Zadoff-Chu coded ultrasonic signal for accurate range estimation

Alsharif, Mohammed H.; Saad, Mohamed; Siala, Mohamed; Ballal, Tarig; Boujemâa, Hatem; Al-Naffouri, Tareq Y.

doi:10.23919/eusipco.2017.8081408

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“…These sequences have constant-amplitude-and-zero-autocorrelation (CAZAC) property, which allows them to provide a high-accuracy TOF-based range estimation of a static target, using cross correlation [16]. However, as we will show in this section, random Doppler shifts tend to break the CAZAC property of the ZC sequences, especially for long sequences and/or high-velocity moving targets.…”

Section: Problem Formulationmentioning

confidence: 99%

“…and M, 0 < M < N is coprime with N. It can be shown that in the noiseless case, and under a fixed (i.e., constant over the duration of the ZC sequence) Doppler shift ν, the magnitude of the cross correlation r [n] between the complex envelope of the transmitted and received signal is given by [16] |r…”

Section: Problem Formulationmentioning

confidence: 99%

“…Due to their excellent correlation properties, Zadoff-Chu (ZC) sequences are widely used for synchronization purposes. In our previous work [16], a high accuracy TOF-based ranging system was implemented using a ZC-coded ultrasound signal. However, with a moving transmitter or receiver, Doppler shifts were found to severely degrade the accuracy of the range estimation, especially for high-speed moving devices and/or long transmitted signals.…”

mentioning

confidence: 99%

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Range Estimation of a Moving Target Using Ultrasound Differential Zadoff–Chu Codes

Alsharif

Saad

Siala

et al. 2021

IEEE Trans. Instrum. Meas.

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High-accuracy range estimation is essential in modern applications and technologies. However, it is challenging to estimate the continuous-range of a moving target, especially under Doppler effects. This article presents a novel signal design, which we name differential Zadoff-Chu (DZC). Under Doppler effects, DZC sequences improve the performance of the maximum likelihood (ML)-based range estimation over its performance when using regular Zadoff-Chu (ZC) sequences. We propose a reduced-complexity ranging algorithm using DZC sequences and show that it outperforms the regular ZC ML-based range estimation. We evaluate the proposed system in a typical indoor environment using a low-cost ultrasound hardware. Under a low signal-to-noise ratio (−10 dB SNR), more than 90% of the range estimates have less than a 1.6-mm error, with a movement range from 0.2 to 2.2 m and a maximum velocity of 0.5 m/s. For the same movement range, the system provides range estimates with a root-mean-square error (RMSE) of less than 0.76 mm in a high SNR scenario (10 dB), and an RMSE less than 0.85 mm in a low SNR scenario (−10 dB). For a larger movement range from 1.8 to 4.2 m with a maximum velocity of 1.91 m/s, the proposed system provides range estimates with an RMSE less than 7.70 mm at 10 dB SNR.

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Section: Problem Formulationmentioning

confidence: 99%

Section: Problem Formulationmentioning

confidence: 99%

mentioning

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Range Estimation of a Moving Target Using Ultrasound Differential Zadoff–Chu Codes

Alsharif

Saad

Siala

et al. 2021

IEEE Trans. Instrum. Meas.

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“…donde T b es la duración del símbolo, cuya duración mínima depende del ancho de banda disponible BW = 2 T b [1]; Z r k es la secuencia ZC generada con la raíz r k de la k-ésima baliza; el pulso rectangular Π T b es igual a uno para 0 ≤ t ≤ T b y cero en cualquier otro caso; C k (t) es la portadora multiplicada por la ventana Hanning, y f k es el conjunto de frecuencias sobre las cuales se realizan los saltos. En Slow-FH, f k es cambiada cada L ZC muestras, mientras que en Fast-FH, se hace para cada bit de la secuencia.…”

Section: Modulación Por Salto De Frecuenciaunclassified

“…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].…”

unclassified

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

Murano¹,

Pérez²,

Bleakley³

et al. 2020

Actas De Las XXXIX Jornadas De Automática, Badajoz, 5-7 De Septiembre De 2018

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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].

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An Experimental Characterization of Time of Arrival Accuracy for Time Synchronization of Medium Voltage Smart Grid Solutions

Rinaldi

Cara

Panzavecchia

et al. 2019

2019 IEEE 10th International Workshop on Applied Measurements for Power Systems (AMPS)

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Zadoff-Chu coded ultrasonic signal for accurate range estimation

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Range Estimation of a Moving Target Using Ultrasound Differential Zadoff–Chu Codes

Range Estimation of a Moving Target Using Ultrasound Differential Zadoff–Chu Codes

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

An Experimental Characterization of Time of Arrival Accuracy for Time Synchronization of Medium Voltage Smart Grid Solutions

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