淺談數(shù)字電視廣播信號(hào)定位實(shí)現(xiàn)的原理

徐芳

摘要：隨著現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理、超大規(guī)模集成店里以及通信技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字電視技術(shù)已經(jīng)逐漸走向成熟，并將最終取代模擬電視技術(shù)，為我們提供更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，數(shù)字電視地面廣播作為數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)中最為復(fù)雜的一個(gè)，在我國(guó)有著廣闊的應(yīng)用前景。從系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、工作流程、軟件接收機(jī)等方面描述了基于DTV的定位系統(tǒng)方案，對(duì)定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)——數(shù)字電視接收機(jī)的工作原理做了詳細(xì)的分析，簡(jiǎn)要的給出了定位實(shí)現(xiàn)的原理。

關(guān)鍵詞：無(wú)線定位；數(shù)字電視；信號(hào)分好；原理

1、數(shù)字電視廣播信號(hào)無(wú)線定位概述

1.1 無(wú)線電定位的概念

同時(shí)接收多個(gè)已知空間坐標(biāo)和時(shí)間基準(zhǔn)的無(wú)線電發(fā)射源的輻射信號(hào)，可以確定接收端用戶所在的地理位置，即經(jīng)度、緯度和高層（海拔高度）。

隨著超大規(guī)模集成電路（VLSI）工藝的進(jìn)步，基于電纜或衛(wèi)星傳輸?shù)臄?shù)字電視（DTV）系統(tǒng)已在全球范圍廣為使用，DTV地面廣播系統(tǒng)也已開始大規(guī)模建設(shè)，在全球不同區(qū)域逐漸形成以各自廣播標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的數(shù)字電視和數(shù)字聲音廣播網(wǎng)。

1.2 數(shù)字電視地面廣播與標(biāo)準(zhǔn)、

數(shù)字電視地面廣播與數(shù)字衛(wèi)星廣播向比較，有容易普及、接收價(jià)格低廉的特點(diǎn)；與數(shù)字有線電視廣播比較，則不易受城市施工建設(shè)、自然災(zāi)害、戰(zhàn)爭(zhēng)等因素造成的網(wǎng)絡(luò)中斷影響，因此在傳輸狀況、應(yīng)用需求等方面，地面?zhèn)鬏敺绞礁訌?fù)雜，全球各地在地面數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)方案的選擇上爭(zhēng)議也最大。

2、基于DTV數(shù)字電視廣播信號(hào)無(wú)線定位方案的實(shí)現(xiàn)

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的組建可以劃分為兩大部分：發(fā)射和接收。發(fā)射部分建在DTV地面廣播信號(hào)發(fā)射臺(tái)。對(duì)于按DVB-T標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射的電視信號(hào)來(lái)說(shuō)，首先要為不同發(fā)射臺(tái)分配不同的系統(tǒng)標(biāo)識(shí)碼（ID），再將發(fā)射臺(tái)的空間坐標(biāo)、發(fā)射時(shí)間和標(biāo)識(shí)碼等信息進(jìn)行信道編碼，最后通過(guò)DTV數(shù)字廣播系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)射。

2.2系統(tǒng)工作流程

本文定位方法是建立在無(wú)線電信號(hào)廣播發(fā)射系統(tǒng)上的，系統(tǒng)的工作步驟如下：

（1）接收信號(hào)：由天線接收到的電視信號(hào)經(jīng)射頻放大后下變頻為中頻信號(hào)；

（2）通過(guò)模擬/數(shù)字（A/D）變換完成中頻信號(hào)的數(shù)字化；

（3）在數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）內(nèi)完成信號(hào)的同步跟蹤、解調(diào)和解碼任務(wù)，建立信號(hào)載波和碼同步跟蹤回路；

（4）將數(shù)字電視系統(tǒng)廣播數(shù)據(jù)幀的時(shí)間間隔作為系統(tǒng)觀測(cè)的基本時(shí)間單位，排定以數(shù)據(jù)幀間隔或其倍數(shù)作為觀測(cè)間隔，確定觀測(cè)時(shí)間序列；

（5）已預(yù)先排定的觀測(cè)序列時(shí)間定時(shí)從同步跟蹤環(huán)路提取出一個(gè)數(shù)字電視發(fā)射源的原始偽距觀測(cè)值，以及通過(guò)解調(diào)和解碼后的數(shù)據(jù)得到該發(fā)射源標(biāo)識(shí)和空間坐標(biāo)信息；

（6）重復(fù)步驟（5）觀測(cè)跟蹤所有在有效測(cè)量范圍內(nèi)的數(shù)字電視發(fā)射臺(tái)；將所有得到的信息送入偽距解算方程，即從接收跟蹤環(huán)路提取得到各發(fā)射源的偽距值和發(fā)射源空間坐標(biāo)值，計(jì)算出最終接收天線的空間位置坐標(biāo)，并換算為接收系統(tǒng)的定位信息：包括位置、速度和加速度，這些信息為基本導(dǎo)航定位信息；

（7）測(cè)量隨后各數(shù)字電視廣播數(shù)據(jù)幀接收時(shí)刻，得到屬于該觀測(cè)時(shí)間點(diǎn)所有有效同步幀頭的偽距信息；

（8）以步驟（6）得到的基本導(dǎo)航定位信息，依次代入步驟（7）中的偽距信息和接收時(shí)間信息，完成基于順序雙濾波器平滑算法的計(jì)算，最終輸出系統(tǒng)最優(yōu)定位信息。

2.3 軟件接收機(jī)的流程實(shí)現(xiàn)

對(duì)于 DVB-T標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)，同步部分利用時(shí)域保護(hù)間隔和頻域?qū)ьl信號(hào)，估計(jì)并跟蹤時(shí)域 FFT 窗口位置，同時(shí)估計(jì)由于收發(fā)端上下變頻引起的頻偏；采樣時(shí)鐘同步估計(jì)得到收發(fā)晶振不能完全匹配帶來(lái)的采樣時(shí)鐘誤差，經(jīng)數(shù)字鎖相環(huán)使收發(fā)采樣時(shí)鐘同步。對(duì)于DMB-T標(biāo)準(zhǔn)，將傳統(tǒng)的DVB-T系統(tǒng)中的CP 由一段 PN序列取代，而在IDFT幀體中不插入任何導(dǎo)頻。PN幀頭既作為訓(xùn)練序列用于同步和信道估計(jì)，又在客觀上起保護(hù)間隔的作用。DMB-T的每一幀采用不同的PN頭作為幀標(biāo)志，在發(fā)射端對(duì)PN頭采用BPSK調(diào)制以獲得可靠的傳輸效果；在接收端則通過(guò)同樣的PN序列發(fā)生器產(chǎn)生本地PN序列，并與接收信號(hào)的PN碼幀頭進(jìn)行時(shí)域相關(guān)，從而完成幀同步、頻率同步、時(shí)間同步、信道傳輸特性估計(jì)等一系列同步運(yùn)算。

3、數(shù)字電視接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)

3.1 接受原理

（1）模擬處理部分。

從天線接收到的信號(hào)通過(guò)調(diào)諧器經(jīng)預(yù)選放大抑制鏡像干擾、混頻后得到中頻信號(hào)，經(jīng)中頻濾波器濾波抑制鄰道干擾后送入中頻放大器中得到放大了的中頻信號(hào)。在中頻放大器中設(shè)置AGC以穩(wěn)定信號(hào)輸出。

（2）符號(hào)起始同步與定時(shí)粗同步。

利用保護(hù)間隔的循環(huán)重復(fù)特性可獲得定時(shí)的粗同步和符號(hào)起始，提供給FFT。其基本原理是由于保護(hù)間隔中的數(shù)據(jù)是有效數(shù)據(jù)的部分重復(fù)。而相鄰符號(hào)的數(shù)據(jù)則完全不同，這樣計(jì)算差值s（t）-s（t -Tu），并對(duì)其進(jìn)行段積分，則可獲得粗同步。

（3）OFDM解調(diào)和傳輸參數(shù)（TPS）提取。

為簡(jiǎn)化接收機(jī)方案，可采用流水結(jié)構(gòu)兩倍規(guī)模的FFT解調(diào)。中頻信號(hào)經(jīng)抗混疊濾波后進(jìn)入ADC中進(jìn)行兩倍采樣率采樣，每1個(gè)符號(hào)得到2N樣點(diǎn)，這2N樣點(diǎn)直接送入2N點(diǎn)FFT的ASIC處理器進(jìn)行FFT。

（4）頻率和定時(shí)同步。

由定時(shí)符號(hào)粗同步后，接收機(jī)對(duì)連續(xù)2個(gè)符號(hào)采樣的2N個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行 FFT，頻率估計(jì)器按參考序列給出的連續(xù)導(dǎo)頻地址找到這2個(gè)符號(hào)的連續(xù)導(dǎo)頻值。對(duì)頻率偏移進(jìn)行估計(jì)得到頻率誤差信號(hào)，經(jīng) D/A變換及環(huán)路濾波后控制中頻VXCO本振完成頻率同步。

定時(shí)估計(jì)器在當(dāng)前符號(hào)中找到導(dǎo)頻后，對(duì)定時(shí)偏移進(jìn)行估計(jì)得到定時(shí)誤差信號(hào)，經(jīng)D/A 變換和時(shí)鐘環(huán)路濾波器濾波后完成定時(shí)的精同步。這一同步過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng)，以緩慢調(diào)整達(dá)到精同步鎖定。

3.2 信號(hào)定位實(shí)現(xiàn)

DTV信號(hào)定位采用偽距法。這里的偽距是指從數(shù)字廣播發(fā)射機(jī)天線至接收機(jī)天線信號(hào)之間的幾何距離加上各種系統(tǒng)誤差。位置計(jì)算可以在用戶終端實(shí)現(xiàn)。終端要測(cè)量每一個(gè)視距范圍發(fā)射臺(tái)的偽距，3個(gè)發(fā)射臺(tái)的偽距足以解決用戶的經(jīng)度、緯度和時(shí)鐘偏差，DTV發(fā)射臺(tái)的位置數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在用戶終端。

定位系統(tǒng)所要確定的系統(tǒng)狀態(tài)一般為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和系統(tǒng)時(shí)鐘誤差項(xiàng)，即：空間位置、速度、加速度和時(shí)鐘偏差和時(shí)鐘漂移。

3.3 定位誤差分析

定位精度依賴于由電波傳播環(huán)境、接收機(jī)設(shè)計(jì)、噪聲和干擾特性以及采樣信號(hào)處理的復(fù)雜度。在實(shí)際的定位系統(tǒng)中，定位誤差主要由以下兩部分組成：

（1）接收端檢測(cè)設(shè)備帶來(lái)的誤差。如時(shí)鐘同步誤差、檢測(cè)設(shè)備時(shí)延帶來(lái)的誤差等。這部分誤差隨著定時(shí)技術(shù)及信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展而降低；

（2）主要由多徑效應(yīng)和非視距傳播帶來(lái)的信道誤差。主要取決于信道環(huán)境，可以利用相應(yīng)算法減少其對(duì)定位精度的影響。非視距傳播是無(wú)線定位的主要誤差源，即使在無(wú)多徑效應(yīng)和采用高精度定時(shí)的情況下，非視距傳播也會(huì)引起測(cè)量誤差。

因此，如何降低非視距傳播的影響是提高定位精度的關(guān)鍵。目前降低非視距傳播影響的方法有：利用測(cè)距誤差統(tǒng)計(jì)的先驗(yàn)信息將一段時(shí)間內(nèi)的NLOS測(cè)量值調(diào)節(jié)到接近LOS的測(cè)量值；降低 LS 算法中NLOS測(cè)量值的權(quán)重，在LS算法中增加約束項(xiàng)等。endprint