CN101977293A - 一种数字电视地面广播信号的时延估计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数字电视地面广播信号的时延估计方法，属于数字电视广播与无线电导航定位领域。该方法是利用从数字电视接收机解调译码输出的传输码流中提取的发射时间标志，将该传输码流重新组成与发射信号相同标准且相同时序的电视信号帧后，再逐帧依次进行与发送端同样的编码和调制，重构出与移动接收终端距离最近的发射台的发射信号样本，再将该样本与存储的接收信号样本进行互相关运算，即可准确估计出所有单频网发射台广播信号经不同传输路径到达移动终端的时延。本发明方法时延估计精度高，实现简单且成本低，适用范围宽。
Description
技术领域
本发明涉及一种数字电视地面广播信号的时延估计方法，属于数字电视广播与无线电导航定位领域。
背景技术
一、现有定位系统的主要缺点
定位技术已经在国民经济各个领域得到了广泛应用，产生了巨大的经济效益和社会效益。目前，国内外研究的热点多局限于卫星定位技术。比如：美国的全球定位系统(GPS)，欧洲的伽利略系统(Galileo)，俄罗斯的GLONASS系统以及我国的北斗定位系统。
以应用最广的GPS为例。为了提高对于微弱的卫星信号的检测性能和保密能力，GPS采用了伪随机码的扩频技术，将卫星导航电文经伪随机码扩频成为组合码，再对L频段的载波进行相移键控调制。GPS采用了P码和C/A码两种伪随机码。其中P码是专为军用的精测码，绝对禁止非特许用户使用；C/A码用于粗测和捕获，供一般民用接收机使用。C/A码的频率为1.023MHz，重复周期1ms，码长为1023位，码间距1μs，相当于300m；P码频率为10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1μs，相当于30m。
但是，GPS之类的卫星定位系统的主要缺点是：
1)在市区定位概率为60％，室内几乎不能完成定位；
2)由于多径效应，卫星轨道误差，电离层延迟效应等，影响定位精度；
3)定位实时性差，在冷启动时需耗时30s或更长时间才能转入正常的工作模式。
基于数字地面蜂窝网的手机定位系统，主要缺点是：
1)手机信号发射功率低，接收时受噪声干扰和基站位置的影响大；
2)网络存在侦听效应；
3)用户不能直接得到自己的位置信息，而是通过中央平台联合多个基站才能完成，用户位置的保密性受到影响。
因此，如何借助现有的其它无线网络实现定位，已经成为定位技术研究和开发的热点。
二、数字电视地面广播定位系统
随着数字电视(DTV)地面广播标准和手机电视标准的颁布实施，地面基站已经大规模建设，数字电视地面广播网已逐渐形成。数字电视为了传输高品质的数字化视频和音频信号，其信号传输具有如下特点：
1)发射功率大、天线增益高且位于地面上，故DTV地面广播信号的能量要比GPS信号高40dB，远远大于卫星定位系统所能提供的能量要求；
2)DTV地面广播信号的带宽约为GPS占用带宽的6倍，能够减轻信号传输的多径效应；
3)不受发射信号多普勒频移和电离层传输时延的影响；
4)信号传输速率比GPS的更高。
例如，美国高级电视系统委员会(ATSC：Advanced Television System Committee)制式的DTV在6MHz带宽的地面广播频道可传输19.3Mb/s；欧洲地面数字视频广播(DVB-T：Digital Video Broadcasting-Terrestrial)标准在6MHz带宽内数据传输速率最高可达23.8Mbps，8MHz内最高可达31.67Mbps；日本的综合业务数字广播(ISDB：Integrated Services DigitalBroadcasting)标准在6MHz带宽内数据传输速率最高可达23.23Mbps；我国的数字电视地面广播传输系统国家标准(GB20600-2006)《数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制》(DMB-TH)也能支持24.364Mbps的载荷速率。这就是说，若按平均传输码率为20Mbps(即码频率为20MHz)计算，则码间距为0.05μs，相当于15m，测距精度甚至比GPS的P码还高一倍。
事实上，基于无线电辐射源的被动定位系统的定位精度与辐射源信号的载波频率、承载方式(单载波，多载波)、符号周期、调制方式和数据帧结构等都有关系。经论证在美国大陆采用ATSC制式的DTV信号进行定位，精度可达米级，不仅大大超过了基于移动蜂窝通信网络的定位精度，也远优于利用GPS的民用定位精度。因此，借助于现有的数字电视地面广播信号进行定位，已经成为研究的热点，而我们早在2005年即发明了基于数字广播电视信号的无线电组合定位方法(ZL200510095536.7)。
三、单频网带来的新问题
根据国内外的研究结果，利用无线电信号进行被动定位的简便方法及其关键技术，是尽可能准确地估计出无线电信号从作为辐射源的发射基站(BS)天线传播到需要确定自身位置的移动台(MS)用户接收天线之间的时间延迟，简称为到达时间(TOA)的估计，或时延估计。而在雷达、声呐、GPS、导航等许多领域，时延估计是一项虽然基础但原理已经成熟的共性技术，并且早已广为应用。
由于无线电波以光速传播，其传播速度基本可视为常数，而从平面几何的关系看，距离BS发射天线时延相等的MS，都位于以BS发射天线为圆心、以该时延乘以光速为半径的圆周上。因此，为了惟一确定一个MS的平面坐标，至少需要同时接收来自3个不同BS的发射信号，并估计出3个相应的时延值。对于过去采用模拟体制的电视台或广播电台所发射的信号，我们不难做到这一点，因为它们是分别采用完全不同的载波频率发射的(即采用不同的频道)。即使对于内容完全相同的节目(例如同时转播中央电视台或中央人民广播电台的“新闻联播”)，它们也必须采用不同的载波频率发射(即采用分配给自己的频道或频点)。这至少使得定位问题在原理上没有歧义：只需用3台工作在不同频道的接收机分别同时接收来自3个不同BS且频率不同的发射信号，并估计出3个相应的时延值即可。
但是，广播电视信号实现数字化传输后，在技术上保证了不同的BS完全可以采用相同的单一频率同时广播相同的节目，而且为了提高频谱利用率和改善接收效果，在应用中也正是这样实施的，称之为单频网(SFN)广播。
数字电视或数字声音的SFN广播固然极大地改善了覆盖性能和接收效果，却给基于数字电视地面广播信号的被动定位带来了原理上的困惑：因为调谐在某一频道上的MS数字接收机所接收到的信号，可能来自几个(例如3个)地理位置完全不同的BS发射天线，而目前的车载收音机和车载电视机的接收天线是全向的，故MS如果利用这种无方向选择性的天线接收无频率差异性的SFN数字电视信号，则依据现有的原理和技术，特别是当MS不知道当前自己的准确位置时，并不能正确区分来自不同BS的同频TOA。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种在没有各数字电视地面广播发射台方位信息的条件下，在单频网中估计来自不同发射台的数字电视信号到达移动接收终端的传输时延的方法，用于确定移动终端的当前地理位置。
该方法是利用从数字电视接收机解调译码输出的传输码流中提取的发射时间标志，将该传输码流重新组成与发射信号相同标准且相同时序的电视信号帧后，再逐帧依次进行与发送端同样的编码和调制，重构出与移动接收终端距离最近的发射台的发射信号样本，再将该样本与存储的接收信号样本进行互相关运算，从而估计出所有单频网发射台广播信号经不同传输路径到达移动终端的时延。
本发明具有如下技术效果：
1)时延估计精度高
本方法可充分利用现有DTV传输标准的信号优势和单频网传输的同步特点，移动定位用户可直接在基带、中频甚至射频重构距离最近的DTV发射台的发射信号，并用来一举估计出所有单频网发射台广播信号经不同传输路径到达移动接收机的时延。由于DTV的码速率超出GPS的C/A码一个数量级，而DTV的发射载频又高于GPS的P码至少一个数量级，所以本方法的时延估计精度远高于GPS系统，而且可望用于GPS信号无法到达之处的定位(如室内货物的物联网应用)，从而为利用数字电视地面广播信号进行亚米级的高精度定位提供了直接例证。
2)实现简便经济
目前所有能够接收DTV标准(无论哪国、何种标准)信号的移动接收机都包括信道均衡环节或功能；目前所有DTV接收机商用集成电路芯片都含有可以输出所解调出的传输码流的引脚。因此，除了所有移动定位终端都需要的用于时延估计和定位解算的硬件外，本方法只需增加相应标准的DTV调制硬件，而所有的接收处理功能则已由DTV接收机完成。值得指出的是，与GPS接收机的处理过程相比，由于DTV接收机已经消除了多普勒频移，因而本方法只需一个固定频率的互相关器即可。从而在DTV接收机的基础上，只需增加少量软、硬件开销，即可实现高精度定位。
3)适用面宽
本方法在基带、中频和射频情况下都能进行时延估计，从而可根据具体的精度要求和经济指标控制互相关器的硬件实现成本，以最大程度地适应不同用户不同场合的定位要求。同时，本发明的技术思路在原理上也适用于所有的数字电视和数字广播传输标准和体制。
附图说明
图1是本发明方法的总体流程框图。
图2是中国标准的数字电视地面广播传输系统的发送端原理框图。
图3是广义互相关时延估计运算原理框图，图中：x(t)、y(t)分别表示重构出的发射信号样本和存储的接收信号基带样本；X(f)、Y(f)分别为x(t)、y(t)对应的频谱；
为X(f)的共轭；Gxy(f)为x(t)与y(t)的互相关功率谱；Rxy(τ)为x(t)与y(t)的互相关函数。
图4是本发明在基带情况下单基站的时延估计效果图，其中：图4(a)是时延估计概貌；图4(b)是图4(a)时延估计结果的局部放大图。
图5是本发明在基带情况下3个基站的时延估计效果图，其中：图5(a)是时延估计概貌；图5(b)是基站1的时延估计放大图；图5(c)是基站2的时延估计放大图；图5(d)是基站3的时延估计放大图。
图6是本发明在600MHz载频情况下单基站的时延估计效果图，其中：图6(a)是时延估计概貌；图6(b)是图6(a)时延估计结果的局部放大图。
图7是本发明在600MHz载频情况下3个基站的时延估计效果图，其中：图7(a)是时延估计概貌；图7(b)是基站1的时延估计放大图；图7(c)是基站2的时延估计放大图；图7(d)是基站3的时延估计放大图。
具体实施方式
目前国际上颁布的数字电视地面广播信号传输标准(包括中国的国家标准)的有效同步码速率至少高于GPS的C/A码一个数量级，这就给利用数字电视地面广播信号进行定位的系统取得超过GPS的定位精度提供了理论保证。此外，由于DTV的信号传输均未采用GPS(以及其它卫星定位系统)所采用的伪码扩频体制，因此时延估计可以进一步提高到在信号载波频率上来进行相关运算，所以精度还可以更高。
移动台(MS)用户端欲利用单频广播网信号进行相关时延估计的关键，是必须找到或自行生成一个不含任何NLOS分量而只有一个(且最好是第一个)LOS成分的发射波形副本。利用这样的发射波形副本与接收信号进行互相关，就会在接收信号的每条路径分量(无论是LOS还是NLOS)处产生相关峰，而相关峰间的距离即为各传播路径之间的相对时延。据此只要能够确定其中的第一条LOS径及其相对于发射时间标志的时延，即可依次推知各条路径相对于发射时间的绝对时延。
如何得到这样一个相当于距离MS最近的BS的发射波形副本呢？其实，在无线电接收机中，信道估计和信道均衡就是削弱或消除多径分量的常用方法，而经过较为完善的信道均衡后所保留下来的，就只有对应于(或被其它径增强了的)第一径的信号分量。如果此时距离MS最近的那个BS的发射信号中确实存在LOS路径，则信道均衡后所保留下来的就只对应于该BS发射信号。对此信号进行解调和信道译码得到所发射的传输流后，再按照与发射端完全相同的DTV编码和调制方式进行处理，即得到距离最近的那个BS的发射波形副本。
按照上述思路，本发明方法的内容如下：
利用从数字电视接收机解调译码输出的传输码流中提取的发射时间标志，将该传输码流重新组成与发射信号相同标准且相同时序的电视信号帧后，再逐帧依次进行与发送端同样的编码和调制，重构出与移动接收终端距离最近的发射台的发射信号样本，再将该样本与存储的接收信号样本进行互相关运算，从而估计出所有单频网发射台广播信号经不同传输路径到达移动终端的时延。
以我国的数字电视地面广播传输标准和基带时延估计为例，本发明所提出的在单频网中准确估计DTV地面广播信号传输时延的方法流程如图1所示。其具体实施步骤如下：
1)将接收到的DTV地面广播信号下变频到零中频后采样存储；
2)对数字化零中频信号进行信道均衡和解调、译码，得到数字电视地面广播信号的传输码流；
3)根据不同的DTV标准所指示的时间标志位置，从译码后得到的数据信息帧头中提取出该帧的发送时间信息，为重构的信号帧提供与发射机相同的时序；
4)将重构的信号帧进行与发送端同样的编码和调制(如图2所示)，并逐帧依次进行，即可重构出距离最近的那个发射台的发射信号样本；
5)将重构出的发射信号样本与存储的接收信号基带样本进行如图3所示的互相关运算，即可得到定位所需的时延估计。图3在原理上与一般的互相关器并无什么不同，只是为了降低运算量而在频域进行，为此利用快速傅里叶变换(FFT)和快速傅里叶逆变换(IFFT)来实现时域和频域之间的互相转换。
为了提高时延估计精度，除了上述在基带进行相关，还可以用图1中帧重组所得信号去调制DTV的射频载波，并与下变频前的接收信号(先数字化)进行相关时延估计。
实验结果：
下面对本发明的时延估计方法在单基站/多基站以及基带/射频情况下分别进行比较验证。信道模型选用在DTV研究领域应用较广的Brazil A信道，此时接收信号中没有NLOS分量，以便更清晰地观察多基站时的时延估计效果。实验参数选取如下：
1)在单基站下，接收端与基站的时延为200μs；
2)在多基站下，选用3个基站，接收端与基站1、2、3的距离分别为160μs、180μs和210μs。
实验1：验证基带条件下本发明的时延估计结果。
根据图4(a)、图4(b)以及图5(a)、图5(b)、图5(c)、图5(d)所示，可见本发明方法在基带情况下对于单基站和多基站的时延估计效果均很好。
实验2：验证在600MHz载频情况下本发明的时延估计结果。
根据图6(a)、图6(b)以及图7(a)、图7(b)、图7(c)、图7(d)所示，再分别与图4和图5相比，可见本发明方法在射频载波情况下对于单基站和多基站的时延估计精度均超过了基带互相关的结果。
总之，本发明的时延估计方法对不同条件下的时延都可以得到很好的估计效果。
Claims (3)
1.一种数字电视地面广播信号的时延估计方法，其特征在于：
该方法中，移动终端利用存储的接收信号样本与重构的发射信号样本进行互相关运算，从而估计出所有发射台广播信号经不同传输路径到达移动终端的时延。
2.根据权利要求1所述的数字电视地面广播信号的时延估计方法，其特征在于：所述发射信号样本的重构过程为：利用从数字电视接收机解调译码输出的传输码流中提取的发射时间标志，将该传输码流重组成与发射信号相同标准且相同时序的电视信号帧后，再逐帧依次进行与发送端同样的编码和调制。
3.根据权利要求1所述的数字电视地面广播信号的时延估计方法，其特征在于：所述互相关运算及发射信号样本的重构过程在数字电视信号的基带进行，或在数字电视接收机的中频或射频载波上进行。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20110216 |