CN101917251B - 一种dtmb系统中频域交织器和频率交织方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种解决DTMB系统中频率交织的方法，其特征在于，所述系统的频率交织器执行以下步骤：使用7重循环计数器穷举频率交织器的源地址和目的地址之间的映射关系；只利用其中的低5重循环计数器判断源地址对应的符号是系统信息还是数据，进而计算源地址；采用加法树对所有7重循环计数器加权求和计算目的地址，将加权因子分解为有符号数之和，从而将加权因子与计数器数值之间的乘法运算转化为加法运算。

Description

一种DTMB系统中频域交织器和频率交织方法
技术领域
本发明涉及数字地面电视广播技术，特别涉及一种DTMB系统中频域交织的实现方法。
背景技术
信号在移动无线信道中传输时，易遭受各种各样的干扰。对于正交频分复用(OrthogonalFrequency Duplex Multiplexing，OFDM)系统，这些干扰不仅会使某个离散频率上出现信号衰落，而且极有可能涵盖多个相邻的离散载波，导致突发差错的产生。为了克服较大频率范围内的干扰，提高传输质量，需诉诸于频域交织。
频率交织是在发送端将待传输的数据按照一定的伪随机规则打乱后，分配在连续的载波上传送；接收端进行频率解交织，解调后重新排序，恢复原始数据。如果不进行频率交织，那么一旦在一段传输频带内出现深度衰落，相邻的传输数据同时出现差错的概率非常大，出现突发差错。突发差错长度超过信道编码方案的纠错能力时，信道编码技术无法完全纠正错误图案，恢复正确传输数据。为了提高传输的可靠性，需要采取一定的手段将连续的大片错误随机分散在更宽的频带内，减少单位带宽内的误码数量，使差错能够被纠错码全部纠正。频率交织就是在出于此目的应运而生的。如果系统采用了频率交织技术，即使传输过程中发生了突发差错，接收端进行相应的解交织，将这些突发差错就转变成随机差错，借助信道纠错技术就可以予以纠正，从而在一定程度上提高了传输的可靠性。
交织技术在广播电视数字化的过程中得到了广泛应用，例如，CMMB、DVB-T、DTMB、ISDB-T系统都采用了时间交织技术。除此以外，DTMB系统还采用了频率交织技术，进一步提高了OFDM信号的抗干扰能力。
发明内容
为了解决DTMB系统频率交织器的实现问题，使用多重循环计数器来计算源地址和目的地址，并使用加法树将计算目地址的乘法转化为加法运算。
本发明提供了一种DTMB系统频率交织器，其特征在于，所述频率交织器包括以下部件：七重循环计数器(C1～C7)，其周期与DTMB系统有效子载波个数相同，用于列举频率交织的源地址和目的地址；五重循环计数器(C1～C5)，其由上述七重循环计数器的低五重计数器构成，其周期为420，其中计数器C1～C5的计数最大值分别为6、4、1、1、2；系统信息计数器C8，其计数最大值为35；数据计数器C9，其计数最大值为3779；源地址选择器，当源地址对应的符号是系统信息时，将计数时钟置于系统信息计数器C8，它的当前计数值赋予源地址后，计数值加1；当源地址对应的符号是数据时，将计数时钟置于数据计数器C9，它的当前计数值赋予源地址后，计数值加1；加权求和器，将计算目的地址的加权因子W1～W7进行分解，将乘法转换为加法，从而将计数器C1～C7的值计算为目的地址。
优选地，所述七重循环计数器的周期为为3780，其中计数器C6～C7的计数最大值均为2。
优选地，所述源地址选择器根据以下规则判断数据和系统信息：如果C1～C4均为最小值0且C5小于2或者C1～C4均为各自最大值且C5大于1，那么源地址对应的符号为系统信息；否则，为数据。
优选地，所述加权求和器使用4级加法树结构，第一级通过加法、移位、拼接等操作将乘法运算转化为加法运算，后面3级按照二分法执行加法运算。
优选地，加权因子W1～W7分别为540、108、54、27、9、3、1，分别被分解为((16+1)*8-1)*4、(8+1)*(2+1)*4、(2+1)*(8+1)*2、(2+1)*(8+1)、8+1、2+1和1。
一种解决DTMB系统中频率交织的方法，其特征在于，所述频率交织方法包括以下步骤：使用周期与DTMB系统有效子载波个数相同的七重循环计数器(C1～C7)列举频率交织的源地址和目的地址；使用上述七重循环计数器的低五重计数器构成的五重循环计数器(C1～C5)计数，其周期为420，其中计数器C1～C5的计数最大值分别为6、4、1、1、2；当源地址对应的符号是系统信息时，将计数时钟置于系统信息计数器C8，它的当前计数值赋予源地址后，计数值加1；当源地址对应的符号是数据时，将计数时钟置于数据计数器C9，它的当前计数值赋予源地址后，计数值加1；将计算目的地址的加权因子W1～W7进行分解，将乘法转换为加法，从而将计数器C1～C7的值计算为目的地址。
优选地，所述七重循环计数器的周期为为3780，其中计数器C6～C7的计数最大值均为2。
优选地，根据以下规则判断数据和系统信息：如果C1～C4均为最小值0且C5小于2或者C1～C4均为各自最大值且C5大于1，那么源地址对应的符号为系统信息；否则，为数据。
优选地，使用4级加法树结构，第一级通过加法、移位、拼接等操作将乘法运算转化为加法运算，后面3级按照二分法执行加法运算。
优选地，加权因子W1～W7分别为540、108、54、27、9、3、1，分别被分解为((16+1)*8-1)*4、(8+1)*(2+1)*4、(2+1)*(8+1)*2、(2+1)*(8+1)、8+1、2+1和1。
本发明的技术方案带来的有益效果是：
通过使用多重循环计数器来计算源地址和目的地址，无需在FPGA中存储插入位置集合，因而可以有效降低FPGA逻辑单元的消耗；使用加法树将计算目地址的乘法转化为加法运算，便于采用流水线架构，可以大大提高运算速度。
附图说明
图1是本发明所述频率交织的源地址和目的地址的产生示意图；
图2是7重循环计数示意图；
图3是7重循环计数器的特征示意图；
图4是插入位置集合的矩阵表示形式示意图；
图5是低5重循环计数器与插入位置集合之间的关系示意图；
图6是源地址的产生流程图；
图7描述了系统信息计数器和数据计数器的特征示意图；
图8是计算目的地址时加权因子的有符号数分解方式；
图9是计算目的地址时加权求和的4级加法树示意图；
图10是各级加法器运算结构的位宽、最小值和最大值。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
DTMB的频域交织技术规范了帧体内调制星座点符号与3780个有效子载波之间的对应关系，将数组X映射为Y。X、Y和Z都是包含3780个元素的数组。X是交织前的数组，它的前36个元素为系统信息符号，后3744个元素为数据符号。DTMB标准规定X映射为Y的过程分两步：首先将X映射为Z，将系统信息符号插入到数据符号中；然后将Z映射为Y，系统信息符号重新集中放置在一起，但顺序被打乱了。经频率交织后，数据符号按照一定规律散乱分布在数组Y中，从而达到抵抗深度衰落的目的。
综上可见，如果把数组X与Z之间的地址映射关系表示为
Figure BSA00000215521300031
数组Y与Z之间的地址映射关系表示为
Figure BSA00000215521300032
那么数组X与Y之间的地址映射关系即为S与D之间的关系。S和D分别是源地址和目的地址，它们都是包含3780个元素的数组。频率交织的实现最终归结为源地址和目的地址的产生，如图1所示。
穷举3780种情况可采用7重循环计数实现，如图2所示。图3给出了循环计数器Ci(i＝1～7)的最小值Ci，min、最大值Ci，max、位宽和初始值。除了C1是靠时钟驱动计数外，其余6个计数器都是在前级计数器溢出时计数。Ci是模(Ci，max-Ci，min+1)计数器，每次计数时，如果Ci≠Ci，max，那么计数值加1；否则，计数值回到Ci，min。C7每隔3780个时钟周期溢出一次，这意味着7重循环计数器恰好能列举3780种源地址和目的地址。
7重循环计数器构成了一个模3780的增1计数器C，它的瞬时计数值是
Figure BSA00000215521300041
C可视为数组Z的顺序下标，源地址S和目的地址D分别是数组X和Y的乱序下标。可见，S和D与C(或者说是7重循环计数器Ci)之间存在一定关系。因此，有可能通过7重循环计数器Ci计算源地址和目的地址。
A是包含36个元素的插入位置集合，A＝{0，140，279，419，420，560，699，839，840，980，1119，1259，1260，1400，1539，1679，1680，1820，1959，2099，2100，2240，2379，2519，2520，2660，2799，2939，2940，3080，3219，3359，3360，3500，3639，3779}。DTMB标准规定，通过对A查表将系统信息符号插入到数据符号中。然而，用FPGA中的逻辑单元存储A需要耗费较多的逻辑单元。
通过仔细观察可以发现，A的构成具有一定规律。如果以A中4个相邻元素为一行，那么A可视为9行4列的矩阵A′。图4给出了插入位置集合A的矩阵表示形式A′。A′的第二列等于第一列对应元素加140，第三列等于第二列对应元素加139，第四列等于第三列对应元素加140。A′的后一行总是等于前一行对应元素加420，这说明A中元素模420的运算结果只有4种可能，即<A>420＝{0，140，279，419}，符号<A>420表示对420取模。
而低5重循环计数器的溢出周期也是420，可见<A>420与低5重循环计数器C1～C5之间存在着密切联系。如图5所示，若C1～C5均为最小值0，则低5重循环计数器总的计数值是0；若C1～C4均为最小值0且C5＝1，则低5重循环计数器总的计数值是140；若C1～C4均为各自最大值且C5＝1，则低5重循环计数器总的计数值是279；若C1～C5均为各自最大值，则低5重循环计数器总的最大计数值是419。
综上可见，如果C1～C4均为最小值0且C5小于2或者C1～C4均为各自最大值且C5大于1，那么源地址对应的符号必为系统信息；否则，必为数据。根据以上规律，图6设计出了一种简便的源地址产生方案，具体如下：当源地址对应的符号是系统信息时，图1中的双刀双掷开关掷于系统信息计数器C8，它的当前计数值赋予源地址后，计数值加1；当源地址对应的符号是数据时，开关掷于数据计数器C9，它的当前计数值赋予源地址后，计数值加1。图7总结了系统信息计数器C8和数据计数器C9的最小值、最大值、位宽和初始值。上述产生源地址的方法无需存储插入位置集合A，有效降低了FPGA逻辑单元的消耗。
目的地址D与7重循环计数器Ci(i＝1～7)之间的关系为
Figure BSA00000215521300042
其中，加权因子Wi是常数。直接计算目的地址涉及乘法运算。考虑到每个乘积项都是一个常数和一个变量的乘法，可以采用有符号数表示乘法常数，在设计中将乘法全部转化为加法。图8给出了加权因子及其有符号数的分解方式，并进行了优化。
图9是目的地址的4级加法树实现方案。图中，符号⊕表示加法运算，
Figure BSA00000215521300051
表示拼接操作，
Figure BSA00000215521300052
表面上表示乘法运算，由于被乘的常数都是2的幂次，实际上是移位操作。拼接操作是一种特殊的加法运算，下面以C5*W5＝C5*(8+1)＝C5*8+C5为例，解释图9中符号
Figure BSA00000215521300053
的拼接操作。因为C5*W5的最大值是6位二进制数，而C5的位宽是3，小于8，所以C5*8+C5决定了C5*W5的高3位必等于C5，低3位也必等于C5。鉴于以上原因，C5*8+C5不再采用加法运算，而是通过简单的拼接操作，将两个相同的3位二进制数C5连接在一起即可。
在计算目的地址的4级加法树中，第一级通过加法、移位、拼接等操作将乘法运算转化为加法运算，降低了运算量和资源消耗，后面3级按照二分法执行加法运算。加法树结构便于FPGA采用流水线架构，提高了运算速度。
下面结合图3、8和9详细说明加法树的结构。在加法树的第一级中，C1的位宽是3，左移4位后与自身拼接成7位数，拼接结果左移3位后减去C1，所得10位数C21＝C1*W1/4；C2的位宽也是3，左移3位后与自身拼接成6位数，拼接结构左移1位后加上自身，所得7位数C22＝C2*W2/4；C3的位宽是1，左移1位后与自身拼接成2位数，拼接结构左移3位后拼接上自身，所得5位数C23＝C3*W3/2；C4的位宽也是1，左移1位后与自身拼接成2位数，拼接结构左移3位后拼接上自身，所得5位数C24＝C4*W4；C5的位宽是2，左移3位后与自身拼接成5位数，拼接结果C25＝C5*W5；C6的位宽是2，左移1位后与自身相加，所得3位数C26＝C6*W6。在加法树的第二级中，C22左移2位后与左移1位的C23相加，所得9位数C32＝C2*W2+C3*W3；C24与C25相加，所得6位数C33＝C4*W4+C5*W5；C26与C7相加，所得4位数C34＝C6*W6+C7。在加法树的第三级中，C21左移2位后与C32相加，所得12位数C41＝C1*W1+C2*W2+C3*W3；C33与C34相加，所得6位数C42＝C4*W4+C5*W5+C6*W6+C7。在加法树的第四级中，C41与C42相加，所得12位数即为目的地址D。图10给出了各级加法器运算结果的位宽、最小值和最大值。
由于本发明以发送端的交织器为实施例进行描述，通过交换源地址与目的地址，本发明所公开的装置和方法同样适用于接收端的频率解交织。
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种DTMB系统频率交织器，其特征在于，所述频率交织器包括以下部件：
七重循环计数器C1～C7，其周期与DTMB系统有效子载波个数相同，用于列举频率交织的源地址和目的地址；
五重循环计数器C1～C5，其由上述七重循环计数器的低五重计数器构成，其周期为420，其中计数器C1～C5的计数最大值分别为6、4、1、1、2；
系统信息计数器C8，其计数最大值为35；
数据计数器C9，其计数最大值为3779；
源地址选择器，当源地址对应的符号是系统信息时，将计数时钟置于系统信息计数器C8，它的当前计数值赋予源地址后，计数值加1；当源地址对应的符号是数据时，将计数时钟置于数据计数器C9，它的当前计数值赋予源地址后，计数值加1；
加权求和器，将计算目的地址的加权因子W1～W7进行分解，将乘法转换为加法，从而将计数器C1～C7的值计算为目的地址。
2.如权利要求1所述的DTMB系统频率交织器，其特征在于，所述七重循环计数器的周期为为3780，其中计数器C6～C7的计数最大值均为2。
3.如权利要求1所述的DTMB系统频率交织器，其特征在于，所述源地址选择器根据以下规则判断数据和系统信息：如果C1～C4均为最小值0且C5小于2，或者C1～C4均为各自最大值且C5大于1，那么源地址对应的符号为系统信息；否则，为数据。
4.如权利要求1所述的DTMB系统频率交织器，其特征在于，所述加权求和器使用4级加法树结构，第一级通过加法、移位、拼接操作将乘法运算转化为加法运算，后面3级按照二分法执行加法运算。
5.如权利要求1所述的DTMB系统频率交织器，其特征在于，加权因子W1～W7分别为540、108、54、27、9、3、1，分别被分解为((16+1)*8-1)*4、(8+1)*(2+1)*4、(2+1)*(8+1)*2、(2+1)*(8+1)、8+1、2+1和1。
6.一种解决DTMB系统中频率交织的方法，其特征在于，所述频率交织方法包括以下步骤：
使用周期与DTMB系统有效子载波个数相同的七重循环计数器C1～C7列举频率交织的源地址和目的地址；
使用上述七重循环计数器的低五重计数器构成的五重循环计数器C1～C5计数，其周期为420，其中计数器C1～C5的计数最大值分别为6、4、1、1、2；
当源地址对应的符号是系统信息时，将计数时钟置于系统信息计数器C8，它的当前计数值赋予源地址后，计数值加1；当源地址对应的符号是数据时，将计数时钟置于数据计数器C9，它的当前计数值赋予源地址后，计数值加1；
将计算目的地址的加权因子W1～W7进行分解，将乘法转换为加法，从而将计数器C1～C7的值计算为目的地址。
7.如权利要求6所述的解决DTMB系统中频率交织的方法，其特征在于，所述七重循环计数器的周期为为3780，其中计数器C6～C7的计数最大值均为2。
8.如权利要求6所述的解决DTMB系统中频率交织的方法，其特征在于，根据以下规则判断数据和系统信息：如果C1～C4均为最小值0且C5小于2，或者C1～C4均为各自最大值且C5大于1，那么源地址对应的符号为系统信息；否则，为数据。
9.如权利要求6所述的解决DTMB系统中频率交织的方法，其特征在于，使用4级加法树结构，第一级通过加法、移位、拼接操作将乘法运算转化为加法运算，后面3级按照二分法执行加法运算。
10.如权利要求6所述的解决DTMB系统中频率交织的方法，其特征在于，加权因子W1～W7分别为540、108、54、27、9、3、1，分别被分解为((16+1)*8-1)*4、(8+1)*(2+1)*4、(2+1)*(8+1)*2、(2+1)*(8+1)、8+1、2+1和1。
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