CN102497346B - 基于cofdm的高清视频无线传输系统的基带发射机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于COFDM的高清视频无线传输系统的基带发射机，其包括：信源编码器，用于接收输入数据码并以此形成标准基带帧结构；信道编码器，用于根据所述标准基带帧结构形成基本数据块；帧成型器，用于根据所述基本数据块形成帧体数据；以及COFDM调制器，用于根据所述帧体数据形成基带输出信号。所述基于COFDM的高清视频无线传输系统的基带发射机，具有视频清晰度高、传输时延小、抗干扰强、可靠性高的优点。

Description

基于COFDM的高清视频无线传输系统的基带发射机

技术领域

本发明涉及一种基带发射机，尤其涉及一种基于COFDM的高清视频无线传输系统的基带发射机。

背景技术

近年来，随着GPRS、CDMA、3G(TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000)、OFDM等无线通信网络的兴起，无线视频传输系统以其机动灵活、直观形象、操作方便等优点，被广泛应用于部队单兵作战、公安远程监控取证、电视节目转播、矿井油田安全监控、地下车库超市环境监控、小区环境监控等各个领域，并成为人们实现远距离、大范围现场监控的一种重要手段。COFDM技术以其传输速率高、抗干扰能力强，这使得在“高速运动中”和“非视通条件下”实现高质量实时图像和数据传输成为可能。基于COFDM调制技术而研制的移动多媒体传输系统采用先进的COFDM调制解调技术、信道编解码技术，并结合数字图像压缩技术等技术，能够在高速移动环境下实现视频、语音、数据等宽带多媒体业务的实时、同步传输。具有覆盖范围广、灵敏度高、移动性好、抗干扰和抗衰落能力强、传输数据率高、稳定性和可靠性突出等显著优点，为指挥、抢险、侦察、野外作战等应急通信提供远距离、高质量、高速率、无线实时传输的理想解决方案，广泛应用于公安、武警、消防、野战部队等军事部门和交通、海关、油田、矿山、水利、电力、金融等国家重要部门。

目前国内外有多家公司开展无线视频监控领域产品的研究和销售，从国外主流的基于OFDM的视频传输产品来看，其传输图像分辨率在D1(720×480p)；而国内产品大多存在核心技术(基带编码、调制、解码板)依赖进口、价格昂贵、产品应用单一等问题，而引进国外先进的视频监控系统存在价格昂贵、关键技术受制于人、可扩展性差等问题。因此设计实现基于COFDM的高清无线视频传输系统对于打破国际封锁、突破技术瓶颈、满足特定行业对高清视频的需求意义重大。基带发射机是基于COFDM的高清视频传输系统的最重要组成部分之一，直接决定了传输延时、清晰度、抗干扰性、可靠性能等系统关键指标，合理设计基带发射机对于优化系统性能、降低实现复杂度是至关重要的。

发明内容

针对视频无线传输产品所存在的上述问题与不足，本发明提供一种具有视频清晰度高、传输时延小、抗干扰强、可靠性高的基于COFDM的高清视频无线传输系统基带发射机。

本发明是这样实现的，一种基于COFDM的高清视频无线传输系统的基带发射机，其包括：信源编码器，用于接收输入数据码并以此形成标准基带帧结构；信道编码器，用于根据所述标准基带帧结构形成基本数据块；帧成型器，用于根据所述基本数据块形成帧体数据；以及COFDM调制器，用于根据所述帧体数据形成基带输出信号；

其中，所述信源编码器包括输入接口、CRC编码器、Baseband头填充器以及扰码器，所述输入数据码依次经由所述输入接口、所述CRC编码器、所述Baseband头填充器以及所述扰码器而形成所述标准基带帧结构；

所述扰码器用于随机化传输数据以便于传输信号处理，其采用伪随机序列实现，所述伪随机序列由一线性反馈移位寄存器生成；

所述信道编码器包括外编码器、内编码器以及星座调制器，其中，所述外编码器包括RS编码器以及外交织器，所述内编码器包括卷积编码器以及内交织器，所述标准基带帧结构依次经由所述RS编码器、所述外交织器、所述卷积编码器、所述内交织器以及所述星座调制器而形成所述基本数据块；

所述帧成型器用于将所述基本数据块整理成所述帧体数据以形成规则的带有导频以及传输参数信令信息，并且满足标准帧格式的数据流，所述帧成型器包括复用器以及频率交织器，所述基本数据块依次经由所述复用器以及所述频率交织器而形成所述帧体数据；

所述COFDM调制器包括导频发生器、IFFT变换器、保护间隔产生器、合成器、基带后处理器、DAC转换器，所述导频发生器生成导频信息，所述IFFT变换器接收所述导频信息与所述帧体数据后，其输出分成两路，一路传送至所述合成器，另一路经由所述保护间隔产生器再传送至所述合成器，所述合成器的输出交由所述基带后处理器进行基带脉冲成形，最后经由所述DAC转换器输出所述基带输出信号。

作为上述技术方案的进一步改进，所述导频发生器采用伪随机序列生成所述导频信息。

作为上述技术方案的进一步改进，所述合成器的输出交由所述基带后处理器采用平方根升余弦滤波器进行基带脉冲成形。优选地，所述平方根升余弦滤波器频率响应如下表达式：

$H\left(f\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& \left|f\right|\&le;f_N(1-\mathrm{\&alpha;})\\ {\{\frac{1}{2}+\frac{1}{2}\cos \frac{\mathrm{\&pi;}}{2f_N}\left(\frac{\left|f\right|-f_N(1-\mathrm{\&alpha;})}{2}\right)\}}^{\frac{1}{2}}& f_N(1-\mathrm{\&alpha;})<\left|f\right|\&le;f_N(1+\mathrm{\&alpha;})\\ 0& \left|f\right|\&GreaterEqual;f_N(1+\mathrm{\&alpha;})\end{array}\right.$

式中：f为输入信号的实时频率；f_N＝1/2T_s＝R_s/2为奈奎斯特频率；T_s为输入信号的符号周期，R_s为符号率，α为平方根升余弦滤波器的滚降系数。

所述基于COFDM的高清视频无线传输系统的基带发射机，其解决了如下技术问题：高清视频传输系统信号体制设计、发射系统参数设计、有效对抗多径信道影响的信源编码技术、对抗信道突发错误的交织编码技术、高频谱利用率的调制技术、COFDM调制技术等技术问题。所述基于COFDM的高清视频无线传输系统的基带发射机具有视频清晰度高、传输时延小、抗干扰强、可靠性高的特点，适于高清晰视频监控、高速无线通讯等领域应用。

附图说明

图1为本发明较佳实施例提供的基于COFDM的高清视频无线传输系统的基带发射机的模块示意图。

图2为图1中基带发射机的信源编码器的模块示意图。

图3为图2中信源编码器的扰码器的实施框图。

图4为图1中基带发射机的信道编码器的模块示意图。

图5为图4中信道编码器的RS编码器的实施框图。

图6为图4中信道编码器的外交织器的实施框图。

图7为图4中信道编码器的卷积编码器的实施框图。

图8为图4中信道编码器的内交织器的实施框图。

图9为图4中信道编码器的星座调制器的实施框图。

图10为图1中基带发射机的帧成型器的模块示意图。

图11为图1中基带发射机的COFDM调制器的模块示意图。

图12为图11中COFDM调制器的导频发生器的实施框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，其为本发明较佳实施例提供的基于COFDM的高清视频无线传输系统的基带发射机100的模块结构示意图。基带发射机100包括信源编码器10、信源编码器20、信道编码器30、帧成型器40以及COFDM调制器。信源编码器10用于接收输入数据码并以此形成标准基带帧结构；信道编码器20用于根据所述标准基带帧结构形成基本数据块；帧成型器30用于根据所述基本数据块形成帧体数据；COFDM调制器40用于根据所述帧体数据形成基带输出信号。

输入数据码流经信源编码器10后形成标准基带帧结构(BasebandFrame,BBFrame)送入信道编码器20形成基本数据块，基本数据块经过帧成型器30形成帧体，最后送入COFDM调制器40形成基带输出信号。

(一)信源编码器10的实现

请参阅图2，信源编码器10主要由输入接口11、CRC编码器13、BB头填充器15以及扰码器17组成。扰码器17是本部分的核心部件，其具体实施方式如下：

扰码器17的作用是随机化传输数据以便于传输信号处理。扰码器17采用伪随机序列(PN)实现，该序列如图3所示的线性反馈移位寄存器(LFSR)生成，其本原多项式为：G(x)＝1+x¹⁴+x¹⁵，初始值为100101010000000。输入比特码流与PN序列进行逐位模二加后产生数据扰码。

(二)信道编码器20的实现

请参阅图4，信道编20主要是为了提高数据传输效率，降低误码率。本实施例的信道编码器20包括外编码器201、内编码器203以及星座调制器29，其中，外编码器201包括RS编码器21以及外交织器23，内编码器203包括卷积编码器25以及内交织器27。所述标准基带帧结构依次经由RS编码器21、外交织器23、卷积编码器25、内交织器27以及星座调制器29而形成所述基本数据块。

1.RS编码器21

请参阅图5，RS(Reed-Solomon)码是目前最有效、应用最广的差错控制编码之一，是一类具有很强纠错能力的多进制BCH码，它既可以纠正突发错误，也可以纠正随机错误。因此本系统采用RS编码为第一级信道编码，RS码为(204,188，t＝8)，其中188是输入编码码元数，204是编码后输出码元数，t为最小码距。其编码效率为188/204，其实施电路主要由一组线性反馈移位寄存器D；有限域乘法器g₀、g₁、g₂、……g₁₅；有限域加法器、门电路gate和选择器Mux组成。

2.外交织器23

请参阅图6，在RS编码之后加上外交织(这里指的是卷积交织)，使数据按一定的规律分散发送使信道中突发性干扰造成的错误字符分散开来，提高系统的纠错能力。卷积交织通常采用同步式FIFO移位寄存器方式，数据按行写入移位寄存器，而按列读出，每次写入和读出都是1字节，写入和读出时间上是同步的。

3.卷积编码器25

请参阅图7，本系统采用的主卷积码是1/2码率，其输入数据来自外交织器，每输入一个比特生成X，Y两个比特，X、Y的生成多项式分别为

g'(x)＝x⁶+x⁵+x⁴+x³+1

g'(x)＝x⁶+x⁴+x³+x+1

4.内交织器27

请参阅图8，为提高接收信号对突发误码的纠错能力，本系统中，对卷积编码后的数据进行内交织，包括比特交织和符号交织两个步骤，不同的调制方式有不同的交织模式。

5.星座调制器29

请参阅图9，本系统中的数据载波调制采用QPSK、16QAM、64QAM星座，采用Grey映射，由星座映射关系，通常我们可以比较简单的使用查表的办法来实现符号映射的过程，建立一个以数据符号为地址的表格，其中包含了实部和虚部。映射时，只要将符号相对应的实部数据和虚部数据填入映射后的输出增加BUFF中即可。

(三)、帧成型器30的实现

请参阅图10，帧成型器30包括复用器31以及频率交织器33，所述基本数据块与系统信息依次经由复用器31以及频率交织器33而形成所述帧体数据。帧形成部分主要是将数据整理成帧，形成规则的带有导频以及传输参数信令信息，并且满足标准帧格式的数据流，在接收端可根据这些信息进行时域同步、频域同步、信道估计、相位噪声跟踪和传输模式的恢复等等。整个帧形成部分的电路中不仅包括导频点插入、TPS信息插入等，还包括符号交织、映射以及星座调制。

(四)、COFDM调制器40的实现

请参阅图11，COFDM调制器40包括导频发生器41、IFFT变换器43、保护间隔产生器45、合成器47、基带后处理器49、DAC转换器410，导频发生器41生成导频信息，IFFT变换器43接收所述导频信息与所述帧体数据后，其输出分成两路，一路传送至合成器47，另一路经由保护间隔产生器45再传送至合成器47，合成器47的输出交由基带后处理器49进行基带脉冲成形，最后经由DAC转换器410输出所述基带输出信号。

1.导频产生器41

请参阅图12，导频产生器41采用伪随机序列生成导频信息，伪随机序列产生器的多项式为：x¹¹+x²+1，在每个OFDM符号的开始被初始化，并且第一个输出比特与第一个有效载波点重合，对于符号中的1705个有效载波点都会产生比特输出与之对应。导频的位置由下式给出

k＝k_min+3×(lmod4)+12p

其中p,k,l为0或正整数，k∈[K_min,K_max]，K_min,K_max分别为一个OFDM符号的上、下标，l为符号序号(在一帧符号)，p是使k∈[K_min,K_max]的所有正整数。

2.基带后处理器49

基带后处理器49(成形滤波)采用平方根升余弦(Square RootRaised Cosine，SRRC)滤波器进行基带脉冲成形。SRRC滤波器的滚降系数α为0.05。

平方根升余弦滚降滤波器频率响应表达式如下式所示：

$H\left(f\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& \left|f\right|\&le;f_N(1-\mathrm{\&alpha;})\\ {\{\frac{1}{2}+\frac{1}{2}\cos \frac{\mathrm{\&pi;}}{2f_N}\left(\frac{\left|f\right|-f_N(1-\mathrm{\&alpha;})}{2}\right)\}}^{\frac{1}{2}}& f_N(1-\mathrm{\&alpha;})<\left|f\right|\&le;f_N(1+\mathrm{\&alpha;})\\ 0& \left|f\right|\&GreaterEqual;f_N(1+\mathrm{\&alpha;})\end{array}\right.$

式中：f_N＝1/2T_s＝R_s/2为奈奎斯特频率。T_s为输入信号的符号周期，R_s为符号率。

基于COFDM的高清视频无线传输系统的基带发射机的系统参数如表1所示。

表1系统参数

传送码流	TS流
		传输码率	4.8Mbps～32Mbps
扰码器	15-bit PRBS
		外编码	RS(204，188，8)
外交织器	12RS块交织
		内编码	卷积码
卷积编码速率	1/2，2/3，3/4，5/6，7/8
		内交织器	卷积交织和频域交织
星座调制器	QPSK/QAM16/QAM64
		IFFT	2K和8K模式
保护间隔	OFDM符号的1/32，1/16，1/8，1/4

综上所述，编码正交频分复用(Code Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，COFDM)是一种新型的数据处理技术，凭借其高的频谱利用率、高的传输速率和强的抗多径干扰能力，在无线图像传输领域引起了人们广泛的关注。COFDM是在OFDM的基础上产生并发展而来的，它采用数据编码技术，很好地解决了数字图像传输路由多径反射和传输路由障碍物遮挡所带来的困扰，无论在室内、室外、地面、井下等复杂特殊的非视距传输环境下，都能够把现场的实时信息，以高质量的数字图像信号实时地传送到目的地，真正实现了图像传输的“抗阻挡”、“非视距”和“动中通”。本发明是基于COFDM的高清视频传输系统的重要组成部分，适用于基于COFDM的高清视频传输系统的建立与实施。

所述基于COFDM的高清视频无线传输系统的基带发射机，其解决了如下技术问题：高清视频传输系统信号体制设计、发射系统参数设计、有效对抗多径信道影响的信源编码技术、对抗信道突发错误的交织编码技术、高频谱利用率的调制技术、COFDM调制技术等技术问题。所述基于COFDM的高清视频无线传输系统的基带发射机具有视频清晰度高、传输时延小、抗干扰强、可靠性高的特点，适于高清晰视频监控、高速无线通讯等领域应用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于COFDM的高清视频无线传输系统的基带发射机，其特征在于：其包括：

信源编码器，用于接收输入数据码并以此形成标准基带帧结构；

信道编码器，用于根据所述标准基带帧结构形成基本数据块；

帧成型器，用于根据所述基本数据块形成帧体数据；以及

COFDM调制器，用于根据所述帧体数据形成基带输出信号；

其中，所述信源编码器包括输入接口、CRC编码器、Baseband头填充器以及扰码器，所述输入数据码依次经由所述输入接口、所述CRC编码器、所述Baseband头填充器以及所述扰码器而形成所述标准基带帧结构；

所述扰码器用于随机化传输数据以便于传输信号处理，其采用伪随机序列实现，所述伪随机序列由一线性反馈移位寄存器生成；

所述信道编码器包括外编码器、内编码器以及星座调制器，其中，所述外编码器包括RS编码器以及外交织器，所述内编码器包括卷积编码器以及内交织器，所述标准基带帧结构依次经由所述RS编码器、所述外交织器、所述卷积编码器、所述内交织器以及所述星座调制器而形成所述基本数据块；

所述帧成型器用于将所述基本数据块整理成所述帧体数据以形成规则的带有导频以及传输参数信令信息，并且满足标准帧格式的数据流，所述帧成型器包括复用器以及频率交织器，所述基本数据块依次经由所述复用器以及所述频率交织器而形成所述帧体数据；

所述COFDM调制器包括导频发生器、IFFT变换器、保护间隔产生器、合成器、基带后处理器、DAC转换器，所述导频发生器生成导频信息，所述IFFT变换器接收所述导频信息与所述帧体数据后，其输出分成两路，一路传送至所述合成器，另一路经由所述保护间隔产生器再传送至所述合成器，所述合成器的输出交由所述基带后处理器进行基带脉冲成形，最后经由所述DAC转换器输出所述基带输出信号。

2.如权利要求1所述的基于COFDM的高清视频无线传输系统的基带发射机，其特征在于：所述导频发生器采用伪随机序列生成所述导频信息。

3.如权利要求1所述的基于COFDM的高清视频无线传输系统的基带发射机，其特征在于：所述合成器的输出交由所述基带后处理器采用平方根升余弦滤波器进行基带脉冲成形。

4.如权利要求3所述的基于COFDM的高清视频无线传输系统的基带发射机，其特征在于：所述平方根升余弦滤波器频率响应如下表达式：

$H\left(f\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& \left|f\right|\&le;f_N(1-\mathrm{\&alpha;})\\ {\{\frac{1}{2}+\frac{1}{2}\cos \frac{\mathrm{\&pi;}}{2f_N}\left(\frac{\left|f\right|-f_N(1-\mathrm{\&alpha;})}{2}\right)\}}^{\frac{1}{2}}& f_N(1-\mathrm{\&alpha;})<\left|f\right|\&le;f_N(1+\mathrm{\&alpha;})\\ 0& \left|f\right|\&GreaterEqual;f_N(1+\mathrm{\&alpha;})\end{array}\right.$ 式中：f为输入信号的实时频率；f_N＝1/2T_s＝R_s/2为奈奎斯特频率；T_s为输入信号的符号周期，R_s为符号率，α为平方根升余弦滤波器的滚降系数。