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一种基于频分复用的室内定位信号传输方
法
代超，邓中亮**
作者简介：代超（1992-），男，硕士研究生，主要研究方向：室内外无缝定位
通信联系人：邓中亮（1965-），男，教授，主要研究方向：室内外无缝定位、卫星导航、卫星通信
（北京邮电大学电子工程学院，北京 100876） 5
摘要：随着移动互联网的发展，人们对基于位置服务（LBS）的应用需求越来越高。目前相
对成熟的 GNSS技术难以解决室内定位的难题，而室内伪卫星定位系统可以实现良好的室内
外无缝定位效果。大多数地面伪卫星定位系统通常采用类 GNSS的导航信号体制，依次通过
信息调制、扩频调制与射频调制实现定位信号的生成。由于室内定位需求的特殊性，需要生10
成多路携带不同信息的定位信号。在信号室内覆盖的过程中，每路定位信号都需要一根线缆
与室内天线连接，这样造成了信号室内覆盖施工难度大，成本高等问题。为了减小室内覆盖
施工难度，同时解决由于线缆长度差异，线缆信号传播不一致性引起的定位误差等问题，本
文基于频分复用的思想，提出将不同的定位信号调制到不同频段后，使用一根线缆将多路定
位信号传输到选频信号处理单元，选出对应天线的相应定位信号。经过仿真实验表明，该方15
法能实现多路信号的单根线缆传输，配合选频信号处理单元，每根室内天线能只发射单一的
定位信号。在节约施工成本的同时，接收机定位效果不会受到影响。
关键词：室内定位；单馈线信号传输；定位信号；频分复用
中图分类号：
20
A Method of Positioning Signal Transmission Based on
Frequency Division Multiplexing
Dai Chao, Deng Zhongliang
(School of Electronic Engineering, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing
100876) 25
Abstract: With the development of mobile Internet, the demand for location based service highly
increased. The widely used GNSS has a weakness for indoor positioning, while the Pseudolites
Positioning System on the ground can achieve seamless outdoor and indoor positioning. Most of
the Pseudolites Positioning System use the spread spectrum navigation and positioning signal
system like GNSS, whose signal is usually generated followed by information modulation, spread 30
spectrum modulation and RF modulation. Due to the specificity of indoor positioning, the system
have to generate multiple signals carrying different information. To implement the indoor
covering of positioning signal, every single signal should be wired to the indoor antenna
individually, which increased the difficulty and cost of indoor covering. To reduce the difficulty of
construction and solve the positioning accuracy problem caused by the differences of cables, the 35
paper presents a method based on the frequency division multiplexing. The method transmits only
one channel signal which is composed of multiple positioning signals assigned a different carrier
frequency to multicarrier signal processing module used for choosing the specific positioning
signal transmitted by specific antenna. The simulation result shows that the method can transmit
multiple positioning signals by one cable to multiple antennas, reduce the cost of construction and 40
improve the positioning accuracy at the same time.
Key words: indoor positioning; signal transmission;positioning signal;frequency division
multiplexing
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0 引言 45
目前，位置服务及各类基于位置服务的应用广泛影响着人们的生活。以 GPS 为代表的
GNSS系统基本已经能满足室外位置服务的要求。但是在室内定位方面，由于建筑物、树木
等遮挡以及多径效应，GPS等 GNSS系统表现不好。室内伪卫星定位系统通过模拟 GPS定
位系统，利用室内 基站发送类 GPS定位信号，通过终端接收机接受信号并提取伪距、信号
到达时间差（TDOA，Time Difference of Arrival）等相关信息，结合惯性导航等能给出比较50
精确的室内定位结果[1]。可以通过建造类似移动网的室内分布系统来提高信号的室内覆盖范
围[2]，但由于定位信号的特殊性，每路定位信号均需要通过单独的线缆从发射机传输到室内
天线，这就增加了施工难度和成本，限制了伪卫星室内定位系统的发展。
本文通过研究定位信号的产生接收过程及定位基本原理，基于频分复用和信号正交的思
想，提出了一种用单根线缆传输多路定位信号的方法，介绍了其理论依据与设计方法，并通55
过仿真验证了该方法的可行性。
1 单馈线信号传输方案
传统的移动网的室内分布系统通常会采用一根主线缆通过功分器将移动通信信号传输
到不同的室内天线。这样设计能满通信业务需求并且能显著节约工程成本。由于定位需求的
特殊性，伪卫星定位系统模拟的是 GPS系统，每根天线相当于 GPS系统的卫星，需发送不60
同的定位的信号[3]。通常采用单馈线单路信号的方案建设室内系统。由于需要布设相当多的
线缆，增加了工程建设的复杂度和成本。通过分析可知，需要这样设计的原因是因为每根室
内天线都需要传输不同的信号，如果能将这些信号采用一定的方式叠加成一个信号进行传
输，再在天线端通过特定方法分离出每一路定位信号，就能采用单馈线传输多路定位信号，
建设方法简单，甚至可以复用运营商的室内分布网络。正是出于这一朴素的想法，结合频分65
复用和正交信号的思想，通过将不同定位信号调制到不同频率进行传输，再在天线端通过对
应的带通滤波器滤得对应的定位信号，对其进行重新调整后发送。整个室内定位信号的生成
和传输过程可以用图 1所示的框图描述。
调制
到特
定中
频
信号发生器
调制
到特
定中
频
调制
到特
定中
频
信号1 信号2 信号3
信号叠加
初次功率放大 带通滤波
线缆传输
射频调制
选出的特定
定位码
二次功率放大
天线
选
频
单
元
图 1 室内定位信号生成与传输流程图 70
Fig. 1 The flow chart of signal generation and transmission
2 传输方案理论分析
室内基站生成多路不同的定位码并将其调制到不同的中频上得到线缆中传输的混合中
频信号。伪卫星通信中定位信号通常采用类 GPS的 Gold码作为扩频码，如暂不考虑定位信
号中调制的电文信息，在馈线上传输的信号可以表示为： 75
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1
1
0
( ) ( )exp( 2 ( * ) )
N
i l
i
s t A x t j f i f t
(1)
其中 ( )s t 为信号发生器产生的信号， N 为定位信号的组数， ( )x ti 为类 GNSS的 Gold码信
号， f 为定位码中频调制频率间隔，一般可设定为 0-100MHz。信号到达发射端时，经过
选频信号单元中的带通滤波器得到对应频点的定位信号，调制到射频并进行二次功率放大后80
经室内天线输出。经过带通滤波器的信号可以表示为： ( ) ( ) ( )y t s t h t ，其中 ( )h t 为滤波器
的冲击响应，分解滤波器的冲击响应，最终从天线输出的信号可以简化为：
1
1 2
0
y ( ) ( )exp( 2 ( * ) ) exp( 2 ( ) )
N
j ij i i l i F l
i
t A A x t t j f i f j f f t
(2)
上式中
1A 为初次放大系数， 2A 为二次放大和滤波幅值衰减系数的乘积， ij 为带通滤波器对85
不同频率的衰减因子，
Ff 为射频载波频率。假设 0i 路信号为目标定位信号，由于滤波器
的非线性和非理想特性， 0, 0iji a ， ( )jy t 中的残余室内定位信号会对定位结果造成影响。
下文将通过理论分析和仿真论证采用合理的中频频率间隔 f 配合一种改进的载波跟踪环可
以显著减轻残余定位信号干扰，从而说明该方案的可行性。
频率间隔的选取 90
从图 1可以看出，多馈线传输多路信号主要是将各路信号搬移到不同频率上，在天线端
要通过带通滤波器得到对应频点定位信号，所以频率间隔的选取至关重要。如果频率间隔设
置过大，会加重接收机射频前端的负担；频率间隔设置过小，带通滤波器无法滤除其他频点
的定位信号，造成残余定位信号干扰。通过借鉴多载波通信系统正交频分复用中信号正交的
思想[4]，如下公式所示： 95
0
exp( 2 ) exp( 2 ) exp( ( ) )sinc[( ) ]
T
n m n m n mj f t j f t dt T j f f T f f T (3)
当 1/n mf f f T 时，两个信号正交。根据此理论，本文设定频率间隔 f 等于码频
率1/ T，这样设定频率间隔可以使得中频频率和码频率在同一数量级，可以降低滤波器的性
能要求，进一步降低建设成本；同时当频率间隔等于码频率时，任意两路定位信号之间相互100
正交，下文将说明信号正交的优点使得接收过程中将进一步减轻残余定位信号干扰。
信号传输对定位结果的影响评估
由于滤波器的非理想特性，天线输出的定位信号中含有残余定位码的频率成分。残余定
位码残留频率与定位码的残留频率相隔比较近，所以其会干扰接收机对于目标定位码的接
收。接收机在接收过程中要对定位码载波进行跟踪和剥离[5]，载波频率的剥离过程可表示为： 105
1
0
( ) ( )exp( 2 ( * ) ) exp( 2 )
N
i i i I i r
i
r t A a x t t j f i f j f t dt
(4)
其中
1
0
( )exp( 2 ( * ) )
N
i i i I i
i
A a x t t j f i f
表示的是经过射频前端处理将信号下变频到中频的定
位信号表示，
If 表示的是目标室内码的中频频率，在稳定跟踪状态下，由于载波环的作用，
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式中
r If f 。假设发送信号中 0i 路信号为目标信号，则剩余噪声成分： 110
1
0
1
z ( ) ( )exp( 2 * )
N
i i i i
i
t A a x t t j i f dt
(5)
将成为干扰源[6]。此干扰源可能使得载波跟踪环失锁。为了减轻干扰源的影响，获得稳定的
跟踪效果，可以采用一种改进的载波跟踪环，即利用固定且已知的载波频率 f 对输出信号
进行二次残留频率剥离，积分滤波的结果以比例 输入到鉴相器中，改进的载波跟踪环路如115
图 2所示。根据信号正交和 OFDM的理论，将 f 设定为码速率即1/ T时，利用 f 对 0z ( )t 进
行二次混频得到：
0 0
0
1
0
1
1
( ) ( ) exp( 2 )
1
( )exp( 2 * ) exp( 2 ) 0
T
NT
i i i
i
n t z t j f dt
T
A a x t t j i f j f dt
T
(6)
由上式可知，正常跟踪情况下改进的载波跟踪环对跟踪结果没有影响，但是这样设计可以减120
轻干扰源
0 ( )z t 对目标码残余载波捕获和跟踪的影响，改进的载波跟踪环可以更快更稳地跟
踪目标定位信号。
低通滤波器 低通滤波器
环路滤
波器
压控振荡
器
输入中频信号
输出信号
中频载波
( )y t
rf
( )r t
f
二次
载波
比例系数鉴相
器
图 2 改进的载波跟踪环路
Fig. 2 The Improved carrier tracking loop 125
3 仿真论证及结果
为了验证以上理论，我们采用了码率为 5MHz的 1023码作为扩频码，三组室内定位码
码 1，码 2，码 3的平均功率相同，中频频率分别为 1MHz、6MHz、11MHz，设置信号 2的
基带残留频率为 1300Hz，信号 2和信号 3之间的 TDOA预设值为-50个码片，使用Matlab
仿真图 2所描述的信号产生、传输和接收过程，通过对比接收的 TDOA 值和预设的 TDOA130
值验证结果。图 3给出了滤波前后对应频率的定位信号的幅值，图 4给出了对于码 2的接收
过程，可以看出，在经过了 100个积分周期后，开始逐渐跟踪上码 2。图 5给出了稳定跟踪
时码 2和码 3的 TDOA差值，图中 TDOA的均值为码片，标准差为 ，与码 2、
码 3的 TDOA预设值 50个码片相比，存在较小误差。TDOA差值反映定位结果，由图示结
果可以看出，使用本文提出的方法生成和传输信号，使用改进的载波跟踪环路代替传统的跟135
踪环路，可以有效地接收定位信号，并且对定位结果影响很小。
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图 3 滤波前后信号幅值
Fig. 3 The signal amplitude before and after filtering
140
图 4 码 2的跟踪情况
Fig. 4 The tracking process of code 2
图 5 码 2和码 3的 TDOA差值
Fig. 5 TDOA difference between code 2 and 3 145
4 总结
结果表明，利用频分复用和信号正交的思想和图 1所示的信号产生流程，结合图 2所示
的改进的载波剥离方法，可以实现使用一根线缆传输多路不同的室内定位码信号，并且不会
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影响定位结果。此方法用于工程实践中，可以显著减少布线复杂度和成本，能在一定程度上
促进伪卫星室内定位系统的推广和应用。 150
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