CN101127555B - 地面增补转发器及无线数字广播同步的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地面增补转发器及无线数字广播同步的系统和方法。所述地面增补转发器中增加设置了用于根据接收到的PN码进行载波频率和码同步调整的同步模块。所述方法包括如下步骤：数字信号发射系统发射包含信源数据、系统时间的数据包，以及与系统时间对应的PN码；数字信号接收系统根据接收到的PN码进行系统载波频率与码的同步调整；数字信号接收系统解调接收到的数据包，并根据其中的系统时间信息启动接收系统。本发明中，通过在数字信号发射系统中增加发射反映系统时间信息的PN码，数字信号接收系统根据其接收到的PN码进行载波频率和码的同步调整，从而实现系统的同步。

Description

地面增补转发器及无线数字广播同步的系统和方法

技术领域

本发明涉及一种通信技术，尤其涉及一种地面增补转发器，及无线数字广播同步的系统和方法。

背景技术

无线数字广播技术是通信技术发展的必然结果，应用这项技术，可以提高广播网的覆盖质量，扩大广播网的覆盖范围。

在实际应用中，若直接采用地面覆盖，网络的建设成本和维护成本都很大；若采用直接卫星覆盖，农村和偏远山区可以直接接收，在城市中无遮拦区域也可以直接接收，但对于城市中建筑遮挡比较多的地方，其覆盖效果很不理想，因此，对于这些覆盖质量差的区域，必须采用地面增补转发的模式进行覆盖。

如图1所示，为现有技术中采用地面增补转发器进行无线数字广播的系统结构图。该无线数字广播系统包括数字信号发射系统、卫星、以及数字信号接收系统。在数字信号发射系统中，信源数据调制器将信源编码器输出的数据进行调制，再通过Ku波段发射机以Ku波段发射到卫星上。卫星对接收到的Ku波段进行转发。卫星以S波段直接向数字信号接收系统中的终端解调器转发信源数据，同时，卫星还以Ku波段转发信源数据。以Ku波段转发的信源数据由增补转发器的卫星天线接收后，再以S波段转发给终端解调器。终端解调器对接收到的S波段的信源数据进行解调，再由信源解码器进行解码，之后发送给对应的移动终端。

在上述无线数字广播系统中，地面增补转发器是呈网状分布的，各个地面增补转发器接收同一卫星转发的Ku波段的信源数据，并以S波段转发给对应的终端解调器。对于终端解调器来说，其同时接收卫星直接转发的S波段的信源数据和通过增补转发器转发的S波段的信源数据。由于卫星中存在晶体的偏移，或者地面增补转发器的处理延时等多种原因，可能导致卫星直接转发的S波段数据与地面增补转发器转发的S波段数据在到达终端解调器时存在频率，码和时间的偏差，对于终端解调器来说，这些偏差将直接导致其不能正确的解调信源数据。

针对上述缺陷，现有技术中在无线数字广播系统增加单频网适配器和GPS(Global Positioning System，全球定位系统)等关键设备，借助于这些设备实现系统的频率同步、时间同步和码同步。

通过利用GPS设备提供精确的秒脉冲信号，由数字信号发射系统利用单频网适配器对发送的数据流进行巨帧处理，数字信号接收系统接收到转发下来的数据流后，进行解巨帧处理，从而实现系统的时间同步和码同步。

针对频率同步的要求，从GPS设备得到基准频率和秒脉冲信号，用GPS设备的基准频率来驱动每部地面增补转发器内所有的级联振荡器，进而实现载波频率的同步。

可以看出，现有技术中对载波同步、时间同步和码同步都依赖于独立的GPS设备，而在实际应用中，一旦缺失了GPS设备的信息，将导致整个系统由于没有进行同步而处于瘫痪状态。这时，即使是有人工干预也是无济于事的。而且，采用GPS设备进行同步，也导致系统成本的增加，使各地面增补转发器之间的组网联调更加复杂。

发明内容

本发明针对现有技术的缺点，提供一种地面增补转发器及无线数字广播同步的系统和方法，通过在数字信号发射系统中叠加用于识别系统时间的PN码(Pseudo noise Code，伪随机噪声码)，在数字信号接收系统中根据此PN码进行整个系统的同步。

本发明所述地面增补转发器包括上变频模块、下变频模块、上变频和功率放大模块、以及数据通路模块，还包括同步模块；

所述同步模块包括：

时间同步跟踪模块，用于根据接收到的PN码进行载波频率与码的同步调整，之后解调数据包得到系统时间；

同步发送控制模块，用于将接收到的数据根据系统时间进行定时转发。

本发明还提供一种无线数字广播同步的系统，包括数字信号发射系统、卫星、以及数字信号接收系统；

所述数字信号发射系统向卫星发射包含信源数据、系统时间的数据包，同时叠加发射与系统时间对应的PN码；

所述数字信号接收系统根据卫星转发的PN码进行载波频率与码的同步调整，之后解调数据包得到系统时间，并根据得到的系统时间实现整个系统的时间同步。

本发明还提供一种无线数字广播同步的方法，其步骤包括：

步骤一，数字信号发射系统发射包含信源数据、系统时间的数据包，同时叠加发射与系统时间对应的PN码；

步骤二，数字信号接收系统根据接收到的PN码进行载波频率与码的同步调整，之后解调数据包得到系统时间，并根据得到的系统时间实现整个系统的时间同步。

本发明中，在数字信号发射系统中增加发射反映系统时间信息的PN码，数字信号接收系统根据其接收到的PN码进行载波频率和码的同步调整，从而实现系统的同步。与现有技术相比，在不增加接收系统设备的情况下实现了系统的同步，不仅节省了系统建设的开支，也提高了系统通信的可靠性和方便性。

附图说明

图1为现有技术中无线数字广播的系统结构示意图；

图2为本发明中的无线数字广播的系统结构示意图；

图3为本发明的地面增补转发器的结构示意图；

图4为本发明中无线数字广播同步的方法流程图；

图5为本发明中数字信号发射系统叠加发送的数据包与PN码的幅度比示意图；

图6为本发明中数字信号接收系统进行载波频率与码的同步调整的方法流程图。

具体实施方式

本发明中，通过在发射系统的上行信道中同时叠加发射数据包和PN码，接收系统根据PN码实现整个无线数字广播系统的时间同步和码同步。

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图2所示，本发明所述无线数字广播同步的系统包括数字信号发射系统、卫星、以及数字信号接收系统。

其中，数字信号发射系统包括：

信源数据调制器，用于将信源编码器输出的编码信号进行调制，并将调制的数据信号输出至Ku波段发射机和业务/同步激励器；

信源编码器，用于对信源数据进行编码，并输出至信源数据调制器；

业务/同步激励器，用于接收信源数据调制器发送来的信源数据，并将信源数据以及生成的系统时间打包，与生成的PN码叠加发送至Ku波段发射机；

Ku波段发射机，用于在上行的业务信道发射接收到业务/同步激励器打包的数据包和信源数据调制器输出的信源数据，在上行的同步信道发射接收到的业务/同步激励器发送来的PN码。

所述卫星用于向数字信号接收系统转发接收到的信源数据、数据包、以及PN码。

所述数字信号接收系统包括：

地面增补转发器，用于接收卫星转发的信源数据、以及PN码，并根据接收到的PN进行系统载波与码的同步调整，再根据同步后解调数据包确定的系统时间信息发送信源数据信息至终端解调器；

终端解调器，用于接收卫星转发的信源数据信息，并对接收到的信源数据信息进行解调输出；

信源解码器，用于对终端解调器输出的数据信息进行解码。

上述系统中，数字信号发射系统在发射信源数据信息时，同时叠加发射反映系统时间的PN码，这样，数字信号接收系统就可以根据该PN码进行载波频率与码的同步调整，在经过上述载波频率与码的同步调整后，解调数据包，从中获得系统时间信息，所有的地面增补转发器根据此系统时间信息向终端解调器转发数据包，从而实现了整个系统的同步。

如图3所示，本发明中所述的地面增补转发器包括上变频模块、下变频模块、上变频和功率放大模块、以及数据通路模块，还包括同步模块。

其中，数据通路模块包括数据码和载波频率跟踪模块，数据解调模块以及数据S波段编码模块；

所述数据码和载波频率跟踪模块，用于实现数据的码同步和跟踪以及载波频率的同步和跟踪；

数据解调模块用于实现从载波中提取数据，并进行解码；

数据S波段编码模块用于将解码后的数据按照S波段所要求的数据格式进行编码。例如，按照CDM或者OFDM进行编码。

下变频模块，用于将接收到的载波频率变频中频，以方便后续实现解调。

上变频模块，用于将解调得到的数据变频到S波段发送出去。

上变频和功率放大模块，用于完成将S波段的编码上变频至S波段或要求波段并按照系统要求功率发射。

所述同步模块由PN码同步和跟踪模块、时间同步跟踪模块、同步发送控制模块组成，其中，

PN码同步和跟踪模块，用于根据接收到的PN码进行码的同步捕获及跟踪；

时间同步跟踪模块，用于将本地时钟跟踪到的发射源时钟，将不同的地面增补转发器进行时间统一，得到系统时间；

同步发送控制模块，用于将接收到的数据根据系统时间进行定时转发。

本发明还提供一种无线数字广播同步的方法，如图4所示，包括如下步骤：

步骤101，数字信号发射系统发射包含信源数据、系统时间的数据包，以及与系统时间对应的PN码。

本发明中，数字信号发射系统将上行信道分为业务信道和同步信道，在业务信道中发射包含信源数据、系统时间的数据包，在同步信道中发射与系统时间对应的PN码。

所述系统时间可以通过PN码的周期来表示，即系统时间可以对应于PN码周期的整数倍。例如，当采用12位的PN码时，该PN码的周期为2¹²-1，即4095个码片时间，那么，系统时间可以等于该PN码周期，即4095个码片的时间。

本步骤中，数字信号发射系统在发射数据包及对应的PN码时，将数据包与PN码按设定的幅度比同时叠加发射，其幅度比可根据网络状况设定。例如，图5中所示，数据包的幅度为1，PN码的幅度也为1，那么，数字信号发射系统在叠加发射数据包及PN码时，可取PN码幅度的0.1倍与数据包叠加发射。

步骤102，数字信号接收系统根据接收到的PN码进行系统载波频率与码的同步调整。

数字信号发射系统将数据包与PN码按设定的幅度比叠加后发射到卫星上，卫星将接收到数据包与PN码转发至数字信号接收系统。

本步骤102中，可具体包括如下步骤：

步骤201，对数字信号接收系统的载波频率进行同步粗捕获。

本步骤中，根据设定频率范围内PN码进行全相关运算得到的相关峰最大值所对应的频率，进行载波频率的同步粗捕获。

具体为，在设定的频率范围对接收系统进行扫频，即在不同的频率下，接收系统利用与发射系统的PN码对应的PN码副本与PN码进行全相关运算，得到相关峰。例如，采用-400KHz～400KHz的频率范围对系统进行扫频。此处的PN码副本与发射系统发射的PN码的生成公式相同，这也就保证了接收系统进行全相关运算的PN码与发射端的PN码相同。

由于载波频率的不同步，PN码在I和Q通道上都有分量，为了得到精确的相关峰，可以采用两个通道相关峰平方和相加的形式，用公式表示为：

${\mathrm{Peak}}_f=\sqrt{{I_{\mathrm{peak}}}^2+{Q_{\mathrm{peak}}}^2},$

式中，Pesk_f为当前的相关峰值，I_peak为当前I通道的相关峰值，Q_peak为当前Q通道的相关峰值。在某一频率f下的相关峰为I和Q两路全相关平方和的最大值Peak_f。

由于发射系统的载波频率和接收系统的载波频率存在偏差，在不同的偏差下，得到的相关峰在幅度值上存在差异，通过调整本地载波频率或在基带数据上进行预置频率，使得相关峰的幅度值达到最大范围内。这个预置频率或接收系统载波的调整频率即为发射系统载波频率与接收系统载波频率的大致偏差Δf₁。根据上述得到的大致偏差Δf₁即可使接收系统的载波频率与发射系统的载波频率实现基本同步，即实现了对接收系统载波频率的同步粗捕获。

步骤202，对数字信号接收系统的码进行同步粗捕获。

在整个系统中，码和载波频率一般采用两套晶体来进行，因此，在采用PN码的相关峰进行晶体时钟捕获时，不但会受到载波不同步的影响，同时也会受到PN码不同步的影响。PN码的不同步往往会导致相关峰的峰值不高，并在非相关峰的位置上产生抖动，出现不稳定的情况。为了实现稳定的跟踪和时间系统同步，就必须先调整通信系统的码同步。

本步骤中，根据对接收到的PN码进行全相关计算进行PN码的同步粗捕获。

具体为：对接收到的PN码进行全相关计算，当PN码完全同步时，连续两次出现相关峰的时间距离即为PN码的理论周期，也即完成了PN码的同步粗捕获。当接收端的接收速度比较慢时，其连续相关峰的距离会大于PN码的一个理论周期；反之，当接收端的接收速度比较快时，其连续相关峰的距离会小于PN码的一个理论周期。

在进行全相关计算时采用逐点计算的方法，即在每个PN码的周期内都计算一点，这样，完成整个计算过程要进行PN码的整个周期次的PN码周期。同时，考虑的系统不同步的情况下，相关峰的位置会发生前后移动，因此，在进行全相关计算时，可以每次计算4个PN码的周期次周期。以采用12位的PN码为例，就需计算4×4095×4095个码元时间。

根据本地PN码相关峰的距离与PN码理论周期的差值，可以反映出本地PN码与发射系统PN码的频率差。例如，采用12位的PN码时，计算得到本地PN码相关峰的距离为4050个码元时间，则可以根据公式：

Δf＝(4095-4050)/(4095×4095)

可以计算出本地PN码与发射系统PN码的频率偏差，将此计算得到的频率偏差写入本地PN码生成频率中，使得本地PN码的频率与发射系统PN码频率更加接近。

上述计算本地码的相关峰过程中，采用两个通道相关峰平方和相加的形式，用公式表示为：

$\mathrm{Peak}=\sqrt{{I_{\mathrm{peak}}}^2+{Q_{\mathrm{peak}}}^2},$

式中，Pesk为当前的相关峰值，I_peak为当前I通道的相关峰值，Q_peak为当前Q通道的相关峰值。

在上述确定的PN码频率基础上继续进行PN码的全相关计算，可以继续确定本地PN码的相关峰的距离，即确定本地PN码的生成频率。例如，再次确定的本地PN码的相关峰的距离为4070个码元时间，那么，根据公式：

Δf＝(4095-4070)/(4095×4095)

可以确定本地PN码频率与发射系统PN码频率的更小的频率偏差范围，并可以根据此次计算得到的频率偏差调整本地PN码的频率。

按上述方法对本地PN码进行多次调整，可以使本地PN码相关峰的周期接近于PN码的理论周期，从而完成PN码的同步粗捕获。

步骤203，对数字信号接收系统的载波频率进行二次同步调整。

本步骤中，根据设定频率范围内PN码进行全相关运算得到的相关峰最大值所对应的频率，进行载波频率的二次同步调整。

由于PN码的相关峰同时受到码同步和载波同步的双重影响，因此，系统在进行上述的码同步粗捕获以后，还需对载波频率进行二次同步，以保证载波频差小于PN码的1/4周期。

接收系统进行载波频率二次同步是在上述码同步粗捕获和载波频率粗捕获基础上进行的，其主要目的是得到较为精确的频率差值，减少噪声的影响。

接收系统在进行载波频率二次同步时，在小于载波频率粗捕获时的频率偏差范围内进行扫频。例如，在频率偏差为±10KHz的范围进行扫频。

接收系统在上述频率偏差范围内进行扫频，以实现对载波频率的二次同步的过程与前述对载波频率进行同步粗捕获的方法相同，在此不再赘叙。

经过对载波频率的二次同步，可以获得更为精确的频差Δf₂，通过此频差Δf₂可计算出接收系统的载波频率，从而实现了接收系统载波频率的二次同步调整。

步骤204，对数字信号接收系统的码及载波频率进行同步跟踪。

经过上述各步骤中对载波频率及码的同步调整后，接收系统中载波频率及码与发射系统的载波频率及码基本同步，但是，由于接收系统存在晶体的漂移，接收系统中得到的PN码相关峰的周期与PN码的理论周期还存在着一定的差异，因此，必须进行码同步跟踪和载波同步跟踪，以实现系统的稳定。

根据相关峰的位置差时时调整接收系统晶体的相位，并根据多次调整相位的累积值，来计算接收系统晶体码同步的频率误差，并调整使得最终相关峰的周期和PN的理论周期时时保持一致，从而实现码的同步跟踪。

例如，以采用4个码元周期为例，根据全相关找到相关峰的位置，调整本地PN码副本的相位，使得相关峰出现在所计算4个码元的中间位置。在此种模式下，相关计算只是并行的计算4个连续相位，即计算4个码元的相关峰。由于相关峰是周期性出现的，每当本地码元完成一个PN码周期以后，在4个码元内会出现一个相关峰，由于时钟的漂移，相关峰的位置可能会出现一些偏差，向前或向后移动时间ΔT。根据时间ΔT与系统相位延迟的关系，相位偏差Δφ用公式表示为：

根据上式可以得到系统的码生成晶体的相位偏差，为了保证系统稳定性，减少系统误差的影响，系统将相位偏差的1/4反馈给码生成晶体的相位补偿环，同时累积相位误差值，直到相位累积值达到某一个比较大的值时，将其转化为频率误差，并将其值反馈给码生成晶体的频率补偿环，这样实现了系统码的同步跟踪。

在进行码的同步跟踪后，为保证系统解调还需要做系统的载波同步跟踪。

载波频率比码的频率高很多，故对载波相位同步相对比码同步困难，但方法与上述码的同步跟踪类似，也可采用科斯塔锁相环等其他锁相跟踪方式。下面介绍的是我们所进行的载波频率跟踪方法。

在上述码的同步跟踪过程中已经实现了相关峰的跟踪，即PN码的相关峰始终在计算的4个码元的PN码之内。

载波不同步所导致的直接结果是相关峰的转动，其相位角为：

φ＝atan2(I_peak，Q_peak)，

其中，I_peak和Q_peak分别为I支路和Q支路相关峰的峰值，atan2表示反正切运算，φ为(Q_peak/Q_peak)的反正切值，其值域为(-π，π)，若φ的结果为正，则表示从I轴逆时针旋转的角度，若φ的结果为负，则表示从I轴顺时针旋转的角度。

因此，若要实现载波同步跟踪，并且相位稳定，就需要相位角φ为一确定的常值φ₀。

载波相位角的差值Δφ＝φ-φ₀，将Δφ/4反馈给载波的相位环，然后根据公式：

φ_sum＝∑Δφ，

计算载波相位角差值之和φ_sum。

再根据公式：

T＝n×T_pn，

计算n个相关峰的时间周期之和T，式中，n为相关峰次数，T_pn为PN码周期。

当φ_sum大于一确定的常值φ₁时，将平均相位角速度差值Δω＝φ_sum/T作为载波频率偏差反馈量写入载波频率跟踪环。

经过对数字信号接收系统的码及载波频率的同步跟踪后，接收系统就可以正确接收及解调其接收到的信源数据。

步骤103，数字信号接收系统解调接收到的数据包，并根据其中的系统时间信息启动接收系统。

在经过步骤102的载波同步和码同步调整后，数字信号接收系统可以接收到卫星转发下来的数据包，并对接收到的数据包进行解调。

解调数据包可得到系统时间信息，数字信号接收系统中的地面增补转发器根据上述系统时间信息设定编码数据的发送时刻，并将编码数据按照设定的发送时刻进行发送，从而实现整个系统的同步。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种地面增补转发器，包括上变频模块、下变频模块、上变频和功率放大模块、以及数据通路模块，其特征在于，还包括同步模块；

所述同步模块包括：

时间同步跟踪模块，用于根据接收到的PN码进行载波频率与码的同步调整，之后解调数据包得到系统时间；

同步发送控制模块，用于将接收到的数据根据系统时间进行定时转发。

2.一种无线数字广播同步的系统，包括数字信号发射系统、卫星、数字信号接收系统，其特征在于，

所述数字信号发射系统向卫星发射包含信源数据、系统时间的数据包，同时叠加发射与系统时间对应的PN码；

所述数字信号接收系统根据卫星转发的PN码进行载波频率与码的同步调整，之后解调数据包得到系统时间，并根据得到的系统时间实现整个系统的时间同步。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述数字信号发射系统设置有：

业务/同步激励器，用于接收信源数据调制器发送来的信源数据，并将信源数据以及生成的系统时间打包，与生成的PN码叠加发送至Ku波段发射机。

4.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述数字信号接收系统中，地面增补转发器接收卫星转发的信源数据、以及PN码，并根据接收到的PN码进行载波频率与码的同步调整，之后解调数据包得到系统时间，并根据所述系统时间设定编码数据的发送时刻，并将编码数据按照设定的发送时刻进行发送。

5.一种无线数字广播同步的方法，其特征在于，步骤包括：

步骤一，数字信号发射系统发射包含信源数据、系统时间的数据包，同时叠加发射与系统时间对应的PN码；

步骤二，数字信号接收系统根据接收到的PN码进行载波频率与码的同步调整，之后解调数据包得到系统时间，并根据得到的系统时间实现整个系统的时间同步。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤一中，系统时间对应于PN码周期的整数倍。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤一中，数字信号发射系统将数据包与PN码按设定的幅度比叠加发射。

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