一种用于声波室内定位的声波信号帧同步方法技术

本发明专利技术公开了一种用于声波室内定位的声波信号帧同步方法，用于采用数字机制的声波信号进行周期性发射，包括以下步骤：首先设计声波信号帧的结构和用于同步的起始帧的信息内容；然后对起始帧进行粗同步；最后对起始帧进行细同步。该方法解决了声波室内定位中如何对声波信号帧进行同步这一关键技术问题，可以根据起始帧的同步结果直接判决码元的位置。

【技术实现步骤摘要】
一种用于声波室内定位的声波信号帧同步方法
本专利技术涉及声波室内定位领域，更具体地，涉及一种用于声波室内定位的声波信号帧同步方法。
技术介绍
随着移动互联网的发展和智能移动终端的普及，基于位置的服务得到广泛关注，其应用已经极大改变了人们的生活，定位技术有着巨大的需求和广阔的前景，在室外，GPS定位技术得到广泛应用，但在室内GPS信号衰减过大，难以实现有效的定位。但是，在大型购物中心、会展馆、图书馆、博物馆、医院、机场、大型停车场、地下采矿业区等室内场所，对室内定位技术存在着迫切需求。室内定位技术可以实现人、物的定位与追踪，也可以实现各种基于位置的服务，研究意义和市场价值非常大，因此吸引了国内外众多研究者投身于这一领域，室内定位技术已成为研究热点。目前已经提出多种室内定位技术，有基于WiFi、射频标签(RFID)、蓝牙(Bluetooth)、超宽带(UWB)、超声波、计算机视觉等技术，但由于技术复杂性、成本等方面的制约，这些技术并没有得到大规模应用。利用声波进行室内定位可充分利用室内场所的音频设备和广泛应用的智能手机等移动终端自带的麦克风和处理器等资源，此外，声波属于机械波，其传播速度比电磁波慢得多，因此利用声波进行室内定位对系统同步的要求低，这也降低了系统成本。可见，声波室内定位是一种低成本、推广性好的定位方法。声波室内定位技术中，声波信号帧的同步是一个关键技术问题，是对声波信号帧进行正确解调和解码等处理的基础和前提。本专利技术提供一种用于声波室内定位的声波信号帧同步方法，解决了声波室内定位中的这一关键技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种用于声波室内定位的声波信号帧同步方法，解决声波室内定位中声波信号帧的同步这一关键技术问题。为实现以上专利技术目的，采用的技术方案是：一种用于声波室内定位的声波信号帧同步方法，用于采用数字机制的声波信号进行周期性发射，包括以下步骤：S1：设计声波信号帧的结构和用于同步的起始帧的信息内容；S2：对起始帧进行粗同步；S3：对起始帧进行细同步。其中步骤S1所述声波信号帧的结构包括起始帧、数据帧和结束帧。其中步骤S1所述起始帧的信息内容包括信标节点的标识号。优选的是，所述信标节点的标识号采用2FSK调制方式。步骤S2包括以下步骤：S2.1：声波信号接收端提取数据流进行分析并设定滑动窗口，滑动窗口每滑动一次进行一次短时傅里叶变换(STFT)频谱成分分析；其中滑动窗口的长度等于码元信号部分持续时长TSig；S2.2：从步骤S2.1的结果中取出有效频率fδ对应频点的频域值与阈值进行比较，检测是否大于等于阈值，如果小于阈值则窗口继续以原步长滑动；S2.3：如果大于等于阈值，则窗口分别向前、向后继续滑动并检测fδ频率信号，根据初始捕获信号有效判据检验其是否符合有效信号特征，当符合有效信号特性时便判决初始捕获信号有效，判决窗口停止滑动；S2.4：取初始捕获窗口、初始捕获窗口前移初始捕获窗口后移三者中最大的STFT频域值对应的窗口位置作为粗同步输出结果；此外，根据“搜索窗口滑动方向判据”给出下一步进行细同步的窗口滑动方向。其中步骤S2.1所述的码元包括信号部分和置空部分。步骤S2.3所述初始捕获信号有效依据为对初始捕获信号，若满足“初始窗口位置、初始窗口位置前移初始窗口位置后移三个窗口内的信号STFT频谱值中，最大的频谱值与第二大的频谱值之和大于等于最小频谱值的3倍”，便可判定初始捕获信号有效。步骤S3包括以下步骤：S3.1：取判决窗口的长度为码元信号部分持续时长TSig，由设计要求确定判决窗口的滑动步长TPrecise；S3.2：判决窗口以粗同步位置为起点，沿着粗同步确定的滑动方向以TPrecise为步长滑动，每滑动一次计算一次窗内信号的STFT频谱值并存储；S3.3：根据“窗口滑动方向正确性判据”检验滑动方向是否正确，若方向不正确则调整为窗口从粗同步位置开始沿相反方向滑动。若沿着相反方向STFT频谱值仍然递减，则该位置为细同步结果，提前结束细同步；S3.4：滑动方向正确后，检测是否达到最大滑动次数Nmax，未达到则继续滑动窗口、计算STFT频谱值并存储；达到最大滑动次数Nmax后，以粗同步位置为起点沿着滑动方向计算连续m(m为大于等于3的奇数)个判决窗口的有效频点STFT频谱值之和。建议m取3～9之间的奇数，且应考虑TPrecise的取值情况，若TPrecise较大，则m可取较小的值，若TPrecise较小，则m可取较大的值；S3.5：搜索连续m个判决窗口的有效频点STFT频谱值之和最大的一组，该组窗口中居中的一个窗口即为与码元信号部分最吻合的窗口，该位置作为细同步输出结果。步骤S3.3所述窗口滑动方向正确性判据包括：(1)若窗内STFT频谱值递增，则滑动方向正确；(2)若窗内STFT频谱值递减，则滑动方向错误，改为相反方向；(3)若向前、后两个方向滑动窗内STFT频谱值都递减，则该位置为窗口与信号最吻合位置，该位置作为细同步输出，细同步结束。优选的是，所述声波信号为20Hz至20kHz频段的声波信号与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1)帧结构设置起始帧、数据帧和结束帧，移动节点能通过起始帧识别不同的信标节点，数据帧能有效接收信标节点的坐标信息。2)码元结构设置信号部分和置空部分，能有效避免余振效应和信号到达时间错位的影响。3)对起始帧进行同步后无需对后续的数据帧、结束帧进行同步，可以基于起始帧的同步结果直接判决码元的位置。附图说明图1为本专利技术的定位系统框架图；图2为本专利技术的系统定位示意如；图3为声波信号的码元结构图；图4为声波信号的信号帧结构图；图5为叠加的信标起始帧示意图；图6为起始帧粗同步示意图；图7为粗同步有效信号特性分析图；图8为起始帧粗同步流程图；图9为起始帧细同步流程图；图10为细同步窗口滑动捕捉示意图。具体实施方式附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；以下结合附图和实施例对本专利技术做进一步的阐述。实施例1定位系统主要包括信标节点和移动节点。信标节点是固定坐标系的参考点，安装于室内定位环境中，移动节点是待定位的移动目标。本实施例采用TDOA定位算法，在三维空间定位至少需要4个信标，本实施例将4个信标安装于室内定位的环境中。移动节点为可进行实时计算的移动平台。图2为本专利技术的系统定位示意图。图中的节点m1、m2、m3、m4是系统的信标节点，对应坐标分别为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)、(x4,y4,z4)。节点s是待定位的移动节点，其坐标为(x,y,z)，定位的基本过程是：多个信标节点在系统同步信号控制下同时发射声波信号，移动节点接收到各信标发出的信号后进行同步、解调和解码，得出各信标信号到达时间信息和各信标的坐标信息，然后基于到达时间差(TimeDifferenceOfArrival，TDOA)算法求出移动节点的位置。本实施例中节点m1的坐标为(0，6，3)，m2的坐标为(0，0，3)，m3的坐标为(6，0，3)，m4的坐标为(6，6，3)，坐标单位为米。本实施例的调制方式选择二进制数字频移键控2FSK，并取f1＝17kHz、f2＝19kHz两个频率的声波信号作为2FSK调制信号，二进制码1映射为f1＝17kHz，二进制码本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于声波室内定位的声波信号帧同步方法，用于采用数字机制的声波信号进行周期性发射，其特征在于，包括以下步骤：S1：设计声波信号帧的结构和用于同步的起始帧的信息内容；S2：对起始帧进行粗同步；S3：对起始帧进行细同步。

【技术特征摘要】
1.一种用于声波室内定位的声波信号帧同步方法，用于采用数字机制的声波信号进行周期性发射，其特征在于，包括以下步骤：S1：设计声波信号帧的结构和用于同步的起始帧的信息内容；S2：对起始帧进行粗同步；S3：对起始帧进行细同步。2.根据权利要求1所述的一种用于声波室内定位的声波信号帧同步方法，其特征在于，步骤S1所述声波信号帧的结构包括起始帧、数据帧和结束帧。3.根据权利要求1所述的一种用于声波室内定位的声波信号帧同步方法，其特征在于，步骤S1所述起始帧的信息内容包括信标节点的标识号。4.根据权利要求3所述的一种用于声波室内定位的声波信号帧同步方法，其特征在于，所述信标节点的标识号采用2FSK调制方式。5.根据权利要求1所述的一种用于声波室内定位的声波信号帧同步方法，其特征在于，步骤S2包括以下步骤：S2.1：声波信号接收端提取数据流进行分析并设定滑动窗口，滑动窗口每滑动一次进行一次短时傅里叶变换(STFT)频谱成分分析；其中滑动窗口的长度等于码元信号部分持续时长TSig；S2.2：从步骤S2.1的结果中取出有效频率fδ对应频点的频域值与阈值进行比较，检测是否大于等于阈值，如果小于阈值则窗口继续以原步长滑动；S2.3：如果大于等于阈值，则窗口分别向前、向后继续滑动并检测fδ频率信号，根据初始捕获信号有效判据检验其是否符合有效信号特征，当符合有效信号特性时便判决初始捕获信号有效，判决窗口停止滑动；S2.4：取初始捕获窗口、初始捕获窗口前移初始捕获窗口后移三者中最大的STFT频域值对应的窗口位置作为粗同步输出结果；此外，根据搜索窗口滑动方向判据给出下一步进行细同步的窗口滑动方向。6.根据权利要求5所述的一种用于声波室内定位的声波信号帧同步方法，其特征在于，步骤S2.1所述的码元包括信号部分和置空部分。7.根据权利要求5所述的一种用于声波室内定位的声波信号帧同步方法，其特征在于，步骤S2.3所述初始捕获...

【专利技术属性】
技术研发人员：保延翔，巩洪林，李媛，黄晓，郭东亮，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东,44