CN101431499B

CN101431499B - 一种抗干扰数字电视地面广播发射机空频调制方法

Info

Publication number: CN101431499B
Application number: CN2008102282755A
Authority: CN
Inventors: 郑紫微; 徐铁峰; 聂秋华; 何加铭
Original assignee: Ningbo University
Current assignee: Ningbo University
Priority date: 2008-10-27
Filing date: 2008-10-27
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2028-10-27
Also published as: CN101431499A

Abstract

本发明公开了一种基于嵌入训练序列和LDPC编码的数字电视地面广播发射机空频调制方法，它包括：1)将输入比特流经LDPC编码在频域上形成编码数据块；2)采用空频编码器调制并调整时间同步；3)经IFFT将空频调制后数据块变换为时域离散数据样值块；4)将训练序列作实部序列、将业务指标序列作虚部序列，构成复数训练序列离散样值块；5)将复数训练序列连续重复4次形成时域嵌入训练序列离散样值块；6)将空频调制时域离散数据样值块、时域嵌入训练序列离散样值块直接叠加形成空频调制时域嵌入训练序列数据块；7)插入循环前缀作保护间隔形成信号帧；8)用平方根升余弦滚降滤波器对信号帧脉冲成形；9)将基带上变频至载波。

Description

一种抗干扰数字电视地面广播发射机空频调制方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，更具体地涉及一种基于嵌入训练序列和LDPC编码(低密度奇偶校验码，Low Density Parity Check，LDPC)的数字电视地面广播发射机空频调制方法。

背景技术

目前，地面电视广播已从模拟逐渐向数字化方向发展。数字电视地面广播传输系统，作为数字电视地面广播的重要组成部分，其相关技术的发展，与人们的生活质量息息相关，并因此受到了人们格外的广泛关注。数字电视地面广播相关技术及其相关产业是通信与计算机领域内发展较快，市场前景较好的产业。在数字电视地面广播相关技术上，目前各国关注的重点是，如何为复杂波传环境下的数字电视地面广播提供低成本的可靠高速移动的实现方案。数字电视地面广播发射机调制技术是数字电视地面广播系统的关键技术，对于整个系统性能起着决定性的作用，是大家重点研究的对象。

由于数字信号处理技术和集成电路技术的飞速发展，正交频分复用(OFDM)技术的系统实现变得越来越容易。因OFDM多载波传输技术具有结构简单，频谱利用率高，可以抗频率选择性和信道时变等诸多优点而倍受大家的关注并得到深入的研究和在Xdsl、宽带移动通信、宽带无线局域网、数字电视地面广播等诸多领域中的广泛应用。

信道编码是数字通信系统的重要组成部分。随着现代信息技术的飞速发展，信道编码技术已成为现代通信领域不可或缺的技术。在信息序列中嵌入冗余码元，信道编码技术通过冗余码元的作用减小信号在传输过程中发生错误，从而提高通信系统的可靠性。

自Shannon提出了著名的信道编码定理以来，学者们一直致力于构造纠错能力接近理论极限且编码复杂度可接受的信道编码方法。在1993年，Berrou等人提出了Turbo码，其优越的性能震惊了编码界，很快就成为了编码界的研究热点。正是随着Turbo码的不断深入研究，人们才发现Turbo码与1962年Gallager提出的低密度奇偶校验码(Low Density Parity Check，LDPC)有许多相似之处，两者在编码端都采用随机编码的方式，在译码端都采用迭代译码方式。Gallager当时之所以没有发现LDPC码的这一特性，主要原因在于当时计算机的仿真能力有限，无法对码字较长的LDPC码进行仿真实现，由于当时硬件水平的限制使得学术界认为LDPC码译码算法过于复杂而难以在实际系统中被应用并因此一度被忽视。直到1996年，MacKay和Neal证明采用BP迭代译码算法时LDPC码具有逼近Shannon限的性能，从此使得LDPC编码的研究和应用跨入了一个新的阶段。LDPC码是一种用于在噪声传输信道中传输信息并执行前向纠错(FEC，ForwardError Correction)的纠错码。LDPC码字可以看成是一种具有二进制奇偶校验矩阵的码，而奇偶校验矩阵的元素几乎都为零。尽管LDPC编码和其他纠错编码并不能保证无误传输，但损失信息的概率却可以降到所需的程度。LDPC编码是一种能使数据传输速率接近理论最大值，即香农极限的编码方案。在LDPC编码刚被发现的时候，在大多数情况下由于算法和编码器的计算量过大而无法实际应用，因而没有得到广泛使用。然而，自从1996年LDPC码被重新认识之后，已在通信系统中得到广泛应用，比如：IEEE802.16e标准、IEEE802.11n标准等中都考虑了采用LDPC码作为信道编码的应用。

在实际通信环境中，数字电视地面广播通信系统性能受到同步时间、时钟抖动、信道衰落、信道干扰等因素的影响。发射机调制方法是实现可靠数字电视地面广播的关键技术。

多天线通信系统使用多个(N_t个)发射天线以及一个或多个(N_r个)接收天线进行数据传输，它通过将N_t个发射天线发送不同的数据来提高系统吞吐率或者通过冗余地发送数据来改善通信的可靠性。发射分集利用在空间、频率、时间或者这些维度的组合上进行数据的冗余传输，通过在发射机和接收机处的简单发射分集处理，可以改善通信系统数据传输的可靠性从而使得通信系统获得较强的性能。同时，采用单频网的组网模式(即，若干个发射台同一时间在同一个频率上发射同样的信号以实现对一定服务区域的可靠覆盖)可以大大提高数字电视地面广播传输系统的频谱利用率。

利用数字电视地面广播传输系统提供无偿电视广播、有偿电视广播、保密信息传输、多媒体增值服务等可控制多业务是新一代数字电视地面广播传输系统满足社会需求的体现。

正是基于以上背景，本发明针对实际通信环境提出一种基于嵌入训练序列和LDPC编码的数字电视地面广播发射机空频调制方法，可以满足单频网高数据率可控制多业务数字电视地面广播传输的需要。

欲对专利背景作更深入的了解可参考以下文献资料：

L.J.Cimini，“Analysis and simulation of a digital mobilechannel using orthogonal frequency division multiplexing，”IEEETrans.Commun.，vol.COM-33，pp.665-675，July1985.

R.V.Nee，R.Prasad.“OFDM forwireless multimediacommunications”.Boston：Artech House，2000.

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Y.Wu，S.Hirakawa，U.H.Reimers，and J.Whitaker.“Overviewof digital television development，”Proceedings of the IEEE，Special Issue on Global Digital Television：Technology andEmerging Services，pp.8-21，Jan.2006.

R.G.Gallager，“Low-density parity-check codes，”IRE Trans.Inf.Theory，vol.IT-8，no.1，pp.21-28，Jan.1962.

D.J.C.MacKay，“Gooderror-correctingcodesbasedonverysparse matrices，”IEEE Trans.Inf.Theory，vol.45，no.2，pp.399-431，Mar.1999.

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D.J.C.MacKay and R.M.Neal，“Near Shannon limit performance of low density parity check codes，”IEE Electron.Lett.，vol.32，no.18，pp.1645-1646，Aug.1996.

M.P.C.Fossorier，“Quasi-cyclic low density parity check codesfrom circulant permutation matrices，”IEEE Trans.Inform.Theory，vol.50，pp.1788-1794，Aug.2004.

T.Richardson，A.Shokrollahi，and R.Urbanke，“Design ofcapacity approaching low density parity check codes，”IEEE Trans.Inf.Theory，vol.47，no.2，pp.619-637，Feb.2001.

H.Tang，J.Xu，Y.Kou，S.Lin，and K.Abdel-Ghaffar，“0nalgebraic construction of Gallager and circulant low densityparity check codes，”IEEE Trans.Inf.Theory，vol.50，no.6，pp.1269-1279，Jun.2004.

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发明内容

本发明针对单频网中的高数据率数字电视地面广播问题，提出了一种基于嵌入训练序列和LDPC编码(低密度奇偶校验码，Low Density Parity Check，LDPC)的数字电视地面广播发射机空频调制方法。

本发明提出的一种基于嵌入训练序列和LDPC编码的数字电视地面广播发射机空频调制方法，其特征在于它包括下列步骤：

1)单频网的网络数据管理器将输入数据比特流经LDPC编码在频域上形成FFT编码数据块(FFT编码数据块的长度(符号个数)为K)；

2)单频网的网络数据管理器采用码率为1的空频编码器将在频域上形成的FFT编码数据块调制至单频网中的各个数字电视地面广播发射机支路上形成空频调制FFT编码数据块(空频调制FFT编码数据块的长度(符号个数)为K)，并调整各个数字电视地面广播发射机支路的时间同步以保证网络中的所有发射机都在同一时间对空频调制FFT编码数据块进行处理；

3)单频网中的各个数字电视地面广播发射机采用IFFT(快速离散傅立叶反变换)将空频调制FFT编码数据块变换为空频调制时域离散编码数据样值块；

4)单频网中的各个数字电视地面广播发射机将训练序列作为复数训练序列的实部序列、将业务指标序列作为复数训练序列的虚部序列，在时域上构成复数训练序列的离散样值块(训练序列、业务指标序列、复数训练序列的离散样值块的长度都为X)；

5)单频网中的各个数字电视地面广播发射机将在时域上构成的复数训练序列的离散样值块在时域上连续重复4次形成时域嵌入训练序列离散样值块(时域嵌入训练序列离散样值块的长度为K，K＝4×X)；

6)单频网中的各个数字电视地面广播发射机将空频调制时域离散编码数据样值块、时域嵌入训练序列离散样值块直接叠加形成空频调制时域嵌入训练序列编码数据块，作为帧体；

7)单频网中的各个数字电视地面广播发射机将循环前缀(循环前缀的长度为C)作为保护间隔(帧头)插入空频调制时域嵌入训练序列编码数据块(帧体)，以形成信号帧；

8)单频网中的各个数字电视地面广播发射机采用平方根升余弦滚降滤波器对信号帧的信号脉冲成形；

9)单频网中的各个数字电视地面广播发射机将基带信号上变频至载波上。

按照上述的基于嵌入训练序列和LDPC编码的数字电视地面广播发射机空频调制方法，其特征在于：数字电视地面广播发射机的信号帧中具有周期性的时域嵌入训练序列离散样值块；数字电视地面广播发射机的训练序列的长度X为512、1024、2048中的一个，相对应的FFT编码数据块的长度K(子载波数)分别为2048、4096、8192，相对应的子载波的频率间隔分别为4KHz、2KHz、1KHz，相对应的循环前缀长度C分别为FFT编码数据块长度K大小的1/4、1/8、1/16；数字电视地面广播发射机的训练序列、业务指标序列由一系列的1或-1组成，具有伪随机特性；数字电视地面广播发射机的训练序列、业务指标序列相互之间具有正交性；数字电视地面广播发射机的各个不同的业务指标序列包含着并且唯一表达着数字电视地面广播发射机的各系统参数和业务模式信息；空频编码器的码率为1；对输入数据进行LDPC编码的编码率为1/4、1/2、5/8、3/4和7/8中的一个。

本发明的特点：

本发明是一种空域时域频域混合的调制方案。数字电视地面广播发射机的信号帧中具有周期性的时域嵌入训练序列离散样值块，数字电视地面广播发射机的训练序列、业务指标序列具有伪随机特性，数字电视地面广播发射机的训练序列、业务指标序列相互之间具有正交性，数字电视地面广播发射机的时域嵌入训练序列编码数据块是由时域的离散编码数据样值块、时域嵌入训练序列离散样值块直接叠加而形成的，这些保证了数字电视地面广播发射机可以实现快速准确的帧同步、频率同步、时间同步、信道传输特性估计、以及对相位噪声和信道传输特性进行可靠跟踪。将循环前缀作为保护间隔插入时域嵌入训练序列编码数据块以形成信号帧，可以减少相邻信号帧之间的干扰影响。采用LDPC编码对输入数据进行信道编码提供了接近香农极限的纠错性能。数字电视地面广播发射机的各个不同的业务指标序列包含着并且唯一表达着数字电视地面广播发射机的各系统参数和业务模式信息，可以使得数字电视地面广播传输系统能够提供无偿电视广播、有偿电视广播、保密信息传输、多媒体增值服务等可控制多业务，满足社会需求。采用空频调制使得整个数字电视地面广播系统获得较强的性能。本发明的空频调制方法具有同步时间短、时钟抖动小、抗信道衰落、抗信道干扰、可以提供单频网中的高编码数据率可控制多业务数字电视地面广播传输等诸多优点。

附图说明

图1是按照本发明的基于嵌入训练序列和LDPC编码的数字电视地面广播发射机空频调制方法的单频网发射机的实施例示意图。

图2是按照本发明的基于嵌入训练序列和LDPC编码的数字电视地面广播发射机空频调制方法的单频网发射机形成信号帧的实施例示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

按照本发明提出的基于嵌入训练序列和LDPC编码的数字电视地面广播发射机空频调制方法的单频网发射机(假设单频网中有N个发射机)的实施例，如图1所示，按下列步骤进行：

1)单频网的网络数据管理器将输入数据比特流经LDPC编码在频域上形成FFT编码数据块(FFT编码数据块的长度(符号个数)为K；当X取512时，相对应的FFT编码数据块的长度K(子载波数)取2048，相对应的子载波的频率间隔取4KHz；当X取1024时，相对应的FFT编码数据块的长度K(子载波数)取4096，相对应的子载波的频率间隔取2KHz；当X取2048时，相对应的FFT编码数据块的长度K(子载波数)取8192，相对应的子载波的频率间隔取1KHz)；

2)单频网的网络数据管理器采用码率为1的空频编码器将在频域上形成的FFT编码数据块调制至单频网中的各个数字电视地面广播发射机支路上形成空频调制FFT编码数据块，并调整各个数字电视地面广播发射机支路的时间同步以保证网络中的所有发射机都在同一时间对空频调制FFT编码数据块进行处理；

4)单频网中的各个数字电视地面广播发射机将训练序列作为复数训练序列的实部序列、将业务指标序列作为复数训练序列的虚部序列，在时域上构成复数训练序列的离散样值块(训练序列、业务指标序列、复数训练序列的离散样值块的长度都为X，X取512、1024、2048中的一个)；

7)单频网中的各个数字电视地面广播发射机将循环前缀(循环前缀的长度为C；当X取512时，相对应的C取FFT编码数据块长度K大小的1/4；当X取1024时，相对应的C取FFT编码数据块长度K大小的1/8；当X取2048时，相对应的C取FFT编码数据块长度K大小的1/16)作为保护间隔(帧头)插入空频调制时域嵌入训练序列编码数据块(帧体)，以形成信号帧；

按照本发明的基于嵌入训练序列和LDPC编码的数字电视地面广播发射机空频调制方法的单频网发射机形成信号帧的实施例，如图2所示，具体实施如下：

单频网的网络数据管理器将输入数据比特流经LDPC编码在频域上形成FFT编码数据块。

FFT编码数据块由子载波组成。FFT编码数据块的长度(符号个数)为K；当X取512时，相对应的FFT编码数据块的长度K(子载波数)取2048，相对应的子载波的频率间隔取4KHz；当X取1024时，相对应的FFT编码数据块的长度K(子载波数)取4096，相对应的子载波的频率间隔取2KHz；当X取2048时，相对应的FFT编码数据块的长度K(子载波数)取8192，相对应的子载波的频率间隔取1KHz。

单频网的网络数据管理器采用码率为1的空频编码器将在频域上形成的FFT编码数据块调制至单频网中的各个数字电视地面广播发射机支路上形成空频调制FFT编码数据块，并调整各个数字电视地面广播发射机支路的时间同步以保证网络中的所有发射机都在同一时间对空频调制FFT编码数据块进行处理。

单频网中的各个数字电视地面广播发射机采用IFFT(快速离散傅立叶反变换)将空频调制FFT编码数据块变换为空频调制时域离散编码数据样值块。

单频网中的各个数字电视地面广播发射机将训练序列作为复数训练序列的实部序列、将业务指标序列作为复数训练序列的虚部序列，在时域上构成复数训练序列的离散样值块，再在时域上将其连续重复4次形成时域嵌入训练序列离散样值块。

训练序列、业务指标序列、复数训练序列的离散样值块的长度都为X，X取512、1024、2048中的一个，时域嵌入训练序列离散样值块的长度为K，K＝4×X。

作为数字电视地面广播发射机的训练序列、业务指标序列由一系列的1或-1组成，具有伪随机特性，训练序列、业务指标序列相互之间具有正交性。满足上述特征的训练序列可由作为伪随机数序列的一种特殊类型的一组移位m序列和作为正交序列的沃尔什序列、哈达玛序列或由其他方式产生的正交序列实现。

各个不同的业务指标序列包含着并且唯一表达着数字电视地面广播发射机的各系统参数和业务模式信息。

单频网中的各个数字电视地面广播发射机将空频调制时域离散编码数据样值块、时域嵌入训练序列离散样值块直接叠加形成空频调制时域嵌入训练序列编码数据块，作为帧体；在空频调制时域嵌入训练序列编码数据块中插入循环前缀作为保护间隔，形成信号帧。

作为保护间隔的循环前缀的长度为C；当X取512时，相对应的C取FFT编码数据块长度K大小的1/4；当X取1024时，相对应的C取FFT编码数据块长度K大小的1/8；当X取2048时，相对应的C取FFT编码数据块长度K大小的1/16。

单频网中的各个数字电视地面广播发射机采用平方根升余弦滚降滤波器对信号帧的信号进行脉冲成形。当X取512时，相对应的对信号帧的信号进行脉冲成形的平方根升余弦滚降滤波器的滚降系数取0.1；当X取1024时，相对应的对信号帧的信号进行脉冲成形的平方根升余弦滚降滤波器的滚降系数取0.05；当X取2048时，相对应的对信号帧的信号进行脉冲成形的平方根升余弦滚降滤波器的滚降系数取0.025。

上面结合附图对本发明的具体实施例进行了详细说明，但本发明并不局限于上述实施例，在不脱离本申请的权利要求的精神和范围情况下，本领域的技术人员可作出各种修改或改型。

Claims

1.一种基于嵌入训练序列和LDPC编码的数字电视地面广播发射机空频调制方法，它包括：1)单频网的网络数据管理器将输入数据比特流经LDPC编码在频域上形成FFT编码数据块，FFT编码数据块的长度为K；2)单频网的网络数据管理器采用码率为1的空频编码器将在频域上形成的FFT编码数据块调制至单频网中的各个数字电视地面广播发射机支路上形成空频调制FFT编码数据块，并调整各个数字电视地面广播发射机支路的时间同步以保证网络中的所有发射机都在同一时间对空频调制FFT编码数据块进行处理；3)单频网中的各个数字电视地面广播发射机采用IFFT将空频调制FFT编码数据块变换为空频调制时域离散编码数据样值块，IFFT表示快速离散傅立叶反变换；4)各个数字电视地面广播发射机将训练序列作为复数训练序列的实部序列、将业务指标序列作为复数训练序列的虚部序列，在时域上构成复数训练序列的离散样值块，训练序列、业务指标序列由一系列的1或-1组成并且具有伪随机特性，训练序列、业务指标序列相互之间具有正交性，业务指标序列包含着并且唯一表达着数字电视地面广播发射机的各系统参数和业务模式信息，训练序列、业务指标序列、复数训练序列的离散样值块的长度都为X；5)各个数字电视地面广播发射机将在时域上构成的复数训练序列的离散样值块在时域上连续重复4次形成时域嵌入训练序列离散样值块，时域嵌入训练序列离散样值块的长度为K，K＝4×X；6)各个数字电视地面广播发射机将空频调制时域离散编码数据样值块、时域嵌入训练序列离散样值块直接叠加形成空频调制时域嵌入训练序列编码数据块，作为帧体；7)各个数字电视地面广播发射机将循环前缀作为保护间隔即帧头插入空频调制时域嵌入训练序列编码数据块即帧体，以形成信号帧，循环前缀的长度为C；8)各个发射机采用平方根升余弦滚降滤波器对信号帧的信号脉冲成形；9)各个发射机将基带信号上变频至载波上。

2.按权利要求1的基于嵌入训练序列和LDPC编码的数字电视地面广播发射机空频调制方法，其特征在于：所述数字电视地面广播发射机的训练序列、业务指标序列、复数训练序列的离散样值块的长度X取512、1024、2048中的一个。

3.按权利要求1的基于嵌入训练序列和LDPC编码的数字电视地面广播发射机空频调制方法，其特征在于：所述FFT数据块由子载波组成；当X取512时，子载波数K取2048；当X取1024时，子载波数K取4096；当X取2048时，子载波数K取8192。

4.按权利要求1的基于嵌入训练序列和LDPC编码的数字电视地面广播发射机空频调制方法，其特征在于：当X取512，子载波的频率间隔取4KHz；当X取1024，子载波的频率间隔取2KHz；当X取2048，子载波的频率间隔取1KHz。

5.按权利要求1的基于嵌入训练序列和LDPC编码的数字电视地面广播发射机空频调制方法，其特征在于：所述循环前缀的长度为C；当X取512，C取K大小的1/4；当X取1024，C取K大小的1/8；当X取2048，C取K大小的1/16。

6.按权利要求1的基于嵌入训练序列和LDPC编码的数字电视地面广播发射机空频调制方法，其特征在于：所述对输入数据比特流进行LDPC编码的编码率为1/4、1/2、5/8、3/4和7/8中的一个。