數(shù)字電視廣播信號下的高精度定位方法范文

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摘要：主要提出一種利用地面數(shù)字廣播信號進行高精度定位的方法。該方法基于時域上PN信號的互相關(guān)和分數(shù)倍延遲的檢測來實現(xiàn)。基于該方法，我們進行了仿真實驗，結(jié)果表明，該方法在標準信道下只需要很低的復雜度就可以達到最高約0．25米的定位精度，具有很高的實際應用價值。

關(guān)鍵詞：定位；數(shù)字廣播信號；數(shù)字電視地面廣播；到達時間差定位技術(shù)

1背景與簡介

到達時間差定位技術(shù)（TDOA，TimeDifferenceofArrival），是一種無線定位技術(shù)。不同于使用絕對時間定位的技術(shù)，TDOA技術(shù)是通過檢測兩個發(fā)射基站的信號到達的時間差，而不是到達的絕對時間來確定移動接收臺的位置，降低了時間同步要求。基于地面數(shù)字電視廣播的TDOA定位技術(shù)，是通過廣義互相關(guān)來提取不同地面數(shù)字電視發(fā)射機信號的到達時間差，從而確定定位接收機的位置。由于TDOA定位技術(shù)的精度直接取決于測得時間差的精度，因此基于地面數(shù)字電視廣播的TDOA定位技術(shù)的精度絕大部分取決于通過廣義互相關(guān)提取到的時間差的精度。但是由于廣義互相關(guān)提取到的時間差是表現(xiàn)在整數(shù)倍的采樣周期延遲上的，因此對于離散的數(shù)字信號來說，廣義互相關(guān)提取時間差技術(shù)僅僅能精確的得到整數(shù)倍采樣周期的延遲，而表現(xiàn)在信號相位上的小數(shù)倍時間延遲并不能簡便且精確的檢測出來。這種提取時間差的誤差限制導致基于地面數(shù)字電視廣播的TDOA定位技術(shù)無法達到很高的精度。在研究中，我們發(fā)現(xiàn)地面數(shù)字電視廣播信號的幀頭由PN序列構(gòu)成，幀頭信息不隨發(fā)送的數(shù)據(jù)改變而改變；將接收到的信號與已知的構(gòu)成幀頭的PN序列進行相關(guān)，并利用PN序列的自相關(guān)和互相關(guān)特性，通過檢測相關(guān)峰的峰值的相對位置，就可以估計出不同的地面數(shù)字電視發(fā)射機所發(fā)射出的電視信號到達定位接收機的到達時間差。利用PN相關(guān)的方法能檢測出整數(shù)倍采樣周期的信號到達時間差，而利用分數(shù)時延濾波器可以檢測出不同地面數(shù)字電視發(fā)射機信號到達定位接收機的分數(shù)倍到達時間差，從而得到更為精確的距離信息。

2方法與實現(xiàn)

2．1數(shù)字電視信號的格式

在本文中，我們采用的是數(shù)字電視地面廣播格式（DigitalTelevisionTerrestrialMultimediaBroadcast－ing）的信號作為TDOA定位的基礎(chǔ)信號。該信號的結(jié)構(gòu)由超幀組成，每一個超幀都是由信號幀組成。信號幀作為超幀結(jié)構(gòu)的基本單元，由4200個符號組成，包含420個符號的幀頭和3780個符號的幀體，幀頭和幀體部分的符號帶寬都是7．56MHz。

2．2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在DTMB數(shù)字廣播系統(tǒng)中，廣播信號會從N個數(shù)字信號發(fā)射站發(fā)出。信號將沿著信道被接收器接受，并且理論上只會受到噪聲和多徑的干擾。接收機在接收信號后，首先將接收地面數(shù)字電視廣播信號由射頻轉(zhuǎn)為中頻并采樣取得離散信號，傳輸給基于相關(guān)的分數(shù)倍時延TDOA檢測裝置與信噪比估計裝置。將離散信號與本地已知構(gòu)成幀頭的PN序列進行相關(guān)處理，得到它們的互相關(guān)結(jié)果。利用PN序列的自相關(guān)和互相關(guān)特性，TDOA檢測裝置能檢測出整數(shù)倍采樣周期的信號到達時間差，并利用分數(shù)倍時延檢測器的分數(shù)時延濾波器檢測出不同地面數(shù)字電視發(fā)射機信號到達定位接收機的分數(shù)倍到達時間差。信噪比估計裝置，通過對接收到的信噪比進行估計，自適應地調(diào)整濾波器參數(shù)，將計算得到的補償值傳輸給接收機位置計算裝置。接收機位置計算裝置利用TDOA算法處理各個時間差并將位置坐標輸出。同時由于噪聲會對到達時間差的估計精度帶來負面的影響，系統(tǒng)根據(jù)信噪比估計裝置檢測出的電視信號信噪比SNR來自適應地對時間延遲差的偏差進行補償校正，提高檢測精度。在基于相關(guān)的分數(shù)倍時延TDOA檢測裝置中有獨立的模塊分別相關(guān)和分離電視信號，并檢測與合并電視信號的時間延遲。依據(jù)該檢測結(jié)果，接收機位置計算裝置將使用TDOA算法處理各個時間差并得到位置輸出，并且根據(jù)信噪比估計裝置檢測出的電視信號信噪比SNR來自適應地對檢測偏差進行補償校正，以提高檢測精度。信號在信道中傳播的過程中擁有了時間延遲，這樣的時間延遲會體現(xiàn)在信號上并且可以通過自相關(guān)提取出來。由于地面數(shù)字電視廣播信號的幀頭是由預設(shè)的PN序列構(gòu)成的，因此可以在接收機將接收到的信號與本地的已知的構(gòu)成幀頭的PN序列同時送入相關(guān)器進行相關(guān)處理，就可以得到它們的互相關(guān)結(jié)果，而由于本身PN序列的自相關(guān)特性，包含PN序列的接受信號與送入相關(guān)器的PN序列會因為其共同的PN序列而產(chǎn)生相關(guān)峰值，由于時間延遲會對信號中的PN序列產(chǎn)生延遲，那么得到的相關(guān)峰值也會產(chǎn)生位移和變形，這反映了信號的傳播時延。接收機經(jīng)過對分處不同坐標的發(fā)射機發(fā)出的信號的相關(guān)處理就可以得到信號到達不同接收機的傳播時延，由于絕對時延的不易檢測，因此使所有發(fā)射機保持時鐘同步就可以得到不同信號到達接收機的傳播時間延遲差值，將時間延遲差值換算為距離并通過坐標的幾何關(guān)系就可以得到接收機的坐標完成定位。時間延遲差值由可以直接讀出的整數(shù)倍采樣周期的信號到達時間差和不能直接讀出的分數(shù)倍采樣周期的信號到達時間差構(gòu)成。由于地面數(shù)字電視廣播信號的相關(guān)峰值隨時間延遲具有的非線性的特性，使用線性的分數(shù)時延濾波器并不能提取出精確的小數(shù)倍延遲。因此如圖2所示，系統(tǒng)在檢測得到距離信息之前增加一個半整數(shù)延時估計模塊，通過人為的增加半整數(shù)倍的時間延遲，只取有較強線性的小數(shù)倍延遲區(qū)間作為檢測區(qū)間，將所有的小數(shù)倍延遲約束在線性較強的部分，就可以得到更精確的分數(shù)倍時間延遲，最后再將檢測出的整數(shù)倍延時和分數(shù)倍延時進行合并即可。

2．3仿真實驗與結(jié)果

對本文提出的基于數(shù)字電視信號的高精度定位系統(tǒng)，我們在MatlabSimulink上進行了仿真實驗。仿真實驗結(jié)果如圖3所示，圖中橫坐標代表發(fā)出信號基站之間的信號延遲，縱坐標代表實際測量計算出的信號延遲，紅線代表基準的正確延遲，藍線代表使用分數(shù)倍時延預測模型在不同的實際時延下對信號間時延進行的估計，綠線代表使用分數(shù)倍時延＋半整數(shù)延時估計的模型在不同的實際時延下對信號間時延進行的估計。圖3上圖為信噪比較高（SNR＝30dB）情況下的結(jié)果，我們可以看到，在噪聲較弱的情況下，兩種方法都能對信號時延的分數(shù)倍部分進行比較準確的估計，這說明我們使用分數(shù)倍時延來對原有基于整數(shù)倍時延的TDOA技術(shù)改進是可行的。而在噪聲較大的情況下，如圖3所示，我們可以看到系統(tǒng)依然能將估計誤差保持在較小的范圍，且綠線相比藍線更加準確說明我們的半整數(shù)延時估計方法起到了提升定位系統(tǒng)在實際噪聲環(huán)境下定位效果的作用。

參考文獻

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作者：王仲豪 單位：上海交通大學電子信息與電氣工程學院