirp信号带宽很宽，对匹配滤波器的阶数要求很高、需要的乘法器数量较大，通过简化滤波器的抽头系数，采用单比特匹配滤波器，利用加法器、减法器代替乘法器，使得整个设计结构简单，修改灵活，并且耗费资源较少。

本发明的工作过程如下：

当上位机向CSS无线终端发送需要测距的请求信号后，整个测距流程启动。第一无线终端的基带信号处理器启动基带编码，计时开始，产生基于CSS技术的chirp信号。基带信号在逻辑器件中经过数字上变频后送入D/A，经I/Q调制解调模块调制到射频上，然后经匹配电路、射频开关A送入功放经天线发射出去。第二无线终端接收到第一无线终端发射的射频信号后经功放、射频开关B、射频开关A后送入匹配电路，然后送入到I/Q调制解调模块解调到中频信号，后经过自动增益控制(VGA),低通滤波后经过A/D送入到数字信号处理模块，数字信号处理模块对送入的数字信号经数字匹配滤波处理，并查找出信号的相关峰位置后停止计时，计算出前面提到的延时T1。对T2,T3,T4的计算类似。

本发明的有益效果为：

本发明运用于列车防撞系统中，可作为现有系统的安全补充措施。由于CSS无线测距技术对功耗的要求较低，且抗干扰能力强，测距精度高，成本低廉。所以它特别适用于地理环境复杂，安全措施比较薄弱的支线，工业用轨道线，施工或列车调轨路段等。

鉴于列车运行环境的复杂性，对设备的抗干扰性能和测距精度的要求较高，所以本发明在列车防撞系统中将有较好的发展前景。