專利名稱：基于多通道聲波通信技術的移動終端定位系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及移動設備定位技術，具體涉及基于多通道聲波通信技術實現移動終端定位的系統。
背景技術：
定位是人們生活中的現實需求，隨著GPS為代表的衛星定位系統的普及，人們已經解決了移動終端設備在室外定位及導航的問題。但由于室內無法有效接收到導航衛星信號，所以GPS技術無法解決室內定位的問題。 由于室內定位技術是LBS和信息推送的基礎，具有很大的商業價值。目前比較多應用的有使用基站TOA技術來實現，但精度不佳，有些使用短距離射頻通信技術做室內節點定位，但需要使用專用設備，成本較高，手機也需要相應的硬件調整，推廣難度較大。
發明內容
針對以上技術的缺陷，本發明公開了一種基于多通道聲波通信技術實現移動終端定位的系統，移動終端設備如手機不需要額外的硬件改裝，解決了推廣成本高和室內定位精度不足的難題。本發明解決技術問題所采取的技術方案
基于多通道聲波通信技術的移動終端定位系統，包括作為定位節點的聲波發聲器，內置聲波信息接收系統的移動終端和定位服務數據庫三部分組成。其中定位服務數據庫可以放置在遠程服務器中，也可以內嵌在移動終端中。所述作為定位節點的聲波發聲器具體組成包括第一麥克風、第一模擬數字轉換模塊、高斯濾波器模塊、信道選擇模塊、GFSK調制模塊、位置信息存儲模塊、編碼模塊、第一時鐘管理模塊、帶寬平坦化預均衡模塊、第一數字模擬轉換模塊、模擬濾波模塊、第一放大器模塊和定位節點揚聲器。第一麥克風的輸出端與第一模擬數字轉換模塊的輸入端信號連接，第一模擬數字轉換模塊的輸出端與信道選擇模塊的輸入端信號連接，信道選擇模塊的輸出端與GFSK調制模塊的一個輸入端信號連接。位置信息碼元存儲模塊的輸出端與編碼模塊的輸入端信號連接，編碼模塊的輸出端與高斯濾波器模塊的輸入端信號連接，高斯濾波器模塊的輸出端與GFSK調制模塊的另一個輸入端信號連接。帶寬平坦化預均衡模塊的輸出端與GFSK調制模塊的再一個輸入端信號連接。GFSK調制模塊的輸出端與第一數字模擬轉換模塊的輸入端信號連接，第一數字模擬轉換模塊的輸出端與模擬濾波模塊的輸入端信號連接，模擬濾波模塊的輸出端與第一放大器模塊的輸入端信號連接，第一放大器模塊的輸出端與定位節點揚聲器信號連接。第一時鐘管理模塊提供兩種時鐘信號，其中一種時鐘信號提供給第一模擬數字轉換模塊、GFSK調制模塊和第一數字模擬轉換模塊；另一種時鐘信號提供給信道選擇模塊、帶寬平坦化預均衡模塊、位置信息碼元存儲模塊、編碼模塊和高斯濾波器模塊。所述的內置聲波信息接收系統的移動終端，可以是但不僅限于是手機。其系統具體組成包括定位終端麥克風、第二模擬數字轉換模塊、信道判定模塊、帶寬平坦化自校準模塊、距離判定模塊、數字下變頻器模塊、數字濾波器模塊、降采樣模塊、自動增益控制模塊、信道選擇模塊、同步判決模塊、定位模塊和第二時鐘管理模塊。所述的帶寬平坦化自校準模塊可進一步包括DDS信道載波合成模塊、第二數字模擬轉換模塊、定位終端揚聲器、第二模擬數字轉換模塊、第一快速傅里葉變換模塊、信道模值計算模塊、信道帶寬平坦化列表模塊。所述的同步判決模塊可進一步包括第二快速傅里葉變換模塊、數控遲早門載波同步模塊和碼元同步模塊。所述的數控遲早門載波同步模塊包括誤差提取模塊和積分器模塊；所述碼元同步模塊包括比較判決模塊、信息碼元同步模塊和解碼校驗模塊。
定位終端麥克風的輸出端與第二模擬數字轉換模塊的輸入端信號連接，第二模擬數字轉換模塊的一個輸出端與信道判定模塊的輸入端信號連接，信道判定模塊的輸出端與距離判定模塊的一個輸入端信號連接，距離判定模塊的一個輸出端與信道選擇模塊的一個輸入端信號連接，距離判定模塊的另一個輸出端與定位模塊的一個輸入端信號連接，帶寬平坦化自校準模塊的輸出端與距離判定模塊的另一個輸入端信號連接。第二模擬數字轉換模塊的另一個輸出端與數字下變頻器模塊的輸入端信號連接，數字下變頻器模塊的輸出端與數字濾波器模塊的輸入端信號連接，數字濾波器模塊的輸出端與降采樣模塊的輸入端信號連接，降采樣模塊的輸出端與自動增益控制模塊的輸入端信號連接，自動增益控制模塊的輸出端與信道選擇模塊的另一個輸入端信號連接，信道選擇模塊帶有多個輸出端，每個輸出端都與一個信道的同步判決模塊的輸入端信號連接，每一路同步判決模塊的輸出端與定位模塊的輸入端信號連接。帶寬平坦化自校準模塊內部，DDS信道載波合成模塊的輸出端與第二數字模擬轉換模塊的輸入端信號連接，第二數字模擬轉換模塊的輸出端與定位終端揚聲器的輸入端信號連接，定位終端揚聲器所發出聲波信號被定位終端麥克風所接收，定位終端麥克風的輸出端與第二模擬數字轉換模塊的輸入端信號連接，第二模擬數字轉換模塊的輸出端與第一快速傅里葉變換模塊的輸入端信號連接，第一快速傅里葉變換模塊的輸出端與信道模值計算模塊的輸入端信號連接，信道模值計算模塊的輸出端與信道帶寬平坦化列表模塊的輸入端信號連接。同步判決模塊內部，第二快速傅里葉變換模塊有兩個輸入端，一個輸入端和信道選擇模塊的輸出端信號連接，第二快速傅里葉變換模塊的一個輸出端和誤差提取模塊的輸入端信號連接，誤差提取模塊的輸出端和積分器模塊的輸入端信號連接，積分器模塊的輸出端和第二快速傅里葉變換模塊的另外一個輸入端信號連接。第二快速傅里葉變換模塊的另一個輸出端和比較判決模塊的輸入端信號連接，比較判決模塊的輸出端和信息碼元同步模塊的輸入端信號連接，信息碼元同步模塊的輸出端和解碼校驗模塊的輸入端信號連接。第二時鐘管理模塊提供兩種時鐘信號，其中一種時鐘信號提供給第二模擬數字轉換模塊、DDS信道載波合成模塊和第二數字模擬轉換模塊，另一種時鐘信號提供給信道判定模塊、距離判定模塊、數字下變頻器模塊、數字濾波器模塊、降采樣模塊、自動增益控制模塊、信道選擇模塊、同步判決模塊、定位模塊、帶寬平坦化自校準模塊內部的第一快速傅里葉變換模塊、信道模值計算模塊以及信道帶寬平坦化列表模塊。定位服務數據庫包括位置信息碼元、經緯度坐標、位置名稱組成的數據庫表結構。定位節點的定位節點揚聲器廣播特定的位置信息碼元，由移動終端的定位終 端麥克風接收，移動終端的聲波信息接收系統中的定位模塊將解碼得到的位置信息碼元傳遞給定位服務數據庫，定位服務數據庫將定位結果傳遞給定位模塊以獲得完整的位置信息。利用上述基于多通道聲波通信技術的移動終端定位系統實現定位，包括以下步驟
步驟1-1.定位服務數據庫中登記每個定位節點發聲器所保存并廣播的位置信息碼元以及對應碼元的位置名稱、經緯度坐標等信息。步驟2-1.定位節點發聲器做信道監聽，第一麥克風采集聲波信號，將聲壓能量轉換為模擬電信號，送入第一模擬數字轉換模塊轉換為離散的數字信號。步驟2-2.第一模擬數字轉換模塊得到的音頻數字信號送入到信道選擇模塊中，信道選擇模塊對數字信號做快速傅里葉變換提取出信號的頻域特征，為了避免頻譜泄露導致的相鄰信道干擾，快速傅里葉變換時加入窗函數，可以是海明窗或者其他類型的窗函數，然后根據規劃的信道頻點，計算每個信道中信道頻點能量是否超過門限閾值，如果超過閾值則認為該信道已經被其他發生設備所占用；遍歷所有的信道，找出未被占用的信道，確定該信道對應的信道頻點數據，并傳遞給GFSK調制模塊。步驟2-3.位置信息碼元保存在位置信息碼元信息存儲模塊中，為了保證通信質量，位置信息碼元經過編碼模塊后，完成插入前導碼和用于校驗或者糾錯的冗余碼元的工作。為了提高聲波通信的效率，位置信息碼元長度不固定，同時為了解碼方便，信息碼元和校驗冗余碼元不能包含前導碼信息。步驟2-4.編碼后的碼元信息經過高斯濾波器模塊，對脈沖跳變邊緣做高斯平滑處理，這樣可以防止相鄰信道的干擾。高斯濾波器的輸出送入到GFSK調制模塊中。步驟2-5. GFSK調制模塊根據信道選擇所確定的載波頻率，通過DDS直接數字合成載頻離散的采樣點，采樣點幅值乘以帶寬平坦化預均衡模塊中所對應的調整系數，并根據高斯濾波器的輸出結果，選擇二進制碼元O使用頻率為Π的載頻，二進制碼元I使用頻率f2的載頻，脈沖跳變邊沿由高斯漸變做平滑，這樣就構成一個完整的高斯頻移鍵控調制系統。每個碼元載波為2的N次方個離散采樣點，這些離散采樣點按照采樣時鐘送入第一數字模擬轉換模塊。步驟2-6.第一數字模擬轉換模塊將GFSK調制后的數字信號轉換為模擬信號，為了避免重復采樣導致的低頻干擾，模擬信號經過模擬濾波模塊后，濾掉了重復采樣的低頻干擾信號，同時對載波信號做整形，濾波后的模擬信號送到第一放大器模塊中放大，驅動定位節點揚聲器完成定位信息碼元的廣播發送。步驟3-1.移動終端在安裝聲波信息接收系統軟件后，先對移動終端的定位終端麥克風做一次帶寬平坦化自校準，具體步驟如下，通過帶寬平坦化自校準模塊中的DDS信道載波合成模塊產生信道I的載波頻率，經過第二數字模擬轉換模塊轉換為模擬信號并通過定位終端揚聲器發聲，移動終端的定位終端麥克風接收到該載波頻率信號后，經第二模擬數字轉換模塊轉換為數字信號，送入到第一快速傅里葉變換模塊，計算該信道頻點FFT模值并保存。為了避免頻譜泄露導致的相鄰信道干擾，快速傅里葉變換時使用窗函數，可以是海明窗或者其他類型的窗函數。對信道2重復如上動作直到遍歷完成所有信道載波頻點，根據所有信道頻點FFT模值，生成一張帶寬平坦化補償表并保存。步驟3-2.定位節點發聲器所發送的包含定位信息碼元的聲波信號被移動終端的定位終端麥克風接收轉換為模擬電平信號。步驟3-3.模擬電平信號送給到第二模擬數字轉換模塊，轉換為離散數字信號。步驟3-4.經過第二模擬數字轉換模塊轉換的數字信號送給信道判定模塊做使用窗函數的快速傅里葉變換，根據信噪比關系確定同時接收到幾路信道信號。步驟3-5.信道判定模塊的快速傅里葉變換結果，利用帶寬平坦化自校準模塊所生成的帶寬平坦化補償表對所接收信道結果做修訂，修訂后最大的FFT模值信道為距離移動終端距離最近的定位節點所占用信道，以此對所有接收到的信道做距離排序，根據軟件設定，確定同時處理幾路信道的數據。步驟3-6.第二模擬數字轉換模塊所轉換的離散數字信號經由數字下變頻器模塊、數字濾波器模塊、降采樣模塊、自動增益控制模塊做數字信號預處理，并送入到信道選擇豐吳塊。步驟3-7.由信道判定模塊和距離判定模塊輸出結果送入到信道選擇模塊確定同時處理哪幾路信道的數據，將經過數字信號預處理的信號對應這幾路通信信道分別送入各自同步判決模塊做載波同步、數據判決、碼元同步和校驗提取，其步驟可進一步描述為
步驟3-7-1.在同步判決模塊內部，經過數字信號預處理的信號被送入到第二快速傅里葉變換模塊做FFT運算，FFT運算結果送入到誤差提取模塊，并根據已知規劃信道頻點的FFT模值做誤差提取，誤差提取的結果送入到積分器模塊確定FFT窗口初始值，并反饋到快速傅里葉變換模塊用于FFT運算，完成載波同步調整功能。步驟3-7-1所描述的功能屬于數控遲早門載波同步模塊。步驟3-7-2.在同步判決模塊內部，經過數字信號預處理的信號被送入到第二快速傅里葉變換模塊做FFT運算，FFT運算結果被送入到比較判決模塊，根據已知規劃信道頻點的FFT模值比較，得到接收碼元信息。步驟3-7-3.接收碼元信息送入到信息碼元同步模塊，去掉前導碼，得到一組編碼后的碼元。步驟3-7-4.經過信息碼元同步模塊所得到編碼后的碼元再經過解碼校驗模塊，做冗余校驗以判斷接收碼元是否正確，如果冗余校驗結果正確，則將接收碼元作為最終的位置信息碼元；如果冗余校驗結果不正確，則放棄該接收碼元。步驟3-7-2至3-7-4所描述的功能屬于碼元同步模塊。步驟3-8.同步判決模塊得到的位置信息碼元送給定位模塊，定位模塊根據距離判定模塊的輸出結果，由軟件設定檢索幾路位置信息碼元。如果定位服務數據庫是內置在定位移動終端中，則由定位模塊直接傳遞給定位服務數據庫檢索位置信息碼元所對應的位置名稱、經緯度坐標等內容并返回給定位模塊；如果定位服務數據庫保存在遠程服務器中，定位模塊調用移動終端網絡接口，將位置信息碼元發送到遠程服務器中，由遠程服務器檢索對應的位置名稱、經緯度坐標等信息，并通過網絡送給定位模塊，完成定位功能。
更進一步地說，聲波通信系統所述的聲波信道規劃方法具體為在聲波頻帶內事先規劃出多個通信頻點，頻點間隔△f是聲波接收器模擬數字轉換模塊采樣頻率除以每個碼元的離散采樣點數的商，而每個碼元采樣點數是2的N次方；通信頻點的中心頻率為信道間隔的整數倍，為了實現類超聲波通信，最小的中心頻率要大于18KHz。 本發明的有益效果
本發明公開了一套不需要對手機等移動終端增加額外元件的基礎上低成本的實現對手機等移動終端設備定位的系統。本發明基于多通道聲波信道技術，解決了多個定位節點聲波信號相互干擾的問題，可以實現更高密度更準確的定位應用。本發明結構簡單，實現成本低廉，主要工作模塊都可以通過軟件編程完成，使得本發明所示系統，即可以由運算能力強大的智能手機實現，又很方便的由一些使用MCU的終端實現。本發明很好的適應了手機智能化的發展趨勢，為手機室內定位導航應用提供了一 種低成本的解決方案。
圖I為本發明定位系統示意 圖2為本發明定位節點聲波發聲器結構示意 圖3為本發明聲波定位信息接收系統結構示意 圖4為本發明聲波定位信息接收系統帶寬平坦化流程示意 圖5為本發明同步判決模塊結構示意圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加明白，結合附圖和具體實施例，對本發明做進一步詳細說明
作為本定位系統基礎的多通道聲波通信技術，聲波信息發聲器和接收器參照共同的信道規劃表做信道選擇和調制解調。實施例中規劃利用聲波18KHz到22kHz為聲波通信頻段。44100Hz是移動終端設備中最常使用的音頻采樣頻率，考慮到設備兼容性，聲波通信系統使用44100Hz作為采樣時鐘頻率。規劃每位碼元的采樣點數是1024個，這樣確定信道間隔Af=44100/1024=43Hz。確定通信信道頻率是信道間隔的整數倍，最低的可用信道頻率是18131Hz (信道間隔的421倍)，最高的信道頻率是21835Hz (信道間隔的507倍)，這樣可以得到一張信道規劃表，如表I為例
表I
權利要求
1.基于多通道聲波通信技術的移動終端定位系統，包括作為定位節點的聲波發聲器，內置聲波信息接收系統的移動終端和定位服務數據庫，其特征在于 所述作為定位節點的聲波發聲器包括第一麥克風、第一模擬數字轉換模塊、高斯濾波器模塊、信道選擇模塊、GFSK調制模塊、位置信息存儲模塊、編碼模塊、第一時鐘管理模塊、帶寬平坦化預均衡模塊、第一數字模擬轉換模塊、模擬濾波模塊、第一放大器模塊和定位節點揚聲器； 第一麥克風的輸出端與第一模擬數字轉換模塊的輸入端信號連接，第一模擬數字轉換模塊的輸出端與信道選擇模塊的輸入端信號連接，信道選擇模塊的輸出端與GFSK調制模塊的一個輸入端信號連接； 位置信息碼元存儲模塊的輸出端與編碼模塊的輸入端信號連接，編碼模塊的輸出端與高斯濾波器模塊的輸入端信號連接，高斯濾波器模塊的輸出端與GFSK調制模塊的另一個輸入端信號連接； 帶寬平坦化預均衡模塊的輸出端與GFSK調制模塊的再一個輸入端信號連接； GFSK調制模塊的輸出端與第一數字模擬轉換模塊的輸入端信號連接，第一數字模擬轉換模塊的輸出端與模擬濾波模塊的輸入端信號連接，模擬濾波模塊的輸出端與第一放大器模塊的輸入端信號連接，第一放大器模塊的輸出端與定位節點揚聲器信號連接； 第一時鐘管理模塊提供兩種時鐘信號，其中一種時鐘信號提供給第一模擬數字轉換模塊、GFSK調制模塊和第一數字模擬轉換模塊；另一種時鐘信號提供給信道選擇模塊、帶寬平坦化預均衡模塊、位置信息碼元存儲模塊、編碼模塊和高斯濾波器模塊； 所述的內置聲波信息接收系統的移動終端，可以是但不僅限于是手機，包括定位終端麥克風、第二模擬數字轉換模塊、信道判定模塊、帶寬平坦化自校準模塊、距離判定模塊、數字下變頻器模塊、數字濾波器模塊、降采樣模塊、自動增益控制模塊、信道選擇模塊、同步判決模塊、定位模塊和第二時鐘管理模塊； 定位終端麥克風的輸出端與第二模擬數字轉換模塊的輸入端信號連接，第二模擬數字轉換模塊的一個輸出端與信道判定模塊的輸入端信號連接，信道判定模塊的輸出端與距離判定模塊的一個輸入端信號連接，距離判定模塊的一個輸出端與信道選擇模塊的一個輸入端信號連接，距離判定模塊的另一個輸出端與定位模塊的一個輸入端信號連接，帶寬平坦化自校準模塊的輸出端與距離判定模塊的另一個輸入端信號連接； 第二模擬數字轉換模塊的另一個輸出端與數字下變頻器模塊的輸入端信號連接，數字下變頻器模塊的輸出端與數字濾波器模塊的輸入端信號連接，數字濾波器模塊的輸出端與降采樣模塊的輸入端信號連接，降采樣模塊的輸出端與自動增益控制模塊的輸入端信號連接，自動增益控制模塊的輸出端與信道選擇模塊的另一個輸入端信號連接，信道選擇模塊帶有多個輸出端，每個輸出端都與一個信道的同步判決模塊的輸入端信號連接，每一路同步判決模塊的輸出端與定位模塊的輸入端信號連接； 第二時鐘管理模塊提供兩種時鐘信號，其中一種時鐘信號提供給第二模擬數字轉換模塊、DDS信道載波合成模塊和第二數字模擬轉換模塊，另一種時鐘信號提供給信道判定模塊、距離判定模塊、數字下變頻器模塊、數字濾波器模塊、降采樣模塊、自動增益控制模塊、信道選擇模塊、同步判決模塊、定位模塊、帶寬平坦化自校準模塊內部的第一快速傅里葉變換模塊、信道模值計算模塊以及信道帶寬平坦化列表模塊；所述的定位服務數據庫包括位置信息碼元、經緯度坐標、位置名稱組成的數據庫表結構； 定位節點的定位節點揚聲器廣播特定的位置信息碼元，由移動終端的定位終端麥克風接收，移動終端的聲波信息接收系統中的定位模塊將解碼得到的位置信息碼元傳遞給定位服務數據庫，定位服務數據庫將定位結果傳遞給定位模塊以獲得完整的位置信息。
2.根據權利要求I所示的基于多通道聲波通信技術的移動終端定位系統，其特征在于所述的帶寬平坦化自校準模塊包括DDS信道載波合成模塊、第二數字模擬轉換模塊、定位終端揚聲器、第二模擬數字轉換模塊、第一快速傅里葉變換模塊、信道模值計算模塊、信道帶寬平坦化列表模塊； 帶寬平坦化自校準模塊內部，DDS信道載波合成模塊的輸出端與第二數字模擬轉換模 塊的輸入端信號連接，第二數字模擬轉換模塊的輸出端與定位終端揚聲器的輸入端信號連接，定位終端揚聲器所發出聲波信號被定位終端麥克風所接收，定位終端麥克風的輸出端與第二模擬數字轉換模塊的輸入端信號連接，第二模擬數字轉換模塊的輸出端與第一快速傅里葉變換模塊的輸入端信號連接，第一快速傅里葉變換模塊的輸出端與信道模值計算模塊的輸入端信號連接，信道模值計算模塊的輸出端與信道帶寬平坦化列表模塊的輸入端信號連接。
3.根據權利要求I所示的基于多通道聲波通信技術的移動終端定位系統，其特征在于所述的同步判決模塊包括第二快速傅里葉變換模塊、數控遲早門載波同步模塊和碼元同步模塊；所述的數控遲早門載波同步模塊包括誤差提取模塊和積分器模塊；所述碼元同步模塊包括比較判決模塊、信息碼元同步模塊和解碼校驗模塊； 同步判決模塊內部，第二快速傅里葉變換模塊有兩個輸入端，一個輸入端和信道選擇模塊的輸出端信號連接，第二快速傅里葉變換模塊的一個輸出端和誤差提取模塊的輸入端信號連接，誤差提取模塊的輸出端和積分器模塊的輸入端信號連接，積分器模塊的輸出端和第二快速傅里葉變換模塊的另外一個輸入端信號連接；第二快速傅里葉變換模塊的另一個輸出端和比較判決模塊的輸入端信號連接，比較判決模塊的輸出端和信息碼元同步模塊的輸入端信號連接，信息碼元同步模塊的輸出端和解碼校驗模塊的輸入端信號連接。
4.根據權利要求I所示的基于多通道聲波通信技術的移動終端定位系統，其特征在于所述定位服務數據庫可以放置在遠程服務器中，也可以內嵌在移動終端中。
全文摘要
本發明涉及一種移動終端定位系統。目前的GPS技術無法解決室內定位的問題。本發明包括作為定位節點的聲波發聲器，內置聲波信息接收系統的移動終端和定位服務數據庫。聲波發聲器包括麥克風、模擬數字轉換模塊、高斯濾波器模塊、信道選擇模塊、GFSK調制模塊、位置信息存儲模塊、編碼模塊、帶寬平坦化預均衡模塊、數字模擬轉換模塊、模擬濾波模塊、放大器模塊和定位節點揚聲器。移動終端包括定位終端麥克風、模擬數字轉換模塊、信道判定模塊、帶寬平坦化自校準模塊、距離判定模塊、數字下變頻器模塊、數字濾波器模塊、降采樣模塊、自動增益控制模塊、信道選擇模塊、同步判決模塊和定位模塊。本發明成本低廉，簽到準確率高。
文檔編號G01S1/76GK102662157SQ201210100060
公開日2012年9月12日 申請日期2012年4月6日 優先權日2012年4月6日
發明者冉嘉, 劉東棟, 趙良 申請人:杭州銳昂科技有限公司