直接时差提取UWB标签定位系统的研究与实现

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随着社会经济的快速发展,人们对无线定位服务精度的要求越来越高。与此同时逐渐成熟的超宽带(UWB)技术得到了人们的关注,基带窄脉冲方式超宽带系统具有更好的定位性能;在定位系统中有着广泛的应用前景,受到越来越多的关注。本课题旨在室内环境下实现一个基于超宽带无线通信的精确定位系统。本文提出了一种直接时差计数UWB标签定位方案。该方案采用一个独立时差提取单元统一记录标签信号到达各基站的时间差(TDOA),故基站间无需参考时钟严格同步,避免了因参考时钟起点不一致带来的测量误差,从而有效提高定位精度,同时降低了系统实现难度。对所提定位方案进行了测量误差分析和仿真验证。结果表明,在IEEE 802.15.4a给出的室内多径信道中,系统定位性能优于基站间未严格同步的传统TDOA方案,适合应用于低功耗、低成本的室内超宽带定位和跟踪系统。同时,本文还对时差提取单元与定位处理器应用软件的设计进行了详细的论述。定位处理器应用软件和时差提取单元协同工作,完成两者间的数据通信,实现了自动化定位与跟踪。测试结果表明,设计符合预期目标。
摘要第3-4页
Abstract第4页
第一章 绪论第8-14页
    1.1 超宽带无线通信概述第8-10页
        1.1.1 超宽带技术的理论基础第8页
        1.1.2 超宽带技术研究现状第8-9页
        1.1.3 超宽带技术的应用第9页
        1.1.4 超宽带技术的标准化第9-10页
    1.2 无线定位技术的发展和超宽带室内定位的应用前景第10-12页
    1.3 课题来源及主要内容第12页
    1.4 论文的组织结构第12-14页
第二章 传统定位方案设计及定位算法第14-24页
    2.1 引言第14-15页
    2.2 基于RTT(Round-Tirp Transmission)的TOA定位方案及其算法第15-17页
        2.2.1 TOA值获取方式第15页
        2.2.2 基于RTT的TOA定位方案第15页
        2.2.3 TOA定位算法第15-17页
    2.3 TDOA测量值获取方案及其定位算法第17-20页
        2.3.1 TDOA测量值获取方式第17页
        2.3.2 TDOA定位方案第17-18页
        2.3.3 TDOA定位算法第18-20页
    2.4 各种改进的TDOA定位方案第20-22页
        2.4.1 改进方案一第20-21页
        2.4.2 改进方案二第21-22页
        2.4.3 改进方案的特点第22页
    2.5 本章小结第22-24页
第三章 基于直接时差提取的UWB标签定位系统总体设计第24-34页
    3.1 引言第24页
    3.2 直接时差提取标签定位系统第24-31页
        3.2.1 系统模型第24-25页
        3.2.2 系统工作流程第25-27页
        3.2.3 系统误差分析第27-28页
        3.2.4 系统定位性能仿真第28-31页
    3.3 实验性UWB标签定位系统的构建第31-33页
        3.3.1 物理层的射频前端设计方案第31-32页
        3.3.2 物理层基带处理和数据链路层设计方案第32-33页
        3.3.3 应用层方案第33页
    3.4 本章小结第33-34页
第四章 时差提取单元的FPGA设计与实现第34-44页
    4.1 引言第34页
    4.2 FPGA概述和芯片选择第34-36页
        4.2.1 FPGA设计开发流程第34-35页
        4.2.2 芯片的选择第35-36页
    4.3 时差计数器模块设计第36-37页
        4.3.1 设计任务第36页
        4.3.2 时差计数器的具体设计第36-37页
        4.3.3 时差计数器的设计要点第37页
    4.4 异步串行端口发送模块的设计第37-40页
        4.4.1 设计任务第37-38页
        4.4.2 RS-232串行通信的特点第38页
        4.4.3 通信协议的制定第38-39页
        4.4.4 异步串口发送器的FPGA设定和实现第39-40页
    4.5 时钟模块设计第40-41页
    4.6 数据接口模块设计第41-42页
    4.7 管脚定义和资源占用第42-43页
        4.7.1 管脚定义第42页
        4.7.2 资源占用第42-43页
    4.8 本章小结第43-44页
第五章 定位处理器应用软件设计和实现第44-51页
    5.1 引言第44页
    5.2 软件功能和开发工具介绍第44页
    5.3 界面设计第44-45页
    5.4 UWB标签定位系统的通信协议设计第45页
    5.5 软件系统组成第45-49页
        5.5.1 串行通信控制模块第46-47页
        5.5.2 定位数据处理模块第47-49页
        5.5.3 显示绘图模块第49页
    5.6 时差提取单元与定位处理器联合调试与测试结果第49-50页
        5.6.1 联合调试系统组成第49页
        5.6.2 测试结果第49-50页
    5.7 本章小结第50-51页
第六章 结束语第51-52页
    6.1 全文总结第51页
    6.2 未来研究方向第51-52页
参考文献第52-55页
致谢第55-56页
作者在攻读硕士期间主要研究成果第56页
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