CN101217628A - 一种多天线地面数字电视接收机的分集合并装置和其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多天线地面数字电视接收机的分集合并装置和其方法。本发明利用多个相互独立的接收天线单元、多个基带信号处理单元以及多个信道估计器，得到多个接收信号；通过分集合并技术，对这些接收信号进行合并；然后对合并后的接收信号进行与发射端相对应的解映射、解交织、信道解码以及解扰码，得到TS流。本发明的主要优点在于：在现有地面数字电视传输系统的框架下，通过分集合并来提高接收信号的质量，其装置实现简单，并具有一定的自适应性，适用于多载波和单载波模式，适用于多频网和单频网环境，适用于固定接收和移动接收。

Description

一种多天线地面数字电视接收机的分集合并装置和其方法

技术领域

本发明属于数字通信接收技术领域，具体涉及地面数字电视传输系统中的接收技术，特别是一种多天线地面数字电视接收机的分集合并装置和其方法。

背景技术

地面数字电视广播系统作为广播电视系统中的主要组成，与卫星数字电视广播系统以及有线数字电视广播系统以及其他辅助系统构成了我国广播综合覆盖网。地面数字电视地面广播传输系统不仅具有支持传统数字电视广播服务的基本功能，而且还具备了适应广播电视服务的可扩展功能，即支持固定(包括室内以及室外)接收和移动接收两种模式。固定接收模式中，可提供标准清晰度数字电视业务、高清晰度数字电视业务、数字声音广播业务、多媒体广播以及数据服务业务等。移动接收模式中，可提供标准清晰度数字电视业务、数字声音广播业务、多媒体广播以及数据服务业务等。多业务的混合模式，以及组网环境的多样性，地面数字电视广播系统具备业务特性与传输模式的高度匹配性和灵活性。

通常的地面数字电视接收机采用了均衡技术用来对抗数字电视信号在传输过程中经历的时变衰落以及多径干扰问题。然而当环境变得恶劣时，已有的接收技术无法提高接收信号的质量，因此造成电视信号的严重失真。

分集接收技术，是通过增加接收信号的多个副本，从这些副本中提取与发射信号相关的有用信息，从而最大程度的正确恢复发射信号。由于这些副本经历的信道传输特性不同，分集接收技术充分利用这一点，从而在即使信道恶劣的情况下依然能保证接收信号的正常质量。

现有技术的文献检索的结果中，中国专利“数字电视单频网的分集接收终端及接收方法”(申请号为200710041714.7)，如图1所示。该专利虽然同属于分集接收技术领域，但是其主要发明点在于只用分集选择的方式来实现分集接收。具体实现细节为n路射频信号经过n个定向天线A的接收，以及n个数字电视接收部件B的解调处理，然后经过信号对齐部件C，形成n路对齐后的TS流，如该专利中所述，由分集方式选择开关F决定选择何种分集指示信号E，可以是信噪比、误比特率或RS错误指示等，根据选择的分集指示信号E，分集选择部件D从n路中选择出一路正确信号。采用这种分集选择，该专利可以在一定条件下增强接收信号，然而该专利只选择一路接收信号，摒弃了其他几路接收信号，因而浪费掉了这几路信号所携带的有用信息，其分集效果没有采用最大比合并等分集合并技术的分集效果好；该专利所需的各路分集指示信号，通常需要一定时间进行运算才能得到，如信噪比、误码率，是一个统计平均的过程，需要一段时间后才能开始工作，因而带来一定的延时性，在时变性很强的信道情况下，往往也是在分集最有效的情况下，该专利提出的这种分集技术带来的增益受到了极大的限制；该专利的分集选择，是在判决后进行，即在解调后进行，因而相比于判决前进行的分集技术，无法克服判决误差带来的系统性能下降；另外，同样是判决后进行分集，涉及到解映射、信道解码、解交织等与解调相关的功能模块，要在数字电视接收部件B中重复n次，而判决前进行的分集技术只需要一个与解调相关的功能模块，因此该专利的硬件较为复杂且效率较低；该专利只涉及单频网的地面数字电视传输系统的应用。

发明内容

本发明的目的是通过提供一个多天线地面数字电视接收机的分集合并装置和其方法，提高地面数字电视接收信号的质量，尤其是在移动接收的模式下接收信号的质量有着显著提高。该装置和其方法适用于地面数字电视传输的多载波和单载波模式，也适用于单频网和多频网的地面数字电视传输系统。

本发明提供的分集合并装置和其方法中，地面数字电视接收机具有多个相互独立的天线单元以及多个相互独立的基带信号处理单元和多个相互独立的信道估计器，接收机将各路天线接收的信号，经过各路对应的基带处理单元以及信道估计器后，根据不同的分集合并技术，进行加权相加得到分集合并后的信号，从而提供给接收机后端的解映射、解交织以及信道解码模块来恢复出发送数据流。

对于n(n＞1)个天线的地面数字电视接收系统，其第i个天线接收机的基带信号处理后，得到的接收符号表示为Yi，其对应的信道传输函数可表示为Hi，经过信道估计后得到对应的估计值

其分集合并的加权系数表示为Wi，因此经过分集合并后的输出符号可以表示为 $\tilde{X}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{WiYi}.$ 分集合并后的输出信号经过解映射、解交织、信道解码以及解扰码，从而形成最终的接收传输流(Transport stream，简称TS)。其中，用于分集合并的加权系数Wi，通常基于信道估计的结果

取决于不同的分集合并技术，包括最大比合并、等增益合并、最小均方误差、最优合并等。

名词解释：

最大比合并(Maximum Ratio Combining，简称为MRC)，是对于高斯白噪声信道最合适的分集合并技术，其加权系数Wi是信道估计值

的共轭复数。

等增益合并(Equal Gain Combing，简称为EGC)，其加权系数Wi是1，即多个接收符号Yi直接相加。

最小均方误差(Minimum Mean Square Error，简称为MMSE)，适用于存在信道间干扰的情况，其加权系数 $\mathrm{Wi}={\left({\widetilde{\mathrm{Hi}}\widetilde{\mathrm{Hi}}}^{*}\right)}^{-1}{\widetilde{\mathrm{Hi}}}^{*},$ 其中()^-1，对于单载波为取倒数运算，对于多载波为矩阵求逆运算；()^*为共轭运算。

最优合并，即Wiener滤波，同样适用于存在多径干扰的环境。

所述的多天线地面数字电视接收机的分集合并装置，接收天线的个数至少为两个，即接收天线单元的个数n为大于1的自然数；天线个数越多，分集合并后的信号质量越高，但相应的接收机的复杂度越高。通常情况下，具有两个接收天线的分集合并信号就已经能满足要求。

所述的多个相互独立的接收天线单元，为了保证天线之间的非相关性，其天线之间的距离大于对应载波波长的一半。

所述的多个基带信号处理单元，其个数与天线单元的个数一致，完成时钟恢复、同步等功能，当发送模式选用多载波模式时，由于发射端在射频发射前进行了快速傅里叶的逆变换，所以该处理单元还要完成与发射端相对应的快速傅里叶变换(Fast Fourier transforms，简称为FFT)。

所述的多个信道估计器，是利用接收机已知的伪随机(Pseudo-random Noise，简称为PN)码，对当前信道传输函数进行估计。

所述的分集合并技术，包括但不限于：最大比合并法、等增益合并法、最小均方误差法、最优合并法。不同的分集合并技术，体现在各路接收信号的加权系数不同。

所述的分集合并后的信号，是对各路接收信号经过加权后进行相加得到的。

本发明提供的一种多天线地面数字电视接收机的分集合并装置，由n个接收天线单元、n个基带信号处理单元、n个信道估计器、一个合并器以及一个解码器组成，其中n为大于1的自然数，其连接关系为n个接收天线单元分别连接各路对应的基带信号处理单元，n个基带信号处理单元分别连接到对应的信道估计器，n个基带信号处理单元以及对应的信道估计器均连接到一个合并器，该合并器连接到一个解码器，由该解码器输出最终的TS流。

本发明提供的一种多天线地面数字电视接收机的分集合并方法，其步骤为：

第一步：n个接收天线单元收到的信号，经过射频到基带的转换，形成各路的基带信号；

第二步：进行各路的基带信号处理，包括时钟恢复、同步等，当多载波模式时，还包括快速傅里叶变换的处理；处理后的各路基带信号包括PN码部分和数据部分，存储各路基带信号中的数据部分；

第三步：利用各路基带信号中的PN码部分，进行信道估计；

第四步：利用第三步得到的各路信道估计值，根据所选定的分集合并技术，确定各路加权系数；

第五步：利用第四步得到的各路加权系数，对第二步存储的各路基带信号中的数据部分进行加权；

第六步：将第五步得到的各路加权后的信号进行相加得到分集合并后的信号；

第七步：将分集合并后的信号进行解映射、解交织、信道解码以及解扰码后，得到TS流。

本发明的优点在于：

(1)本发明适用于单载波和多载波的地面数字电视传输模式；

(2)本发明适用于单频网和多频网的地面数字电视传输系统；其中，移动接收比固定接收的分集增益更显著，非视距(Non Light of Sight，简称为NLOS)接收比视距(Light of Sight，简称为LOS)接收的分集增益更显著；

(3)本发明采用分集合并，如最大比合并、等增益合并等，由于分集合并的增益要比分集选择的增益更明显，因此本发明要比与分集接收相关的现有技术更为有效；

(4)本发明是一种在现有地面数字电视传输系统的框架下，通过分集合并来提高接收信号质量的装置和其方法，实现简单，不依赖于任何分集指示信号，因而具有一定的自适应性，可以自适应于时变信道，实时地对各路信号进行检测，完成分集合并；

(5)本发明是基于判决前进行的，相比于基于判决后进行的现有技术，本发明不仅节省了与解调相关的功能模块，还可以避免因判决误差带来的误差扩散效应，理论推导以及实验结果已证明，越接近接收机前端进行分集合并，其分集合并的增益越大。

附图说明

图1为本发明中涉及的现有专利中的技术框图；

图2为本发明中多天线地面数字电视接收机的分集合并装置框图；

图3为本发明中合并器框图；

图4为本发明中多天线地面数字电视接收机的分集合并方法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图2所示，本发明中多天线地面数字电视接收机的分集合并装置，由n个接收天线单元1-1到1-n，n个基带信号处理单元2-1到2-n，n个信道估计器3-1到3-n，一个合并器4以及一个解码器5组成。具体实现的细节为：接收天线单元1-1的输出连接到基带信号处理单元2-1，基带信号处理单元2-1的输出连接到信道估计器3-1，同时基带信号处理单元2-1的输出还连接到合并器4的输入之一，信道估计器3-1的输出连接到合并器4的输入之一；对于其他路独立单元具有类似的连接顺序，即：接收天线单元1-n的输出连接到基带信号处理单元2-n，基带信号处理单元2-n的输出连接到信道估计器3-n，同时基带信号处理单元2-n的输出还连接到合并器4的输入之一，信道估计器3-n的输出连接到合并器4的输入之一；合并器4的输出连接到解码器5的输入，解码器5输出为TS流。

其中，接收天线单元1-1到1-n，将接收到的射频信号转换到基带信号；基带信号处理单元2-1到2-n，完成基带信号的时钟恢复、同步等功能，当发送模式选用多载波模式时，还进行FFT运算；信道估计器3-1到3-n，完成对当前信道传输函数进行估计的功能；合并器4，实现将各路信号按照所选定的分集合并技术，进行加权相加的功能。

如图3所示，本发明中合并器4，由加权系数运算器40-1到40-n、乘法器41-1到41-n、加法器42组成。所述的合并器，实现将各路接收信号按照所选定的分集合并技术相对应的加权系数W1至Wn，进行加权相加的功能。

具体实现的细节为：信道估计器3-1的输出

连接到加权系数运算器40-1，加权系数运算器40-1的输出W1连接到乘法器41-1的一个输入，基带信号处理单元2-1的输出Y1连接到乘法器41-1的另一个输入；对于其他路独立单元具有相同的连接顺序，即信道估计器3-n的输出

连接到加权系数运算器40-n，加权系数运算器40-n的输出Wn连接到乘法器41-n的一个输入，基带信号处理单元2-n的输出Yn连接到乘法器41-n的另一个输入；乘法器41-1到41-n的输出连接到加法器42的输入，加法器42的输出

作为合并器4的输出。

其中，加权系数运算器40-1到40-n，完成根据所选定的分集合并技术，求出对应的加权系数。

如图4所示，本发明中多天线地面数字电视接收机的分集合并方法，其具体实现步骤为：

第一步：多个接收天线单元1-1至1-n收到的信号，经过射频到基带的转换，形成各路的基带信号；

第二步：进行各路的基带信号处理，包括时钟恢复、同步等，当多载波模式时，还包括快速傅里叶变换的处理；处理后的各路基带信号包括PN码部分和数据部分Y1至Yn，存储各路基带信号中的数据部分Y1至Yn；

第三步：利用各路基带信号中的PN码部分，进行信道估计；

第四步：利用第三步得到的各路信道估计值

至

根据所选定的分集合并技术，确定各路加权系数W1至Wn；

第五步：利用第四步得到的各路加权系数W1至Wn，对第二步存储的各路基带信号中的数据部分Y1至Yn进行加权；

第六步：将第五步得到的各路加权后的信号进行相加得到分集合并后的信号

第七步：将分集合并后的信号

进行解映射、解交织、信道解码以及解扰码后，得到TS流。

所述的分集合并技术，包括但不限于：最大比合并法、等增益合并法、最小均方误差法、最优合并法。

以最大比合并法为实施例，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

Y1和Yn分别为第一路和第n路的基带信号数据部分，

和

分别为第一路和第n路的基带信号PN码部分。根据最大比合并法，各路的加权系数可以表示为：

$\left\{\begin{array}{c}W1={\widetilde{H1}}^{*}\\ .\\ .\\ .\\ \mathrm{Wn}={\widetilde{\mathrm{Hn}}}^{*}\end{array}\right.$

其中()^*表示共轭复数运算。

因此，分集合并后的信号可以表示为：

$\tilde{X}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{WiYi}$

分集合并后的信号

再通过解码器5进行解映射、解交织、信道解码以及解扰码后，得到最终的TS流。

Claims (11)

1.一种多天线地面数字电视接收机的分集合并装置，其特征在于：

该装置由n个接收天线单元、n个基带信号处理单元、n个信道估计器、一个合并器以及一个解码器组成；其连接关系为：n个接收天线单元(1-1至1-n)的输出分别连接到各路对应的基带信号处理单元(2-1至2-n)，n个基带信号处理单元(2-1至2-n)的输出分别连接到对应的信道估计器(3-1至3-n)，n个基带信号处理单元(2-1至2-n)的输出及其对应的信道估计器(3-1至3-n)的输出均连接到一个合并器(4)，该合并器(4)的输出连接到一个解码器(5)，该解码器(5)输出作为最终的TS流。

2.根据权利要求1所述的一种多天线地面数字电视接收机的分集合并装置，其特征在于：

所述的n个接收天线单元(1-1至1-n)，彼此间相互独立，即n个接收天线单元(1-1至1-n)中天线之间的距离大于对应载波波长的一半。

3.根据权利要求1或2所述的一种多天线地面数字电视接收机的分集合并装置，其特征在于：

所述的n个接收天线单元(1-1至1-n)，其个数至少为两个，即n为大于1的自然数。

4.根据权利要求1所述的一种多天线地面数字电视接收机的分集合并装置，其特征在于：

所述的n个基带信号处理单元(2-1至2-n)，当发送模式选用多载波模式时，还包括快速傅里叶变换模块。

5.根据权利要求1或4所述的一种多天线地面数字电视接收机的分集合并装置，其特征在于：

所述的n个基带信号处理单元(2-1至2-n)，其个数与所述的接收天线单元(1-1至1-n)的个数一致。

6.根据权利要求1所述的一种多天线地面数字电视接收机的分集合并装置，其特征在于：

所述的n个信道估计器(3-1至3-n)，其个数与所述的接收天线单元(1-1至1-n)的个数一致。

7.根据权利要求1所述的一种多天线地面数字电视接收机的分集合并装置，其特征在于：

所述的合并器(4)，由n个加权系数运算器(40-1至40-n)、n个乘法器(41-1至41-n)和一个加法器(42)组成，其连接关系为：信道估计值(

至)分别连接到对应的加权系数运算器(40-1至40-n)，n个加权系数运算器(40-1至40-n)输出各路加权系数(W1至Wn)，并分别连接到对应的乘法器(41-1至41-n)的一个输入端，存储的各路基带信号中的数据部分(Y1至Yn)分别连接到对应的乘法器(41-1至41-n)的另一个输入端，n个乘法器(41-1至41-n)的输出均连接到加法器(42)，加法器(42)输出的分集合并后的信号

作为合并器(4)的输出。

8.根据权利要求1或7所述的一种多天线地面数字电视接收机的分集合并装置，其特征在于：

所述的加权系数运算器(40-1至40-n)的个数，以及所述的乘法器(41-1至41-n)的个数，均与所述的接收天线单元(1-1至1-n)的个数一致。

9.应用权利要求1所述装置的一种多天线地面数字电视接收机的分集合并方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

第一步：n个接收天线单元(1-1至1-n)收到的信号，经过射频到基带的转换，形成各路的基带信号；

第二步：进行各路的基带信号处理，包括时钟恢复、同步等，当多载波模式时，还包括快速傅里叶变换的处理；处理后的各路基带信号包括PN码部分和数据部分(Y1至Yn)，存储各路基带信号中的数据部分(Y1至Yn)；

第三步：利用各路基带信号中的PN码部分，进行信道估计；

第四步：利用第三步得到的各路信道估计值(

至

)，根据所选定的分集合并技术，确定各路加权系数(W1至Wn)；

第五步：利用第四步得到的各路加权系数(W1至Wn)，对第二步存储的各路基带信号中的数据部分(Y1至Yn)进行加权；

第六步：将第五步得到的各路加权后的信号进行相加得到分集合并后的信号

第七步：将分集合并后的信号

进行解映射、解交织、信道解码以及解扰码后，得到TS流。

10.根据权利要求9所述的一种多天线地面数字电视接收机的分集合并方法，其特征在于：

所述的分集合并技术，包括但不限于：最大比合并法、等增益合并法、最小均方误差法、最优合并法。

11.根据权利要求9所述的一种多天线地面数字电视接收机的分集合并方法，其特征在于：

所述的分集合并后的信号，是对各路接收信号经过加权后，再进行相加得到的。

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