CN101150575A - 数字卫星传输系统中支持vcm/acm的有效成帧方案 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种使用包括多个帧的数字信号以发送数据的数字通信系统和方法，该多个帧包括第一帧和第二帧，其中该多个帧的每一个都具有一帧结构；并且其中该第一帧包括包含用户数据的多个码字，以及用于设置第二帧的结构的下一帧构成表，并且其中该第二帧具有至少一个码字。

Description

数字卫星传输系统中支持VCM/ACM的有效成帧方案

技术领域

本发明涉及数字卫星通信，并具体涉及一种发送信号的帧设计，以提供对于可变/自适应编码和调制方案的更好的支持。

背景技术

现代数字通信系统的目的在于以高的功率、带宽效率和低成本的硬件实现来将音频/视频信号和数据比特从源发送到目的地，以用于商业竞争。为实现此目的，接收机设计上的主要问题涉及码元时序同步和帧同步。码元时序同步包括在码元级将接收的数据流与发射的数据流同步的处理和方法。帧同步对于以按帧发送数字数据的数字通信来说很关键，其中每帧包括许多数据比特。帧长根据不同系统而变化。每一帧通常包含两个部分：报头和有效载荷。报头通常包括帧同步以及有效载荷的调制类型和编码速率的重要信息。有效载荷通常包含由信道编码保护的实际数据。帧结构设计对于整个系统性能是非常关键的，并可能直接影响产品和运作成本。设计得较好的帧格式可以造就高性能的接收机，能够以低成本和最低开销实现快速帧捕捉、可靠跟踪(时间和频率锁定)，改进以误比特率和/或误帧率表示的系统性能。

在当前的数字卫星通信标准如DVB-S和DVB-S2中，每一帧具有固定数目的码字。由于VCM和ACM两者都支持不同调制方案和前向纠错码(FEC)，编码的码元的数目和/或有效负载的长度随着帧变化。例如，在具有1200个信息比特的系统中，如果这些比特按速率1/2编码，将得到2400个编码的比特。当采用QPSK调制器时，这将等效于1200个QPSK码元，因为每一QPSK码元表示两比特。在8-PSK调制中，这将等效于800个8-PSK码元，因为每一码元表示三比特。此外，对于每一编码速率DVB-S2有两个LDPC码，长的一个具有64800个编码的比特，而短的一个具有16200个编码的比特。因此，根据采用何种调制方案和FEC码，每一帧将具有不同的码元长度/数目。帧长上的这一差别使得接收机设计复杂化，而这通常又由于各种信道失真，如群时延、背景噪声、邻道和/或其它干扰而进一步复杂化。

发明内容

本发明的一个优点在于通过无论采用何种调制方案和/或编码速率，保持帧长固定来消除上述问题。根据本发明的实施例，每一帧以包含被称为唯一字(unique word，UW)的同步波形的报头开始，随后是辅助控制码(ACC)，该码指明当前帧中第一个码字的调制方案和编码速率。除编码的数据码元之外，该第一个码字还可以包含“下一帧构成表(next frame composition table，NFCT)”，以指明下一帧和/或后续帧中某些或全部码字的调制方案和编码速率。一帧中码元的总数或者帧长是固定的。在本发明的实施例中，接收机知道在ACM/VCM模式中UW位置是固定的。因此，能够简化同步控制。

另一优点在于在ACM模式中能够同时处理不同调制和/或编码速率的数据流。在目前的系统，如DVB-S2标准中，不同调制类型的数据被保持在不同队列中。对于任一特定的队列，该队列在其开始发送之前须累积足够的数据以填满一帧。因此，这种队列延迟具有随机性，并根据数据的瞬时到达速率而波动。根据本发明的各种实施例，能够在单个帧中发送不同调制类型和编码速率的数据。尽管通常需累积足够的数据来填满一个码字，但由于该码字的长度要远远短于DVB-S2长码的长度，因而平均队列延迟及其变化的程度将小得多。

另一优点在于，在本发明的各种实施例中，VCM和ACM模式的唯一字位置和帧长与CCM模式的相同，因此VCM模式和ACM模式可与CCM模式兼容。由于CCM模式广泛用在广播服务中，故而这一兼容性允许将VCM和ACM模式方便地集成到现有系统中，而不会导致巨额的设备成本。

另一优点在于，根据本发明的各种实施例，VCM模式具备满足不同链路预算要求的灵活性，而不引起接收机设计上的额外成本。一般的，不同的用户有不同的链路预算要求。设计VCM模式的目的是允许不同用户根据其单独的链路预算要求使用不同调制类型和编码速率。因此，VCM模式提供了比CCM模式更高的灵活性，与之相对的，CCM模式不能随用户而改变调制或编码速率。尽管链路预算要求随用户而变，但是对于每一用户链路预算要求常常是固定的，因此，调制和编码速率也常常是固定的。因而，VCM模式的接收机设计不比CCM模式的更复杂。

根据本发明的实施例，导频码元的数目能够改变帧长。在该实施例中，可以在一帧期间内均匀地插入导频码元。根据在每一导频部分中是否使用了导频码元以及使用了多少导频码元，帧长将相应地变化。根据使用VCM和ACM模式的本发明的另一实施例，在实际传输中使用导频码元的方法通常是固定的，并且将不会逐帧变化。

根据本发明的一个实施例，每一帧具有多个LDPC码字。ACC仅指明在ACM模式中第一个码字的调制和编码速率，其余的码字则由先前帧的第一个码字中的NFCT来指定。

根据本发明的又一实施例，在ACM传输中使用NFCT可以得到较小的传输开销。在DVB-S2中，在报头中被称为MODCOD的特定部分中指明调制和/或编码速率，MODCOD利用里德-穆勒(Reed-Muller)码来编码调制和编码速率信息。每一MODCOD具有64个QPSK码元，用在一起才能指明一个LDPC码字的调制和编码速率。在DVB S2中的ACM模式中，由于MODCOD而引起的传输开销可能非常高，特别是对于如16APSK和32APSK等高阶调制方案以及DVB-S2短码来说更是如此。根据本发明的另一实施例，利用其速率比DVB-S2标准所使用的里德-穆勒码高得多的LDPC码来编码NFCT。举例来说，本发明的各种实施例可以使用1/4速率(DVB-S2中支持的最小编码速率)的LDPC编码器，而DVB-S2中里德-穆勒码的速率是1/16。而且，不同于DVB-S2 MODCOD，该第一个码字能够是任何调制方案，例如，但不限于，QPSK到32APSK，这能够进一步降低传输开销。

根据本发明的实施例，NFCT具有一帧的延迟是因为接收机一般在第一个码字被LDPC解码器解码前不知道该NFCT的内容。通常的，这一帧的延迟对于大多数应用来说是可接受的。例如，由于下雨和/或其他环境状况，信道状况通常缓慢地变化，因而ACM仅需要偶尔改变调制和编码速率。并且，这一帧的延迟与卫星传输延迟相比是可以忽略的，卫星传输延迟由于地球同步轨道的高度常常高达几百毫秒。例如，在30Msps的码元速率和30,000码元的帧长的情况下，一帧延迟仅为大约1ms。

根据本发明的实施例，对于低码元速率，延迟敏感的应用，在ACM模式一帧中的第一个码字的调制和/或编码速率可以被同一帧的ACC覆盖，使得该第一个码字不受一帧延迟的影响。因此，该第一个码字可用来携带延迟敏感的数据，而其它码字可以用于非延迟敏感的数据。

根据本发明的实施例，在数字卫星传输系统中为支持可变/自适应编码和调制(VCM/ACM)方案而采用有效成帧方案。在VCM和ACM模式中，调制和编码速率逐帧改变。该ACM模式使用回传信道基于反馈信息来调节调制和/或编码速率。根据本发明的实施例，因为VCM模式下在一帧内调制/编码格式不改变，因而对其支持更好。

根据本发明的实施例，当采用ACM模式时，NFCT被用在帧的第一个码字中，指明下一帧中全部码字的调制和编码。因此，不同的码字能够使用不同调制类型和编码速率，同时来自所有码字的码元的总数是固定的。

本发明的各种实施例可以包括，使用数字传输的数字通信系统，所述数字传输包括：用于发送数据的多个帧，其中该多个帧的每一个都具有一帧结构；其中每一帧包括帧报头以及多个码字，其中一个码字包含设置下一帧结构的下一帧构成表。

根据本发明的实施例，每一帧中的多个码字包括第一个码字，而该下一帧构成表在该第一个码字中。

根据本发明的实施例，该数字通信系统采用ACM模式。

根据本发明的实施例，该数字通信系统采用VCM模式。

根据本发明的实施例，该下一帧构成表被用来设置下一帧的结构。

根据本发明的实施例，该下一帧构成表定义每帧的码字数目。

根据本发明的实施例，所述多个帧的每一个都包括至少一个码字。

根据本发明的实施例，接收机可以利用该下一帧构成表来确定这些码字何处开始以及何处结束。

根据本发明的实施例，该下一帧构成表定义用于下一帧的码字结构。

根据本发明的实施例，该下一帧构成表定义用于下一帧的填充结构。

根据本发明的实施例，每一帧中的多个码字包括第一个码字，而该下一帧构成表在除该第一个码字外的码字中。

根据本发明的实施例，该系统使用下述调制方案中的至少一种：QPSK、8PSK、16APSK或者32APSK。

根据本发明的实施例，该第二帧的结构包括调制和/或编码格式。

根据本发明的实施例，一帧中第一个码字的调制和/或编码格式可以被该帧报头中的辅助控制码所覆盖。

根据本发明的实施例，该多个帧中至少一个的码字采用不同调制。

根据本发明的实施例，该多个帧中至少一个的码字采用不同的FEC码率。

根据本发明的实施例，该下一帧构成表降低了在系统采用ACM模式时的传输开销。

根据本发明的实施例，延迟敏感数据位于一帧的第一个码字中，而非延迟敏感的数据位于该帧中的其它码字中。

根据本发明的实施例，其中在ACM模式下能够同时发送具有不同调制和编码速率的数据流。

根据本发明的实施例，其中VCM模式和ACM模式下唯一字位置和帧长度与广播服务中通常使用的CCM模式的相同。

根据本发明的实施例，其中VCM模式和ACM模式与广播服务中使用的CCM模式兼容。

根据本发明的实施例，其中对于VCM模式，调制和编码速率对于一帧中所有的码字都是固定的。

根据本发明的实施例，VCM模式能够适应具有不同链路预算要求的不同用户。

本发明的各种实施例包括一种数字通信系统，其中包括：发送数字信号的发射机；以及接收数字信号的接收机；其中该数字信号包括用于发送数据的多个帧，其中该多个帧的每一个都具有一帧结构；并且其中每一帧包括帧报头以及多个码字，其中一个码字包含用来设置下一帧结构的下一帧构成表。

附图说明

图1说明根据本发明实施例发送的帧的示范的具体帧格式。

图2说明根据本发明实施例具有采用多个LDPC码字的有效载荷数据结构的示范帧。

图3说明根据本发明实施例的帧的第一个LPDC码字的示范格式。

图4说明根据本发明实施例的用于其它的LDPC码字的示范格式。

图5说明根据本发明实施例示范的NFCT比特和字节结构。

具体实施方式

根据本发明的实施例，图1说明发送的帧的示范的具体帧格式。该帧格式以X-码元的UW码型(pattern)开始，随后是Y码元的ACC，以及由m个均匀分布的导频部分所分开的m+1段的编码的数据(或有效载荷数据)。该UW被设计用以获得改进的相关特性，用于更快的捕捉。示范的UW可以包含关于帧结构的具体信息。

根据本发明的又一实施例，每一帧中有效载荷段的数目(m+1)由按码元计的帧长度和两个连续的段之间的距离确定，这可以出于以最低开销提供可靠同步的目的而进行设计。对于信道状况恶劣并采用高维调制的系统，需要使用更多的导频。此外，每一导频段的大小也是可调节的。根据本发明的实施例，在某些情况中可以使用没有导频码元的帧以获得最小开销。在此情况下，通常使用低的调制维数，而信道通常处于良好的状况。根据本发明的各种实施例，所使用的导频码元的数目可以根据最坏信道状况和/或最常用的调制和/或编码速率来确定；它们也可以设计用于不逐帧变化的场合。

如图2中所示，在本发明的各种实施例中，在每一帧中分配整数个LDPC码字作为有效载荷数据。这一设计保证了简单的解码器逻辑，其中解码器不需要跨帧边界解码有效载荷。

此外，码字自身可以具有恒定比特长度以简化解码实现。另外，每一码字可以具有不同的调制类型和/或编码速率以支持ACM模式。帧中码字的数目可以取决于调制维数。较高的调制维数可以导致一帧中有更多的码字。

表1提供帧资源的示范分配。在某些实施例中，用户数据可以是不连续的；因此，也可以使用该表中所定义的格式之外的格式。从而，在一帧的末端可能有某些未使用的码元，这可以被定义为虚码元(dummy symbol)，并可以按照全零或全一的比特模式来调制。

表1关于各种调制维数的码字分配

		组合索引
																1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
		调制维数	2	4				3	2	2	2	1	1	1
3																6				3				3		3	3
			4			8		2		4		6	2	2	4															4
5																		10				5			5		5	5

根据本发明的各种实施例，码字可以由信息比特和包括CRC错误校验字段和/或LDPC错误校正字段的FEC奇偶校验字节构成。但并不是所有码字都需要设计成相同的。根据本发明的实施例，在每一帧内，第一个码字(如图3中所示)与其它码字(如图4中所示)的不同之处在于其包含用于另一帧的报头信息。最初的三个字段NBYTES、FBYTES和PSTART可以由所有的工作模式使用。示出的其它字段，LBYTES、PBYTES以及NFCT通常在传送流中不使用。根据本发明的实施例，在典型的流中，仅在ACM模式中使用NFCT。

根据本发明的各种实施例，该NFCT被设计用于ACM应用，其中就调制类型和/或编码速率而言在一帧中每一码字可以独立于其它码字。NFCT定义了当前帧的后续帧的构成。示范的NFCT可以跟随在PBYTES之后，并可以具有表2中所示的句法(syntax)。表2中也示出了相应的示范比特和字节位置。

表2  NFCT定义

句法	比特数目
			保留	信息
	Next_Frame_Composition_Table(){
Codeword_count_in_ next_frame				4
		4
For(i＝0；i＜＝codeword_count_in_next_frame；i++){
	Status				1
Modulation				2
	Code_rate				4
Padding_in_bytes				16
		1
}
	}

表2中所使用的术语可以具有如下的含义：

Codeword_count_in_next_frame：这是一4比特字段，表示下一帧的LDPC码字数减一。码字索引i可以从0开始到Codeword_count_in_next_frame≥0。因此，在该实施例中，一帧中总是发送至少一个码字，即，确保发送每一帧的第一个码字。

Status：1比特，表示码字状态。1＝有效载荷，0＝无有效载荷数据或空码字(填充零)。当该比特为0时，可以不需要解调和/或解码该码字。

Modulation：2比特，表示调制方案。

Code_rate：4比特，表示编码速率。

Padding_in_bytes：以字节数表示的在特定码字中填充的零。要以零填充的字节数由下式给出：

$N_{\mathrm{zero}\_\mathrm{pad}}=\underset{i=0}{\overset{10}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i\·2^i,$

其中b₁₅到b₁₁被保留，而b₀表示这16个比特的LSB。

应当理解，某些字段对于不同的应用可以具有不同的比特宽度。

还应当理解，当不使用NFCT时，例如在CCM或VCM模式下，在这两种模式下帧中所有的码字必须使用由ACC指定的相同的调制和FEC编码速率。

已出于解释和说明的目的给出了本发明优选实施例的前述说明；其意图不是穷举或将本发明严格地限制于所公开的形式。根据上述教导各种修改和变化都是可能的。因此，本发明的范围并不受该具体说明的限制，而是由本发明的权利要求来限定。

Claims (29)

1.一种使用数字传输的数字通信系统，所述数字传输包括：

用于发送数据的多个帧，其中包括第一帧和第二帧，其中该多个帧的每一个都具有一帧结构；

其中该第一帧包括，

包含用户数据的多个码字，以及

用于设置第二帧的结构的下一帧构成表，以及

其中该第二帧包括至少一个码字。

2.如权利要求1所述的数字通信系统，其中，该第一帧进一步包括报头，而该下一帧构成表在该报头中。

3.如权利要求1所述的数字通信系统，其中，该第一帧中的多个码字包括第一个码字，而该下一帧构成表在第一个码字中。

4.如权利要求1所述的数字通信系统，其中，该数字通信系统采用ACM模式。

5.如权利要求1所述的数字通信系统，其中，该数字通信系统采用VCM模式。

6.如权利要求1所述的数字通信系统，其中，该下一帧构成表被用来设置除第一帧之外的每一帧的结构。

7.如权利要求1所述的数字通信系统，其中，该下一帧构成表定义每帧的码字数目。

8.如权利要求1所述的数字通信系统，其中，该多个帧的每一个包括至少一个码字。

9.如权利要求1所述的数字通信系统，其中，该下一帧构成表用于确定码字何处开始以及何处结束。

10.如权利要求1所述的数字通信系统，其中，该下一帧构成表定义码字的结构。

11.如权利要求1所述的数字通信系统，其中，该下一帧构成表定义至少一帧的填充结构。

12.如权利要求1所述的数字通信系统，其中，该第一帧的多个码字包括第一个码字，而该下一帧构成表在除第一个码字外的码字中。

13.如权利要求1所述的数字通信系统，其中，该系统采用下述调制类型QPSK、8PSK、16APSK或者32APSK中的至少一种。

14.如权利要求1所述的数字通信系统，其中，该第二帧的结构包括调制和/或编码格式。

15.如权利要求14所述的数字通信系统，其中，一帧中第一个码字的调制和/或编码格式被辅助控制码所覆盖。

16.如权利要求1所述的数字通信系统，其中，该多个帧的至少一个中的码字采用不同的调制。

17.如权利要求1所述的数字通信系统，其中，该多个帧的至少一个中的码字采用不同的FEC编码速率。

18.如权利要求1所述的数字通信系统，其中，该下一帧构成表降低了系统在采用ACM模式时的传输开销。

19.如权利要求1所述的数字通信系统，其中，对延迟敏感的数据位于第一帧的第一码字中，而非延迟敏感的数据位于第一帧中多个码字的至少一个其它码字中。

20.如权利要求1所述的数字通信系统，其中，在ACM模式中同时发送不同调制和编码速率的数据流。

21.如权利要求1所述的数字通信系统，其中，在VCM模式和ACM模式中的唯一字位置和帧长度与CCM模式的相同。

22.如权利要求20所述的数字通信系统，其中，VCM模式和ACM模式与CCM模式兼容。

23.如权利要求1所述的数字通信系统，其中，对于VCM模式，调制和编码速率对于每一帧中所有的码字都是固定的。

24.如权利要求1所述的数字通信系统，其中，VCM模式能够适应具有不同链路预算要求的不同用户。

25.一种数字通信方法，包括：

发送数字信号；以及

接收数字信号；

其中该数字信号包括，

用于发送数据的多个帧，其包括第一帧和第二帧，其中该多个帧的每一个都具有一帧结构；并且

其中该第一帧包括，

包含用户数据的多个码字，以及

用来设置第二帧的结构的下一帧构成表，以及

其中该第二帧包括至少一个码字。

26.一种数字通信系统，其包括：

发送数字信号的发射机；以及

接收数字信号的接收机；

其中该数字信号包括，

用于发送数据的多个帧，其包括第一帧和第二帧，其中该多个帧的每一帧具有一帧结构；并且

其中该第一帧包括，

包含用户数据的多个码字，以及

用来设置第二帧的结构的下一帧构成表，以及

其中该第二帧包括至少一个码字。

27.一种采用数字传输的数字通信系统，所述数字传输包括：

用于发送数据的多个帧，其中该多个帧的每一帧具有一帧结构，该帧结构包括：

帧报头，以及

多个码字，其中之一包括用于设置下一帧帧结构的下一帧构成表。

28.一种数字通信方法，包括：

发送数字信号；以及

接收数字信号；

其中该数字信号包括，

用于发送数据的多个帧，其中该多个帧的每一个都具有一帧结构；并且

其中该多个帧的每一个包括，

帧报头，以及

包含用户数据的多个码字，其中这些码字的至少一个包括用于设置下一帧帧结构的下一帧构成表。

29.一种数字通信系统，包括：

发送数字信号的发射机；以及

接收数字信号的接收机；

其中该数字信号包括，

用于发送数据的多个帧，其中该多个帧的每一帧具有一帧结构；并且

其中该多个帧的每一个包括，

帧报头，以及

包含用户数据的多个码字，其中这些码字的至少一个包括用于设置下一帧帧结构的下一帧构成表。

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