CN100361533C - 向下兼容的dvb-s标准的系统及发射/接收机和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及数字传输。尤其涉及一种新的传输系统(DVB-S2)，它向下兼容原来的传输系统(DVB-S)，使原来系统的接收机接收按照新传输系统的发射机发射的信号。本发明的原理基于使用混合QPSK/非均匀8-PSK调制。混合调制由表示对于每个符号使用的调制的周期二进制模式指定。

Description

向下兼容的DVB-S标准的系统及发射/接收机和方法
技术领域
本发明涉及数据传输。尤其涉及一种新的传输系统，它向下兼容(backward-compatible)第一级(primary)传输系统。本发明使第一级系统的接收机接收按照用第二级(secondary)调制的新传输系统编码的信号，第一级系统的接收机使用用于对通过一个传输信道发送的信号编码的第一级调制。
它应用到数字传输系统，并尤其用于数字电视的卫星广播系统。
背景技术
DVB(数字视频广播)委员会的技术组(TM)正在研究卫星广播的第二代系统(DVB-S2)的规定，以便在将来的卫星广播系统中增加比特率和电源效率。对编码和调制考虑了两个主要的途径。第一个是总体上与例如包括具有高频谱效率调制的turbo编码的当前的DVB-S(用于卫星的数字视频广播)标准不兼容，第二个是向下兼容。
DVB技术组TM2638由A.Morello和V.Mignone撰写的题目为“DVB-S2的向下兼容解决方案”的文章说明了一种向下兼容系统，使用它能够通过使用替代标准QPSK(正交移相键控)调制的分级的非均匀8-PSK(8位相移键控)调制提供额外的数据率。使用分级的非均匀8-PSK调制的这种系统的一个问题在于，非均匀8-PSK信号星座图(constellation)中的符号之间的角度必须保持相当小(＜π/8)，因为由分级星座图引入的该角度偏差将看作由接收机侧的典型QPSK解调器的附加噪声因素。因此，非均匀星座图的最小距离保持很小。因此，附加数据必须用强大的和低速率信道编码方案来保护。这必须成为一个解码附加数据的相当复杂的算法。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种系统，它避开了上文中提到的缺点。
根据本发明的第一方面，提供了一种发射机，包括：
一个第一级编码器，用于接收包含数据的第一级流并提供每个符号时间n比特的编码流，
一个第二级编码器，用于编码包含附加数据的第二级流并提供每个符号时间m比特的编码流，
一个混合调制步骤(40)，用于按照具有n个不同状态的第一星座图从第一级编码流产生n比特符号，以及用于按照具有n+m个不同状态的第二星座图从第一级和第二级编码流产生n+m比特调制的符号，n和m为自然数，该混合调制器按照预定模式产生该n比特调制的符号和n+m比特调制的符号，该预定模式表示每个符号时间段将应用哪个星座图和因此是否该符号时间段包括一个n比特调制的符号或一个n+m比特调制的符号。
第二级星座图比第一级星座图(2n)包含更多能发送附加数据的信号(2n+m)。只需要第一级星座图的信号的第一级系统的接收机把第二级星座图的信号看作受到噪声影响的第一星座图的信号。本发明的要点在于按照依赖于发送的流的预定模式，与第一级星座图交替应用第二级星座图。称为第一级解码器的需要第一级星座图信号的解码器因此具有解码第二级星座图的更大的能力，因为它交替接收被看作受到噪声较小影响的第一级星座图的符号。
这允许第二级星座图符号之间的距离增加，这提供了更容易实现的第二级流的信道编码方案设计和较不复杂的接收机解码操作。
有优势的是，提出的发射机也造成发射机和称为第一级接收机的接收机之间更好的同步，这需要第一级星座图的符号。第一级接收机周期地接收真第一级符号，它们容易解码并容易提供同步。而且，用较低的精度执行量化，因为第二级星座图的符号之间距离较大。
根据本发明的第二方面，提供了一种传输方法，包括：
一个第一级编码步骤，用于接收包含数据的第一级流并提供第一级编码流，
一个第二级编码步骤，用于编码包含附加数据的第二级流并提供第二级编码流，
一个混合调制步骤，用于按照具有n个不同状态的第一星座图从第一级编码流产生n比特符号，以及用于按照具有n+m个不同状态的第二星座图从第一级和第二级编码流产生n+m比特调制的符号，n和m为自然数，该混合调制器按照预定模式产生该n比特调制的符号和n+m比特调制的符号，该预定模式表示每个符号时间段将应用哪个星座图和因此是否该符号时间段包括一个n比特调制的符号或一个n+m比特调制的符号。
根据本发明的第三方面，提供了一种接收机，用于接收所述的发射机发送的符号，其中所述接收符号按照第一级或第二级星座图编码，该第一级星座图的特征在于一组第一级相角，该第二级星座图的特征在于相对于第一级相角的角度偏差，该角度偏差定义第二星座图的符号之间的最小距离，接收机包括：
用于检测发射机使用的预定模式的装置，预定模式表示每个符号时间段第一级或第二级星座图中使用的是哪一个星座图，
用于检测第二级星座图的角度偏差的装置，和
解码装置，用于按照用模式表示的所用星座图、考虑用于第二级星座图的检测角度偏差来解码所接收的符号。
根据本发明的第四方面，提供了一种接收方法，包括：
一个接收步骤，用于接收按照第一级或第二级星座图编码的符号，该第一级星座图的特征在于一组第一级相角，该第二级星座图的特征在于相对于第一级相角的角度偏差，该角度偏差定义第二星座图的符号之间的最小距离，
一个第一检测步骤，用于检测发射机使用的预定模式，预定模式表示每个符号时间段在第一级或第二级星座图中使用的星座图类型，
一个第二检测步骤，用于检测第二级星座图的角度偏差，和
一个解码步骤，用于按照用模式表示的所用星座图类型、考虑第二级星座图的检测角度偏差来解码接收的符号。
根据本发明的第五方面，提供了一个系统，包括所述的发射机和所述的接收机。
根据本发明的第六方面，提供了一种承载一个第一级编码流和一个第二级编码流的信号，该信号包括按照具有n个不同状态的第一星座图的n比特调制的符号序列和按照具有n+m个不同状态的第二星座图的n+m比特调制的符号序列，n和m为自然数，该序列按照预定模式发生，n比特调制的符号表示第一级编码流的n比特序列，n+m比特调制的符号表示第一级编码流的n比特序列和第二级编码流的m比特序列，该信号由权利要求1所要求的发射机产生。
附图说明
参照以下描述的附图，可以随意用于实现本发明提供优点的本发明和附加特征将被说明并很明显。
图1是说明一个DVB-S基带发射机的总框图的基本特征的概念图，
图2是说明使用非均匀8-PSK调制的现有技术的向下兼容发射机的基本特征的概念图，
图3是表示按照现有技术的非均匀8-PSK信号星座图的示意图，
图4是说明根据本发明的使用混合QPSK/分级非均匀8-PSK调制的向下兼容发射机的基本特征的概念图，
图5是说明根据本发明的系统的概念图。
具体实施方式
以下描述涉及参考标记。两个不同的图中的相同标志通常表示相同的功能实体。
图1示出了一个常规的DVB-S基带发射机的框图。它包括一个用CODER表示的信道编码器和一个用QPSK表示的QPSK调制器。信道编码器CODER接收一个用PS表示的第一级流，并提供一个包含冗余比特的编码流，冗余比特用于保护发送的数据流不受传输误差影响。信道编码器CODER通常由级联的一个里德所罗门码(Reed Solomon code)和一个刻点的(punctured)1/2速率卷积码组成。在每个符号期间，信道编码器输出的两个比特允许按照格雷(Gray)映射，在一个循环(circle)的四个象限的每一个象限中用两个比特符号表示的组(00，01，11，10)中选择四个QPSK符号之一。接着，2比特符号通过传输信道发送到一个接收机(未示出)，接收机包括用于执行与发射机执行的操作相反的操作并恢复发送的数据流PS的一个QPSK解调器和一个信道解码器。
图2表示使用图3所示的分级的非均匀8-PSK调制的称为DVB-S2的向下兼容系统的传输结构。发射机与DVB-S和DVB-S2兼容。它包括：
一个用CODER 1表示的第一信道编码器，用于接收称为第一数据流并用PS表示的第一DVB流，并用于对应于图2中的QPSK映射的一个象限在每个符号时间提供一个n比特输出(在图2所示的实施例中n＝2)：第一象限在图2中用1)表示，对应于比特对(0，0)，第二象限用2)表示，对应于对(0，1)，第三象限用3)表示，对应于对(1，1)，和第四象限用4)表示，对应于对(1，0)，
一个用CODER 2表示的第二信道编码器，用于接收称为第二级流并用SS表示的第二流，其目的是提供附加数据率，并用于在每个符号时间递送一个m比特输出(这里m＝1)，输出对应于位于由从第一信道编码器的第一级流产生的2比特输出已经选择的象限中的2个非均匀8-PSK符号之一，
一个用于递送一个非均匀8-PSK符号的用NU 8-PSK表示的分级非均匀8-PSK调制器，该符号由常规DVB-S接收机或DVB-S2接收机通过传输信道接收。
第一级流PS提供保持与DVB-S系统兼容的可能。因此，第一信道编码器CODER 1与常规的DVB-S信道编码器相同。
非均匀8-PSK星座图的映射在图3中说明。调制由相同象限中的符号之间的角2φ表示，该角相当小(＜π/8)。
在接收机侧，解调按照以下步骤执行。第一级数据用与DVB-S接收机相同的方式来解码，即通过计算与QPSK符号相关的结构来解码。这导致对于DVB-S系统的SNR降级，这依赖于φ的值。因此，选择φ以便对应的SNR降级将不超过一个固定值(例如0.5dB)。对于该标准QPSK解调器，由分级星座图引入的角度偏差被看作一个附加噪声因素.第二级流通过考虑对于8星座图符号的结构来解码。对于一个给定码，该数据流的BER(误码率)性能依赖于等于2sin(φ)的星座图的最小欧氏距离(Euclidean distance)。
图4说明了根据本发明的发射机的例子的框图。它包括一个第一编码器CODER 1，一个第二编码器CODER 2和一个混合QPSK/分级非均匀8-PSK调制器40。第一级编码器(CODER1)接收包含数据的第一级流并传送一个n比特编码流。第二级编码器(CODER2)编码包含附加数据的第二级流并传送一个m比特编码流。混合调制器(40)接收第一级n比特编码流或两种编码流，并按照对每个符号期间表示将应用哪种星座图的预定模式，产生称为第一符号的第一星座图(例如QPSK)的n比特符号或称为第二级符号的第二星座图(例如NU 8-PSK)的n+m比特符号。按照对发射流的需要速率和第一级流上允许的SNR降级预定模式。
这种混合调制器与图2的调制器相比的优点在于它交替发送真的第一级符号和第二级符号。第一级解码器具有解码接收信号的更大能力，因为接收符号部分对应于属于第一级星座图的发射符号。
这允许增加第二级星座图的符号之间的距离，这使得在接收机侧二级流的信道编码设计和解码操作更简单。
调制器40可以例如包括一个开关42，一个用QPSK表示的QPSK调制器，一个用NU 8-PSK表示的分级非均匀8-PSK调制器，一个用DEMUX表示的混合调制解复用器和一个用SCHEDULER表示的混合QPSK/分级非均匀8-PSK调制器调度装置。
本发明的原理基于使用一个混合QPSK/非均匀8-PSK调制。混合调制由输入到调度装置的周期的二进制模式指定，以表示每个符号使用的星座图。作为一个例子，如果我们将QPSK星座图赋值比特“0”，并对分级星座图赋值比特“1”，则模式(0，1，1)表示每3个符号周期发送QPSK符号。根据周期模式的值，调度装置SCHEDULER控制混合调制开关42和混合调制解复用器DEMUX如下。如果在考虑的符号时间，周期模式是“1”，开关42从第一级流取两个编码比特并从第二级流取一个编码比特。这三个比特传送到分级NU 8-PSK调制器，以产生一个NU 8-PSK 3比特符号。如果在考虑的符号期间，周期模式是“0”，开关从第一级流中取两个编码比特。这两个比特传送到QPSK调制器以产生一个2比特QPSK符号。混合调制解复用器的作用是传动产生的符号到调制器的输出：如果周期模式是“1”(或者“0”)，它传送对应产生的分级NU 8-PSK(或QPSK)符号到输出。
本发明与传统(非混合)的分级方案相比的主要优点在于以下几点。对于第一级流的给定特性(例如，在维特比解码器的输出BER＝2.10-4)，非均匀8-PSK星座图的角φ(和它的最小欧氏距离)能够对于非混合方案增加，由于QPSK(非-“噪声”)符号的存在。第二级信道编码器复杂性降低，因为能够使用更高速率的码以获得与非混合方案相同的频谱效率。事实上，考虑第二级流，由于角φ增加，使用更高速率码产生的SNR损失由平方的最小欧氏距离(squared minimum Euclidean distance)中的增益补偿。而且，因为两个非均匀符号之间的最小距离增加，量化能够用更少的比特完成。最后，混合调制的使用允许使用QPSK符号用于同步(例如载波和时间恢复)。由于较低的相位抖动，这造成对于DVB-S2接收机的非混合系统的性能改善。
为了比较混合和非混合调制之间的性能进行了仿真。作为一个例子，使用调制模式＝(0，1，1)，即周期发送一个QPSK和两个NU-8-PSK符号。一个1/2速率卷积码用于具有目标误码率BER＝2.10-4的第一级流。与混合调制情况下φ＝0.23rad相比混合调制情况下我们获得最小角φ＝0.30，在第二级流的最小距离项中产生2.25dB的增益。因为频谱效率降低(因为第二级码率加倍)引起的SNR损失等于1.76dB，第二级流的整个SNR增益等于0.49dB。
图5说明了根据本发明的向下兼容系统。它包括一个与参照图4说明的发射机类似的向下兼容的发射机51，一个接收机52和一个用于从发射机向接收机发送调制数据的传输信道53。接收机52可以是需要第一级符号的(按照QPSK调制来编码的)例如DVB-S型的常规接收机，或者是一个用于接收第一级和第二级符号(按照QPSK和NU 8-PSK调制或者按照预定模式来编码的)例如DVB-S2型的新接收机。
在使用常规第一级接收机时，接收机将像平常一样接收第一级(QPSK)符号并像平常一样对它们解码，并将接收将被看作噪声第一级符号的第二级符号(NU-8-PSK)，并将作为第一级符号对它们解码。
在能够正确解码接收符号的新接收机的情况下，接收机必须包括用于检测混合调制器使用的模式，和例如表示发射机使用的调制的符号之间的最小欧氏距离或符号之间的角度的装置。通过检测噪声最大的符号，接收机应当能够找到哪个周期模式用在盲模式。符号之间的角度或距离能够通过将接收符号之间的角度或距离平均进行检测。执行与用于对调制的(QPSK)符号编码的发射机中使用的第一级调制器相反的操作的解调器将接着解调第一级符号(QPSK)。执行与发射机中使用的第二级调制器相反的操作的特定解调器接着解调第二级符号(NU 8-PSK，φ)。
前面的图和它们的说明描述而不是限制了本发明。很明显有落入随附权利要求范围内的很多选择方式。为此，作出了如下的结尾说明。
有很多通过硬件或软件或两者都用于执行功能的方式。在这方面，附图只是大致的，每个只表示本发明的一种可能实施例。因此，尽管一个附图表示与不同块不同的功能，这决不排除执行几种功能的硬件或软件的单个项目。也不排除硬件或软件的项目组装或硬件和软件两者执行一个功能。
尽管，在图4中说明了一种混合QPSK/NU 8-PSK调制器，但这不将本发明限制为只有这两个调制。本发明也可以应用到其他组调制中，以及其他第一级和第二级类型流，不需要与DVB标准兼容。
权利要求中的任何参考标记不构成对权利要求的限制。词语“包括”的使用和它的结合不排除与权利要求中提出的那些不同的部件或步骤。部件或步骤前面的词语“一个”的使用不排除多个这种部件或步骤的存在。

Claims (6)

1、一种发射机，包括：
一个第一级编码器(CODER1)，用于接收包含数据的第一级流并提供第一级编码流，
一个第二级编码器(CODER2)，用于编码包含附加数据的第二级流并提供第二级编码流，
一个混合调制器(40)，用于按照具有n个不同状态的第一星座图从第一级编码流产生n比特调制的符号，以及用于按照具有n+m个不同状态的第二星座图从第一级和第二级编码流产生n+m比特调制的符号，n和m为自然数，该混合调制器根据预定模式产生该n比特调制的符号和n+m比特调制的符号，该预定模式表示每个符号时间段将应用哪个星座图和因此是否该符号时间段包括一个n比特调制的符号或一个n+m比特调制的符号。
2、权利要求1要求的发射机，其中混合调制器(40)包括：
开关装置(42)，允许按照预定模式选择来自第一级编码流的n比特序列和来自第二级编码流的m比特序列，
一个第一调制器，用于从开关装置(42)接收所述n比特序列并产生第一星座图的n比特调制符号，
一个第二调制器，用于从开关装置(42)接收n比特序列和m比特序列并产生第二星座图的n+m比特调制符号，
一个解复用器，用于解复用由所述第一和第二调制器产生的各自符号，
控制装置，用于按照预定模式控制开关装置和解复用器，以便：
如果预定模式表示将应用第一星座图，一个n比特序列从开关装置(42)传送到第一调制器，用于产生将提供在解复用器的输出的n比特调制的符号，
如果预定模式表示将应用第二星座图，一个n比特序列和一个m比特序列从开关装置(42)传送到第二调制器，用于产生一个将提供在解复用器的输出的n+m比特调制的符号。
3、一种传输方法，包括：
一个第一级编码步骤，用于接收包含数据的第一级流并提供第一级编码流，
一个第二级编码步骤，用于编码包含附加数据的第二级流并提供第二级编码流，
一个混合调制步骤，用于按照具有n个不同状态的第一星座图从第一级编码流产生n比特符号，以及用于按照具有n+m个不同状态的第二星座图从第一级和第二级编码流产生n+m比特调制的符号，n和m为自然数，该混合调制器按照预定模式产生该n比特调制的符号和n+m比特调制的符号，该预定模式表示每个符号时间段将应用哪个星座图和因此是否该符号时间段包括一个n比特调制的符号或一个n+m比特调制的符号。
4、一种接收机，用于接收从权利要求1要求的发射机发送的符号，其中所述接收符号按照第一级或第二级星座图编码，该第一级星座图的特征在于一组第一级相角，该第二级星座图的特征在于相对于第一级相角的角度偏差，该角度偏差定义第二星座图的符号之间的最小距离，接收机包括：
用于检测发射机使用的预定模式的装置，预定模式表示每个符号时间段第一级或第二级星座图中使用的是哪一个星座图，
用于检测第二级星座图的角度偏差的装置，和
解码装置，用于按照用模式表示的所用星座图、考虑用于第二级星座图的检测角度偏差来解码所接收的符号。
5、一种接收方法，包括：
一个接收步骤，用于接收按照第一级或第二级星座图编码的符号，该第一级星座图的特征在于一组第一级相角，该第二级星座图的特征在于相对于第一级相角的角度偏差，该角度偏差定义第二星座图的符号之间的最小距离，
一个第一检测步骤，用于检测发射机使用的预定模式，预定模式表示每个符号时间段在第一级或第二级星座图中使用的星座图类型，
一个第二检测步骤，用于检测第二级星座图的角度偏差，和
一个解码步骤，用于按照用模式表示的所用星座图类型、考虑第二级星座图的检测角度偏差来解码接收的符号。
6、一个系统，包括权利要求1的发射机和权利要求4所述的接收机。
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