CMMB定位接收机频率捕获方法1

张欢，郭伟，黄长江，李玉静

（1.中国科学院 国家授时中心，西安 710600；2.中国科学院 精密导航定位与定时技术重点实验室，西安 710600；3.中国科学院大学，北京100049；4.西安科技大学 通信与信息工程学院，西安 710054）

CMMB定位接收机频率捕获方法1

张欢1，2，3，郭伟1，2，黄长江1，2，李玉静2，4

（1.中国科学院 国家授时中心，西安 710600；2.中国科学院 精密导航定位与定时技术重点实验室，西安 710600；3.中国科学院大学，北京100049；4.西安科技大学 通信与信息工程学院，西安 710054）

CMMB（中国移动多媒体广播）电视广播信号采用的是正交频分复用（OFDM）调制技术，利用其进行导航定位需要首先解决频率捕获的问题。在CMMB信号帧头中存在两个完全相同的同步序列，利用其在时域上的相关性进行频偏估计，并在加性高斯白噪声和多径信道下进行了仿真。仿真结果表明，该方法达到了捕获测距信号所需精度，可以作为CMMB定位接收机频率捕获方法。

CMMB定位；正交频分复用；频偏估计；TU-6信道

0 引言

CMMB（China Mobile Multimedia Broadcasting）是中国广播电视总局在2006年10月颁布的中国移动多媒体广播行业标准，由S波段（2～4 GHz）卫星覆盖网络和U波段（470～798 MHz）地面网络组成。目前已有500多个发射点，覆盖了全国300多个城市，已经成为了全球最大的移动多媒体广播覆盖网[1]。CMMB地面覆盖网为单频网结构，接收机通过同时收到3个及3个以上基站的广播信号可以实现TDOA（到达时间差）定位，利用CMMB地面系统进行城市内的精确定位，可成为我国卫星导航定位系统的有力补充[2]。

CMMB信号采用OFDM调制方式，而OFDM对频率偏移非常敏感[3]。由于收发两端振荡器的不完全匹配、无线信道中的非线性及多普勒等产生的载波频率偏移，会破坏OFDM子载波间的正交性，引起载波间干扰（ICI），对测距信号的捕获带来不良影响。因此，在捕获测距信号之前，需要先进行频偏估计与校正。

CMMB定位系统在信号体制设计上与原有标准相比做了一定的改动，研究CMMB定位接收机的频率捕获方法具有重要的意义和应用价值。

1 频偏对定位系统的影响

1.1 CMMB定位信号帧结构

CMMB系统的帧结构是按时隙划分的，1 s为一帧，一帧分为40个时隙，每个时隙为25 ms，如图1所示。其中每个时隙包含1个信标和53个OFDM数据符号。每个时隙最前端的信标又由发射机标识序列Txid和两个完全相同的长同步序列（Syn1和Syn2）组成。Txid用来标识不同发射机，同步信号用来实现系统的快速同步[4]。

图1　基于时隙的CMMB帧结构

经测试，信标中的Txid不具有良好的相关性，无法用来测距。为此，将原来的Txid部分改为OFDM调制后的ZC序列，记为Range信号，如图2所示。ZC序列经OFDM调制后仍然具有良好的相关性，可以用来测距[5]。其承载的是BPSK调制的定位电文，电文包含基站位置、高度等信息。

图2　更改后的时隙结构图

1.2频偏对捕获测距信号的影响

CMMB定位接收机通过对Range信号的捕获和跟踪计算出不同基站信号的到达时间差，从而进行TDOA定位。而Range信号为OFDM调制后的ZC序列，OFDM系统对频率偏移非常敏感。仿真得出的频偏对测距信号捕获的影响如图3所示。

图3　频偏对测距信号捕获的影响

由图3可以看出，在频偏为18 KHz时，测距信号捕获采样点为5 069，与正确的起始点5 067相差2个采样点，该仿真采样率采用10 MHz，一个采样点对应0.1μs，对应的距离就是0.1×10-6s×3.0×108m/s＝30 m，两个采样点误差就会导致60 m的误差，这对定位精度的影响是巨大的，因此在捕获测距信号之前，需要先对频偏进行估计。

2 频率捕获方法

2.1 小数倍频偏估计

由于FFT计算会增加系统捕获的时间，使硬件复杂度增大，且容易带来相位偏移，因此CMMB定位接收机不进行FFT解调，对频率的捕获都在时域内进行。一般将频率偏移用子载波间隔归一化后进行估计，归一化后为小数的叫做小数倍频偏，为整数的叫做整数倍频偏。

由图1可知，信号帧头中有两个完全相同的长为204.8μs的同步序列，根据T.Schmidl&D.Cox算法[6]，利用同步序列的前后相关性可捕获到该序列，并能估计出小数倍频偏。具体算法如下：

采样率为10 MHz时，每个同步序列长度为2 048个采样点。则以4 096点为窗长，将窗内的前2 048点与后2 048点作相关运算得：

式（1）中，r(k)为接收序列，d表示在4 096个采样点的相关窗内第一个采样点，m表示相关窗内数据的滑动。理想情况下，使得（P）d取得最大值的点即为同步序列的起始点。但因为互相关受高斯白噪声以及多径效应影响，其能量变化动态范围比较大，故需要对其进行归一化处理[7]。能量归一化后的度量标准为

前后两段同步序列作相关运算，会产生相位为φ=2πεF的相位差[6]，其中εF为用子载波间隔归一化后的小数。设式（2）取得最大值的点为d0，则φ=angle（ P（ d0）），小数倍频偏估计值为

2.2 整数倍频偏估计

整数倍频偏估计一般在小数倍频偏估计之后进行，利用PN序列良好的自相关性，将本地生成的同步序列作整数倍频偏调整，并与接收信号作滑动相关，若调整的整数倍频偏是正确的，则会出现两个间隔为2 048个点的相关峰。计算步骤如下：

3 仿真分析

为验证算法的可行性，将文中的频偏估计算法在AWGN（加性高斯白噪声）信道和多径信道下进行仿真，CMMB标准城市传输信道模型为COST207典型城市（Typical Urban）信道[8]，因其有6条径，故简称为TU-6信道，它的主要参数如表1所示。信号源采用8 MHz带宽的CMMB定位基带数字信号，设置子载波间隔归一化后的频偏ε＝6.458，最大多普勒频移为100 Hz，信噪比SNR＝0 dB。

表1　TU-6信道模型主要参数

图4（a）为按照式（2）对同步序列定时估计结果，在5 411点处相关峰值最大，该点即为估计出的同步序列起始位置；图4（b）为对应的小数倍频偏估计值，在同步序列起始点5 411点处对应的值为0.46（由子载波间隔归一化），与设置的0.458相差0.002，远远小于子载波间隔的1%。

图4　SNR＝0，TU-6信道下的相关峰及小数倍频偏

小数倍频偏估计的准确度一般用均方误差（MSE）来衡量[9]：

式（6）中，fF为实际小数倍频偏，为其估计值，N为实验次数。

图5给出了小数倍频偏的MSE在AWGN及TU-6信道下随信噪比（SNR）变化的性能曲线，仿真次数N＝200。可以看出，在AWGN信道下MSE的变化速度较快，随信噪比的增大而减小；而在TU-6信道下，MSE在信噪比为15 dB时达到极限，不再随信噪比的增大而减小。但总体都小于10-4，即小数倍频偏误差不超过子载波间隔的1%，达到捕获测距信号所需精度。

图6为对本地信号的扫频图，在整数倍频偏扫到6时有明显的峰值，表明整数频偏为6，与设定值相符。

图5　小数倍频偏估计性能图

图7为经整数倍频偏调整后的本地同步序列与接收信号的相关结果，有两个间隔为2 048的相关峰，证明估计的整数倍频偏是正确的。

图6　整数倍频偏估计结果

图7　本地整数倍频偏调整后的相关峰

4 结语

捕获CMMB测距信号需要先捕获频率，本文利用帧头中两个同步序列的前后相关性，进行了小数倍频偏估计，再对本地生成的信号进行扫频，并与接收信号进行滑动相关运算，得到整数倍频偏。通过在AWGN及多径信道下仿真可得，即使在信噪比很低的情况下，频偏估计均方误差仍不超过10-4，即误差不超过子载波间隔的1%，达到捕获测距信号所需精度，这种算法可以作为CMMB定位接收机的频率捕获方法。

[1]孙朝晖.CMMB发展现状与前景[J].广播电视信息, 2010, 5: 15-17.

[2]黄长江.基于CMMB标准的地面多媒体广播定位技术研究[D].西安: 中国科学院国家授时中心, 2014.

[3]艾渤, 王劲涛, 钟章队.宽带无线通信OFDM系统同步技术[M].北京: 人民邮电出版社, 2011.

[4]GY/T220.1-2006.CMMB广播信道帧结构、信道编码和调制[S].2006

[5]HUANG Chang-jiang, HUA Yu.Multiple access acquisition technique based on CAZAC sequences in OFDM system[J].Applied Mechanics and Materials, 2014, 513-517: 881-884.

[6]SCHEMIDL T M, COX D C.Robust frequency and timing synchronization for OFDM [J].IEEE Trans on Communications.1997, 45(12): 1613-1621.

[7]李刚.一种CMMB接收机OFDM频偏估计方法[J].中国集成电路, 2010, 139: 34-38.

[8]吴彬.基于CMMB接收系统的时域处理研究与实现[D].成都: 电子科技大学, 2011.

[9]才貌全.基于训练序列的OFDM同步技术研究及其在CMMB系统同步技术中的应用[D].北京: 北京邮电大学, 2010.

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

中国科学院科研装备研制基金资助项目（YZ201218）

张欢，女，硕士，主要从事数字电视定位技术研究。