一种用于声波室内定位的声波信号帧码率调整方法技术

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码率调整方法，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：首先设计声波信号的帧结构；然后设置信标节点优选码率集合，根据已知的信标节点位置信息推导码元时长，并在优选码率集合中选择最优码率对信标节点进行设置；根据优选码率集合预设移动节点的可用码率，移动节点在定位过程中根据STFT谱估计出码元时长，并自适应地在优选码率集合中选择最接近的码率，实现码率判决。该方法有效解决了声波室内定位中声波信号帧码率调整这一关键技术问题，确保解码可靠性的同时达到提高码速率的设计目标，进而缩短定位周期、提高定位性能。

A method for adjusting the frame rate of acoustic signals for acoustic localization in sound waves

The invention discloses a method for indoor positioning acoustic acoustic signal frame rate adjustment method, periodic emission for acoustic signals using digital system, which comprises the following steps: firstly, the frame structure design of acoustic signal; and then set the beacon node selection rate set, according to the beacon node position information is known symbol length, and in the preferred rate set to select the optimal rate set of beacon nodes; according to the available bit rate selection rate set presupposition of the mobile node, the mobile node in the positioning process according to STFT spectrum estimate symbol length, and adaptively select the rate set in the preferred rate closest, rate of judgment. This method effectively solves the key technical problem of acoustic signal frame rate adjustment in sonic indoor positioning, ensures the reliability of decoding and achieves the design goal of improving code rate, and then shortens the positioning period and improves the positioning performance.

【技术实现步骤摘要】
一种用于声波室内定位的声波信号帧码率调整方法
本专利技术涉及室内定位
，更具体地，涉及一种用于声波室内定位的声波信号帧码率调整方法。
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，声波信号帧的码率调整是一个关键的技术问题，涉及能否根据定位环境的不同调整码元长度，以提高码率并降低误码，进而缩短定位周期和提高定位性能。本专利技术提供一种用于声波室内定位的信号帧码率调整方法，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码率调整方法，解决声波室内定位中声波信号帧的码率调整这一关键技术问题。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码率调整方法，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：设计声波信号的帧结构；S2：设置信标节点优选码率集合，根据已知的信标节点位置信息推导码元时长，并在优选码率集合中选择最优码率对信标节点进行设置；S3：根据优选码率集合预设移动节点的可用码率，移动节点根据STFT谱估计出码元时长，并在优选码率集合中自适应地选择最接近的码率，实现码率判决。声波的频率范围是20～20kHz，考虑到室内环境下声波信号可能对人耳听觉产生干扰，应优选人耳听觉不敏感的频段，即小于但接近于20kHz频段的声波信号。本专利技术选择二进制频移键控2FSK作为声波信号的调制方式。一个码元包括信号部分和置空部分两部分，该结构可保证信息传输的稳定性、可靠性和信号解码的成功率，其中，信号部分持续时长为TSig，置空部分持续时长为TNull。一个完整的信号帧由一个起始帧、一个数据帧和一个结束帧组成。起始帧用于移动节点判决信标节点信号的到达、进行同步捕捉和测量各信标信号的到达时间信息。数据帧用于发送各信标节点的坐标信息。结束帧用于指示移动节点信号帧的结束。步骤S2中对信标节点进行设置包括信标节点优选码率针对不同定位空间设置，由各信标位置信息计算出最大到达时间差或最长到达时间，推导码元结构中的信号部分的最小时长和置空时长，并在优选码率序列中选择最优码率。优选的是，大空间采用低码率(码元时长大)、小空间采用高码率(码元时长短)。移动节点已知定位系统的优选码率集合，在进行起始帧同步时，移动节点根据STFT谱估计出码元时长，并在优选码率集合中选择最接近的码率，实现码率判决。移动节点完成起始帧同步后，获得了各信标信号的到达时间信息。由于时序上的顺序关系，实际上也实现了数据帧、结束帧的同步，可以基于起始帧的同步结果直接找到数据帧、结束帧的信号起始点，并利用时间信息识别数据帧、结束帧码元的信号部分，实现高效精确定位码元。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1)基于起始帧的同步结果直接找到数据帧、结束帧的信号起始点，并利用时间信息识别数据帧、结束帧码元的信号部分，实现高效精确定位码元。2)根据各信标位置信息推导码元时长并选择最优码率对信标节点进行设置，达到确保解码可靠性的同时提高码速率的设计目标，进而缩短定位周期、提高定位性能。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图；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为信标节点硬件结构框图；图7为精确定位码元示意图。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如图1所示，本专利技术的定位系统框架图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，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。移动节点是待定位的移动目标，本实施例中是可进行实时计算的移动平台。图2是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)算法在三维空间中确定移动节点s的坐标，基于TDOA类定位算法至少需要4个信标节点。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0映射为f2＝19kHz。信息码元结构如图3所示，其中，信号部分持续时长为TSig，置空部分持续时长为TNull。一个完整的信号帧由一个起始帧、一个数据帧和一个结束帧组成，如图4所示，起始帧用于移动节点判决信标节点信号的到达、进行同步捕捉和测量各信标信号的到达时间信息。数据帧用于发送各信标节点的坐标信息。结束帧用于指示移动节点信号帧的结束。本实施例对4个信标节点分别进行二进制编码，作为信标标识号(ID)。信标1为(1000)，信标2为(0100)，信标3为(0010)，信标4为(0001)，图2示出了本实施例中信标节点与信标标识号对应关系。各信标同时发送起始帧，在时间上叠加的结果如图5所示。将设计好的信标ID作为每个信标起始帧的数据信息，采用2FSK调制方式，将码1映射为频率为f1的调制信号、码0映射为频率为f2的调制信号。当各信标同时发送起始帧时，在时间上叠加的结果如图5所示。可见，这样的信标ID设计使得每个码元判决窗内仅有一个频率为f1的调制信号，频率f1即是用于识别信标的有效频率成分，记为fδ，这样对起始帧的判决转变为对有效频率fδ的判决，通过对起始帧叠加信号的每个码元频率成分的分析，移动节点可以判定对应的信标。数据帧用于编码各信标节点的坐标信息。由于各信标同时发送数据帧，接收端接收到的是错位叠加在一起的数据报文，因此，本专利技术中，数据帧采用码分多址(CDMA)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码率调整方法，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：设计声波信号的帧结构；S2：设置信标节点优选码率集合，根据已知的信标节点位置信息推导码元时长，并在优选码率集合中选择最优码率对信标节点进行设置；S3：根据优选码率集合预设移动节点的可用码率，移动节点根据STFT谱估计出码元时长，并在优选码率集合中自适应地选择最接近的码率，实现码率判决。

【技术特征摘要】
1.一种用于声波室内定位的声波信号帧码率调整方法，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：设计声波信号的帧结构；S2：设置信标节点优选码率集合，根据已知的信标节点位置信息推导码元时长，并在优选码率集合中选择最优码率对信标节点进行设置；S3：根据优选码率集合预设移动节点的可用码率，移动节点根据STFT谱估计出码元时长，并在优选码率集合中自适应地选择最接近的码率，实现码率判决。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码率调整方法，其特征在于，步骤S1所述声波信号的帧结构包括起始帧、数据帧和结...

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