CN102595021A - 一种中国数字电视地面广播中帧头序号的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种中国数字电视地面广播信号中帧头序号的检测方法。首先利用信号的不同超帧中信号帧帧头重复出现的结构进行帧粗同步，然后利用一个超帧中信号帧帧头前后对称的结构确定帧头的具体序号。这样分两步实现了从电视信号中确定一个具体的信号帧帧头序号。本发明既可用于利用中国数字电视地面广播系统进行定位过程中伪距的计算，也可以用于其信号的帧同步。本发明无需接收机产生本地PN序列，通过两次检测相关峰值的方法，即可准确确定一个帧头的位置和序号，降低了系统的复杂度，减小了系统运算量；由于运用了信号本身的自相关性，因此对信号的接收效果要求相对较低，也适合用于在电视信号较差区域内进行定位。

Description

一种中国数字电视地面广播中帧头序号的检测方法

技术领域

本发明涉及一种利用中国数字电视地面广播信号进行定位的方法，同样涉及一种中国数字电视地面广播信号的帧同步方法。

背景技术

GPS(Global Positioning System，全球定位系统)可以提供全球覆盖的高精度定位，在众多领域受到应用，但是其在室内及城市楼宇间等环境中不能定位的缺点日益明显。GPS的这种不足是由于GPS信号接收功率低，以垂直的方式到达地面和抗干扰能力差导致的。为此在室内等环境下采用地面信号替代GPS卫星信号被认为是一种可行方案。

我国于2006年颁布了《数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制》国家标准，现在中国地面数字电视广播系统已经在很多城市完成了建设，即将形成一个覆盖全国的网络。地面数字电视信号具有较高的功率，工作在较低的频段，而且由于其是水平信号，故进入室内的能力比较强，不会受到卫星多普勒效应和电离层传播延迟的影响。这就使得地面数字电视信号成为用于定位的理想选择。

利用电视信号定位主要采用计算接收机到电视塔伪距的方法。由于电视信号的发射是严格与标准时间同步的，只需要测得某个确定信号帧的到达时间，通过计算就可以得到发射机与电视塔之间的伪距，从而达到辅助GPS伪距定位的目的。

在数字电视信号的接收端，首先要完成信号的帧同步，即找到信号帧帧头的位置。同步是接收端所有信号处理的开始。本发明方法亦可用于中国数字电视地面广播信号同步中的帧同步。

发明内容

本发明的目的在于设计和研究更适合中国数字电视地面广播信号的帧头检测方法。

本发明的技术方案是：中国数字电视地面广播信号的帧头序号检测方法。其主要特征包括以下两个步骤：

(一)帧头粗同步

首先需要从收到的中国数字电视地面广播的信号帧中确定帧头的位置。设一个信号帧的长度为L个符号，其中帧头长度为M个符号。在接收到的信号中任意选取一个起始点，从该位置开始缓存M个接收到的符号，利用它与一个超帧的时间后开始的M个符号做相关，记录相关的值，随后起始点向后移动一个符号位，如此循环进行滑动相关，一共选择L个连续的起始位置，如公式(1)所示。L个相关值中最大的一个对应的起始位置就是一个帧头(帧头序号未知)开始的位置。

$x\left(n\right)=\underset{m=1..L}{\arg \max }|\underset{i=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}^{*}(n+m+i)\×r(n+m+i+\mathrm{KL})|$ 公式(1)

其中r(n)是对应时间的符号信息，K是一个超帧中信号帧的个数。为了避免信号接收中某一个信号帧的接收效果不好，可以采用更多的起始位置，从中选择一个效果最好的帧头位置。

(二)确定帧头序号

将前一步骤中选择出的帧头，与其后每隔L个符号开始的下一个帧头做相关，一个超帧中共有K个帧头，故该帧头与后面共计K-1个帧头进行相关，如公式(2)所示。再根据相关的最大值所在的帧头与该帧头的距离，就可以利用超帧中信号帧帧头的对称关系(在具体实施方法中有详细叙述)确定该帧的序号。

$z\left(k\right)=\underset{p=-N..0..N-1}{\underset{k=\mathrm{1,2},..,K-1}{\arg \max }}|\underset{i=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}^{*}(n+p+i)\×x(n+i+p+\mathrm{kL})|$ 公式(2)

其中x(n)是上一步中选择出的M个符号，p是起始位置向前和向后移动的步长，它的作用是为了防止前一步骤粗符号同步中确定的帧头起始位置有微小的偏差，在前一步骤中确定的起始位置前后寻找更准确的帧头起始位置。

此时，我们就知道了某一个到达时间点上的具体帧头，该帧头的发射时间是可以确定的，所以电视塔到接收机的伪距就可以通过信号的传播时间乘以光速计算出来(在具体实施方法中有举例)。

本发明的优点在于：

在本发明之前的电视信号定位算法或者电视信号的帧同步中，如果要确定一个具体序号帧头的位置都是采用本地PN序列与接收信号进行相关的方法。而本发明的帧头检测过程中，两个步骤分别利用了每个超帧中帧头循环出现的性质和一个超帧内部帧头对称出现的特点，在接收端不需要产生本地PN序列，降低了系统的复杂度，通过两次检测相关峰最大值的位置，能够准确确定一个信号帧帧头的位置和序号。

本发明需求的运算量也大大减小，例如当信号帧帧头长度为420个符号时，普通的滑动相关寻找一个特定帧头的位置需要大约420*225*4200＝3.97亿次乘法和加法，该算法只需要大约420*4200*10+420*224*20＝1952万次乘法和加法。

在本发明之前的产生本地PN序列进行相关的方法，需要把本地序列的速率调至与采样速率相同才能进行相关运算。比如接收信号在18M的采样速率时一个信号帧帧头长度内的采样符号是1000个，因此需要把本地产生的420个符号组成的帧头扩展到1000个符号，由于不是线性的扩展，会对相关运算的峰值位置产生一定的影响。

在室内及城市楼宇间等恶劣信道及低信噪比的定位场景下，信号的接收性能往往受到了很大的影响。由于本发明运用了信号本身的自相关性，所以对信号接收的效果要求相对较低收到包含各种干扰的信号其自相关运算相对于采用本地无噪声PN序列与收到包含各种干扰的信号互相关运算的效果较好。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图

图2为中国数字电视地面广播标准的四层数据帧结构示意图

图3为中国数字电视地面广播标准的信号帧结构图

图4为中国数字电视地面广播信号超帧中信号帧的对称结构示意图

图5为帧头粗同步时滑动相关窗的示意图

图6为帧头粗同步一个实施例的相关结果图

图7为确定帧头序号时相关示意图

图8为确定帧头序号一个实施例的相关结果图

具体实施方法

结合附图及实施例，对本发明所述的方法作进一步阐述。图(1)为本发明的基本流程图。

中国数字电视地面广播标准的数据帧具有四层结构，如图(2)所示，分别为日帧，分帧，超帧和信号帧。日帧以一个公历自然日为周期进行周期性重复，由1440个分帧构成，时间为24小时。在北京时间00:00:00，日帧被复位，开始一个新的日帧。一个分帧的时间长度为1分钟，包含480个超帧。超帧的时间长度为125毫秒，所有帧的时间都与标准时间严格符号同步。数据帧结构的基本单元为信号帧，信号帧由帧头和帧体两部分组成，如图(3)，帧头部分由PN序列构成，帧头长度有三种模式，对于模式1，帧头长度为420个符号，帧体长度3780个符号，一组225个信号帧构成了超帧。模式2和模式3的帧体部分相同，帧头长度分别为595和945个符号。

在帧头模式1中，帧头的420个符号是一个循环扩展的8阶m序列，由一个线性反馈移位寄存器产生。线性反馈移位寄存器的初始相位决定了所产生的序列。一个超帧中225个信号帧的帧头采用不同的初始相位。产生帧头PN序列的线性反馈移位寄存器的生成多项式定义为：G₂₅₅(x)＝1+x+x⁵+x⁶+x⁸，基于8位线性反馈移位寄存器的255种不同的初始状态，可产生255个不同相位的PN序列。中国数字电视地面广播标准选用其中的225个PN序列，从序号0到序号224。

但是，在实际设计中，如图(4)，从序号0到序号111的帧头选用的初始相位和从序号224到序号113的帧头选用的初始相位是相同的，也就意味着序号0的帧头的PN序列和序号224的帧头的PN序列是相同的，序号1的帧头和序号223的帧头是相同的，以此类推。这种中国数字电视地面广播信号的特殊对称结构在本发明中被用来计算一个帧头的具体序号。

(一)帧头粗同步

利用中国数字电视地面广播信号的不同超帧中相同的信号帧头重复出现的结构，从收到的电视信号帧中确定帧头的位置。设定系统帧结构中的帧头采用的是中国数字地面广播标准中的帧头模式1，此时一个信号帧的长度为4200个符号，其中帧头长度为420个符号。在接收到的信号中任意选取一个起始点，从该位置开始缓存420个接收到的符号，利用它与125ms后开始的420个符号做相关，记录相关的值，随后起始点向后移动一个符号位，如此循环进行滑动相关，一共选择4200个连续的起始位置，如公式(1)及图(5)所示。4200个相关值中最大的一个对应的起始位置就是一个的帧头(序号未知)开始的位置。

$x\left(n\right)=\underset{m=1..L}{\arg \max }|\underset{i=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}^{*}(n+m+i)\×r(n+m+i+\mathrm{KL})|$ 公式(1)

其中r(n)是对应时间的符号信息，M是帧头的符号长度，L是信号帧的符号长度，K是一个超帧中信号帧的数量。为了避免信号接收中某一个信号帧的接收效果不好，可以采用更多的起始位置，相关更长的时间，从中选择一个效果最好的帧头位置。如图(6)，接收端提取的4200*10个起始位置的420个符号与对应125毫秒后的4200*10个起始位置的420个符号相关后的结果，相关峰的最大值就是一个帧头开始的位置，但是这个帧头的具体序号现在是未知的。

(二)确定帧头序号

利用前面提到的一个超帧中信号帧头的前后对称结构确定帧头的序号。设定此时帧头的结构为帧头模式1。根据前一步中选择出的帧头，此时与其后每隔4200个符号开始的下一个帧头做相关，一个超帧中共有225个帧头，故该帧头与后面共计224个帧头进行相关，如公式(2)及图(7)所示。相关的最大值就可以用来确定该帧的序号。

$z\left(k\right)=\underset{p=-N..0..N-1}{\underset{k=\mathrm{1,2},..,K-1}{\arg \max }}|\underset{i=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}^{*}(n+p+i)\×x(n+i+p+\mathrm{kL})|$ 公式(2)

其中x(n)是上一步中选择出的M个符号，p是起始位置向前和向后移动的步长，它的作用是为了防止前一步骤粗同步中确定的帧头起始位置有微小的偏差，在前一步骤中确定的起始位置前后寻找更准确的帧头起始位置。如图(8)，N设置为10时，在p+N+k*2N＝1092位置上出现的最大值，表明k＝54，也就是该帧头与其后第54个信号帧的帧头是相同的，根据前述超帧中的对称结构，序号为85的帧头与序号为139的帧头是相同的，则该帧头序号为85。另外一种情况，若计算到的k为奇数，比如k＝51，则根据对称结构，序号为199和下一个超帧中序号为25是相同的且两者相隔51个信号帧，则此时帧头序号为199。

至此，我们就知道了一个到达时间点上的具体帧头，再根据到达时间与发射时间的差值，我们就可以计算出电视塔到接收机的伪距。例如，我们在9点10分11秒125毫秒15微秒的时候收到了序号为0的帧头，我们可以唯一确定它是在9点10分11秒125毫秒0微秒的时候发出来，传播时间15微秒乘以光速就得到了接收机到电视塔的距离为4500米。这个帧头不可能是前一个超帧9点10分11秒0毫秒0微秒或者更早的时间发出来的，如果是这时发出来的，则传播时间为125毫秒15微秒，计算的传播距离为37504.5公里，远超过电视塔的覆盖范围，所以发射时间合理的值只有一个。

Claims (3)

1.一种中国数字电视地面广播的帧头序号检测方法，主要特征包括以下两个步骤：

(一)帧头粗同步

首先需要从收到的中国数字电视地面广播的信号帧中确定帧头的位置；设一个信号帧的长度为L个符号，其中帧头长度为M个符号；在接收到的信号中选取一个起始点，从该位置开始缓存M个接收到的符号，利用它与一个超帧的时间后开始的M个符号做相关，记录相关的值，随后起始点向后移动一个符号位，如此循环进行滑动相关，一共选择I个连续的起始位置，如公式(1)所示；L个相关值中最大的一个对应的起始位置就是一个帧头(序号未知)开始的位置；

$x\left(n\right)=\underset{m=1..L}{\arg \max }|\underset{i=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}^{*}(n+m+i)\×r(n+m+i+\mathrm{KL})|$ 公式(1)

其中r(n)是对应时间的符号信息，K是一个超帧中信号帧的个数；为了避免信号接收中某一个信号帧的接收效果不好，可以采用更多的起始位置，从中选择一个效果最好的帧头位置；

(二)确定帧头序号

将前一步骤中选择出的帧头，与其后每隔L个符号开始的下一个帧头做相关，一个超帧中共有K个帧头，故该帧头与后面共计K-1个帧头进行相关，如公式(2)所示。再根据相关的最大值所在的帧头与该帧头的距离，就可以利用超帧中信号帧帧头的对称关系(在具体实施方法中有详细叙述)确定该帧的序号；

$z\left(k\right)=\underset{p=-N..0..N-1}{\underset{k=\mathrm{1,2},..,K-1}{\arg \max }}|\underset{i=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}^{*}(n+p+i)\×x(n+i+p+\mathrm{kL})|$ 公式(2)

其中x(n)是上一步中选择出的M个符号，p是起始位置向前和向后移动的步长，它的作用是为了防止前一步骤帧头粗同步中确定的帧头起始位置有微小的偏差，在前一步骤中确定的起始位置前后寻找更准确的帧头起始位置。

2.根据权利1要求所述的帧头序号检测方法，其特征在于，首先，在进行帧头粗同步中利用了中国数字电视地面广播信号的不同超帧中相同信号帧帧头重复出现的结构，其次，发现和利用了同一个超帧中前半部分和后半部分信号帧帧头对称的结构，在确定帧头的具体序号时采用了不产生本地PN序列就能确定一个特定信号帧帧头序号的方法。

3.根据权利1要求所述的帧头序号检测方法，其特征是：可以用于利用中国数字电视地面广播信号进行定位的方法，同样也可以用于中国数字电视地面广播信号的帧同步方法

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