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Optimizations for FPGA-Based Ultrasound Multiple Access Spread Spectrum Ranging

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彩超

多普勒成像

多普勒成像

Indoor  localization  based  on  ultrasound  signals  has  been  carried  out  by  several  research  groups.  Most  of  the  techniques  rely  on  asingle  ultrasound  pulse  ranging,  where  the  Time  of  Flight  between  the  ultrasound  emitters  and  a  receiver  is  computed.  Ultrasoundorthogonal  modulation  techniques  have  also  been  investigated  and  allow  to  compute  the  range  between  the  receiver  and  multiplesimultaneous  emitters  with  increased  accuracy.  However,  no  comparative  investigation  on  the  possibilities  of  each  of  themodulation  techniques,  comprising  Direct  Sequence  Spread  Spectrum,  Frequency  Hopping  Spread  Spectrum,  and  Chirp  SpreadSpectrum,  could  be  found.  Also,  common  optimized  demodulation  and  correlation  techniques  for  FPGA  ready  implementationsare  not  widely  available.  Moreover,  the  hardware  requirements  for  capturing  modulated  ultrasound  signals  could  not  be  foundfor  all  the  techniques.  In  this  work,  the  different  modulation  techniques  are  optimized  and  implemented  on  an  FPGA.  Adedicated  custom  ultrasound  MEMS-based  receiver  hardware  for  broadband  ultrasound  signal  capturing  is  developed.  Severalmodulation  parameters  are  developed  and  applied  for  optimized  signal  processing.  The  FPGA  resource  consumptions  areevaluated  for  the  implemented  methods.  All  methods  are  compared  against  the  regular  pulse  ranging  method,  in  both  singleaccess  and  multiple-access  ranging  mode.  Results  show  that,  on  average,  up  to  8  ultrasound-modulated  emitters  with  anorthogonal  sequence  of  length  63  can  be  demodulated  on  a  Zynq7020  FPGA.  In  most  cases,  ranging  up  to  8  m  is  demonstratedin  both  single-  and  multiple-access  mode,  with  accuracies  generally  remaining  at  a  centimeter  level.  The  requirements  andcapabilities  for  each  of  the  modulation  schemes  are  highlighted  in  the  conclusions.

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