張歡，郭偉，黃長江，李玉靜

（1.中國科學(xué)院 國家授時中心，西安 710600；2.中國科學(xué)院 精密導(dǎo)航定位與定時技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室，西安 710600；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049；4.西安科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，西安 710054）

CMMB定位接收機(jī)頻率捕獲方法1

張歡1，2，3，郭偉1，2，黃長江1，2，李玉靜2，4

（1.中國科學(xué)院 國家授時中心，西安 710600；2.中國科學(xué)院 精密導(dǎo)航定位與定時技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室，西安 710600；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049；4.西安科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，西安 710054）

CMMB（中國移動多媒體廣播）電視廣播信號采用的是正交頻分復(fù)用（OFDM）調(diào)制技術(shù)，利用其進(jìn)行導(dǎo)航定位需要首先解決頻率捕獲的問題。在CMMB信號幀頭中存在兩個完全相同的同步序列，利用其在時域上的相關(guān)性進(jìn)行頻偏估計，并在加性高斯白噪聲和多徑信道下進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，該方法達(dá)到了捕獲測距信號所需精度，可以作為CMMB定位接收機(jī)頻率捕獲方法。

CMMB定位；正交頻分復(fù)用；頻偏估計；TU-6信道

0 引言

CMMB（China Mobile Multimedia Broadcasting）是中國廣播電視總局在2006年10月頒布的中國移動多媒體廣播行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，由S波段（2～4 GHz）衛(wèi)星覆蓋網(wǎng)絡(luò)和U波段（470～798 MHz）地面網(wǎng)絡(luò)組成。目前已有500多個發(fā)射點(diǎn)，覆蓋了全國300多個城市，已經(jīng)成為了全球最大的移動多媒體廣播覆蓋網(wǎng)[1]。CMMB地面覆蓋網(wǎng)為單頻網(wǎng)結(jié)構(gòu)，接收機(jī)通過同時收到3個及3個以上基站的廣播信號可以實(shí)現(xiàn)TDOA（到達(dá)時間差）定位，利用CMMB地面系統(tǒng)進(jìn)行城市內(nèi)的精確定位，可成為我國衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的有力補(bǔ)充[2]。

CMMB信號采用OFDM調(diào)制方式，而OFDM對頻率偏移非常敏感[3]。由于收發(fā)兩端振蕩器的不完全匹配、無線信道中的非線性及多普勒等產(chǎn)生的載波頻率偏移，會破壞OFDM子載波間的正交性，引起載波間干擾（ICI），對測距信號的捕獲帶來不良影響。因此，在捕獲測距信號之前，需要先進(jìn)行頻偏估計與校正。

CMMB定位系統(tǒng)在信號體制設(shè)計上與原有標(biāo)準(zhǔn)相比做了一定的改動，研究CMMB定位接收機(jī)的頻率捕獲方法具有重要的意義和應(yīng)用價值。

1 頻偏對定位系統(tǒng)的影響

1.1 CMMB定位信號幀結(jié)構(gòu)

CMMB系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)是按時隙劃分的，1 s為一幀，一幀分為40個時隙，每個時隙為25 ms，如圖1所示。其中每個時隙包含1個信標(biāo)和53個OFDM數(shù)據(jù)符號。每個時隙最前端的信標(biāo)又由發(fā)射機(jī)標(biāo)識序列Txid和兩個完全相同的長同步序列（Syn1和Syn2）組成。Txid用來標(biāo)識不同發(fā)射機(jī)，同步信號用來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速同步[4]。

圖1　基于時隙的CMMB幀結(jié)構(gòu)

經(jīng)測試，信標(biāo)中的Txid不具有良好的相關(guān)性，無法用來測距。為此，將原來的Txid部分改為OFDM調(diào)制后的ZC序列，記為Range信號，如圖2所示。ZC序列經(jīng)OFDM調(diào)制后仍然具有良好的相關(guān)性，可以用來測距[5]。其承載的是BPSK調(diào)制的定位電文，電文包含基站位置、高度等信息。

圖2　更改后的時隙結(jié)構(gòu)圖

1.2頻偏對捕獲測距信號的影響

CMMB定位接收機(jī)通過對Range信號的捕獲和跟蹤計算出不同基站信號的到達(dá)時間差，從而進(jìn)行TDOA定位。而Range信號為OFDM調(diào)制后的ZC序列，OFDM系統(tǒng)對頻率偏移非常敏感。仿真得出的頻偏對測距信號捕獲的影響如圖3所示。

圖3　頻偏對測距信號捕獲的影響

由圖3可以看出，在頻偏為18 KHz時，測距信號捕獲采樣點(diǎn)為5 069，與正確的起始點(diǎn)5 067相差2個采樣點(diǎn)，該仿真采樣率采用10 MHz，一個采樣點(diǎn)對應(yīng)0.1μs，對應(yīng)的距離就是0.1×10-6s×3.0×108m/s＝30 m，兩個采樣點(diǎn)誤差就會導(dǎo)致60 m的誤差，這對定位精度的影響是巨大的，因此在捕獲測距信號之前，需要先對頻偏進(jìn)行估計。

2 頻率捕獲方法

2.1 小數(shù)倍頻偏估計

由于FFT計算會增加系統(tǒng)捕獲的時間，使硬件復(fù)雜度增大，且容易帶來相位偏移，因此CMMB定位接收機(jī)不進(jìn)行FFT解調(diào)，對頻率的捕獲都在時域內(nèi)進(jìn)行。一般將頻率偏移用子載波間隔歸一化后進(jìn)行估計，歸一化后為小數(shù)的叫做小數(shù)倍頻偏，為整數(shù)的叫做整數(shù)倍頻偏。

由圖1可知，信號幀頭中有兩個完全相同的長為204.8μs的同步序列，根據(jù)T.Schmidl&D.Cox算法[6]，利用同步序列的前后相關(guān)性可捕獲到該序列，并能估計出小數(shù)倍頻偏。具體算法如下：

采樣率為10 MHz時，每個同步序列長度為2 048個采樣點(diǎn)。則以4 096點(diǎn)為窗長，將窗內(nèi)的前2 048點(diǎn)與后2 048點(diǎn)作相關(guān)運(yùn)算得：

式（1）中，r(k)為接收序列，d表示在4 096個采樣點(diǎn)的相關(guān)窗內(nèi)第一個采樣點(diǎn)，m表示相關(guān)窗內(nèi)數(shù)據(jù)的滑動。理想情況下，使得（P）d取得最大值的點(diǎn)即為同步序列的起始點(diǎn)。但因為互相關(guān)受高斯白噪聲以及多徑效應(yīng)影響，其能量變化動態(tài)范圍比較大，故需要對其進(jìn)行歸一化處理[7]。能量歸一化后的度量標(biāo)準(zhǔn)為

前后兩段同步序列作相關(guān)運(yùn)算，會產(chǎn)生相位為φ=2πεF的相位差[6]，其中εF為用子載波間隔歸一化后的小數(shù)。設(shè)式（2）取得最大值的點(diǎn)為d0，則φ=angle（ P（ d0）），小數(shù)倍頻偏估計值為

2.2 整數(shù)倍頻偏估計

整數(shù)倍頻偏估計一般在小數(shù)倍頻偏估計之后進(jìn)行，利用PN序列良好的自相關(guān)性，將本地生成的同步序列作整數(shù)倍頻偏調(diào)整，并與接收信號作滑動相關(guān)，若調(diào)整的整數(shù)倍頻偏是正確的，則會出現(xiàn)兩個間隔為2 048個點(diǎn)的相關(guān)峰。計算步驟如下：

3 仿真分析

為驗證算法的可行性，將文中的頻偏估計算法在AWGN（加性高斯白噪聲）信道和多徑信道下進(jìn)行仿真，CMMB標(biāo)準(zhǔn)城市傳輸信道模型為COST207典型城市（Typical Urban）信道[8]，因其有6條徑，故簡稱為TU-6信道，它的主要參數(shù)如表1所示。信號源采用8 MHz帶寬的CMMB定位基帶數(shù)字信號，設(shè)置子載波間隔歸一化后的頻偏ε＝6.458，最大多普勒頻移為100 Hz，信噪比SNR＝0 dB。

表1　TU-6信道模型主要參數(shù)

圖4（a）為按照式（2）對同步序列定時估計結(jié)果，在5 411點(diǎn)處相關(guān)峰值最大，該點(diǎn)即為估計出的同步序列起始位置；圖4（b）為對應(yīng)的小數(shù)倍頻偏估計值，在同步序列起始點(diǎn)5 411點(diǎn)處對應(yīng)的值為0.46（由子載波間隔歸一化），與設(shè)置的0.458相差0.002，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于子載波間隔的1%。

圖4　SNR＝0，TU-6信道下的相關(guān)峰及小數(shù)倍頻偏

小數(shù)倍頻偏估計的準(zhǔn)確度一般用均方誤差（MSE）來衡量[9]：

式（6）中，fF為實(shí)際小數(shù)倍頻偏，為其估計值，N為實(shí)驗次數(shù)。

圖5給出了小數(shù)倍頻偏的MSE在AWGN及TU-6信道下隨信噪比（SNR）變化的性能曲線，仿真次數(shù)N＝200。可以看出，在AWGN信道下MSE的變化速度較快，隨信噪比的增大而減?。欢赥U-6信道下，MSE在信噪比為15 dB時達(dá)到極限，不再隨信噪比的增大而減小。但總體都小于10-4，即小數(shù)倍頻偏誤差不超過子載波間隔的1%，達(dá)到捕獲測距信號所需精度。

圖6為對本地信號的掃頻圖，在整數(shù)倍頻偏掃到6時有明顯的峰值，表明整數(shù)頻偏為6，與設(shè)定值相符。

圖5　小數(shù)倍頻偏估計性能圖

圖7為經(jīng)整數(shù)倍頻偏調(diào)整后的本地同步序列與接收信號的相關(guān)結(jié)果，有兩個間隔為2 048的相關(guān)峰，證明估計的整數(shù)倍頻偏是正確的。

圖6　整數(shù)倍頻偏估計結(jié)果

圖7　本地整數(shù)倍頻偏調(diào)整后的相關(guān)峰

4 結(jié)語

捕獲CMMB測距信號需要先捕獲頻率，本文利用幀頭中兩個同步序列的前后相關(guān)性，進(jìn)行了小數(shù)倍頻偏估計，再對本地生成的信號進(jìn)行掃頻，并與接收信號進(jìn)行滑動相關(guān)運(yùn)算，得到整數(shù)倍頻偏。通過在AWGN及多徑信道下仿真可得，即使在信噪比很低的情況下，頻偏估計均方誤差仍不超過10-4，即誤差不超過子載波間隔的1%，達(dá)到捕獲測距信號所需精度，這種算法可以作為CMMB定位接收機(jī)的頻率捕獲方法。

[1]孫朝暉.CMMB發(fā)展現(xiàn)狀與前景[J].廣播電視信息, 2010, 5: 15-17.

[2]黃長江.基于CMMB標(biāo)準(zhǔn)的地面多媒體廣播定位技術(shù)研究[D].西安: 中國科學(xué)院國家授時中心, 2014.

[3]艾渤, 王勁濤, 鐘章隊.寬帶無線通信OFDM系統(tǒng)同步技術(shù)[M].北京: 人民郵電出版社, 2011.

[4]GY/T220.1-2006.CMMB廣播信道幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制[S].2006

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[8]吳彬.基于CMMB接收系統(tǒng)的時域處理研究與實(shí)現(xiàn)[D].成都: 電子科技大學(xué), 2011.

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Frequency acquisition method for CMMB positioning receiver

ZHANG Huan1，2，3，GUO Wei1，2，HUANG Chang-jiang1，2，LI Yu-jing2，4
（1.National Time Service Center，Chinese Academy of Sciences，Xi′an 710600，China；2.Key Laboratory of Precision Navigation and Timing Technology，National Time Service Center，Chinese Academy of Sciences，Xi′an 710600，China；3.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China；4.Xi′an University of Science and Technology，Department of Communication and Information，Xi′an 710054，China）

It is necessary to deal with the issue of the acquisition of the carrier frequency in the navigation/positioning via the signal of the CMMB（China Mobile Multimedia Broadcasting），in which the orthogonal frequency division multiplexing（OFDM） modulation technique is adopted.Since there are two identical sequences on the beginning of each frame，the correlation of them was used to estimate the frequency offset.The algorithms were simulated for the AWGN and multipath channel，and the results show that this method can achieve the required accuracy for capturing the ranging signal，and can be applied to the positioning receiver.

positioning based on CMMB； OFDM； frequency-offset estimation； TU-6 channel

TN965

A

1674-0637（2015）02-0101-07

10.13875/j.issn.1674-0637.2015-02-0101-07

2014-09-15

中國科學(xué)院科研裝備研制基金資助項目（YZ201218）

張歡，女，碩士，主要從事數(shù)字電視定位技術(shù)研究。