Análisis y modelado de una estructura sensorial ultrasónica MIMO basado en M-CSS y técnicas de correlación

  1. Alberto Ochoa 1
  2. Jesús Ureña 2
  3. Álvaro Hernández 2
  4. Apolinar González 1
  5. Walter Mata 1
  6. Ramón A. Félix 1
  1. 1 Universidad de Colima
    info

    Universidad de Colima

    Colima, México

    ROR https://ror.org/04znxe670

  2. 2 Universidad de Alcalá
    info

    Universidad de Alcalá

    Alcalá de Henares, España

    ROR https://ror.org/04pmn0e78

Revista:
Revista iberoamericana de automática e informática industrial ( RIAI )

ISSN: 1697-7920

Año de publicación: 2015

Volumen: 12

Número: 3

Páginas: 270-281

Tipo: Artículo

DOI: 10.1016/J.RIAI.2015.04.002 DIALNET GOOGLE SCHOLAR lock_openAcceso abierto editor

Otras publicaciones en: Revista iberoamericana de automática e informática industrial ( RIAI )

Resumen

En este artículo se propone el análisis y modelado de una estructura sensorial ultrasónica empleando un algoritmo de procesamiento que utiliza un conjunto de macro-secuencias y técnicas de correlación para obtener respuestas impulsivas de canales de transmisión de forma simultánea. La estructura sensorial está formada por múltiples transductores ultrasónicos que transmiten y reciben información del entorno simultáneamente. Este algoritmo de procesamiento emplea una macro-secuencia pseudo-aleatoria obtenida a partir un conjunto complementario de M secuencias (M-CSS) con las cuales, mediante funciones de auto-correlación y correlación cruzada, se generan las respuestas impulsivas del entorno. Para modelar el sistema de transmisión ultrasónico se emplea el modelo MIMO de frecuencia selectiva, con el cual se logra analizar cada instante del proceso de emisión-reflexión-recepción de las señales generadas. Una vez que el modelo del sistema de transmisión ultrasónico MIMO es desarrollado y los algoritmos de correlación son implementados para la detección de las macro-secuencias, se presenta en este documento el modelo matemático y los resultados obtenidos en las simulaciones así como en las pruebas experimentales. Estos validan la utilización de la metodología del modelado de canal aplicado, como de la estimación de las respuestas impulsivas de los canales de transmisión al procesar los ecos recibidos correspondientes a un objeto frente al sistema sensor. El modelo implementado permite desarrollar sobre de él, algoritmos y técnicas de procesamiento, antes de que estos sean implementados físicamente, con el fin de reducir el tiempo de desarrollo de aplicaciones. En cada uno de los casos considerados, se logró obtener las respuestas impulsivas considerando que está presente un objeto frente a la estructura sensorial.

Referencias bibliográficas

  • Álvarez, F.J.; Ureña, J.; Mazo, M.; Hernandez, A.; Garcia J.J.; Jiménez, J.A. “Efficient Generator and Pulse Compressor for Complementary Set of Four Sequences”, IEE Electronics Letters, Vol. 40, No. 11, pp. 703-704, May 2004
  • Álvarez, F.J.; Hernández, A.; Urena, J.; Jimenez, A.; Pérez, M.C.; García, J.J.; Gude, I.; De Marziani, C. Encoding ultrasonic signals with kasami sequences to perform spectrum-based localization. In proceedings of IEEE International Symposium on Intelligent Signal Processing (WISP 2009), Budapest, Hungary, 26-28 August 2009, pp. 49-53.
  • Araújo, A., Portugal, D., Couceiro, M., Sales, J., Rocha, P., 2014. Desarrollo de un robot móvil compacto integrado en el middleware ros. Revista Iberoamericana de Automática e Informática Industrial {RIAI}, 11 (3) (2014), pp. 315–326.
  • Bolcskei, H.; Gesbert, D.; Paulraj, A.J. On the capacity of OFDM-based spatial multiplexing systems. IEEE Transactions on Communications 2002, 50(2), 225-234
  • De Marziani, C.; Urena, J.; Hernandez, A.; Mazo, M.; Garcia, J.J.; Jimenez, A.; Villadangos, J.M.; Perez, M.C.; Ochoa, A.; Alvarez, F. Inter-Symbol Interference Reduction on Macro-Sequences Generated from Complementary Set of Sequences. In proceedings of 32nd Annual Conference on IEEE Industrial Electronics (IECON 2006), Paris, France, 6-10 November 2006, pp. 3367-3372.
  • De Marziani, C.; Ureña, J.; Hernández, A.; Mazo, M.; Álvarez, F.; García, J.; Donato, P. Modular Architecture for Efficient Generation and Correlation of Complementary Set of Sequences. IEEE Transactions on Signal Processing 2007, 55, 2323-2337.
  • De Marziani, C.; Urena, J.; Hernandez, A.; Garcia, J.J.; Álvarez, F.J.; Jimenez, A.; Perez, M.C.; Carrizo, J.M.V.; Aparicio, J.; Alcoleas, R. Simultaneous Round-Trip Time-of-Flight Measurements With Encoded Acoustic Signals. IEEE Sensors Journal 2012, 12, 2931-2940.
  • Docmac, D., Silva, E., González, A., 2013. Evaluación de algoritmos para la estimación del Round-Trip Delay Time y una propuesta de mejora, Revista Iberoamericana de Automática e Informática Industrial RIAI, Vol. 10, No. 1, January–March 2013, Pages 62-72.
  • Hernandez, A.; Urena, J.; Garcia, J.J.; Mazo, M.; Hernanz, D.; Derutin, J.-P.; Serot, J. Ultrasonic ranging sensor using simultaneous emissions from different transducers. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control 2004, 51(12), 1660- 1670.
  • Jimenez, J.A.; Mazo, M.; Urena, J.; Hernandez, A.; Alvarez, F.; García, J.J.; Santiso, E. Using PCA in time-of-flight vectors for reflector recognition and 3-D localization. IEEE Transactions on Robotics 2005, 21, 909-924.
  • Kafle, P.L.; Intarapanich, A.; Sesay, A.B.; McRory, J.; Davies, R.J. Spatial correlation and capacity measurements for wideband MIMO channels in indoor office environment. IEEE Transactions on Wireless Communications 2008, 7(5), 1560-1571.
  • Larsson, E.; Stoica, P. Space-Time Block Coding for Wireless Communications, 1st ed.; Cambridge University Press: The Edinburg Building, Cambridge CB2 8RU, UK, 2003; Volume 3, pp. 8-21.
  • Matin, M.A.; Ozaki, K.; Numata, Y.; Akai, D.; Sawada, K.; Ishida, M., "Quantifying modal shapes in smart piezoelectric ultrasonic transducer array: Modeling and experiment," SENSORS, 2013 IEEE, vol., no., pp.1,4, 3-6 Nov. 2013.
  • Pitarokoilis, A.; Mohammed, S.; Larsson, E.G., "Uplink Performance of Time-Reversal MRC in Massive MIMO Systems Subject to Phase Noise," IEEE Transactions on Wireless Communications, no.99, pp. 1,1. DOI: 10.1109/TWC.2014.2359018. 2014.
  • Ochoa, A.; Urena, J.; Hernandez, A.; Mazo, M.; Jimenez, J.A.; Perez, M.C. Ultrasonic Multitransducer System for Classification and 3-D Location of Reflectors Based on PCA. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2009, 58, 3031-3041.
  • Ochoa, A.; Urena, J.; Hernández, A.; Mazo, M.; De Marziani, C.; Pérez, M.C. Processing Algorithm for obtaining the Impulse Response in a MIMO Ultrasonic System. In Proceedings of The IEEE Conference on Emerging Technologies and Factory Automation (ETFA '06), Prague, Czech Republic, 20-22 September 2006; pp. 977-980.
  • Ruiz, D.; Garcia, E.; Urena, J.; Villadangos, J.M.; Garcia, J.J.; De Marziani, C., "Performance comparison of correlation-based receive filters in an ultrasonic Indoor Positioning System," 2014 IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC) Proceedings, pp.1548,1551, 12-15 May 2014.
  • Sarma, K.K.; Mitra, A., "Multiple-input–multiple-output channel modelling using multi-layer perceptron with finite impulse response and infinite impulse response synapses," Communications, IET, vol.7, no.14, pp.1540,1549, September 24 2013
  • Satchidanandan, B.; Kuchi, K.; Koilpillai, R.D., "Generalized Reduced-State Vector Sequence Detection," Communications Letters, IEEE, vol.18, no.10, pp.1691,1694, Oct. 2014.
  • Siyau, M.F.; Nobles, P.; Ormondroyd, R.F. Channel estimation for layered space-time systems. In Proceedings of 4th IEEE Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communications (SPAWC 2003), Rome, Italy, 15-18 June 2003; pp.482-486.
  • Vía, J., Santamaría, I., Pérez, J. and Vielva, L. (2010), A new subspace method for blind estimation of selective MIMO-STBC channels. Wirel. Commun. Mob. Comput., 10: 1478–1492.
  • Xianbin Wang; Yiyan Wu; Caron B. Transmitter identification using embedded pseudo random sequences. IEEE Transactions on Broadcasting 2004, 50, 244 – 252.