Diseño de esquemas de modulación para un sistema de posicionamiento local ultrasónico codificado con secuencias Zadoff-Chu

Abstract

ResumenMuchos sistemas de posicionamiento local ultrasónicos (U-LPS), consisten en varios transductores o balizas fijas emitiendo simultáneamente señales acústicas ultrasónicas, cuyo tiempo de llegada o diferencia de tiempos de llegada es estimado en un receptor móvil. El empleo de técnicas de codificación permite que el receptor sea capaz de separar cada una de ellas, identificar los transmisores y mitigar los efectos adversos que afecten a la señal, tales como el multicamino, el efecto cerca-lejos, la interferencia de acceso múltiple o el desplazamiento Doppler. El diseño de la forma de onda (codificación y modulación) desempeña un papel fundamental en la determinación del rendimiento de dicho sistema. En este trabajo se compara el rendimiento de tres técnicas de modulación (QPSK, OFDM y FHSS) para la transmisión de secuencias Zadoff-Chu (ZC) en un U-LPS. Las simulaciones realizadas indican que, en detección no coherente, la modulación QPSK de secuencias ZC ofrece mayor precisión en condiciones realistas que los otros esquemas de modulación.Palabras clave: Codificación Zadoff-Chu, Frequency Hopping, OFDM, QPSK, ultrasonidos, posicionamiento local INTRODUCCIÓNLos sistemas de posicionamiento en interiores son una tecnología importante para muchas aplicaciones, incluyendo la navegación personal o robótica, seguridad de los dispositivos, publicidad basada en la ubicación, entre otras. La emisión de señales ultrasónicas permite obtener un posicionamiento de alta precisión (centimétrico), gracias a la baja velocidad de propagación del sonido en el aire. Para lograr una alta precisión, un sistema de posicionamiento local ultrasónico (U-LPS) requiere medidas de tiempo: tiempo de llegada (ToA, time of arrival ) o diferencias de tiempo de llegada (DToA, Differences of time of arrival ) en caso de ausencia de sincronismo entre las balizas emisoras y el receptor. En ambos casos, el ToA de la señal ultrasónica debe estimarse con alta precisión, por lo que la señal utilizada debe ser lo suficientemente robusta frente a efectos adversos, incluyendo: multicamino, multi-emisión, efecto cerca-lejos y el desplazamiento Doppler que surge del movimiento del receptor. Además, la señal suele estar limitada por el ancho de banda disponible en el canal, y más específicamente por los transductores empleados.La codificación de la señal a emitir permite mejorar el desempeño del sistema y mitigar los efectos comentados anteriormente. Como alternativa a códigos pseudo-aleatorios tradicionales [7,8], las secuencias Zadoff-Chu (ZC) proporcionan un buen rendimiento en sistemas de medida de distancia con ultrasonido, sobretodo si se encuentran afectados por el efecto Doppler [5]. Las secuencias ZC son polifásicas de valores complejos, con amplitud unitaria constante, y auto-correlación (AC) cero para desplazamientos no nulos. Actualmente son utilizadas en el estándar de comunicaciones Long Term Evolution (LTE) [1].