一种用于估计单频网数字电视地面广播信号时延的方法

技术领域

本发明属于数字电视广播与无线电导航定位的复合技术领域，涉及一种时延估计的方法，尤其涉及一种用于估计单频网数字电视地面广播信号时延的方法。

背景技术

1、现有定位系统的不足

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。

2、数字电视地面广播定位的优势

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，室内接收良好。与GPS相比，数字电视信号功率比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)数字电视信号带宽大约是GPS信号的6倍，更易抗多径效应； 3)接收机能在相对较长的相干时间内积分，易于捕获定位信号；4)不受发射信号多普勒频移和电离层传输时延的影响；5)利用现有或正在大规模建设中的数字电视地面广播基础设施，而无需新增硬件投入，所以该方案经济有效；6)可在技术上将地面电视广播同卫星广播信号进一步结合，形成统一的广域定位系统，以填补卫星定位技术的先天不足所造成的市场真空，从而增强系统的可靠性与适应性。

不同于 GPS 信号, 电视同步信号不受发射站多普勒效应、 电离层传播延迟或调制信号的影响。除此之外, 由于在数字电视信号调制中广泛采用正交频分复用( OFDM) 方式, 正交频分复用系统天然具备较高的传输码率和多载波调制方式, 在联合应用时频两域的高分辨估计算法后,有着比其他无线数字调制和传输方式更强的分辨与消除多径干扰的优势, 优越的抗多径测距性能使其成为在多径信号密集地区以及室内定位技术的最佳选 用 对 象 之 一 。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。

3、单频网引发的新挑战

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，并不能正确区分来自不同BS的同频TOA，特别是当MS不知道当前自己的准确位置时。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种用于估计单频网数字电视地面广播信号时延的方法，该方法在没有各数字电视地面广播发射台方位信息的条件下，也能从采用同一载波频率发射同一节目的单频广播网信号中，准确估计出单频网中来自不同发射台的数字电视信号到达移动接收台的时延，用于确定移动接收用户当前的地理位置。

为解决上述技术问题，实现上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种用于估计单频网数字电视地面广播信号时延的方法，包括：

S100、将接收到的数字电视地面广播信号下变频到零中频后采样存储；

S200、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；

S300、根据不同的数字电视地面广播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；

S400、将重构的信号帧逐帧依次进行与发送端相同的编码和调制，以重构出距离最近的发射台的发射信号样本；

S500、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互相关运算；

S600、对互相关运算结果进行相关峰值检测，来准确估计出所有发射台信号经不同传输路径到达移动接收机的时间延迟。

在其中一个实施例中，所述步骤S500中所述的互相关运算，既可直接在数字电视信号的基带进行，也可在数字电视接收机的中频或射频载波上进行。

在其中一个实施例中，所述步骤S500中所述的互相关运算采用广义互相关算法，预白化的加权函数采用SCOT函数。

在其中一个实施例中，所述步骤S600中所述的相关峰值检测采用结合基于K均值聚类技术的时延提取算法，并取每个聚类的中心作为时延提取的结果。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

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间延迟。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信号无法到达之地的定位（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）开销小、实现简单

目前所有能够接收DTV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。同时，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）资源利用率高

利用已知坐标参数的电视发射塔进行定位, 无需改变数字电视广播台的设备, 用户端除了能接收到有效的数字视频音频信息外, 还可利用数字广播的载波和数字码流测定从发射塔到接收端的距离等空间参数, 实现无线电定位, 可以充分利用相当庞大的数字电视广播基础设施。 结合基于卫星广播发送的DTV 信号，更可解决在海洋、沙漠、岛屿及其他接收不到 DTV 地面广播信号的地点定位问题。

4）适用范围广

本发明的技术思路在原理上适用于所有的数字电视和数字广播传输标准和体制。同时，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。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明的实施例的时延估计方法的总体框图。

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，其中

图4是本发明的实施例的采用结合基于K均值聚类技术的时延提取方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

我们注意到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，这就为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等卫星定位系统所采用的伪码扩频体制，因而时延估计中的相关运算可进一步提高到信号载波频率上进行，则精度还可望更高。

时延估计的基本方法是利用已知起始时刻或具有时间标志的发射波形“副本”与接收到的信号波形进行“互相关”运算，则最高的相关峰（即互相关器输出波形的最大峰值）所对应的时间，即为对接收信号相对于发射信号的时间延迟的估计值。对于GPS，该“副本”就是与卫星上所用完全相同的伪随机码（C/A码或P码）。可是，对于绝大多数的DTV体制，即使是通过卫星广播的DTV体制（例如欧洲的DVB-S标准），都不可能专门安排这样的用于测距或定位的伪随机码，且MS接收机也不可能预知或预先存储到发射数据码流的“副本”，互相关运算无从谈起。本领域技术人员也许想象可以直接利用接收波形自身进行“自相关”来实现时延估计，因为发射码流中具有时间标志。问题是：

1）在单频网中，MS接收机所接收到的信号往往来自多个BS发射机，尽管单频网中所有BS的发射机是严格时间同步的，即在同一时刻发送相同的信息，但由于距离MS的路程不同，因而传输时延也不近相同。对于具有N个BS的单频网中的MS接收机，其接收信号也可以看作是一个BS的发射信号经过N条不同路径时延后的叠加。因此，如果直接用这样的接收信号进行自相关，最坏情况就会产生2N-1个相关峰；

2）在无线电信号的地面传播过程中，多径效应是极其常见的，甚至接收机中有时会没有任何直达（LOS）信号，而是完全由非直达（NLOS）信号叠加而成，显然此时的接收信号自相关峰值的个数及其分布将更为复杂。

基于上述分析，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。

究竟怎样才能得到这样一个相当于距离MS最近的那个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”。

据此思路在线重构和不断更新距离最近的BS的发射信号样本，并与接收信号采样值进行互相关运算，就是本发明所提出的在单频网中准确估计单频网数字电视地面广播信号时延的基本思路。

具体实施如下：

S100、将接收到的数字电视地面广播信号下变频到零中频后采样存储。

S200、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。

S300、根据不同的数字电视地面广播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。

S400、将重构的信号帧逐帧依次进行与发送端相同的编码和调制（如图2所示），以重构出距离最近的发射台的发射信号样本。

S500、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原理图所示的互相关运算。

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。该互相关运算采用广义互相关法，预白化的加权函数采用SCOT函数。除了上述的直接数字电视信号的基带进行，也可在数字电视接收机的中频甚至射频载波上进行以提高时延估计精度，具体做法在于：用图1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。

需要说明的是，本发明采用广义互相关算法，是因为广义互相关法算法在本发明中应用具有如下特点：

（1）、最大的优点在于算法原理实现简单，运算量小，适于实时定位系统。

（2）、虽然精度较LMS算法差些，但是广义互相关算法可通过选择加权函数来提高时延估计精度，具体后续进行详述。

（3）、广义互相关算法可在频域上利用FFT实现相关运算，故算法可借助现有的FFT模块，具有通用性，适用性。

广义互相关算法时延估计相当于在频域内给予两路信号互功率谱一定的加权，对信号与噪声进行预白化处理，增强了信号中信噪比高的频率成分，抑制噪声的影响，所以能够获得更高的估计精度。

在实际应用中，本发明还创造性的发现，加权函数对时延估计的准确性具有影响。

具体的，加权函数的选择是实现准确时延估计的重点和难点所在，必须兼顾分辨率和系统稳定两方面。常用的用于预白化的加权函数有：基本互相关函数、SCOT、Roth、PHAT。

本发明预白化的加权函数采用SCOT函数。从运行结果上看，在时间上，基本互相关、PHAT加权、ROTH加权和SCOT加权四种加权算法的计算量相当；但从相关峰的锐化来说，这4种方式的时延估计的准确性随着信噪比的降低而恶化，互相关函数峰值的尖锐程度随着信噪比的降低而降低。

对于RHOT加权来说，性能随着信噪比的降低急剧恶化；基本互相关函数和PHAT加权虽然有一定的抗噪声能力，但随着信噪比的降低，其波动程度明显加强，特别对于外围的噪声、反射和有限观测数据很敏感，会造成峰值的不明显；SCOT加权则在较高的信噪比下表现出波动小、峰值尖锐的特性，而在低信噪比时仍具有较强的抗干扰性。综上，以SCOT加权函数的综合性能最优。所以本发明选用SCOT加权函数。

S600、对互相关运算结果进行相关峰值检测，在相关峰值检测中采用结合基于K均值聚类技术的时延提取算法，取每个聚类的中心作为时延提取的结果，即可准确估计出所有发射台信号经不同传输路径到达移动接收机的时间延迟。

需要说明的是，上述基于K均值聚类的时延提取算法的具体步骤为：

S610、借助峰值检测法，提取相关函数中归一化幅值超过门限的所有时延估计值，获得K均值聚类的数据集合。

S620、根据需要估计的时延数目的先验知识，K均值聚类技术将待分类的数据集合分成与估计时延数目相等的聚类。

S630、根据K均值聚类的基本知识，提取每个聚类的中心作为时延提取的结果。

本发明之所以在相关峰值检测中采用结合基于K均值聚类技术的时延提取算法，是因为：从相关函数中提取时延估值目前传统的算法就是峰值检测，即在超过设置门限的相关峰值中，取最小的时延估值即为所求的时延。但该方法只适合提取一个时延估值，而数字电视地面广播由于单频网的特性，其时延提取不再是一个单值函数的对应，而是要在一次相关运算后提取出多个时延估值。而本发明正是针对该问题，提出基于K均值聚类技术的时延提取方法， 可以同时精确提取出数字电视地面广播定位系统中的多个时延估计值。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。