3 測距信號到達(dá)時(shí)刻算法

　　本文提出了一種基于數(shù)字整流處理的測距信號TOA估計(jì)方法，其基本原理是通過對測距信號進(jìn)行數(shù)字信號處理，獲取具有較高信噪比的測距信號幅值變化信息，再通過幅度變化趨勢分析實(shí)現(xiàn)TOA的估計(jì)。它包括以下處理過程：

　　(1)測距信號的信噪比。測距信號可以表述為：f(t)=Av+Assin(ωst+φs)+N(t)，Av為信號采集后產(chǎn)生的直流分量，N(t)為隨機(jī)分布的噪聲。根據(jù)信號分析理論，提高信噪比可以采用數(shù)字濾波或者多次采樣累加后求平均值的方法。考慮到節(jié)點(diǎn)的運(yùn)算能力及硬件結(jié)構(gòu)，采用4次采樣再求平均值的方法。

　　(2)去除直流分量。對f(t)求平均值A(chǔ)v，再進(jìn)行減法處理，濾除信號中的直流分量，使之成為交流信號j(t)，音頻測距信號是交流信號，濾除直流分量有利于后續(xù)處理過程中分離出較大的測距信號幅度。

　　(3)數(shù)字全波整流。經(jīng)過(2)處理后的信號是正負(fù)變換的雙極性信號，再進(jìn)行z(t)=| j(t) |處理，即數(shù)字全波整流，變換為正的單極性信號。

　　(4)低通濾波。利用二階IIR低通濾波器對z(t)進(jìn)行數(shù)字濾波處理，得到一個(gè)與z(t)包絡(luò)線相似的信號b(t)。

　　(5)對b(t)進(jìn)行幅值變化趨勢分析。在測距信號開始出現(xiàn)的數(shù)據(jù)段，相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)的幅值差較大，而且是連續(xù)遞增的(通過試驗(yàn)可以確定連續(xù)遞增的最小數(shù)據(jù)個(gè)數(shù))，找出幅度連續(xù)增加的起始點(diǎn)n(i)，即為信號到達(dá)時(shí)刻點(diǎn)，如圖3所示。

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　　4 試驗(yàn)結(jié)果

　　試驗(yàn)用的測距信號為單頻率正弦信號，頻率為3000 Hz，采樣頻率23.8 kHz，采樣長度為 4096點(diǎn)(12位ADC)。圖3是原始信號波形及數(shù)據(jù)處理過程中的數(shù)據(jù)波形。對于原始信號，直接利用信號的幅度或者頻率來判別測距信號的起始點(diǎn)存在很大誤差或者無法識別，而利用本文所述的方法可以獲得精度較高的信號起始點(diǎn)。在系統(tǒng)時(shí)鐘為10 MHz時(shí)，整個(gè)計(jì)算過程約耗時(shí)1.5 s，可以滿足靜態(tài)或者慢速移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的定位需求，在30 m處的測距最大誤差約3.5%。

　　5 結(jié) 論

　　實(shí)現(xiàn)了一種具有音頻定位功能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，它具有獨(dú)立的RTC+電源管理單元設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了低功耗休眠，可以實(shí)現(xiàn)30 m遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)間距測量。提出用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的測距信號TOA估計(jì)方法，可以獲得較高的到達(dá)時(shí)刻估計(jì)精度，為實(shí)現(xiàn)高精度的節(jié)點(diǎn)定位提供了一種有效的方法。該節(jié)點(diǎn)可用于構(gòu)建應(yīng)用于森林、農(nóng)田等遠(yuǎn)距離節(jié)點(diǎn)間距的無線網(wǎng)絡(luò)。
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