3 測距信號到達(dá)時刻算法

　　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現(xiàn)TOA的估計。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)點的運算能力及硬件結(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)點的幅值差較大，而且是連續(xù)遞增的(通過試驗可以確定連續(xù)遞增的最小數(shù)據(jù)個數(shù))，找出幅度連續(xù)增加的起始點n(i)，即為信號到達(dá)時刻點，如圖3所示。

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　　4 試驗結(jié)果

　　試驗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(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。在系統(tǒng)時鐘為10 MHz時，整個計算過程約耗時1.5 s，可以滿足靜態(tài)或者慢速移動節(jié)點的定位需求，在30 m處的測距最大誤差約3.5%。

　　5 結(jié) 論

　　實現(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，它具有獨立的RTC+電源管理單元設(shè)計，實現(xiàn)了低功耗休眠，可以實現(xiàn)30 m遠(yuǎn)的節(jié)點間距測量。提出用單片機實現(xiàn)的測距信號TOA估計方法，可以獲得較高的到達(dá)時刻估計精度，為實現(xiàn)高精度的節(jié)點定位提供了一種有效的方法。該節(jié)點可用于構(gòu)建應(yīng)用于森林、農(nóng)田等遠(yuǎn)距離節(jié)點間距的無線網(wǎng)絡(luò)。
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