基于多用户检测的多目标测距系统

苏 萌，张宇翔

（重庆大学通信与测控中心，重庆 400044）

0 引言

距离测量是土木工程测量的基本工作之一。电波测距是直接或间接测出电波在被测距离上的传播时间，在已知电波的传播速度时，即可计算出待测距离。扩频测距抗干扰性强、测量距离远、精度高、操作方便、系统设计简单等优点得到广泛的应用。测频系统包括扩频发射单元、回波接收单元、捕获单元、抗干扰单元、距离信息处理单元。传统测距方式主要是首目标测距，即一次只能针对测量量程和测量方向上的第一个测量目标，结果只能显示一个目标的测距数据，这样的设计方案已经不能满足对集群式多目标测量功能的需求，因此，一次测量多个目标供工程人员选用成为要解决的重要技术问题。基于此目的，构建多目标扩频测距系统有很强的实用意义。

1 多目标测距系统原理

常用的多目标测距系统原理图如图1所示。

扩频测距系统的具体工作原理是由基站的发射部分发射经过直接扩频和载波调制的无线电波，待测物体接收该信号进行变频转发，同时完成与基站的扩频通信任务。由待测物体转发的射频扩频信号在基站的接收机部分经过变频，相关解扩处理后，根据到达时间差（TDoA）估计算法求得发射信号和接收信号的相位差得 TDoA，从而计算待测物体和基站之间的距离［1～4］。

图1 多目标测距系统原理图Fig 1 Principle diagram of multi-target ranging system

测量距离

测距精度

最大测距范围

式中L为待测物体与基站的距离，TDoA为到达时间差，N为扩频序列的长度，Rc为扩频序列的速率，Tc为扩频序列的码元宽度，c=3×108m为光速，Δ为不连续滑动的相关时间。

多目标测距和单目标测距相比，由于目标数的增加，发端增加了多址干扰;接收机的匹配滤波器无法分辨出目标扩频码，本地扩频码无法生成;比相器得不到TDoA，测距无法实现。在匹配滤波器后加入多用户检测器，可以有效地消除多址干扰，得到更准确的本地扩频码;比相器得到准确的TDoA，从而实现多目标测距。

2 多目标测距系统实现与关键模块

2．1 多目标测距系统的实现

根据图1可以实现多目标测距系统如图2所示。

图2 多目标测距系统（目标1）Fig 2 Multi-target ranging system（target 1）

2．2 数字匹配滤波器（DMF）

DMF是由移位寄存器、乘法器、累加器和门限判决器组成的，实际上是数字有限冲激响应（FIR）滤波器的结构形式，只是它是以本地伪随机序列作为FIR滤波器的抽头系数，与移位寄存器的输出信号进行相关运算，得到的相关值。DMF捕获原理:接收的中频信号首先通过带通滤波器滤除带外噪声和干扰，然后进行A/D采样转换为数字信号，接着数字下变频得到正交的I/O两路基带信号，然后将I/O两路基带信号分别送入匹配滤波器后求平方和开方Zk，而且将捕获门限与Zk作比较以确定是否被捕获。

2．3 多用户检测器

多用户检测技术是第三代移动通信的关键技术之一。解相关检测器优势是不需要知道所接收信号的幅度，缺点是增加了噪声的功率。最小均方差（MMSE）检测器，优点在于抑制干扰和提高噪声功率之间取折中，缺点在于抗远近效应的能力较弱。串行干扰抵消（SIC）检测器要求的硬件较多，且每阶有一定的延时，总的延时比较大。并行干扰抵消（PIC）检测器主要应用于功率控制较好的场合，PIC每一个用户是并行的实现，因而，时延较少，且实现较为容易，引起了人们更多地关注。

PIC的基本原理是利用接收信号的初始值或前级判决值构造所有用户的干扰信号，然后同时并行从接收信号中抵消所有用户的干扰。在每一级中，根据上一级的输出在每个用户的接收信号中去掉其他用户对它产生的多址干扰，并用修改过的接收信号对K个用户的信号进行重新估计。

一级PIC结构的实现如图3所示。

图3 一级PIC检测器实现图Fig 3 Oen-level PIC detector realization figure

3 系统仿真与分析

在Simulink中搭建多目标测距系统，采用BPSK调制，基带信号速率Rb=0．787 MHz，整周期扩频，扩频码长度N=127，扩频码速率Rc=100 MHz，DMF 抽头数M=N，系统工作时钟Ts=1000 MHz，目标数K=5，采用二级PIC检测器。

3．1 未加PIC的多目标测距

由图4可知，以目标1为测距对象，由于多址干扰的存在，接收机对回波进行处理，DMF输出的峰值被干扰甚至被淹没，无法正常产生本地扩频码，得不到TDoA，多目标测距不能实现。

图4 仿真结果（目标1）Fig 4 Simulation result（target 1）

3．2 加入PIC的多目标测距

由图5可知，以目标1为测距对象，图5（a）是目标1的匹配滤波器对回波进行处理后输出的值，可以看出:DMF输出的峰值受到干扰的影响，甚至峰值被淹没。以此峰值为启动信号无法产生本地扩频码，测距无法实现。图5（b）是在目标1的匹配滤波器后加入PIC2，可以看出干扰很好地被消除，正常产生本地扩频码，多目标测距可以实现。

图5 仿真结果（目标1）Fig 5 Simulation results（target 1）

图6 测距结果（目标1）Fig 6 Ranging results（target 1）

由图6可知，图中的PN1是测量距离为零时，接收机对回波进行处理，DMF输出匹配波峰，以此波峰为启动信号，产生本地扩频码，本地扩频码与原始扩频码相关得到的到达时间（包括系统处理时间），PN2是测量到一定距离时，接收机对回波进行处理，DMF输出匹配波峰，以此波峰为启动信号，产生本地扩频码，本地扩频码与原始扩频码相关得到的到达时间（包括系统处理时间和测距时间），两者相比，可以得到TDoA=25Tc=25 ×10－8s，所以，测量距离L=37．5m。

4 结论

本文讨论了多目标测距情况下的测距问题，阐述了多用户检测器是多目标测距实现的有效方法。系统采用扩频测距和多用户检测提高了测距精度、抗干扰性能以及对测量环境变化的适应能力，符合现代测距模块化的发展趋势，经测试达到了预期的目标。若对本方案加以改进和完善，即可以实现更好的抗干扰能力，使系统的测距目标数和测量精度都有很大的提高。

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