數(shù)字電視廣播信號管理

1、數(shù)字電視廣播信號管理    摘 要：隨著現(xiàn)代數(shù)字信號處理、超大規(guī)模集成電路以及通信技術(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，在我國有著廣闊的應(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，簡要地給出了定位實現(xiàn)的原理。 關(guān)鍵詞：無線定位；數(shù)字電視；信號；方案 1 數(shù)字電視廣播信號無線定位概述 1.1 無線電定位的概念 同時接收多個已知空間坐標(biāo)和時間基準(zhǔn)的無線電

2、發(fā)射源的輻射信號，可以確定接收端用戶所在的地理位置，即經(jīng)度、緯度和高程（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)。與GPS相比，DTV定位有以下優(yōu)點(diǎn)：定位誤差小，可達(dá)1m量級；市區(qū)定位概率高，還可滿足室內(nèi)定位要求；定位實時性好；信號處理要求低，處理設(shè)備少，功耗低；可利用現(xiàn)有的DTV基礎(chǔ)設(shè)施，無需改變就可用作定位。 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)星廣播相比較，有容易普及、接收價格低廉的

3、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)方案的選擇上爭議也最大。 世界各國對于數(shù)字電視地面廣播進(jìn)行了長期研究?；拘纬闪嗣绹腁TSC，歐洲的DVB-T和日本的ISDB-T三大標(biāo)準(zhǔn)。我國模擬電視采用的是歐洲的PAL制式，因此要向數(shù)字電視過渡基于 DVB-T標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)數(shù)字電視地面廣播系統(tǒng)是切實可行的。 2 基于DTV數(shù)字電視廣播信號無線定位系統(tǒng)方案的實現(xiàn) 2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 整個系統(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 地面廣播信號發(fā)射臺。

4、對于按 DVB-T 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射的電視信號來說，首先要為不同發(fā)射臺分配不同的系統(tǒng)標(biāo)識碼（ID），再將發(fā)射臺的空間坐標(biāo)、發(fā)射時間和標(biāo)識碼等信息進(jìn)行信道編碼，最后通過 DTV 數(shù)字廣播系統(tǒng)實現(xiàn)信號發(fā)射。而對于按 DMB-T 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射的信號來說，由于在發(fā)射信號中已經(jīng)加入幀號、基站識別碼、起始發(fā)射時間，只要將發(fā)射臺的坐標(biāo)預(yù)先存儲在接收機(jī)的處理器中即可。 基于數(shù)字廣播電視信號的無線定位系統(tǒng)特征在于通過接收多個空間坐標(biāo)已知的數(shù)字地面發(fā)射臺的信號，確定接收者的空間坐標(biāo)。 2.2 系統(tǒng)工作流程 本文定位方法是建立在無線電信號廣播發(fā)射系統(tǒng)上的，系統(tǒng)的工作步驟如下： （1）接收信號：由天線接收到的電視信號經(jīng)射頻放大后

5、下變頻為中頻信號； （2）通過模擬/數(shù)字（A/D）變換完成中頻信號的數(shù)字化； （3）在數(shù)字信號處理器（DSP）內(nèi)完成信號的同步跟蹤、解調(diào)和解碼任務(wù)，建立信號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)幀的時間間隔作為系統(tǒng)觀測的基本時間單位，排定以數(shù)據(jù)幀間隔或其倍數(shù)作為觀測間隔，確定觀測時間序列； （5）已預(yù)先排定的觀測序列時間定時從同步跟蹤環(huán)路提取出一個數(shù)字電視發(fā)射源的原始偽距觀測值，以及通過解調(diào)和解碼后的數(shù)據(jù)得到該發(fā)射源標(biāo)識和空間坐標(biāo)信息； （6）重復(fù)步驟（5）觀測跟蹤所有在有效測量范圍內(nèi)的數(shù)字電視發(fā)射臺；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)

6、射源空間坐標(biāo)值，計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）測量隨后各數(shù)字電視廣播數(shù)據(jù)幀接收時刻，得到屬于該觀測時間點(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間信息，完成基于順序雙濾波器平滑算法的計算，最終輸出系統(tǒng)最優(yōu)定位信息。 2.3 軟件接收機(jī)的流程實現(xiàn) 對于 DVB-T標(biāo)準(zhǔn)來說，同步部分利用時域保護(hù)間隔和頻域?qū)ьl信號，估計并跟蹤時域 FFT 窗口位置，同時估計由于收發(fā)端上下變頻引起的頻偏；采樣時鐘同步估計得到收發(fā)晶振不能完全匹配帶來的采樣時鐘

7、誤差，經(jīng)數(shù)字鎖相環(huán)使收發(fā)采樣時鐘同步。對于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，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；在接收端則通過同樣的PN序列發(fā)生器產(chǎn)生本地PN序列，并與接收信號的PN碼幀頭進(jìn)行時域相關(guān)，從而完成幀同步、頻率同步、時間同步、信道傳輸特性估計等一系列同步運(yùn)算。 3 數(shù)字電視接收機(jī)的實現(xiàn) 3.1 接受原理 （1）模擬處理部分。 從天線接收到的信號通過調(diào)諧器經(jīng)預(yù)選放大抑制鏡像干擾、混頻

8、后得到中頻信號，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。在中頻放大器中設(shè)置AGC以穩(wěn)定信號輸出。 （2）符號起始同步與定時粗同步。 利用保護(hù)間隔的循環(huán)重復(fù)特性可獲得定時的粗同步和符號起始，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)。而相鄰符號的數(shù)據(jù)則完全不同，這樣計算差值s（t）s（t Tu），并對其進(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個符號得到2N樣點(diǎn)，這2N樣點(diǎn)直接送入2N點(diǎn)FFT的ASI

9、C處理器進(jìn)行FFT。 （4）頻率和定時同步。 由定時符號粗同步后，接收機(jī)對連續(xù)2個符號采樣的2N個樣點(diǎn)進(jìn)行 FFT，頻率估計器按參考序列給出的連續(xù)導(dǎo)頻地址找到這2個符號的連續(xù)導(dǎo)頻值。對頻率偏移進(jìn)行估計得到頻率誤差信號，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。 定時估計器在當(dāng)前符號中找到導(dǎo)頻后，對定時偏移進(jìn)行估計得到定時誤差信號，經(jīng)D/A 變換和時鐘環(huán)路濾波器濾波后完成定時的精同步。這一同步過程時間較長，以緩慢調(diào)整達(dá)到精同步鎖定。 （5）信道估計。 信道校正。信道響應(yīng)估計器通過對分布和連續(xù)導(dǎo)頻點(diǎn)響應(yīng)的估計，利用時/頻域內(nèi)插得到信道在全頻段的響應(yīng)估計值，對各數(shù)據(jù)載波進(jìn)行復(fù)相均衡

10、后可得到信道校正。 信道狀態(tài)估計。信號輸出電平的估計可通過對 FFT輸出信號的能量獲得。信號電平估計后通過D/A 變換以及AGC環(huán)路濾波后可對信號的輸出電平進(jìn)行精確控制；信道在各數(shù)據(jù)載波點(diǎn)上的狀態(tài)估計可通過對該點(diǎn)信噪比的估計，給出信道在各數(shù)據(jù)載波點(diǎn)上的狀態(tài)量度，與該載波點(diǎn)數(shù)據(jù)一起送到Viterbi譯碼器，對每一位提供“可靠性消息”進(jìn)行軟判決譯碼。 （6）信道譯碼及碼流處理。 積碼的解碼。由數(shù)據(jù)格式化后得到G1、G2 格式的3bit碼流送入Viterbi譯碼器進(jìn)行軟判決譯碼。軟判決是根據(jù)提供的信道狀態(tài)估計每比特的可靠性信息進(jìn)行的。內(nèi)信道譯碼后通過串/并轉(zhuǎn)換把比特碼流轉(zhuǎn)換成字節(jié)碼流送入解外交織器。

11、解外交織。由于發(fā)射端采用的是同步卷積交織器，因而解交織時需要同步。在交織過程中，同步字節(jié)sync或sync總是從第0路送入，在解交織時只要設(shè)置窗口校驗同步字節(jié)后（即字節(jié)碼流獲得同步后），把同步字節(jié)送入第0路解交織即可完成解交織。RS譯碼。從解外交織器送來的字節(jié)碼流送入RS（204，188）譯碼器進(jìn)行外信道譯碼。RS譯碼是在找到同步字節(jié)sync或sync后把同步字節(jié)和后面的 187Byte為一組進(jìn)行譯碼的。譯碼后的字節(jié)碼流經(jīng)并/串轉(zhuǎn)換變成比特碼流，同時還給出同步信號送入反隨機(jī)化處理。反隨機(jī)化。RS解碼后的數(shù)據(jù)碼流在同步sync后的8個數(shù)據(jù)包長度內(nèi)與隨機(jī)化序列進(jìn)行異或后即得到反隨機(jī)化的數(shù)據(jù)流，反隨

12、機(jī)化中每遇到同步比特串，即為隨機(jī)序列的異或禁止。同時若同步字節(jié)為sync，即對其求反處理得sync，完成反隨機(jī)化后的碼流送出信道譯碼器給MPEG-2 碼流復(fù)用器。最后得到TS碼流。 3.2 信號定位實現(xiàn) DTV信號定位采用偽距法。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)天線信號之間的幾何距離加上各種系統(tǒng)誤差。位置計算可以在用戶終端實現(xiàn)。終端要測量每一個視距范圍發(fā)射臺的偽距，3個發(fā)射臺的偽距足以解決用戶的經(jīng)度、緯度和時鐘偏差，DTV發(fā)射臺的位置數(shù)據(jù)可以存儲在用戶終端。 定位系統(tǒng)所要確定的系統(tǒng)狀態(tài)一般為系統(tǒng)的動態(tài)特性和系統(tǒng)時鐘誤差項，即：空間位置、速度、加速度和時鐘偏差和時鐘漂移。系統(tǒng)狀態(tài)為：

13、式中PR，VR，ART ，tR，tRT分別為系統(tǒng)位置、速度加速度三維坐標(biāo)矢量以及接收時鐘偏差和漂移矢量。 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、噪聲和干擾特性以及采樣信號處理的復(fù)雜度。在實際的定位系統(tǒng)中，定位誤差主要由以下兩部分組成： （1）接收端檢測設(shè)備帶來的誤差。如時鐘同步誤差、檢測設(shè)備時延帶來的誤差等。這部分誤差隨著定時技術(shù)及信號檢測技術(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)算法減少其對定位精度的影響。非視距傳播是無線定位的主要誤差源，即使在無多徑效應(yīng)和采用高精度定時的情況下，非視距傳播也會引起測量誤差。 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：利用測距誤差統(tǒng)計的先驗信息將一段時間內(nèi)的NLOS測量值調(diào)節(jié)到接近LOS的測量值；降低 LS 算法中NLOS測量值的權(quán)重，在LS算法中增加約束項等。