【发明内容】
本发明要解决的技术问题之一,提供了一种接收广播定位信号的基带处理装置,该装置对叠加的扩频信号进行处理,得到定位需要的参数进行定位。
本发明上述技术问题中对扩频信号的基带处理是这样实现的:一种接收广播定位信号的基带处理装置,包括依次连接的帧同步模块、粗捕获模块、精捕获模块、跟踪解码模块以及定位计算模块;所述帧同步模块:用于进行帧同步,确定广播信号帧的帧头位置,即广播定位信号中的扩频码的位置;所述粗捕获模块:进行粗略频偏估计,并在捕获列表中确认当前能够收到的广播定位信号的扩频码ID及其超过门限的路径的粗的码相位;所述精捕获模块:进行计算粗捕获模块捕获到的超过门限的路径的广播定位信号的精细频偏,精捕获成功,则对该路径进行跟踪;精捕获未成功,则该路径不存在;所述跟踪解码模块:对精捕获成功的各个路径和正在跟踪的各个路径的广播定位信号进行载波相位和码相位的跟踪,并解出不同发射装置发射的广播定位信号中的电文,计算各个路径的信噪比,再根据不同广播发射装置不同路径的广播定位信号的码相位计算时延差;所述定位计算模块根据广播发射装置的装置号、位置信息和跟踪解码模块得到的时延差、信噪比参数进行定位。
本发明要解决的技术问题之二,在于提供一种接收广播定位信号中的扩频信号的基带处理方法。
该技术问题之二是这样实现的:一种接收广播定位信号的基带处理方法,包括如下步骤:
步骤10、对基带信号通过帧同步模块进行帧同步,找到广播信号帧的帧头位置,即广播定位信号中的扩频码的位置,帧同步模块判断是否同步成功,否,则重复步骤10;是,则进入步骤20;
步骤20、初始化粗捕获模块的粗捕获列表、精捕获模块的精捕获列表和跟踪解码模块的跟踪列表,对基带信号进行粗略频偏估计;然后进入步骤30;
步骤30、通过粗捕获模块对接收到的不同广播发射装置发射的广播定位信号用粗略频偏进行下变频,并在粗捕获列表中确认当前收到的广播定位信号的扩频码ID及其超过门限的路径的粗的码相位,所述扩频码ID只对应一广播发射装置;将捕获到的各扩频码ID从粗捕获列表中移除,并将其加入精捕获列表;如果粗捕获模块未捕获到一广播定位信号的路径且精捕获列表和跟踪列表为空,则转入步骤10,重新进行帧同步;否则进入步骤40。
步骤40、通过精捕获模块对精捕获列表中的多个广播发射装置发射的超过门限的路径的对应广播定位信号进行精细频偏计算,并判断是否精捕获成功;判断完毕,则将完成精细频偏计算的路径对应的扩频码ID从精捕获列表中移除;并将精捕获成功的扩频码ID及对应的路径放入跟踪列表,如果一广播发射装置所有粗捕获得到的路径进行精捕获,捕获都未成功,则将该广播发射装置对应的扩频码ID重新放入粗捕获列表,并进入步骤50;捕获成功,则直接进入步骤50;
步骤50、跟踪解码模块根据各扩频码ID对跟踪列表中各路径的广播定位信号进行载波相位和码相位的跟踪,并解出不同发射装置发射的广播定位信号中的电文,计算各个路径的信噪比,根据不同广播发射装置不同路径的广播定位信号的码相位计算时延差;如果一广播发射装置的所有路径都跟踪失锁,则将该广播发射装置对应的扩频码ID从跟踪列表中移除,重新放入粗捕获列表,并进入步骤60;否则,直接进入步骤60;
步骤60、通过定位计算模块判断跟踪锁定的广播发射装置数是否大于定位需要的广播发射装置数,是,则根据广播发射装置位置信息和跟踪解码模块得到的时延差、信噪比参数进行定位,否则不进行定位,并跳回步骤30。
本发明具有如下优点:本发明将基带信号通过帧同步模块进行帧同步,并通过粗捕获模块进行粗略频偏和粗的码相位估计;再通过精捕获模块进行精细频偏计算得到精捕获成功的各个路径和正在跟踪的各个路径的广播定位信号进行载波相位和码相位的跟踪,并解出不同发射装置发射广播定位信号中的电文,计算各个路径的信噪比,再根据不同广播发射装置不同路径的广播定位信号的码相位计算时延差,最后通过定位计算模块根据广播发射装置的装置号、位置信息和跟踪模块得到的时延差、信噪比参数进行定位,实现了定位功能。本发明有效解决了现有技术中的GPS定位方式和移动终端定位方式成本高且占用通讯资源的问题。
【具体实施方式】
如图1所示,一种接收广播定位信号的基带处理装置,包括依次连接的帧同步模块、粗捕获模块、精捕获模块、跟踪解码模块以及定位计算模块;所述帧同步模块:用于进行帧同步,确定广播信号帧的帧头位置,即广播定位信号中的扩频码的位置;所述粗捕获模块:进行粗略频偏估计,并在捕获列表中确认当前能够收到的广播定位信号的扩频码ID及其超过门限的路径的粗的码相位;所述精捕获模块:进行计算粗捕获模块捕获到的超过门限的路径的广播定位信号的精细频偏,精捕获成功,则对该路径进行跟踪;精捕获未成功,则该路径不存在;所述跟踪解码模块:对精捕获成功的各个路径和正在跟踪的各个路径的广播定位信号进行载波相位和码相位的跟踪,并解出不同发射装置发射的广播定位信号中的电文,计算各个路径的信噪比,再根据不同广播发射装置不同路径的广播定位信号的码相位计算时延差;所述定位计算模块根据广播发射装置的装置号、位置信息和跟踪解码模块得到的时延差、信噪比参数进行定位,所述广播发射装置位置信息可以通过所述跟踪解码模块解出的不同发射装置发射广播定位信号中的电文得到,也可以预先存储在本地或者通过其它辅助通道得到。
如图2所示,为本发明基带处理方法流程示意图,其具体步骤如下:
步骤10、对基带信号通过帧同步模块进行帧同步,找到广播信号帧的帧头位置,即广播定位信号中的扩频码的位置,帧同步模块判断是否同步成功,否,则重复步骤10;是,则进入步骤20;
步骤20、初始化粗捕获模块的粗捕获列表、精捕获模块的精捕获列表和跟踪解码模块的跟踪列表,对基带信号进行粗略频偏估计;然后进入步骤30;
步骤30、通过粗捕获模块对接收到的不同广播发射装置发射的广播定位信号用粗略频偏进行下变频,并在粗捕获列表中确认当前收到的广播定位信号的扩频码ID及其超过门限的路径的粗的码相位,所述扩频码ID只对应一广播发射装置;将捕获到的各扩频码ID从粗捕获列表中移除,并将其加入精捕获列表;如果粗捕获模块未捕获到一广播定位信号的路径且精捕获列表和跟踪列表为空,则转入步骤10,重新进行帧同步;否则进入步骤40。
步骤40、通过精捕获模块对精捕获列表中的多个广播发射装置发射的超过门限的路径的对应广播定位信号进行精细频偏计算,并判断是否精捕获成功;判断完毕,则将完成精细频偏计算的路径对应的扩频码ID从精捕获列表中移除;并将精捕获成功的扩频码ID及对应的路径放入跟踪列表,如果一广播发射装置所有粗捕获得到的路径进行精捕获,捕获都未成功,则将该广播发射装置对应的扩频码ID重新放入粗捕获列表,并进入步骤50;捕获成功,则直接进入步骤50;
步骤50、跟踪解码模块根据各扩频码ID对跟踪列表中各路径的广播定位信号进行载波相位和码相位的跟踪,并解出不同发射装置发射的广播定位信号中的电文,计算各个路径的信噪比,根据不同广播发射装置不同路径的广播定位信号的码相位计算时延差;如果一广播发射装置的所有路径都跟踪失锁,则将该广播发射装置对应的扩频码ID从跟踪列表中移除,重新放入粗捕获列表,并进入步骤60;否则,直接进入步骤60;
步骤60、通过定位计算模块判断跟踪锁定的广播发射装置数是否大于定位需要的广播发射装置数,是,则根据广播发射装置位置信息和跟踪解码模块得到的时延差、信噪比参数进行定位,否则不进行定位,并跳回步骤30。
其中步骤10中进行帧同步是利用传统的广播信号的帧同步方法,当帧同步不成功时,可间隔一段时间再进行帧同步,以降低功耗。
步骤20中粗略频偏估计利用传统的广播信号的频偏估计方法,粗捕获列表被初始化为所有能收得到的扩频码ID,精捕获列表和跟踪列表被初始化为空。
步骤30中在粗捕获列表中确认当前收到的广播定位信号的扩频码ID及其超过门限的路径的粗的码相位具体为:将下变频后的信号与本地存储的粗捕获列表中的扩频码逐一进行移位相关,并将相关值的模值与门限值进行比较,超过门限的值对应的本地扩频码的移位点数即为路径的粗的码相位;当计算的下变频后的信号长度和移位的范围是扩频码周期的整数倍时,移位相关变为循环相关,此时可以用快速傅里叶变换的方法来减少循环相关的运算量;门限的值根据所有相关值的模值的均值乘一定倍数确定或者根据多径扩展时间外的相关值的模值的最大值乘一定倍数确定。
步骤40具体为:精细频偏估计是将下变频后的一段时间长度的广播定位信号中叠加在OFDM信号上比较弱的未调制电文部分的数据,根据步骤30得到的码相位,用本地存储的扩频码序列对其进行解扩;并用固定时间间隔的两段叠加在OFDM信号上比较弱的未调制电文部分的数据的解扩结果的相位差来计算精确频偏,或用复数段叠加在OFDM信号上比较弱的未调制电文部分的数据的解扩结果进行快速傅里叶变换的方法来计算精确频偏;如果计算到的精确频偏与粗略频偏或正在跟踪的一路径的频偏差距太大,则认为精捕获不成功;如果用快速傅里叶变换的方法来计算精确频偏,根据快速傅里叶变换的模值的峰值是否超过门限值来判断精捕获是否成功;门限值根据快速傅里叶变换结果的模值的均值乘一定倍数确定或者根据快速傅里叶变换结果的模值的峰值附近一个区域外的相关值的模值的最大值乘一定倍数确定。
步骤50中的跟踪的方法采用GPS全球定位系统跟踪的方法,对叠加调制了电文的扩频码的广播信号使用频率锁定环结合相位锁定环来锁定载波相位或者只用相位锁定环来锁定载波相位,使用延时锁定环来锁定码相位;根据各个路径跟踪得到的同相路和正交路的解扩后的广播信号进行信噪比估计;将同一广播发射装置各个跟踪路径的同相路值进行累加,然后解出该广播发射装置传输的电文;根据各个路径锁定的码相位计算出各个路径的时延差。其跟踪的方法也可以采用基于卡尔曼滤波的方法来提高跟踪的性能。
步骤60中的定位计算采用一般的几何定位的方法,用跟踪的广播发射装置的第一个路径的时延差和广播发射装置的位置信息进行计算接收机位置信息;所述广播发射装置位置信息可以通过所述跟踪解码模块解出的不同发射装置发射广播定位信号中的电文得到,也可以预先存储在本地或者通过其它辅助通道得到;或者采用基于参数匹配的定位方法,利用正在跟踪的广播发射装置号,及广播发射装置的各个路径的时延差和信噪比(或者信噪比差),来进行计算。
当发射端不传输电文或者传输的电文已知时,可以加大粗捕获、精捕获和跟踪解扩数据的长度,从而提高系统性能。
另外,在资源足够的情况下,可以使用GPS中互相关消除的方法来减小强信号对弱信号的互相关干扰。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
如图3所示,为广播信号CMMB(中国移动多媒体广播)的帧结构示意图,其每1秒为1帧,划分为40个时隙,每个时隙的长度为25ms,包括1个信标和53个OFDM符号,码速率为10M。信标的结构如图4所示,包括发射机标识信号(TXID)以及2个相同的同步信号,TXID的长度为36us,一个同步信号的长度为204.8us。
广播定位信号是在CMMB信号上叠加511位的Gold码,码速率为5M,叠加的Gold码以时隙(25ms)为周期重复,其在时隙内的结构图如图5所示,其中,码头部分(136us)将原来的CMMB信号(即TXID和第一个同步信号的前100us)去掉,只有Gold码,信号能量与后面的CMMB信号能量相当;叠加码部分保持原有的CMMB信号,叠加的Gold码的信号能量低于码头20db。码头部分的Gold码以BPSK调制电文,每比特电文的持续时间为25ms;叠加码部分不调制电文。Gold码总共有20组,其ID编号从0到19。
对于该广播定位信号中的扩频码进行基带处理的方法步骤如下:
步骤1、对接收的广播定位信号的基带信号取连续的两个204.8us长度的序列进行滑动自相关,在25ms时间内统计相关值的模值的最大值及其位置。如果最大值超过预先存储的阈值,则认为帧同步成功,此时进行计算的这两个序列即对应信标中的两个同步信号的位置,第一个序列起始位置前36us的位置即为扩频码码头的起始位置,跳到步骤2。如果最大值未超过阈值,则帧同步未成功,休眠100ms后再重复步骤1。
步骤2、粗捕获列表被初始化为所有可能收得到的扩频码ID(0到19),精捕获列表和跟踪列表被初始化为空。利用OFDM符号的循环前缀计算小数频偏,利用同步信号计算整数频偏,将这两个频偏值相加得到粗略频偏估计,并跳到步骤3。
步骤3、对接收到的信号用粗略频偏进行下变频,并对下变频后码头的正中间一个扩频码周期(511个码字)的信号在捕获列表中确认当前能够收到的广播定位信号的扩频码ID及其超过门限的路径的粗的码相位。将粗捕获到的扩频码ID从捕获列表中移除,并将该扩频码ID加入精捕获列表,并跳到步骤4。
步骤4、对精捕获列表中的那些发射装置的超过门限的路径的广播定位信号进行精细频偏计算,并判断是否成功。不管是否成功,都将完成的那些扩频码ID从精捕获列表中移除。将精捕获成功的那些扩频码ID及对应的路径放入跟踪列表,如果某个发射装置所有捕获到的路径精捕获都未成功,则将该发射装置对应的扩频码ID重新放入捕获列表。跳到步骤5。
步骤5、对跟踪列表中那些路径的广播定位信号进行载波相位和码相位的跟踪,并解出广播定位信号中的电文,根据不同发射装置第一个路径的广播定位信号的码相位计算时延差。如果某个发射装置的所有路径都跟踪失锁,则将该发射装置对应的扩频码ID重新放入捕获列表。跳到步骤6。
步骤6、在跟踪锁定的发射装置数大于定位需要的发射装置数后,根据发射装置位置信息和跟踪解码模块得到的时延差用一般的几何定位的方法进行定位。跳到步骤3。
步骤3中确认当前能够收到的广播定位信号的扩频码ID(一个扩频码ID对应一个发射装置)及其超过门限的路径的粗的码相位,具体方法步骤如下:
步骤3.1、对下变频后的码头的正中间一个扩频码周期(511个码字)的信号做FFT。
步骤3.2、判断捕获列表中是否还有未计算的扩频码,如果有未计算的扩频码,跳到步骤3.3,否则结束。
步骤3.3、将一个未计算的扩频码取出进行FFT并求其共轭,将得到的序列与步骤3.1得到的序列按元素相乘,跳到步骤3.4。
步骤3.4、将步骤3.3的结果进行IFFT(反快速傅里叶变换),并将得到的序列的各个元素取模值,跳到步骤3.5。
步骤3.5、根据步骤3.4得到的序列的均值得到判断门限,跳到步骤3.6。
步骤3.6、在步骤3.4得到的序列中查找超过门限的值的坐标,得到超过门限的路径的码相位,如果序列中没有超过门限的元素,则认为该扩频码ID对应的广播定位信号无法收到。跳到步骤3.2。
步骤4中的精细频偏估计可以将下变频后的叠加码部分的广播定位信号用粗略频偏进行下变频,然后根据步骤3得到的码相位用本地存储的扩频码序列对其进行解扩。将1ms数据的解扩结果存下,累计1024ms的数据后对其进行FFT,根据FFT模值的峰值的位置来确定精确频偏。如果计算到的精确频偏与粗略频偏或正在跟踪的某个路径的频偏差距太大,或者FFT的模值峰值未超过门限,则认为精捕获不成功。门限根据FFT结果的模值的均值乘3确定。这样,精捕获的频率精度可以到1Hz左右,频率计算范围可以从-500Hz到500Hz。
步骤5中跟踪的方法可以参考GPS(全球定位系统)跟踪的方法,对接收到的码头的正中间一个扩频码周期(511个码字)的信号用3阶PLL锁定载波相位,用1阶DLL锁定码相位,PLL采用经典的科斯塔(Costas)锁相环的鉴别器,容许电文的跳变。DLL采用S曲线的鉴别器以对抗多路径信号,积分累加时间为102.2us(即511个码字),环路的更新时间为25ms。将同一发射装置各个跟踪路径的I路值进行累加,然后判决该发射装置传输的电文;根据各个发射装置的第一个路径锁定的码相位的差计算出各个发射装置第一个路径的时延差。环路锁定和失锁的判断可以参考GPS中环路锁定和失锁的判断方法由鉴别器的输出得到。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰,皆应属本发明的涵盖范围。