CN105744300B - 数字信号传输系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种数字信号传输方法，数字信号被分为一个个连续的数据帧进行传输，每个数据帧由帧头和帧体两部分时域信号组成，通过对数据帧结构的具体组成优化设计能将将输入数据做进一步优化处理，并且通过对符合国标标准的帧结构设计，提升数据传输的容量。

Description

数字信号传输系统及方法
技术领域
本发明涉及一种通信传输系统及传输方法，尤其涉及一种数字信号传输系统及方法。
背景技术
中国数字电视地面传输标准(DTMB)已颁布并实施多年，在具体的实施过程中，发现在输入数据的处理方式及传输容量方面还是提升的空间，从而更好地满足业务不断增长的需求。
发明内容
因此，本发明的数字信号传输系统及方法主要为了解决目前国标系统对于输入数据处理不够优化的问题，另外还能提升数据传输容量。
依据上述主要特征，实施本发明的一种数字信号发射系统，用以完成输入数据码流到信道传输信号的转换，包括随机化单元、前向纠错编码单元、比特块交织和星座内比特置换单元，星座映射与交织单元、系统信息生成单元、复用单元、帧体数据处理单元、帧头形成单元、组帧单元、基带后处理单元及正交上变频单元，其中输入数据码流经过随机化单元用扰码进行加扰后，之后进入前向纠错编码单元进行前向纠错编码，然后进入比特块交织和星座内比特置换单元进行比特块交织处理及星座内置换处理，再进入星座映射与交织单元，形成符号流，并进行星座映射，之后进行交织，形成基本数据块，基本数据块与系统信息经复用单元复用后并经过帧体数据处理单元处理形成帧体，之后帧体与帧头形成单元生成的帧头经过组帧单元复接为信号帧，经过基带后处理单元转换为输出信号，并经过正交上变频单元变频转换为射频信号。
依据上述主要特征，实施本发明的一种数字信号传输方法和接收方法，其中该数字信号被分为一个一个连续的数据帧进行传输，其特征在于：每个数据帧由帧头和帧体两部分时域信号组成，帧体部分共30024个符号，包含72个符号的系统信息和29952个符号的数据。
依据上述主要特征，前向纠错码的码率有两种，包括2/3码率与5/6码率；其中2/3码率包括长码和短码，长码的码长为59904，短码的码长为14976；其中5/6码率包括长码和短码，长码的码长为59904，短码的码长为14976。
依据上述主要特征，比特交织和星座内比特置换单元对经过LDPC编码后的码字C(码长为14976或59904)进行比特块交织，按行逐行写入，每行大小为1872(对于短码14976模式)，或者7488(对于长码59904模式)，共8行；然后按列顺序读出，组成(c0,c1,c2,c3,c4,c5,c6,c7)8比特为一组的符号序列，对每个符号内的比特进行位置置换，得到(b0,b1,b2,b3,b4,b5,b6,b7)；其中c0，b0为最高比特位；位置置换后使得各比特位满足列度最大的比特对应星座图符号中比特互信息最小的比特位，列度次大的比特对应星座图符号中比特互信息次小的比特位，依次类推。
依据上述主要特征，比特置换后得到的符号序列均匀的映射到256-APSK星座图中。
依据上述主要特征，星座映射与交织单元将符号交织输出的符号以29952个为一组分组，每组按行写入矩阵C；C是一个3744行8列矩阵；然后按列读出，得到频域交织后的29952个符号。
依据上述主要特征，超帧定义为32个连续信号帧；信号帧是系统帧结构的基本单元，一个信号帧由帧头和帧体两部分时域信号组成；帧头和帧体信号的基带符号率相同(7.56Msps)；帧头部分由PN序列构成，帧头长度有三种选项；帧头信号采用I路和Q路相同的4QAM调制；帧体部分包含72个符号的系统信息和29952个符号的数据，共30024个符号；72个符号的系统信息由两组相同的36个符号组组成。
依据上述主要特征，该72个系统信息符号通过复用模块与信道编码后的数据符号复合成帧体数据，其复用结构为：每帧帧体中子载波0到17、14994到15029、30006到30023为系统信息；其他子载波为数据子载波；子载波14994到15029对应一个36个符号组；子载波30006到30023与子载波14994到15011相同，子载波0到17与子载波15012到15029相同。
依据上述主要特征，映射后29952个数据符号复接系统信息后，形成帧体，用30024个子载波调制，占用的RF带宽为7.56MHz；相邻的两个子载波间隔为251.7986Hz，对帧体信息符号X(k)进行频域交织，得到X(n),然后按下式进行变换得到时域信号：
本发明的数字信号传输系统及方法采用了与DTMB相同的帧头，使得发端的组帧和收端的同步、信道估计等模块可以重用或部分重用。采用了与DTMB相同的交织，不需要增加交织所用的存储器。采用了与DTMB兼容的系统信息，使用了DTMB保留的系统信息来增加模式。采用了与DTMB相同的扰码，并保持按帧复位的方式。通过上述设计，本发明能够将输入数据进行进一步的优化处理，并且通过对符合国标标准的帧结构设计，提升数据传输的容量。
附图说明
在本发明中，相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：
图1是本发明数字信号传输系统框架示意图；
图2是扰码器生成的原理图；
图3是卷积式数据块间交织示意图；
图4是频域交织写入方式示意图；
图5是频域交织读出方式示意图；
图6是8阶m序列生成结构示意图；
图7是10阶m序列生成结构示意图；
图8是9阶m序列生成结构示意图；
图9是5阶m序列生成结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。
请参阅图1所示，为本发明数字信号传输系统框架示意图，本发明数字信号传输系统用以完成从输入数据码流到地面电视信道传输信号的转换，包括随机化单元、前向纠错编码单元、比特块交织和星座内比特置换单元，星座映射与交织单元、系统信息生成单元、复用单元、帧体数据处理单元、帧头形成单元、组帧单元、基带后处理单元及正交上变频单元，其中输入数据码流经过随机化单元用扰码进行加扰后，之后进入前向纠错编码单元进行前向纠错编码，然后进入比特块交织和星座内比特置换单元进行比特块交织处理及星座内置换处理，再进入星座映射与交织单元，形成符号流，并进行星座映射，之后进行交织，形成基本数据块，基本数据块与系统信息经复用单元复用后并经过帧体数据处理单元处理形成帧体，之后帧体与帧头形成单元生成的帧头经过组帧单元复接为信号帧，经过基带后处理单元转换为输出信号(8MHz带宽内)，并经过正交上变频单元变频转换为射频信号(UHF和VHF频段范围内)。
以下对各功能模块的具体工作原理及方式详细说明。
随机化单元
为了保证传输数据的随机性以便于传输信号处理，随机化单元对输入的数据码流数据用扰码进行加扰。
扰码是一个最大长度的二进制伪随机序列。该最大长度二进制伪随机序列由
图2所示的线性反馈移位寄存器生成，其生成多项式定义为：G(x)＝1+x14+x15。
该LFSR的初始状态定义为100101010000000。
输入的比特码流(字节码字从MSB到LSB)与PN序列进行逐位模二加后产生数据扰乱码。扰码器的移位寄存器在信号帧开始时复位到初始状态。
前向纠错编码(FEC)单元
扰码后的比特流接着进行前向纠错编码。
FEC的具体参数见表1。
表1：前向纠错码
LDPC码字所对应的校验矩阵，其列度分布满足从左到右递减。
比特交织和星座内比特置换单元
对经过LDPC编码后的码字C(码长为14976或59904)进行比特块交织，按行逐行写入，每行大小为b＝1872(对于短码14976模式)，或者b＝7488(对于长码59904模式)，共8行。然后按列顺序读出，组成(c0,c1,c2,c3,c4,c5,c6,c7)8比特为一组的符号序列，对每个符号内的比特进行位置置换，得到(b0,b1,b2,b3,b4,b5,b6,b7)。位置置换后使得各比特位满足列度最大的比特对应星座图符号中比特互信息最小的比特位，列度次大的比特对应星座图符号中比特互信息次小的比特位，依次类推。
其中c0，b0为最高比特位。
星座映射与交织单元
星座映射与交织单元比特置换后得到的符号序列(b0,b1,b2,b3,b4,b5,b6,b7)均匀的映射到256-APSK星座图中，之后进行符号交织与频域交织。
时域符号交织编码是在多个信号帧的基本数据块之间进行的。数据信号(即数据码的星座符号)的基本数据块间交织采用基于星座符号的卷积交织编码，如图3所示，其中变量B表示交织宽度(支路)，变量M表示交织深度(延迟缓存器)。进行符号交织的基本数据块的第一个符号与支路0同步。交织/去交织对的总时延为M×(B－1)×B符号。取决于应用情况，基本数据块间交织的编码器有2种工作模式：
模式1：B＝52，M＝240符号，交织/解交织总延迟为170个信号帧；
模式2：B＝52，M＝720符号，交织/解交织总延迟为510个信号帧。
之后，星座映射与交织单元将符号交织输出的符号以29952个为一组分组，每组按行写入矩阵C。C是一个3744行8列矩阵。然后按列读出，得到频域交织后的29952个符号，如图4和图5所示。
帧结构
信号帧是系统帧结构的基本单元，一个信号帧由帧头和帧体两部分时域信号组成。帧头和帧体信号的基带符号率相同(7.56Msps)。
帧头部分由PN序列构成，帧头长度有三种选项。帧头信号采用I路和Q路相同的4QAM调制。
帧体部分包含72个符号的系统信息和29952个符号的数据，共30024个符号，其中72个符号的系统信息由两组相同的36个符号组组成。并且32个连续信号帧组成一个超帧。
一个基本帧称为信号帧，信号帧由帧头和帧体两部分组成，为适应不同应用，定义了三种可选帧头长度。三种帧头所对应的信号帧的帧体长度保持不变。
帧头模式1
帧头模式1采用的PN序列定义为循环扩展的8阶m序列。可由一个Fibonacci型线性反馈移位寄存器实现，经“0”到+1值及“1”到-1值的映射变换为非归零的二进制符号。
长度为420个符号的帧头信号(PN420)，由一个前同步、一个PN255序列和一个后同步构成。前同步和后同步定义为PN255序列的循环扩展。LFSR的初始条件值确定所产生的PN序列的相位。
产生序列PN255的LFSR的生成多项式定义为：G255(x)＝1+x+x5+x6+x8
该8比特LFSR的初始相位为：10110000，在每个信号帧开始时复位。
产生该最大长度的伪随机二进制序列的结构如图6所示。
帧头信号的平均功率是帧体信号的平均功率2倍。
PN420在PN255序列前填充82个符号作为前同步，后面填充83个符号作为后同步。
前同步82个符号 PN255 后同步83个符号
帧头模式2
帧头模式2采用10阶最大长度的伪随机二进制序列(m序列的截短)，帧头信号的长度为595个符号，是长度为1023的m序列的前595个码片。
该最大长度的伪随机二进制序列由10比特的移位寄存器组产生。该最大长度的伪随机二进制序列的生成多项式为：G1023(x)＝1+x3+x10
该10比特的移位寄存器组的初始相位为：0000000001，在每个信号帧开始时复位。
产生该最大长度的伪随机二进制序列的结构如图7所示。
由图7产生的伪随机序列的前595码片，经“0”到+1值及“1”到-1值的映射变换为非归零的二进制符号。
帧头信号的平均功率与帧体信号的平均功率相同。
帧头模式3
帧头模式3采用的PN序列定义为循环扩展的9阶m序列。可由一个Fibonacci型线性反馈移位寄存器实现，经“0”到+1值及“1”到-1值的映射变换为非归零的二进制符号。
长度为945个符号的帧头信号(PN945)，其中945个符号由一个前同步、一个PN511序列和一个后同步构成。前同步和后同步定义为PN511序列的循环扩展。
长度为511的PN序列的生成多项式定义为：G511(x)＝1+x2+x7+x8+x9。
该9比特LFSR的初始相位为：111110111，在每个信号帧开始时复位。
产生该最大长度的伪随机二进制序列的结构如图8所示。
PN945在PN511序列前填充217个符号作为前同步，后面填充217个符号作为后同步。
前同步217个符号 PN511 后同步217个符号
系统信息
系统信息为每个信号帧提供必要的解调和解码信息，包括LDPC编码的码率、交织模式信息等。本系统中预设了64种不同的系统信息模式，并采用扩频技术传输。
通过以下步骤，可以得到64个32比特长的系统信息矢量，通过表2可以得到需要在信道上传输的32比特长的系统信息矢量。
1.产生32个32位长的Walsh矢量。它们衍生于32位长的Walsh块。基本Walsh块为：Walsh块的系统化产生方法为其中H为上一阶的Walsh块，即W2(n-1)。
2.将上述32个32位长的Walsh矢量取反，连同原有的32个Walsh矢量，共可以得到64个矢量。再将每个矢量经过“+1”到1值及“-1”到0值的映射，得到64个二进制矢量。
3.这64个矢量与一个长度为32的随机序列按位相异或后得到64个系统信息矢量。该随机序列由一个5比特的移位寄存器产生一个长度为31的5阶最大长度序列后再加上一个0产生。该31位最大长度序列的生成多项式定义为：G31(x)＝1+x+x3+x4+x5。
初始相位为00001，在每个信号帧开始时复位。
可采用如图9所示的LFSR结构产生。
4.将这32比特采用I、Q相同的4QAM调制映射成为32个复符号。
这样经过保护后，每个系统信息矢量长度为32个复符号，在其前面再加4个全1复符号。前置的这四个比特也采用I、Q相同的4QAM映射为4个复符号。
该72个系统信息符号通过复用模块与信道编码后的数据符号复合成帧体数据，其复用结构为：每帧帧体中子载波0到17、14994到15029、30006到30023为系统信息。其他子载波为数据子载波。子载波14994到15029对应36个系统信息。子载波30006到30023与子载波14994到15011相同，子载波0到17与子载波15012到15029相同。
表2：系统信息
数据符号
数据长度为29952个符号。
帧体数据处理
映射后29952个数据符号复接系统信息后，形成帧体，用30024个子载波调制，占用的RF带宽为7.56MHz。相邻的两个子载波间隔为251.7986Hz，对帧体信息符号X(k)进行频域交织，得到X(n),然后按下式进行变换得到时域信号：
基带后处理
基带后处理(成形滤波)采用平方根升余弦(Square Root Raised 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。
平方根升余弦滤波器频率响应表达式如下式所示：
其中Ts为输入信号的符号周期(1/7.56us)，α为平方根升余弦滤波器滚降系数。
所属领域的技术人员应当认识到，以上的说明书仅是本发明众多实施例中的一种或几种实施方式，而并非用对本发明的限定。任何对于以上所述实施例的均等变化、变型以及等同替代等技术方案，只要符合本发明的实质精神范围，都将落在本发明的权利要求书所保护的范围内。

Claims (2)

1.一种数字信号传输方法，其中该数字信号被分为一个一个连续的数据帧进行传输，其特征在于：每个数据帧由帧头和帧体两部分时域信号组成，帧体部分共30024个符号，用30024个子载波调制，包含72个符号的系统信息和29952个符号的数据，72个符号的系统信息由两组相同的36个符号组组成，该72个系统信息符号通过复用模块与信道编码后的数据符号复合成帧体数据，其复用结构为：每帧帧体中子载波0到17、14994到15029、30006到30023为系统信息；其他子载波为数据子载波；子载波14994到15029对应一个36个符号组；子载波30006到30023与子载波14994到15011相同，子载波0到17与子载波15012到15029相同。
2.一种数字信号接收方法，其中该数字信号被分为一个一个连续的数据帧进行传输，其特征在于：每个数据帧由帧头和帧体两部分时域信号组成，帧体部分共30024个符号，用30024个子载波调制，包含72个符号的系统信息和29952个符号的数据，其中帧体部分包含72个符号的系统信息和29952个符号的数据；72个符号的系统信息由两组相同的36个符号组组成，该72个系统信息符号通过复用模块与信道编码后的数据符号复合成帧体数据，其复用结构为：每帧帧体中子载波0到17、14994到15029、30006到30023为系统信息；其他子载波为数据子载波；子载波14994到15029对应一个36个符号组；子载波30006到30023与子载波14994到15011相同，子载波0到17与子载波15012到15029相同。
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