【基于超宽带信号和地面数字电视信号的无线联合定位系统】 009地面数字电视节目信号中断

　　摘要:针对基于地面数字电视信号定位系统定位范围广而室内定位精度不高的问题,将具有高抗多径效应和高定位精度的UWB技术应用到数字电视接收机中,提出基于超宽带信号和地面数字电视信号的联合定位系统方案,在利用地面数字电视信号进行户外定位的同时,通过数字电视接收机的中转作用,在室内实现用超宽带信号进行定位,使户外室内高精度的定位成为了可能。
　　关键词:UWB数字电视接收机接收天线TDOADTV-T
　　
　　1 引言
　　提到无线定位技术,最熟悉的莫过于美国的全球定位系统(Global Position System,GPS),应用范围最广,但由于多径效应、卫星轨道误差、电离层延迟效应等现象的存在,GPS在市区实现定位的概率为60%,室内定位概率则为0。面对这种情况,随着家用电视从模拟走向数字化以及地面数字电视的快速普及,由于地面数字电视(terrestrial digital TV,DTV-T)信号(下文简称“DTV-T信号”)具有较强的抗多径能力,传输速率较高,同时具备较好的发射站分布,且发射站位置不变,不像GPS系统中基于卫星定位要频繁更新,所以人们开始利用DTV-T信号进行定位,相比GPS定位系统,不仅提高了户外的定位精度,而且在DTV-T信号比较强的范围内可实现室内定位,定位精度在米级以上。但是在DTV-T信号弱覆盖的地区,由于DTV-T信号经过长距离的传输,信号干扰大,衰减严重,再加上信号穿过建筑墙到达室内强度会大大减弱,所以室内接收机很可能因为接收不到DTV-T信号而无法实现定位。超宽带(Ultra Wide Band,UWB)技术的提出,凭着自身功耗低、系统复杂度低、抗多径效果好、定位精度高等优点,相比于其他无线短距离通信技术,是实现精确室内定位的首选,成为了人们研究的热点。
　　
　　2 超宽带(UWB)技术
　　超宽带技术不同于传统的正弦载波调制通信技术,它靠直接发送纳秒级的基带脉冲来实现信息的交互,无需进行载波调制,属于时域通信。通过在很宽的频带内(3.1GHz~10.6GHz)发送极窄基带信号,抗多径能力强,功耗低,而且可以在10m范围内实现500Mbps的高数据传输。UWB技术具有以下优点:
　　(1) 系统结构的实现比较简单:UWB通过发送纳秒级脉冲来传输数据信号,其发射器直接用脉冲小型激励天线,不需要功放与混频器;同时在接收端,也不需要中频处理。
　　(2) 高速的数据传输:UWB以非常宽的频率带宽来换取高速的数据传输,在10m的传输范围内,信号传输速率可达500Mbit/s。在10m到100m,甚至是几公里,均可实现中低速传输,速率为1Mbps~30Mbps。
　　(3) 功耗低:UWB系统使用间歇的脉冲来发送数据,脉冲持续时间很短,系统耗电很低。
　　(4) 保密性强:UWB信号一般把信号能量弥散在极宽的频带范围内,功率谱密度低于自然的电子噪声,采用编码对脉冲参数进行伪随机化后,脉冲的检测将更加困难。
　　(5) 抗多径能力强:UWB发射的是持续时间极短的单周期脉冲,且占空比极低,多径信号在时间上是可分离的,因此具有很强的抗多径能力。
　　(6) 定位精确:冲激脉冲具有很高的定位精度和穿透能力,采用超宽带无线电通信,很容易将定位与通信合一,在室内和地下进行精确定位。
　　随着人们对定位服务要求的提高,无线定位技术必须克服现有技术的缺点,实现高抗干扰力、高精度定位、低生产成本、低运营成本、高信息安全、低功耗和低发射功率以及具有小收发器的定位系统。针对现存的定位技术,都不可能同时满足这些要求,而对于UWB技术,根据上面所述的技术优势,基本上能够满足上述要求,是未来实现高精度无线定位的首选。
　　
　　3 基于地面数字电视(DTV-T)信号的定位系统
　　中国数字电视地面广播标准--GB20600-2006《数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制》(以下简称“国标”)已在2006年8月出台,并在2007年8月开始实施,大大加速我国地面数字电视的发展步伐。按照国家规定,到2015年,所有的模拟信号发射机将被全部关闭,数字电视信号将取代模拟电视信号,覆盖我国所有地区,基于DTV-T信号的定位技术也会得到全方位的应用和发展。
　　3.1 基于地面数字电视(DTV-T)信号定位系统的原理
　　利用地面数字电视无线广播系统的信号进行定位的系统模型如图1所示,每个DTV发射塔首先通过接收GPS卫星的信号,信号中包括卫星的时间信息和位置信息,实现自身定位,并取得各发射塔时间的同步。由于DTV发射塔的位置保持不变,在以后的工作中将无需再定位;其次,DTV发射塔将自身的位置及时间信息与视频数据流一起发射出去;待定位接收机只要处在DTV发射塔的信号覆盖范围内,就能接收DTV发射塔发出的信号,并从信号中提取出DTV发射塔的位置信息和时间信息,利用定位算法计算出自身的空间位置。为了减小误差,采取伪距测量,如(1)式所示。
　　(1)
　　其中, 为在 时刻测得的第 台DTV发射塔和待定位接收机之间的伪距; 、 、 以及 、 、 分别是待定位接收机及第 台DTV发射塔在空间直角坐标系中的坐标; 为 时刻接收机时钟对发射机时钟的钟差,下文简称钟差。
　　
　　图1 地面数字电视(DTV-T)信号定位系统模型
　　
　　综上所述,在同一时刻 ,待定位接收机若能同时收到四个DTV发射塔发出的信号,根据 ,其中 为第 台DTV发射塔的信号到达待定位接收机时的传输时间,可直接测得,从而可以得到 , =1,2,3,4。分别将四台DTV发射塔的位置坐标和相应的 代入(1)式,可解得接收机的三个空间位置坐标和钟差,即实现了接收机的空间定位。
　　3.2 基于地面数字电视(DTV-T)信号定位的精度分析
　　我国数字地面电视标准主要采用了清华大学的DMB-T技术方案,核心技术为TDS-OFDM,其物理信道帧结构如图2所示[1],采用了分级帧结构,便于实现快速同步。
　　
　　图2 DMB-T系统传输帧结构
　　
　　帧结构的基本单元称为信号帧,225个信号帧定义为一个帧群,480个帧群定义为一个超帧。帧结构的顶层称为日帧,由1440个超帧组成,24小时一周期,与自然时间严格保持同步。信号帧由同步帧头和帧体组成,帧头和帧体的基带符号率相同, ,由此可得:
　　码元宽度为
　　码元间的距离为
　　信号接收机的伪随机码序列和电视台发射的伪随机码序列是相同的,但是由于在传输中存在传播时间延迟,使两端的伪随机码序列之间产生了平移,码元无法完全对齐。假设平移间隔为码元宽度的 ~ [2],不考虑室内多径干扰,则相应的测距误差约为0.40~4.01m,而GPS系统的定位精度为5m~20m,可见DTV信号的测距误差小于GPS卫星信号,而且解决了GPS冷启动慢的缺点。但是对于室内接收机,信号多径效应强,测距误差增大,定位精度在米级以上。
　　对于UWB信号,采用的是纳秒级的高斯脉冲,脉冲宽度约为0.2ns~1.5ns,理论上可以将测距误差控制在毫米到厘米级内,而且UWB信号的带宽在1GHz以上,具有较高的时间分辨率和很强的材料穿透能力,能有效抵抗室内信号的多径效应。但由于UWB信号有效的通信距离小,不适于室外定位,所以将地面数字电视无线广播系统和UWB技术结合起来,利用DTV-T信号和UWB信号实现户外室内全覆盖,高精度的定位,具有非常重大的意义。
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　　4 基于超宽带信号和地面数字电视信号的联合定位系统
　　4.1 联合定位系统的定位算法选取
　　在众多的定位算法中,由于到达时间差定位(TDOA)算法测量得到的是时间差而非绝对时间,不要求参考节点和被测节点要时间同步,只要求参考点间的时间要保持同步,可简化系统的设计复杂度,而且针对UWB信号高带宽和高速率的特点,系统选取TDOA定位算法进行定位计算,可充分发挥UWB的技术优势。
　　根据所要求的未知量――待定位接收机空间位置的三维坐标,需要选取四台数字电视接收机提供对应的四根接收天线作为参考基站。下图是待定位接收机利用TDOA算法实现定位的示意图,数字电视接收机的接收天线的定位实现与之类似。
　　假定四根接收天线的位置坐标为 , , , 。 是第 根接收天线发出的信号到达待定位接收机的时间与第一根接收天线发出的信号到达待定位接收机的时间差, 为光速,均为已知。
　　待定位接收机的坐标为 , 为选定的参考接收天线与待定位接收机之间的距离,均为未知。
　　每根接收天线与待定位接收机之间的钟差 相同,由于TDOA算法测得的是不同接收天线的UWB信号到达待定位接收机的时间差值,所以信号的到达时间相减后, 将不存在。根据距离和时间的关系,可以得到以下计算公式:
　　将每根接收天线的空间位置坐标分别代入,由(2)式和(3)就可以解出X,Y,Z, ,从而实现了对待定位接收机的空间定位。根据不同的精度要求,可以选取四个以上的基站测量数据进行计算,以减少计算误差。
　　4.2 数字电视接收机
　　数字电视接收机一般安装在室内,而配套的接收天线则放置在室外,以便获取高质量的信号。在基于DTV-T信号的定位系统中,户外DTV-T信号穿透建筑墙或者其它的阻碍物到达室内,由于信号反射、屏蔽等会使信号强度减弱,不利于室内接收机接收,室内定位实现难度大。针对这个问题,本系统引入了数字电视接收机(下文简称“电视机”),作为信号中转站,主要作用就是通过放置在室外的接收天线将DTV发射塔发出的信号引入室内,不仅实现视频音频信号的显示,而且能从信号中提取出发射塔的位置信息和时间信息,减少信号衰减,然后启动自身的定位处理模块,实现对接收天线的定位,最后将接收天线的位置信息和时间信息以UWB信号的方式通过线缆传输给接收天线,由接收天线发射此UWB信号给待定位接收机,降低干扰。
　　根据上面的设计要求,本文所述的电视机和现在大家所熟悉的数字电视一体机不一样,它必须能实现定位计算以及产生UWB信号,其接收天线在接收DTV-T信号的同时能发射UWB信号。为了实现上述额外的功能,需要在传统电视机的结构中加入定位处理模块、UWB信号产生模块,其接收天线为多频天线,如下图所示。
　　
　　图4 数字电视接收机系统图
　　4.3 基于UWB信号和DTV-T信号的联合定位系统
　　基于UWB信号和DTV-T信号的联合定位系统架构如下图所示,位置计算可以在待定位接收机实现或者有关的定位处理器(计算机定位中心)完成。系统主要包含待定位接收机、数字电视接收机、接收天线、DTV发射塔和GPS卫星。
　　
　　图5 基于UWB信号和DTV-T信号的联合定位系统架构图
　　其中,DTV发射塔的位置自建立起基本保持不变,所以当其完成首次的自身定位后,只需接收GPS卫星信号中的时间信息,设定整个系统的时间,并使系统的各部分保持时间同步。联合定位系统的运作流程如下所示:
　　(1)当室内待定位接收机需要定位时,就会以广播的形式发送定位请求信号。考虑到后面接收天线发射UWB信号时,UWB信号的传输速率和传输距离之间的互换关系,为了保证待定位接收机能够接收到足够大的UWB信号强度,将定位请求信号的传输范围控制在50m内,速率可达20Mbps~30Mbps,属于UWB技术的中低速传输;
　　(2)在50m的广播范围内的电视机接收到此定位请求信号时,启动自身的定位处理模块,从接收到的来自接收天线的信号中提取各DTV发射塔的位置信息和系统的时间信息。电视机为了实现对接收天线空间位置的定位,要求接收天线必须同时接收四台DTV发射塔的信号,然后通过上面所给出的(2)式和(3)式算出接收天线的空间位置三维坐标;
　　(3)电视机将接收天线的位置信息和系统的时间信息以UWB信号的形式通过与接收天线之间的连接线传给接收天线,由接收天线发射此UWB信号。待定位接收机为了实现空间位置三维坐标的计算,要求在50m的范围内,至少存在四台电视机,才能提供四根发射UWB信号的接收天线;
　　(4)待定位接收机接收到四根接收天线发出的UWB信号后,若本身具有定位处理模块,可根据UWB信号到达时间的不同算出 , =1,2,3,4,然后通过四根接收天线的位置信息和 ,利用(2)式和(3)式算出自己的空间坐标,实现自我定位;若自身没有定位处理模块,待定位接收机将接收到的各接收天线的位置信息和 时间差值以适于远距离传输的信号方式发送到计算机定位中心,由计算机定位中心来进行定位计算并将计算出来的位置坐标信息发回待定位接收机,完成对待定位接收机的定位。
　　该联合定位系统在利用DTV-T信号进行室外定位的同时通过电视机的接收天线将户外DTV-T信号引入室内,再利用UWB信号实现室内定位。在50m的通信范围内,待定位接收机和电视机接收天线二者之间存在密集的阻碍物,采用穿透力极强和时间分辨力强的UWB信号,可以有效的减少信号衰减,克服多径效应,提高定位精度。相对于单一的利用DTV-T信号进行户外室内全方位的定位,还降低了对DTV发射塔的信号发射功率的要求,大大降低了地面数字电视广播定位系统的耗能成本。虽然面对现在数字电视接收机普及率不高以及UWB技术还不够成熟的现状,要满足在通信范围内(50m)至少存在四台电视机、电视机能进行定位计算和产生UWB信号、其接收天线能发射UWB信号和待定位接收机能接收UWB信号等系统要求难度比较大,然而随着组建无线个域网热潮的来临,基于数字电视的家庭智能网构建将会得到快速的发展,数字电视接收机将走入各家各户,利用UWB技术实现家电的高速互联也是趋势所向,所以在不久的将来,该联合定位系统将会得到快速的发展。
　　
　　5 无线定位发展展望
　　从图5可以看出,系统实现对待定位接收机的定位之前,首先得先完成对选定的四台电视机的接收天线的定位,引入了一定的测量误差,降低了系统的定位精度。而且,由于每个国家关于数字电视地面无线广播的标准存在不同,将UWB技术和数字电视地面无线广播结合,利用UWB信号和DTV-T信号进行室内户外高精度的联合定位,各国的实现方案也会有所不同,应用上存在局限性。对于GPS技术,不存在国家之间的标准差别,GPS卫星信号覆盖全球,已经实现了全球性的应用,所以将UWB技术和GPS技术直接结合,实现高精度和范围广的定位,是未来无线定位技术发展的方向。32,
　　
　　参考文献
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　　基金项目:国家自然科学基金(60872123);国家自然科学基金―广东省自然科学基金联合基金(U0835001)资助课题.
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