CN107302514B - 一种多载波数字广播信号载波平滑高精度时延估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线定位导航技术领域，公开了一种多载波数字广播信号载波平滑高精度时延估计方法，该高精度时延估计方法利用多载波正交频分复用(OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing)导频码进行精时延估计的基础上，更进一步通过提取首径到达的OFDM信号的相位信息，并利用所述相位信息设计载波相位平滑来进一步滤除测量噪声，提高首径到达信号的时延估计准确性。本发明所描述方法能够进一步提高通过OFDM导频码进行测距的准确度，将信号到达时间估计精确到亚米级精度。

Description

一种多载波数字广播信号载波平滑高精度时延估计方法

技术领域

本发明属于无线定位导航技术领域，尤其涉及一种多载波数字广播信号载波平滑高精度时延估计方法。

背景技术

现有基于卫星的无线定位系统，如：美国的全球定位系统(GPS)、我国的“北斗”定位系统、俄罗斯的GLONASS系统以及欧洲的伽利略(Galileo)系统，凭借着广域覆盖的巨大优势，已得到广泛应用。但是GNSS信号微弱，在物理遮挡严重区域，比如建筑物内部，其定位误差大，甚至不能形成定位。数字广播作为一种全新的信息传输技术已在国外广泛应用，如欧洲的数字视频广播(DVB)、数字音频广播(DAB)等。利用数字广播信号也可得到一种新的无线定位方式。与GPS相比，其潜在的优势在于：(1)信号传输功率强，射频信号通常在UHF频段，具有较好的绕射特性，在室内接收质量良好。(2)发射台固定，信号不受发射机多普勒效应和电离层传播延迟的影响，接收机能够在相对长的相干时间内积分，易于对定位信号进行捕获。(3)信号连续传送，可以在短时间内多次捕获，进行测距，提高定位精度。(4)从经济性来看，该技术利用现有的或即将大规模建设的数字电视地面广播基础设施，无需另外新增硬件投入。从世界范围来看，已被大多数国家采纳的数字视频广播地面传输标准DVB-T、专为移动手持式设备制订的数字电视地面广播标准DVB-H均采用多载波正交频分复用(OFDM)信号调制技术。该技术适合移动接收，抗多径效应良好，适用范围广。因此，开发并应用基于多载波OFDM调制的数字广播定位技术将具有极其众多的潜在用户和广阔的前景。

已有利用多载波OFDM的DVB-T信号估计到达时间(TOA)方法，主要通过提取接收到的OFDM离散导频子载波信号，与本地产生的离散导频做相关处理，在时域或者频域设计时延环路(DLL，Deley Locked Loop)，从而获得对到达符号的时延估计。以导频序列进行相关获得的时延估计，估计精度达到1到4米。

综上所述，现有技术存在的问题是：

然而，现有利用多载波OFDM进行时延估计的方法，主要存在的问题是由于前后符号之间信息关联性较弱，码跟踪环路在多径条件下易发散且不易判别。为解决这一问题，同时也为了进一步提高多载波OFDM时延估计的精度，本发明通过提取首径到达OFDM信号的相位信息，并通过相位平滑方法滤除时延估计噪声，从而有效提高基于该信号的测距及定位精度。同时，通过比较前后符号首径到达的相位变化，也可以有效判断码跟踪环路跟踪状态。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种多载波数字广播信号载波平滑高精度时延估计方法。

本发明是这样实现的，一种多载波数字广播信号载波平滑高精度时延估计方法，所述多载波数字广播信号载波平滑高精度时延估计方法，利用OFDM信号导频码进行时延估计的基础上，通过提取首径到达的OFDM信号的相位信息；并利用所述相位信息设计载波相位平滑来进一步滤除测量噪声，进行首径到达信号的时延估计。

进一步，所述提取首径到达的OFDM信号的相位信息，具体包括：

设i时刻接收机接收到的频率域离散导频信号为d_i(p_k),已知当前时刻导频发射信号为c_i(p_k),其中p_k为k子载波导频信号序列；同时由时延环路跟踪得到当前符号首径到达的时延估计为τ_i,0，则当前获得的首径到达符号的信道复增益为h_i,0为

h_i,0＝C_i,p ^T·Λ^T·D_i,p/(C_i,p ^T·C_i,p) (1)，

其中，C_i,p＝[ci(p₁)，ci(p₂)，...ci(p_N)]^T为p_N×1向量，

D_i,p＝[di(p₁)，di(p₂)，...di(p_N)]^T为p_N×1向量，

Λ＝diag([e^j2πp1τi,0,e^j2πp2τi,0,...,e^j2πpNτi,0])为p_N×p_N对角

阵，p_N为单个OFDM符号内离散导频个数，则首径到达符号的相位为

进一步，所述利用所述相位信息设计载波相位平滑来进一步滤除测量噪声，进行首径到达信号的时延估计中，通过公式(3)进行滤除测量噪声，

其中，平滑系数w由系统设计的滤波器带宽以及前后间隔符号的时间间隔决定，系数λ则取决于信号的载波频率以及信号的采样频率。

进一步，提取首径到达的OFDM信号的相位信息前需进行：通过获取多径，提取首径到达的OFDM符号；具体包括：

通过获取单位时间内多个到达符号获取的多径信息进行统计，按照最早到达路径最多频次检测原则，提取首径到达的OFDM信息。

进一步，通过获取多径，提取首径到达的OFDM符号前需进行：

接收信号的时域初同步参数估计：利用DVB-T信号中时域符号的循环前缀特性，取N_CP个采样值与N_FFT之后的N_CP个采样值进行相关操作，获取相关峰值，得到符号开始采样值，为初定时同步值，以及分数载波频率的初估计；根据分数载波频率的初估计结果，对采样信号进行频率补偿；

根据初符号定时同步估计结果，获取符号开始采样值，进行快速离散傅立叶变换，得到对应的频率信号；

检测并获取频域信号的离散导频序列：通过接收信号的离散导频信号分别与接收机本地产生的多种不同的可能离散导频序列进行相关，检测得到当前符号的离散导频序列；

检测接收信号中OFDM符号的整数倍载波频偏估计并补偿。

进一步，进行滤除测量噪声后，需进行：

输出高精度首径到达符号的时延估计结果，并将此结果输入时延跟踪环路，并反复处理提取首径到达的OFDM信号的相位信息。

本发明的另一目的在于提供一种多载波数字广播信号载波平滑高精度时延估计系统。

本发明的优点及积极效果为：

本发明提高了信号到达的估计精度。已有以OFDM离散导频导频序列进行相关获得的时延估计的方案，本质上类似于GNSS的码延时估计，以实际最佳能达到的1/10或者1/15个码片估计精度计算，估计精度达到1到4米。而本发明则是在现有利用导频码进行时延估计的基础上，进一步通过提取首径到达的OFDM信号的相位信息，并利用该信息设计载波相位平滑来进一步滤除测量噪声，从而进一步提高信号到达时延估计精度。采用本方法，实际最佳估计能达到亚米级水平，可以进一步提高测距及定位准确度。

本发明可以很好地去除载波频偏的影响和噪声。本发明的载波相位平滑时延估计方法中，涉及载波频偏估计并消除，初符号定时同步估计以及提取首径到达信号的相位信息等步骤，这些步骤可在很大的自由度下控制载波频偏的影响和噪声，能适应不同的信道环境。

通常情况下，当时延环路发散或者多径干扰环境下首路径跟踪出错现象发生时，首径到达信号的相位会对应发生突变。本发明在时延跟踪环路之后引入首径到达信号的相位估计，因此可以通过比较相邻两个或多个到达符号的首径相位信息，易于观察到相位突变，从而能及时判断时延环路发散以及多径干扰环境下首路径跟踪出错的问题。而现有方法仅获取时延跟踪信息，较难达到此目的。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于OFDM的DVB-T信号载波相位平滑高精度时延估计方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

现有技术中，提高信号到达时间的估计精度是准确测距及定位导航的先决条件。已有方案通过采样信号进行初符号同步估计，获取信号的初符号定时及载波频偏估计，并对原采样信号进行时频域补偿。根据初符号定时同步估计结果，进行快速离散傅立叶变换(Fast Fourier Transformation，FFT)，检测并获取信号的导频序列，通过分辨多路径信号获取首径到达信号，并通过设计时延环路，从而获得对首径到达符号的时延估计。

下面结合实施例对本发明的应用原理作详细描述。

本发明实施例提供的多载波数字广播信号载波平滑高精度时延估计方法，所述多载波数字广播信号载波平滑高精度时延估计方法，利用OFDM信号导频码进行时延估计的基础上，通过提取首径到达的OFDM信号的相位信息；并利用所述相位信息设计载波相位平滑来进一步滤除测量噪声，进行首径到达信号的时延估计。

作为本发明实施例提供的优选方案，所述提取首径到达的OFDM信号的相位信息，具体包括：

设i时刻接收机接收到的频率域离散导频信号为d_i(p_k),已知当前时刻导频发射信号为c_i(p_k),其中p_k为k子载波导频信号序列；同时由时延环路跟踪得到当前符号首径到达的时延估计为τ_i,0，则当前获得的首径到达符号的信道复增益为h_i,0为

h_i,0＝C_i,p ^T·Λ^T·D_i,p/(C_i,p ^T·C_i,p) (1)，

其中，C_i,p＝[c_i(p₁)，c_i(p₂)，...c_i(p_N)]^T为p_N×1向量，

D_i,p＝[di(p₁)，di(p₂)，...di(p_N)]^T为p_N×1向量，

Λ＝diag([e^j2πp1τi,0,e^j2πp2τi,0,...,e^j2πpNτi,0])为p_N×p_N对角阵，p_N为单个OFDM符号内离散导频个数，则首径到达符号的相位为

作为本发明实施例提供的优选方案，所述利用所述相位信息设计载波相位平滑来进一步滤除测量噪声，进行首径到达信号的时延估计中，通过公式(3)进行滤除测量噪声，

其中，平滑系数w由系统设计的滤波器带宽以及前后间隔符号的时间间隔决定，系数λ则取决于信号的载波频率以及信号的采样频率。

作为本发明实施例提供的优选方案，提取首径到达的OFDM信号的相位信息前需进行：通过获取多径，提取首径到达的OFDM符号；具体包括：

通过获取单位时间内多个到达符号获取的多径信息进行统计，按照最早到达路径最多频次检测原则，提取首径到达的OFDM信息。

作为本发明实施例提供的优选方案，通过获取多径，提取首径到达的OFDM符号前需进行：

接收信号的时域初同步参数估计：利用DVB-T信号中时域符号的循环前缀特性，取N_CP个采样值与N_FFT之后的N_CP个采样值进行相关操作，获取相关峰值，得到符号开始采样值，为初定时同步值，以及分数载波频率的初估计；根据分数载波频率的初估计结果，对采样信号进行频率补偿；

根据初符号定时同步估计结果，获取符号开始采样值，进行快速离散傅立叶变换，得到对应的频率信号；

检测并获取频域信号的离散导频序列：通过接收信号的离散导频信号分别与接收机本地产生的多种不同的可能离散导频序列进行相关，检测得到当前符号的离散导频序列；

检测接收信号中OFDM符号的整数倍载波频偏估计并补偿。

作为本发明实施例提供的优选方案，进行滤除测量噪声后，需进行：

输出高精度首径到达符号的时延估计结果，并将此结果输入时延跟踪环路，并反复处理提取首径到达的OFDM信号的相位信息。

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。

实施例：

本发明实施例中，以DVB-T信号8K传输模式为列。其他传输模式除了信号参数不同外，该方法均能适用。

如图1所示，本发明实施例提供的基于OFDM的DVB-T信号载波相位平滑高精度时延估计方法，包括：

1)接收信号的时域初同步参数估计：

利用DVB-T信号中时域符号的循环前缀特性，取N_CP个采样值与N_FFT之后的N_CP个采样值进行相关操作，获取相关峰值，得到符号开始采样值，即为初定时同步值，以及分数载波频率的初估计。根据分数载波频率的初估计结果，对采样信号进行频率补偿。

2)根据初符号定时同步估计结果，获取符号开始采样值，进行快速离散傅立叶变换(FFT)，得到对应的频率信号。

3)检测并获取频域信号的离散导频序列：

DVB-T信号中，4种离散导频序列循环传输。可通过接收信号的离散导频信号分别与接收机本地产生的4中不同的可能离散导频序列进行相关，检测得到当前符号的离散导频序列。

4)检测DVB-T接收信号中OFDM符号的整数倍载波频偏估计并补偿。

5)通过获取多径，提取首径到达的OFDM符号。

6)利用时延跟踪环路，获得多载波OFDM首径到达符号的时延估计值。

7)提取首径到达信号的相位信息。

8)采用载波相位信息，对时延跟踪结果进行滤波，减少时延估计的观测噪声。

9)输出高精度首径到达符号的时延估计结果，并将此结果输入时延跟踪环路，并反复处理步骤(6)至(9)。

本发明提高了信号到达的估计精度。已有以OFDM离散导频导频序列进行相关获得的时延估计的方案，本质上类似于GNSS的码延时估计，以实际最佳能达到的1/10或者1/15个码片估计精度计算，估计精度达到1到4米。而本发明则是在现有利用导频码进行时延估计的基础上，进一步通过提取首径到达的OFDM信号的相位信息，并利用该信息设计载波相位平滑来进一步滤除测量噪声，从而进一步提高信号到达时延估计精度。采用本方法，实际最佳估计能达到亚米级水平，可以进一步提高测距及定位准确度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多载波数字广播信号载波平滑高精度时延估计方法，其特征在于，所述多载波数字广播信号载波平滑高精度时延估计方法，利用OFDM信号导频码进行时延估计的基础上，通过提取首径到达的OFDM信号的相位信息；并利用所述相位信息设计载波相位平滑来进一步滤除测量噪声，进行首径到达信号的时延估计；

所述提取首径到达的OFDM信号的相位信息，具体包括：

设i时刻接收机接收到的频率域离散导频信号为di(p_k),已知当前时刻导频发射信号为ci(p_k),其中p_k为k子载波导频信号序列；同时由时延环路跟踪得到当前符号首径到达的时延估计为τi,0，则当前获得的首径到达符号的信道复增益为hi,0为

hi,0＝C_i,p ^T·Λ^T·D_i,p/(C_i,p ^T·C_i,p) (1)，

其中，C_i,p＝[ci(p₁)，ci(p₂)，...ci(p_N)]^T为p_N×1向量，

D_i,p＝[di(p₁)，di(p₂)，...di(p_N)]^T为p_N×1向量，

Λ＝diag([e^j2πp1τi,0,e^j2πp2τi,0,...,e^j2πpNτi,0])为p_N×p_N对角阵，p_N为单个OFDM符号内离散导频个数，则首径到达符号的相位为

2.如权利要求1所述的多载波数字广播信号载波平滑高精度时延估计方法，其特征在于，所述利用所述相位信息设计载波相位平滑来进一步滤除测量噪声，进行首径到达信号的时延估计中，通过公式(3)进行滤除测量噪声，

其中，平滑系数w由系统设计的滤波器带宽以及前后间隔符号的时间间隔决定，系数λ则取决于信号的载波频率以及信号的采样频率。

3.如权利要求1所述的多载波数字广播信号载波平滑高精度时延估计方法，其特征在于，提取首径到达的OFDM信号的相位信息前需进行：通过获取多径，提取首径到达的OFDM符号；具体包括：

通过获取单位时间内多个到达符号获取的多径信息进行统计，按照最早到达路径最多频次检测原则，提取首径到达的OFDM信息。

4.如权利要求3所述的多载波数字广播信号载波平滑高精度时延估计方法，其特征在于，通过获取多径，提取首径到达的OFDM符号前需进行：

接收信号的时域初同步参数估计：利用DVB-T信号中时域符号的循环前缀特性，取N_CP个采样值与N_FFT之后的N_CP个采样值进行相关操作，获取相关峰值，得到符号开始采样值，为初定时同步值，以及分数载波频率的初估计；根据分数载波频率的初估计结果，对采样信号进行频率补偿；

根据初符号定时同步估计结果，获取符号开始采样值，进行快速傅立叶变换，得到对应的频率信号；

检测并获取频域信号的离散导频序列：通过接收信号的离散导频信号分别与接收机本地产生的多种不同的离散导频序列进行相关，检测得到当前符号的离散导频序列；

检测接收信号中OFDM符号的整数倍载波频偏估计并补偿。

5.如权利要求2所述的多载波数字广播信号载波平滑高精度时延估计方法，其特征在于，进行滤除测量噪声后，需进行：

输出高精度首径到达符号的时延估计结果，并将此结果输入时延跟踪环路，并反复处理提取首径到达的OFDM信号的相位信息。