数字电视广播信号无线定位方案的实现
发布时间：2015-07-04 09:32
摘 要：随着现代数字信号处理、超大规模集成电路以及通信技术的迅速发展，数字电视技术已经逐渐走向成熟，并将最终取代模拟电视技术，为我们提供更加优质的服务。数字电视地面广播作为数字电视标准中最为复杂的一个，在我国有着广阔的应用前景。从系统的总体结构、工作流程、软件接收机等方面描述了基于dtv的定位系统方案，对定位系统的基础——数字电视接收机的工作原理做了详细的分析，简要地给出了定位实现的原理。
关键词：无线定位；数字电视；信号；方案
1 数字电视广播信号无线定位概述
1.1 无线电定位的概念
同时接收多个已知空间坐标和时间基准的无线电发射源的辐射信号，可以确定接收端用户所在的地理位置，即经度、纬度和高程（海拔高度）。
随着超大规模集成电路（vlsi）工艺的进步，基于电缆或卫星传输的数字电视（dtv）系统已在全球范围广为使用。dtv地面广播系统也已开始大规模建设，在全球不同区域逐渐形成以各自广播标准为基础的数字电视和数字声音广播网。与gps相比，dtv定位有以下优点：定位误差小，可达1m量级；市区定位概率高，还可满足室内定位要求；定位实时性好；信号处理要求低，处理设备少，功耗低；可利用现有的dtv基础设施，无需改变就可用作定位。
1.2 数字电视地面广播与标准
数字电视地面广播与数字卫星广播相比较，有容易普及、接收价格低廉的特点；与数字有线电视广播比较，则不易受城市施工建设、自然灾害、战争等因素造成的网络中断影响，因此在传输状况、应用需求等方面，地面传输方式更加复杂，全球各地在地面数字电视传输系统方案的选择上争议也最大。
世界各国对于数字电视地面广播进行了长期研究。基本形成了美国的atsc，欧洲的dvb-t和日本的isdb-t三大标准。我国模拟电视采用的是欧洲的pal制式，因此要向数字电视过渡基于 dvb-t标准开发数字电视地面广播系统是切实可行的。
2 基于dtv数字电视广播信号无线定位系统方案的实现
2.1 系统结构设计
整个系统的组建可以划分为两大部分：发射和接收。发射部分建在 dtv 地面广播信号发射台。对于按 dvb-t 标准发射的电视信号来说，首先要为不同发射台分配不同的系统标识码（id），再将发射台的空间坐标、发射时间和标识码等信息进行信道编码，最后通过 dtv 数字广播系统实现信号发射。而对于按 dmb-t 标准发射的信号来说，由于在发射信号中已经加入帧号、基站识别码、起始发射时间，只要将发射台的坐标预先存储在接收机的处理器中即可。
基于数字广播电视信号的无线定位系统特征在于通过接收多个空间坐标已知的数字地面发射台的信号，确定接收者的空间坐标。
2.2 系统工作流程
本文定位方法是建立在无线电信号广播发射系统上的，系统的工作步骤如下：
（1）接收信号：由天线接收到的电视信号经射频放大后下变频为中频信号；
（2）通过模拟/数字（a/d）变换完成中频信号的数字化；
（3）在数字信号处理器（dsp）内完成信号的同步跟踪、解调和解码任务，建立信号载波和码同步跟踪回路；
（4）将数字电视系统广播数据帧的时间间隔作为系统观测的基本时间单位，排定以数据帧间隔或其倍数作为观测间隔，确定观测时间序列；
（5）已预先排定的观测序列时间定时从同步跟踪环路提取出一个数字电视发射源的原始伪距观测值，以及通过解调和解码后的数据得到该发射源标识和空间坐标信息；
（6）重复步骤（5）观测跟踪所有在有效测量范围内的数字电视发射台；将所有得到的信息送入伪距解算方程，即从接收跟踪环路提取得到各发射源的伪距值和发射源空间坐标值，计算出最终接收天线的空间位置坐标，并换算为接收系统的定位信息：包括位置、速度和加速度，这些信息为基本导航定位信息；
（7）测量随后各数字电视广播数据帧接收时刻，得到属于该观测时间点所有有效同步帧头的伪距信息；
（8）以步骤（6）得到的基本导航定位信息，依次代入步骤（7）中的伪距信息和接收时间信息，完成基于顺序双滤波器平滑算法的计算，最终输出系统最优定位信息。
2.3 软件接收机的流程实现
对于 dvb-t标准来说，同步部分利用时域保护间隔和频域导频信号，估计并跟踪时域 fft 窗口位置，同时估计由于收发端上下变频引起的频偏；采样时钟同步估计得到收发晶振不能完全匹配带来的采样时钟误差，经数字锁相环使收发采样时钟同步。对于dmb-t标准，将传统的dvb-t系统中的cp 由一段 pn序列取代，而在idft帧体中不插入任何导频。pn帧头既作为训练序列用于同步和信道估计，又在客观上起保护间隔的作用。dmb-t的每一帧采用不同的pn头作为帧标志，在发射端对pn头采用bpsk调制以获得可靠的传输效果；在接收端则通过同样的pn序列发生器产生本地pn序列，并与接收信号的pn码帧头进行时域相关，从而完成帧同步、频率同步、时间同步、信道传输特性估计等一系列同步运算。
3.1 接受原理
（1）模拟处理部分。
从天线接收到的信号通过调谐器经预选放大抑制镜像干扰、混频后得到中频信号，经中频滤波器滤波抑制邻道干扰后送入中频放大器中得到放大了的中频信号。在中频放大器中设置agc以稳定信号输出。
（2）符号起始同步与定时粗同步。
利用保护间隔的循环重复特性可获得定时的粗同步和符号起始，提供给fft。其基本原理是由于保护间隔中的数据是有效数据的部分重复。而相邻符号的数据则完全不同，这样计算差值s（t）－s（t －tu），并对其进行段积分，则可获得粗同步。
（3）ofdm解调和传输参数（tps）提取。
为简化接收机方案，可采用流水结构两倍规模的fft解调。中频信号经抗混叠滤波后进入adc中进行两倍采样率采样，每1个符号得到2n样点，这2n样点直接送入2n点fft的asic处理器进行fft。
（4）频率和定时同步。
由定时符号粗同步后，接收机对连续2个符号采样的2n个样点进行 fft，频率估计器按参考序列给出的连续导频地址找到这2个符号的连续导频值。对频率偏移进行估计得到频率误差信号，经 d/a变换及环路滤波后控制中频vxco本振完成频率同步。
定时估计器在当前符号中找到导频后，对定时偏移进行估计得到定时误差信号，经d/a 变换和时钟环路滤波器滤波后完成定时的精同步。这一同步过程时间较长，以缓慢调整达到精同步锁定。
（5）信道估计。
①信道校正。信道响应估计器通过对分布和连续导频点响应的估计，利用时/频域内插得到信道在全频段的响应估计值，对各数据载波进行复相均衡后可得到信道校正。
②信道状态估计。信号输出电平的估计可通过对 fft输出信号的能量获得。信号电平估计后通过d/a 变换以及agc环路滤波后可对信号的输出电平进行精确控制；信道在各数据载波点上的状态估计可通过对该点信噪比的估计，给出信道在各数据载波点上的状态量度，与该载波点数据一起送到viterbi译码器，对每一位提供“可靠性消息”进行软判决译码。
（6）信道译码及码流处理。
①积码的解码。由数据格式化后得到g1、g2 格式的3bit码流送入viterbi译码器进行软判决译码。软判决是根据提供的信道状态估计每比特的可靠性信息进行的。内信道译码后通过串/并转换把比特码流转换成字节码流送入解外交织器。②解外交织。由于发射端采用的是同步卷积交织器，因而解交织时需要同步。在交织过程中，同步字节sync或sync总是从第0路送入，在解交织时只要设置窗口校验同步字节后（即字节码流获得同步后），把同步字节送入第0路解交织即可完成解交织。③rs译码。从解外交织器送来的字节码流送入rs（204，188）译码器进行外信道译码。rs译码是在找到同步字节sync或sync后把同步字节和后面的 187byte为一组进行译码的。译码后的字节码流经并/串转换变成比特码流，同时还给出同步信号送入反随机化处理。④反随机化。rs解码后的数据码流在同步sync后的8个数据包长度内与随机化序列进行异或后即得到反随机化的数据流，反随机化中每遇到同步比特串，即为随机序列的异或禁止。同时若同步字节为sync，即对其求反处理得sync，完成反随机化后的码流送出信道译码器给mpeg-2 码流复用器。最后得到ts码流。
3.2 信号定位实现
dtv信号定位采用伪距法。这里的伪距是指从数字广播发射机天线至接收机天线信号之间的几何距离加上各种系统误差。位置计算可以在用户终端实现。终端要测量每一个视距范围发射台的伪距，3个发射台的伪距足以解决用户的经度、纬度和时钟偏差，dtv发射台的位置数据可以存储在用户终端。
定位系统所要确定的系统状态一般为系统的动态特性和系统时钟误差项，即：空间位置、速度、加速度和时钟偏差和时钟漂移。系统状态为：
式中［pr，vr，ar］t ，［δtr，δtr］t分别为系统位置、速度加速度三维坐标矢量以及接收时钟偏差和漂移矢量。
3.3 定位误差分析
定位精度依赖于由电波传播环境、接收机设计、噪声和干扰特性以及采样信号处理的复杂度。在实际的定位系统中，定位误差主要由以下两部分组成：
（1）接收端检测设备带来的误差。如时钟同步误差、检测设备时延带来的误差等。这部分误差随着定时技术及信号检测技术的发展而降低；
（2）主要由多径效应和非视距传播带来的信道误差。主要取决于信道环境，可以利用相应算法减少其对定位精度的影响。非视距传播是无线定位的主要误差源，即使在无多径效应和采用高精度定时的情况下，非视距传播也会引起测量误差。
因此，如何降低非视距传播的影响是提高定位精度的关键。目前降低非视距传播影响的方法有：利用测距误差统计的先验信息将一段时间内的nlos测量值调节到接近los的测量值；降低 ls 算法中nlos测量值的权重，在ls算法中增加约束项等。
参考文献
［1］余兆明，余智. 数字电视原理［m］.北京：人民邮电出版社，2004.
［2］何峰,吴乐南. 基于数字广播电视信号的无线电组合定位方法［p］.发明专利公开号：cn1776448a.
［3］王文博,郑侃.宽带无线通信 ofdm 技术［m］. 北京：人民邮电出版社，2003.
［4］佟学俭,罗涛.ofdm 移动通信技术原理［m］. 北京：人民邮电出版社，2004.
［5］邓炘贵.数字机顶盒原理、应用与维修［m］. 北京：人民邮电出版社，2005.
关键词：无线定位；数字电视；信号；方案
1 数字电视广播信号无线定位概述
1.1 无线电定位的概念
同时接收多个已知空间坐标和时间基准的无线电发射源的辐射信号，可以确定接收端用户所在的地理位置，即经度、纬度和高程（海拔高度）。
随着超大规模集成电路（vlsi）工艺的进步，基于电缆或卫星传输的数字电视（dtv）系统已在全球范围广为使用。dtv地面广播系统也已开始大规模建设，在全球不同区域逐渐形成以各自广播标准为基础的数字电视和数字声音广播网。与gps相比，dtv定位有以下优点：定位误差小，可达1m量级；市区定位概率高，还可满足室内定位要求；定位实时性好；信号处理要求低，处理设备少，功耗低；可利用现有的dtv基础设施，无需改变就可用作定位。
1.2 数字电视地面广播与标准
数字电视地面广播与数字卫星广播相比较，有容易普及、接收价格低廉的特点；与数字有线电视广播比较，则不易受城市施工建设、自然灾害、战争等因素造成的网络中断影响，因此在传输状况、应用需求等方面，地面传输方式更加复杂，全球各地在地面数字电视传输系统方案的选择上争议也最大。
世界各国对于数字电视地面广播进行了长期研究。基本形成了美国的atsc，欧洲的dvb-t和日本的isdb-t三大标准。我国模拟电视采用的是欧洲的pal制式，因此要向数字电视过渡基于 dvb-t标准开发数字电视地面广播系统是切实可行的。
2 基于dtv数字电视广播信号无线定位系统方案的实现
2.1 系统结构设计
整个系统的组建可以划分为两大部分：发射和接收。发射部分建在 dtv 地面广播信号发射台。对于按 dvb-t 标准发射的电视信号来说，首先要为不同发射台分配不同的系统标识码（id），再将发射台的空间坐标、发射时间和标识码等信息进行信道编码，最后通过 dtv 数字广播系统实现信号发射。而对于按 dmb-t 标准发射的信号来说，由于在发射信号中已经加入帧号、基站识别码、起始发射时间，只要将发射台的坐标预先存储在接收机的处理器中即可。
基于数字广播电视信号的无线定位系统特征在于通过接收多个空间坐标已知的数字地面发射台的信号，确定接收者的空间坐标。
2.2 系统工作流程
本文定位方法是建立在无线电信号广播发射系统上的，系统的工作步骤如下：
（1）接收信号：由天线接收到的电视信号经射频放大后下变频为中频信号；
（2）通过模拟/数字（a/d）变换完成中频信号的数字化；
（3）在数字信号处理器（dsp）内完成信号的同步跟踪、解调和解码任务，建立信号载波和码同步跟踪回路；
（4）将数字电视系统广播数据帧的时间间隔作为系统观测的基本时间单位，排定以数据帧间隔或其倍数作为观测间隔，确定观测时间序列；
（5）已预先排定的观测序列时间定时从同步跟踪环路提取出一个数字电视发射源的原始伪距观测值，以及通过解调和解码后的数据得到该发射源标识和空间坐标信息；
（6）重复步骤（5）观测跟踪所有在有效测量范围内的数字电视发射台；将所有得到的信息送入伪距解算方程，即从接收跟踪环路提取得到各发射源的伪距值和发射源空间坐标值，计算出最终接收天线的空间位置坐标，并换算为接收系统的定位信息：包括位置、速度和加速度，这些信息为基本导航定位信息；
（7）测量随后各数字电视广播数据帧接收时刻，得到属于该观测时间点所有有效同步帧头的伪距信息；
（8）以步骤（6）得到的基本导航定位信息，依次代入步骤（7）中的伪距信息和接收时间信息，完成基于顺序双滤波器平滑算法的计算，最终输出系统最优定位信息。
2.3 软件接收机的流程实现
对于 dvb-t标准来说，同步部分利用时域保护间隔和频域导频信号，估计并跟踪时域 fft 窗口位置，同时估计由于收发端上下变频引起的频偏；采样时钟同步估计得到收发晶振不能完全匹配带来的采样时钟误差，经数字锁相环使收发采样时钟同步。对于dmb-t标准，将传统的dvb-t系统中的cp 由一段 pn序列取代，而在idft帧体中不插入任何导频。pn帧头既作为训练序列用于同步和信道估计，又在客观上起保护间隔的作用。dmb-t的每一帧采用不同的pn头作为帧标志，在发射端对pn头采用bpsk调制以获得可靠的传输效果；在接收端则通过同样的pn序列发生器产生本地pn序列，并与接收信号的pn码帧头进行时域相关，从而完成帧同步、频率同步、时间同步、信道传输特性估计等一系列同步运算。
3 数字电视接收机的实现
3.1 接受原理
（1）模拟处理部分。
从天线接收到的信号通过调谐器经预选放大抑制镜像干扰、混频后得到中频信号，经中频滤波器滤波抑制邻道干扰后送入中频放大器中得到放大了的中频信号。在中频放大器中设置agc以稳定信号输出。
（2）符号起始同步与定时粗同步。
利用保护间隔的循环重复特性可获得定时的粗同步和符号起始，提供给fft。其基本原理是由于保护间隔中的数据是有效数据的部分重复。而相邻符号的数据则完全不同，这样计算差值s（t）－s（t －tu），并对其进行段积分，则可获得粗同步。
（3）ofdm解调和传输参数（tps）提取。
为简化接收机方案，可采用流水结构两倍规模的fft解调。中频信号经抗混叠滤波后进入adc中进行两倍采样率采样，每1个符号得到2n样点，这2n样点直接送入2n点fft的asic处理器进行fft。
（4）频率和定时同步。
由定时符号粗同步后，接收机对连续2个符号采样的2n个样点进行 fft，频率估计器按参考序列给出的连续导频地址找到这2个符号的连续导频值。对频率偏移进行估计得到频率误差信号，经 d/a变换及环路滤波后控制中频vxco本振完成频率同步。
定时估计器在当前符号中找到导频后，对定时偏移进行估计得到定时误差信号，经d/a 变换和时钟环路滤波器滤波后完成定时的精同步。这一同步过程时间较长，以缓慢调整达到精同步锁定。
（5）信道估计。
①信道校正。信道响应估计器通过对分布和连续导频点响应的估计，利用时/频域内插得到信道在全频段的响应估计值，对各数据载波进行复相均衡后可得到信道校正。
②信道状态估计。信号输出电平的估计可通过对 fft输出信号的能量获得。信号电平估计后通过d/a 变换以及agc环路滤波后可对信号的输出电平进行精确控制；信道在各数据载波点上的状态估计可通过对该点信噪比的估计，给出信道在各数据载波点上的状态量度，与该载波点数据一起送到viterbi译码器，对每一位提供“可靠性消息”进行软判决译码。
（6）信道译码及码流处理。
①积码的解码。由数据格式化后得到g1、g2 格式的3bit码流送入viterbi译码器进行软判决译码。软判决是根据提供的信道状态估计每比特的可靠性信息进行的。内信道译码后通过串/并转换把比特码流转换成字节码流送入解外交织器。②解外交织。由于发射端采用的是同步卷积交织器，因而解交织时需要同步。在交织过程中，同步字节sync或sync总是从第0路送入，在解交织时只要设置窗口校验同步字节后（即字节码流获得同步后），把同步字节送入第0路解交织即可完成解交织。③rs译码。从解外交织器送来的字节码流送入rs（204，188）译码器进行外信道译码。rs译码是在找到同步字节sync或sync后把同步字节和后面的 187byte为一组进行译码的。译码后的字节码流经并/串转换变成比特码流，同时还给出同步信号送入反随机化处理。④反随机化。rs解码后的数据码流在同步sync后的8个数据包长度内与随机化序列进行异或后即得到反随机化的数据流，反随机化中每遇到同步比特串，即为随机序列的异或禁止。同时若同步字节为sync，即对其求反处理得sync，完成反随机化后的码流送出信道译码器给mpeg-2 码流复用器。最后得到ts码流。
3.2 信号定位实现
dtv信号定位采用伪距法。这里的伪距是指从数字广播发射机天线至接收机天线信号之间的几何距离加上各种系统误差。位置计算可以在用户终端实现。终端要测量每一个视距范围发射台的伪距，3个发射台的伪距足以解决用户的经度、纬度和时钟偏差，dtv发射台的位置数据可以存储在用户终端。
定位系统所要确定的系统状态一般为系统的动态特性和系统时钟误差项，即：空间位置、速度、加速度和时钟偏差和时钟漂移。系统状态为：
式中［pr，vr，ar］t ，［δtr，δtr］t分别为系统位置、速度加速度三维坐标矢量以及接收时钟偏差和漂移矢量。
3.3 定位误差分析
定位精度依赖于由电波传播环境、接收机设计、噪声和干扰特性以及采样信号处理的复杂度。在实际的定位系统中，定位误差主要由以下两部分组成：
（1）接收端检测设备带来的误差。如时钟同步误差、检测设备时延带来的误差等。这部分误差随着定时技术及信号检测技术的发展而降低；
（2）主要由多径效应和非视距传播带来的信道误差。主要取决于信道环境，可以利用相应算法减少其对定位精度的影响。非视距传播是无线定位的主要误差源，即使在无多径效应和采用高精度定时的情况下，非视距传播也会引起测量误差。
因此，如何降低非视距传播的影响是提高定位精度的关键。目前降低非视距传播影响的方法有：利用测距误差统计的先验信息将一段时间内的nlos测量值调节到接近los的测量值；降低 ls 算法中nlos测量值的权重，在ls算法中增加约束项等。
参考文献
［1］余兆明，余智. 数字电视原理［m］.北京：人民邮电出版社，2004.
［2］何峰,吴乐南. 基于数字广播电视信号的无线电组合定位方法［p］.发明专利公开号：cn1776448a.
［3］王文博,郑侃.宽带无线通信 ofdm 技术［m］. 北京：人民邮电出版社，2003.
［4］佟学俭,罗涛.ofdm 移动通信技术原理［m］. 北京：人民邮电出版社，2004.
［5］邓炘贵.数字机顶盒原理、应用与维修［m］. 北京：人民邮电出版社，2005.
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