CN100356783C - 数字地面广播传输中的帧场同步方法 - Google Patents

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CN100356783C CNB031026486A CN03102648A CN100356783C CN 100356783 C CN100356783 C CN 100356783C CN B031026486 A CNB031026486 A CN B031026486A CN 03102648 A CN03102648 A CN 03102648A CN 100356783 C CN100356783 C CN 100356783C
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Abstract

本发明公开了一种数字地面广播传输中的帧场同步系统。该帧场同步系统在帧场结构的数字地面广播传输信号中包含有帧同步信号和场同步信号。帧同步信号位于一帧的开始位置，每帧传输一次，共有4968个符号，包括4个前置符号、64个2电平系统信息符号、4514个3电平符号和386个3电平保留符号；场同步信号位于一场的开始位置，每场传输一次，共有516个符号，包括4个前置符号、1个包含511个2电平符号的9阶最大长度序列PN511以及1个2电平符号+1。本发明的同步系统，帧同步信号包含更多的信息，其中的随机序列比现有任何PN序列优化，能提供快速同步和精确的信道特性；场同步信号仅包含网格编码拖尾符号和PN序列，能提高传输数据率。

Description

数字地面广播传输中的帧场同步方法
技术领域
本发明属于信号传输领域，特别涉及数字地面广播传输中帧同步信号和场同步信号的安排方法。
背景技术
如图1所示，典型的无线传输系统包括发射机和接收机，接收机中如果有调谐器，则不必有下变频。数字调制技术往往将数字信号进行编码，再加入必要的辅助信息，如同步信号、导频信号等。编码后的数字信号经过信道滤波后形成基带信号。该基带信号经过上变频器被调制到相应的频带后发送。在接收端，调谐器将高频信号变换到基带后经模数转换器得到数字信号。该数字信号经过数字解码处理后被恢复成与发送端一致的信息。
新的数字地面广播系统采用偏置正交幅度调制方式(OQAM)。在OQAM调制过程中，输入数据经编码后轮流送入I通道和Q通道，如图2所示。
数字地面广播系统在传输时对输入数据要进行一系列信道编码的处理，包括Reed-Solomon(RS)外编码、数据随机化、数据交织、采用格型编码(TCM)内编码(或无)，加入同步信号、导频信号，信道成形滤波，上变频等。其处理的模块和流程见图3。
在新的数字地面广播系统中，由于广播应用的多样化要求，例如电视信号固定接收、电视信号移动接收和数据信号移动接收等，往往要求系统含有混合传输模式。为了解决各种不同传输模式在同一传输系统中混合传输的问题，美国ATSC系统将传输信号安排成帧、场、段结构，同时通过插入帧、场、段同步信号等参考信号来指示传输模式以及其他的一系列信息，如系统参数、随机化器和交织的复位指示信息等。
帧、场、段同步信号等参考信号在混合传输模式系统中具有重要意义。为了实现快速同步和精确的信道估计，就需要更多参考信号。但是，参考信号越多，越不利于提高系统的传输数据率。在本申请人提出的新的ADTB-T系统中，传输信号被安排成帧、场结构，而不再采用段结构。相应地，参考信号不再包括段同步信号。因此，需要对帧同步信号和场同步信号进行精心设计。
发明内容
本发明的目的是为帧、场结构信号的数字地面广播传输系统设计一同步方法。这种同步方法既能提供快速同步和精确的信道特性，又能提高系统的传输数据率。
新的ADTB-T系统传输三种业务，分别是电视信号固定接收(固定业务)、电视信号移动接收(移动业务)和数据信号移动接收(数据业务)。其中，固定业务可以选择16-OQAM和格型编码64-OQAM两种调制模式；移动业务可以选择4-OQAM和格型编码16-OQAM两种调制模式；数据业务选择卷积编码4-OQAM的调制模式。
固定业务数据、移动业务数据和数据业务数据使用独立的输入缓冲电路、RS编码电路、扰码电路、交织电路和格型编码电路。在复用器的密切配合下，固定业务、移动业务和数据业务的码率将由传输系统根据需要混合，并由控制单元控制传输系统各个单元电路的协调工作。控制单元根据固定业务码流、移动业务码流和数据业务码流的缓冲器状态按一定的顺序和间隔交叉形成帧场的结构。
三种业务各自的调制模式具有类似的帧、场结构，可以根据应用需要以帧为单位混合传输。
格型编码64-OQAM调制模式下，每帧包含1个帧同步信号和16场数据，每场数据包含43056(即52×828)个数据符号和1个场同步信号。每个数据符号为3比特、8电平符号。每帧传输832(即16×52×1)个有效MPEG-II包。
16-OQAM调制模式下，每帧包含1个帧同步信号和16场数据，每场数据包含43056(即52×828)个数据符号和1个场同步信号。每个数据符号为2比特、4电平符号。每帧传输832(即16×52×1)个有效MPEG-II包。
格型编码16-OQAM调制模式下，每帧包含1个帧同步信号和64场数据，每场数据包含21528(即26×828)个数据符号和1个场同步信号。每个数据符号为2比特、4电平符号。每帧传输832(即64×26×1/2)个有效MPEG-II包。
4-OQAM调制模式下，每帧包含1个帧同步信号和64场数据，每场数据包含21528(即26×828)个数据符号和1个场同步信号。每个数据符号为1比特、2电平符号。每帧传输832(即64×26×1/2)个有效MPEG-II包。
卷积编码4-OQAM调制模式下，每帧包含1个帧同步信号和256场数据，每场数据包含10764(即13×828)个数据符号和1个场同步信号。每个数据符号为1比特、2电平符号。每帧传输832(即256×13×1/4)个有效MPEG-II包。
帧同步信号用以指示地面广播的三种业务各自的传输模式下帧的开始，指示格型编码、交织、扰码的复位信息。帧同步信号可以用于系统同步和信道估计。
本发明设计的帧同步信号是这样的：帧同步信号位于一帧的开始位置，每帧传输一次，共有4968个符号，包括4个前置符号、64个2电平系统信息符号、4514个3电平符号和386个3电平保留符号。
在格型编码64-OQAM调制模式、格型编码16-OQAM调制模式和卷积编码4-OQAM调制模式下，4个前置符号分别为8电平、4电平和2电平的格型编码拖尾符号；在16-OQAM调制模式和4-OQAM调制模式下，4个前置符号为固定的2电平符号“1010”。有的帧同步信号包含4个格型编码的拖尾符号。但是，帧同步信号本身并不参与信道编码。
每一个系统信息通过一个64比特的两电平序列来表达。这些两电平的序列共有64个，衍生于64位长的Walsh格型。将64个64位长的Walsh矢量取反，可以得到128个矢量。这128个矢量与一个长度为64的随机序列相乘后得到128个系统信息矢量。每种传输模式对应128个系统信息矢量中的一个，其他矢量作为保留模式。接收机接收到保留模式时，对信号不作处理，跳过该帧。
帧同步信号包含一个4514个3电平符号的伪随机序列。该3电平伪随机序列是由3进制下的GF(47)产生。将3进制下的GF(47)的2257个符号中的后1128个符号，加上3进制下的GF(47)的2257个符号，再加上3进制下的GF(47)的2257个符号中的前1129个符号，即组合成长度为4514个3电平符号的伪随机序列。
该序列具有理想的循环自相关特性，即当GF(47)的2257个3电平符号与序列中的GF(47)的2257个符号对齐时，相关值为最大值2257，当序列错开范围在+1129到-1128个符号之内时(共2257个符号)，相关值始终为0。
帧同步信号包含386个3电平保留符号。该保留符号用于对未来业务的扩展。
场同步信号用以指示地面广播的三种业务各自的传输模式下场的开始，指示格型编码的复位信息。场同步信号可以用于协助系统同步和信道估计。
本发明设计的场同步信号是这样的：场同步信号位于一场的开始位置，每场传输一次，共有516个符号，包括4个前置符号、1个包含511个2电平符号的9阶最大长度序列PN511以及1个2电平符号+1。
在格型编码64-OQAM调制模式、格型编码16-OQAM调制模式和卷积编码4-OQAM调制模式下，每帧的第一场的场同步信号的4个前置符号为固定的2电平信号“1010”，每帧除第一场外其他各场的场同步信号的4个前置符号分别为8电平、4电平和2电平的格型编码拖尾符号；在16-OQAM调制模式和4-OQAM调制模式下，每一个场同步信号的4个前置符号为固定的2电平信号“1010”。有的场同步信号包含4个格型编码的拖尾符号，但是场同步信号本身并不参与信道编码。
本发明设计的同步方法，帧同步信号包含更多的信息，如系统信息和保留信息，场同步信号仅包含网格编码拖尾符号和PN序列，能提高传输数据率。帧同步信号中的随机序列选择比现有任何PN序列优化，能提供快速同步和精确的信道特性。
附图说明
图1为典型的数字传输的系统框图；
图2为OQAM的I，Q通道信号组成示意图；
图3为数字地面广播系统中发射端的各功能模块和流程图；
图4为16-OQAM、格型编码64-OQAM调制模式下的帧场结构示意图；
图5为4-OQAM、格型编码16-OQAM调制模式下的帧场结构示意图；
图6为卷积编码4-OQAM调制模式下的帧场结构示意图；
图7为帧同步信号的组成结构示意图；
图8为PN63的产生方式及预置值；
图9为帧同步信号中的包含4514个3电平符号的伪随机序列；
图10为3电平伪随机序列的自相关特性图；
图11为场同步信号的组成结构示意图；
图12为PN511的产生方式及预置值。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明给予进一步说明。
帧同步信号位于一帧的开始位置，每帧传输一次。如图7所示，帧同步信号共有4968个符号，包括4个前置符号、64个2电平系统信息符号、4514个3电平符号和386个3电平保留符号。在格型编码64-OQAM调制模式、格型编码16-OQAM调制模式和卷积编码4-OQAM调制模式下，4个前置符号分别为8电平、4电平和2电平的格型编码拖尾符号；在16-OQAM调制模式和4-OQAM调制模式下，4个前置符号为固定的2电平符号“1010”。
有的帧同步信号包含4个格型编码的拖尾符号。但是，帧同步信号本身并不参与信道编码。格型编码的拖尾符号是一帧格型编码结束后以0为输入继续编码的输出。格型编码的拖尾符号用于接收端解码时完全结束对一帧数据的解码。
每一个系统信息通过一个64比特的两电平序列来表达。这些两电平的序列共有64个，衍生于64位长的Walsh格型。基本的Walsh格型见公式1-1，Walsh格型的系统化产生方法见公式1-2。
W = 1 1 1 - 1
公式1-1基本的Walsh格型
W = H H H - H
公式1-2Walsh格型的系统化产生方法，其中H为上一阶的Walsh格型
将64个64位长的Walsh矢量取反，可以得到128个矢量。这128个矢量与一个长度为64的随机序列相乘后得到128个系统信息矢量。该随机序列由一个6比特的移位寄存器产生一个长度为63的6阶最大长度序列后再加上一个0产生。产生该63位最大长度序列的方法见图8。其产生公式是，X6+X+1，预设值为000001。其完整的序列如下：
1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 01 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1
将上述序列中的1映射到1、0映射到-1，再加上第64位的-1，即得到64位的随机序列数值。其完整的序列如下：
1-1-1-1-1-1 1-1-1-1-1 1 1-1-1-1 1-1 1-1-1 1 1 1 1-1 1-1-1-1 1 1  1-1-1 1-1-1 1-1 1 1-1 1 1 1-1 1 1-1-1 1 1-1 1-1 1-1 1 1 1 1 1-1
每种传输模式对应128个系统信息矢量中的一个，其他矢量作为保留模式。以下是各模式的定义举例：
第1矢量    保留
第2矢量    保留
第3矢量    保留
第4矢量    格型编码64-OQAM
第5矢量    保留
第6矢量    保留
第7矢量    格型编码16-OQAM
第8矢量    16-OQAM
第9矢量    卷积编码4-OQAM
第10矢量   4-OQAM
其它矢量   保留
接收机接收到保留模式时，对信号不作处理，跳过该帧。
帧同步信号包含一个4514个3电平符号的伪随机序列。该3电平伪随机序列是由3进制下的GF(47)产生。
3进制下的GF(47)有2257个3电平符号。该序列是3电平Galois域的47阶函数。g(x)＝x3+g2x2+g1x+g0，gi∈GF(q)，i＝0，1，2。其产生方法如下：
由3电平GF(47)的原始多项式(4，1，0，1)产生2257位的3电平序列。可以通过以下的MATLAB函数求得，
p＝gfprimck(3，47)，其中
m＝3
pol＝[4101]
p＝47
function[out]＝build_gf_sequence(m，pol，p)
L＝p^3-1；
N＝L/(p-1)；
mpol＝mod(-pol，p)；
d(1)＝0；
d(2)＝0；
d(3)＝1；
for k＝4:L
s＝0；
for q＝1:m
s＝mod(s-d(k-q)*pol(m+1-q)，p)；
end
d(k)＝s；
end
％Create all of the non-zero elements of the prime field GF(p).
％G(k)is A^k
G＝gftuple([0:p^1-2]′，[1]，p)；
％Build a table of the psi( )mapping
exponent＝zeros(p-1，1)；
psi＝zeros(p-1，1)；
for v＝1:p-1
exponent(v)＝find(G＝＝v)-1；
psi(v)＝(-1)^exponent(v)；
end
theta＝zeros(p，1)；
theta(1)＝0；
for k＝1:p-1
theta(k+1)＝psi(k)；
end
out＝zeros(N，1)；
for k＝1:N
out(k)＝-1*((-1)^k)*theta(d(k)+1)；
end
将3进制下的GF(47)的2257个符号中的后1128个符号，加上3进制下的GF(47)的2257个符号，再加上3进制下的GF(47)的2257个符号中的前1129个符号，即组合成长度为4514个3电平符号的伪随机序列，如图9所示。
从图10中可以看到，该3电平伪随机序列具有极为理想的自相关特性。当GF(47)的2257个3电平符号与序列中的GF(47)的2257个符号对齐时，相关值为最大值2257，当序列错开范围在+1129到-1128个符号之内时(共2257个符号)，相关值始终为0。而在序列错开范围在+1129到+2257个符号和-1128到-2257个符号之内时，其相关值小于使用传统的PN序列时的相关值。
帧同步信号包含386个3电平保留符号。该保留符号用于对未来业务的扩展。该386个3电平保留符号是上述GF(47)的第1130个符号到第1515个符号。
帧同步信号中，4个格型编码拖尾符号的8电平、4电平和2电平的取值和对应的调制模式下的信号电平一致，系统信息的2电平符号以及4514个3电平符号中的2个非0电平的归一化取值见表1，4514个3电平符号的另1个电平取值为0，386个3电平保留符号的其中1个电平取值为0。
表1地面广播各调制模式的帧同步信号电平
    调制模式及信号电平     帧同步信号电平
    64-OQAM，±1，±3，±5，±7     ±4.50
    16-OQAM，±1，±3     ±2.25
    4-OQAM，±1     ±1.00
场同步信号用以指示地面广播的三种业务各自的传输模式下场的开始，指示格型编码的复位。场同步信号可以用于协助系统同步和信道估计。
场同步信号位于一场的开始位置，每场传输一次。如图11所示，场同步信号共有516个符号，包括4个前置符号、1个包含511个2电平符号的9阶最大长度序列PN511以及1个2电平符号+1。在格型编码64-OQAM调制模式、格型编码16-OQAM调制模式和卷积编码4-OQAM调制模式下，每帧的第一场的场同步信号的4个前置符号为固定的2电平信号“1010”，每帧除第一场外其他各场的场同步信号的4个前置符号分别为8电平、4电平和2电平的格型编码拖尾符号；在16-OQAM调制模式和4-OQAM调制模式下，每一个场同步信号的4个前置符号为固定的2电平信号“1010”。
场同步信号本身并不参与信道编码。格型编码的拖尾符号是一场格型编码结束后以0为输入继续编码的输出。格型编码的拖尾符号用于接收端解码时完全结束对一场数据的解码。
PN511的产生方式见图12。PN511的产生公式是X9+X7+X6+X4+X3+X+1，预设值为010000000。其完整的序列见表2。
表2PN511序列，表中1映射到1、0映射到-1
0000 0001 0111 1111 1100 1010 1010 1110 0110 0110 1000 1000 1001 1110 0001 1101
0111 1101 0011 0101 0011 1011 0011 1010 0100 0101 1000 1111 0010 0001 0100 0111
1100 1111 0101 0001 0100 1100 0011 0001 0000 0100 0011 1111 0000 0101 0100 0000
1100 1111 1110 1110 1010 1001 0110 0110 0011 0111 0111 1011 0100 1010 0100 1110
0111 0001 0111 0100 0011 0100 1111 1011 0001 0101 1011 1100 1101 1010 1110 1101
1001 0110 1101 1100 1001 0010 1110 0011 1001 0111 1010 0011 0101 1000 0100 1101
1111 0001 0010 1011 1100 0110 0101 0000 1000 1100 0001 1110 1111 1101 0110 1010
1100 1001 1001 0001 1101 1100 0010 1101 0000 0110 1100 0000 1001 0000 0001 110
场同步信号中，4个格型编码拖尾符号的8电平，4电平和2电平的取值和对应的调制模式下的信号电平一致，PN511及最后1位2电平符号的归一化取值见表3。
表3地面广播各调制模式的场同步信号电平
    调制模式及信号电平     场同步信号电平
    64-OQAM，±1，±3，±5，±7     ±4.50
    16-OQAM，±1，±3     ±2.25
    4-OQAM，±1     ±1.00
为了有利于自动增益控制(AGC)和降低传输信号的峰均比，参考信号和数据信号在各种调制模式下最好具有相近的平均功率。现有ATSC系统和DVB-T系统等都没有达到这一要求。本发明通过适当的帧、场同步信号的取值使参考信号和数据信号在各种调制模式下获得相近的平均功率。
表4-1至表4-5是不同调制模式下在12比特范围内对应的电平选择。在表4-1至表4-5中，导频未计算在内。
表4-1格型编码64-OQAM在12比特范围内对应的电平选择
    比特2     比特1     比特0     数据电平     同步电平
    1     1     0     +896
    1     1     1     +640     +576
    1     0     1     +384
    1     0     0     +128
    0     1     0     -128
    0     1     1     -384
    0     0     1     -640     -576
    0     0     0     -896
表4-216-OQAM在12比特范围内对应的电平选择
    比特1     比特0     数据电平     同步电平
    1     0     +768     +576
    1     1     +256
    0     1     -256
    0     0     -768     -576
表4-3格型编码16-OQAM在12比特范围内对应的电平选择
    比特1     比特0     数据电平     同步电平
    0     1     +768     +576
    0     0     +256
    1     0     -256
    1     1     -768     -576
表4-44-OQAM在12比特范围内对应的电平选择
    比特0     数据电平     同步电平
    0     +576     +576
    1     -576     -576
表4-5卷积编码4-OQAM在12比特范围内对应的电平选择
    比特0     数据电平     同步电平
    0     +576     +576
    1     -576     -576
表5是数字地面广播各调制模式下信号的RMS(均方根)值。对比取值为576的同步电平，可见帧、场同步信号的取值使参考信号和数据信号在各种调制模式下获得相近的平均功率。
表5数字地面广播各调制模式下信号的RMS(均方根)值
    调制模式     RMS值
    64-OQAM     586.4
    16-OQAM     572.4
    4-OQAM     576.0

Claims (7)

1.数字地面广播传输中的帧场同步方法，其特征在于，在帧场结构的数字地面广播传输信号中包含有帧同步信号和场同步信号；
帧同步信号位于一帧的开始位置，每帧传输一次，共有4968个符号，包括4个前置符号、64个2电平系统信息符号、4514个3电平符号和386个3电平保留符号；
所述4514个3电平符号，产生于3进制下的GF(47)，由3进制下的GF(47)的2257个符号中的后1128个符号，加上3进制下的GF(47)的2257个符号，再加上3进制下的GF(47)的2257个符号中的前1129个符号组合而成；
场同步信号位于一场的开始位置，每场传输一次，共有516个符号，包括4个前置符号、1个包含511个2电平符号的9阶最大长度序列PN511以及1个2电平符号+1。
2.根据权利要求1所述的帧场同步方法，其特征在于，在格型编码64-OQAM调制模式、格型编码16-OQAM调制模式和卷积编码4-OQAM调制模式下，帧同步信号中的4个前置符号分别为8电平、4电平和2电平的格型编码拖尾符号，每帧的第一场的场同步信号的4个前置符号为固定的2电平信号“1010”，每帧除第一场外其他各场的场同步信号的4个前置符号分别为8电平、4电平和2电平的格型编码拖尾符号；
在16-OQAM调制模式和4-OQAM调制模式下，帧同步信号和场同步信号中的4个前置符号为固定的2电平符号“1010”。
3.根据权利要求2所述的帧场同步方法，其特征在于，帧同步信号中，4个格型编码拖尾符号的8电平、4电平和2电平的取值和对应的调制模式下的信号电平一致，系统信息的2电平符号以及4514个3电平符号中的2个非0电平的归一化取值见表1，4514个3电平符号的另1个电平取值为0，386个3电平保留符号的其中1个电平取值为0；
场同步信号中，4个格型编码拖尾符号的8电平、4电平和2电平的取值和对应的调制模式下的信号电平一致，PN511及最后1位2电平符号的归一化取值见表1。
表1数字地面广播各调制模式的帧、场同步信号电平
  调制模式及信号电平     帧同步信号电平     场同步信号电平   64-OQAM，±1，±3，±5，±7     ±4.50     ±4.50   16-OQAM，±1，±3     ±2.25     ±2.25   4-OQAM，±1     ±1.00     ±1.00
4.根据权利要求3所述的帧场同步方法，其特征在于，帧同步信号中的4个格型编码拖尾符号是一帧格型编码结束后以0为输入继续编码的输出，用于接收端解码时完全结束对一帧数据的解码；
场同步信号中的4个格型编码拖尾符号是一场格型编码结束后以0为输入继续编码的输出，用于接收端解码时完全结束对一场数据的解码。
5.根据权利要求1所述的帧场同步方法，其特征在于，帧同步信号中的386个3电平保留符号是3进制下的GF(47)的第1130个符号到第1515个符号。
6.根据权利要求1所述的帧场同步方法，其特征在于，场同步信号中的伪随机序列PN511的产生公式是X9+X7+X6+X4+X3+X+1，预设值为010000000。
7.根据权利要求3所述的帧场同步方法，其特征在于，不计导频，不同调制模式下在12比特范围内对应的电平选择见表2-1至表2-5。
表2-1格型编码64-OQAM在12比特范围内对应的电平选择
    比特2     比特1     比特0     数据电平     同步电平     1     1     0     +896     1     1     1     +640     +576     1     0     1     +384     1     0     0     +128     0     1     0     -128     0     1     1     -384     0     0     1     -640     -576     0     0     0     -896
表2-216-OQAM在12比特范围内对应的电平选择
    比特1     比特0     数据电平     同步电平     1     0     +768     +576     1     1     +256     0     1     -256     0     0     -768     -576
表2-3格型编码16-OQAM在12比特范围内对应的电平选择
    比特1     比特0     数据电平     同步电平     0     1     +768     +576     0     0     +256     1     0     -256     1     1     -768     -576
表2-4 4-OQAM在12比特范围内对应的电平选择
    比特0     数据电平     同步电平     0     +576     +576     1     -576     -576
表2-5卷积编码4-OQAM在12比特范围内对应的电平选择
    比特0     数据电平     同步电平     0     +576     +576     1     -576     -576
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