CN109981514A - 一种基于局域网的小区dmb单频网实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于局域网的小区DMB单频网实现方法，所述控制台PC负责DMB传输帧的合成，并通过局域网将传输帧的数据馈送给发射台，传输帧的帧计数值TF_CNT作为时间戳保存在传输帧中，发射台设置数据缓冲池以接收多个传输帧数据；发射台的同步电路根据PPS信号动态调整内部时钟的分频比，实现频率同步；同步电路根据PPS信号和UTC信息，产生传输帧同步脉冲、传输帧更新脉冲和调制符号更新脉冲；同步电路根据传输帧计数器，从数据缓冲池中读出时间戳匹配的传输帧进行调制；调制之后的信号经过上变频和放大后，通过天线进行发射。本发明设计的单频网系统可采用普通局域网进行传输帧馈送，提高了DMB单频网系统的通用性。

Description

一种基于局域网的小区DMB单频网实现方法
技术领域
本发明涉及DMB(Digital Multimedia Broadcast，数字多媒体广播)领域，更具体地，涉及一种基于局域网的小区DMB单频网的系统设计方法。
本发明所说的小区DMB是指近年来出现的面向社区、校园、景区的一种覆盖范围较小的DMB广播系统。小区DMB一般由单位自建，用于单位内部信息发布，发射功率较低，对成本比较敏感。
背景技术
现在常见的DMB单频网设计方案，根据信号馈送方式主要分为ETI信号馈送、COFDM信号馈送、直放站转发和RF转频信号馈送四种。
ETI信号馈送方案：前端总成复用器输出ETI传输数据流通过光缆或数字微波甚至卫星被传送到各发射点，在各发射点信号经过延时调后通过COFDM调制器产生DAB RF信号，然后变换到相应的频率上，放大、滤波后发射；
COFDM信号馈送方案：COFDM调制器被安装在前端，已调制的DAB RF信号通过专用的分配传输网络(如光缆或卫星)传输到各发射点，各发射点将COFDM信号进行延时调整后进行变频和发射；
直放站转发方案：直放站不需要解调无线信号，仅仅是中继和放大无线信号，其原理是将收到的主发射站的信号进行处理和放大，再通过发射天线对盲区进行覆盖；
RF转发方案：使用2.6GHz的MMDS作为中转信号传输通道进行单频网的信号馈送。前端将已调制COFDM信号通过MMDS发射台发射到需要覆盖区域，各发射点接收到该信号后，将其变换到相应的发射频道播出。
现有DMB单频网设计方案中，直放站覆盖范围小，且收发天线之间需要很高的隔离度以避免自激，工程难度大；RF转频信号馈送方案会造成载噪比恶化，影响信号质量，且占用更多的频谱资源；最常见的ETI信号馈送方案和COFDM信号馈送方案一般面向商用电台和商用广播网，需要建立专用的信号馈送网络，如光缆、数字微波或卫星，网络建设成本非常高，难以在小区DMB广播中应用。
注解：ETI全称是Ensemble Transport Interface，是DMB基带信号的一种传输协议。
COFDM全称是coded orthogonal frequency division multiplexing，即编码正交频分复用，是DMB所采用的多载波数字调制技术。
MMDS全程是Multichannel Multipoint Distribution Services，是多路多点分配业务的意思。
近年来，随着DMB技术的发展，新的业务模式不断涌现。一些学校、景区、社区相继出现了以DMB技术为基础的无线信息发布系统。在这些应用中，DMB信号一般只覆盖本单位所在区域，因此发射功率较低(一般在0.1W–5W之间)。由于楼宇、地形等因素，不可避免在小区内出现信号盲区。为保证信号的良好覆盖，需要多个发射台组成单频网。常见的单频网设计方案需要专用的信号传输网络，建设成本高，难以在小区DMB系统中应用。
DMB单频网中各发射台间的频率误差会造成各路径信号间的载波正交性被破坏，同时降低移动接收时接收机对于多普勒效应的容忍度。发射台间的时间误差会影响接收信号的最大时延差，破坏单频网的性能。因此在DMB单频网的设计中，必须保证各发射台数据同步以及发射时间和频率的精确性。
针对传统的DMB单频网设计方案中工程难度大、建设成本高，因而难以在小区DMB中应用的问题，本发明提出一种基于局域网的小区DMB单频网设计方案。本发明要解决的技术问题主要是如何在局域网内实现发射台数据同步以及发射时间和频率的精确性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于局域网的小区DMB单频网实现方法，如何在局域网内实现发射台数据同步以及发射时间和频率的精确性，设计一种以普通局域网作为ETI信号传输网络，GPS作为时间和频率参考的低成本、小型化的DMB单频网构建方法，为小区DMB广播提供低成本的信号覆盖解决方案。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于局域网的小区DMB单频网实现方法，包括控制台PC和发射台，所述控制台PC连接GPS接收模块，同时，所述控制台PC通过局域网和发射台连接；
所述控制台PC包括若干路源编码、数据编码和信道编码，若干路所述源编码的输出端和信道编码的输入端信号连接，若干路所述信道编码的输出端与传输帧复用器的输入端信号连接；
所述发射台包括PC、发射机和GPS接收模块，所述PC的数据缓冲池通过USB接口与发射台连接，所述发射机通过放大器放大后与发射天线连接，所述GPS接收模块输出UTC时间和PPS秒脉冲信号给发射机的同步控制模块，同时，所述GPS接收模块提供一个高精度的基准时钟给发射机，所述GPS接收模块的信号接收端与GPS天线连接；
控制台PC和发射台之间的数据以传输帧的形式通过局域网馈送，传输帧的帧计数值TF_CNT作为时间戳保存在传输帧中；发射台的同步电路根据PPS信号动态调整内部时钟的分频比，实现频率同步；同时，同步电路根据PPS信号和UTC信息，产生传输帧同步脉冲、传输帧更新脉冲和调制符号更新脉冲；同步电路根据传输帧更新脉冲，从数据缓冲池中读出时间戳匹配的传输帧进行调制；调制之后的信号经过上变频、放大后，通过天线进行发射。
优选的，所述发射机包括OFDM调制模块、上变频和同步控制模块，所述OFDM调制模块的输入端通过USB接口与PC的数据缓冲池信号连接，所述OFDM调制模块的输出端通过IQ数字基带信号与上变频的输入端连接，所述GPS接收模块的PPS输出信号与同步控制模块的一个输入端连接。
考虑到局域网内输出传输的不稳定性，发射台的数据缓冲池大小设为可至少容纳2秒钟的DMB传输帧数据；因为DMB传输帧的传输速度恒定为2048kbps，对应的缓冲池大小等于2048*1000*2/8＝512000字节；
优选的，所述同步控制模块利用GPS接收模块输出的基准时钟CLK0，经过M倍频后产生FPGA内部的四倍频时钟CLKMX，CLKMX再经过一个动态M分频电路输出时钟CLK1，在CLK1基础上根据GPS输出的UTC时间产生同步信号；所述的动态M分频电路的分频比，由GPS接收模块输出的PPS信号进行动态调控；
单频网实现的关键点在于发射台之间必须保证严格的频率同步和时间同步，这就要通过补偿两类误差：实际频率与理论频率的误差，发射机调制电路的本地时间与UTC时间的累计误差，对系统频率和系统时间进行校准。
实际频率与理论频率的误差的计算及校准算法如下：
第一步，以第i个PPS为开始信号，第i+1秒的GPS的PPS为终止信号，利用CLKMX进行计数，获得第i秒的实际计数值Ni，计算出Ni和理论值Ntheory之间的误差Nd＝Ni-Ntheory；由于两个PPS之间的理论间隔为1秒，Ntheory的值就等于CLKMX的理论频率值，也等于CLK0的理论频率值乘以M；
第二步，若Nd>0，即实际计数值大于理论计数值，则在第i+1秒的计数周期内，M分频计数器应有Nd次加零计数，使得第i+1秒实际计数值Ni+1＝Ntheory+∣Nd∣；若Nd<0，即实际计数值小于理论计数值，则在第i+1秒的计数周期内，M分频计数时应有∣Nd∣次加二计数，使得第i+1秒实际计数值Ni+1＝Ntheory-∣Nd∣；
第三步，假设在每秒内M分频计数器需要重复计数R次(R的值等于CLK0的理论频率值)，则将上述∣Nd∣次加零计数或加二计数操作，按照间隔等于R/∣Nd∣的频次，均匀的分布在第i+1秒的所有M分频计数周期内；
第四步，重复执行上述三个步骤，动态的调整每个PPS间隔之内M分频计数器的分频值，从而实现输对CLK1频率的动态调整和校准。
发射机调制电路的本地时间与UTC时间的累计误差的校准及同步控制原理如下：
第一步，发射机的同步控制模块根据GPS输出的UTC和PPS信号，在UTC的秒计数器值等于0、12、24、36或48，且PPS上升沿的时刻，强制地同步产生传输帧同步信号TF_SYNC；由于DMB传输帧的第一个符号是零符号，在此时强制同步使得时间的误差累计在零符号内，而零符号不会对DMB解调造成影响；
第二步，在TF_SYNC脉冲之后，依照DMB标准规定的时间序列，依次产生每个调制符号的更新脉冲信号SYM_PULSE，以及传输帧更新脉冲TF_PULSE；在每一个TF_PULSE到来后，传输帧计数器TF_CNT加1，同时调制符号计数器SYM_CNT清零；在每一个SYM_PULSE到来后，调制符号计数器SYM_CNT加1；
第三步，根据发射机本地的TF_CNT的数值，读出发射机数据缓冲池内时间标签等于TF_CNT的那帧传输帧数据，并送给OFDM调制器进行调制。
所述OFDM调制模块在同步信号的控制下在规定时间完成传输帧的OFDM编码，并输出IQ数字基带信号；所述上变频电路将IQ数字基带信号上变频至特定频点，经过放大、滤波后，经天线发射出去。由于每台发射机在相同时间调制相同的传输帧数据，且工作频率经过校准，因此所有发射机的输出信号将保持同步，从而实现单频网的设计。
本发明的技术效果和优点：本发明提出的一种基于局域网的小区DMB单频网实现方法，与现有技术相比，具有以下优点：
1、本发明为实现低成本的局域网传输方案提供了可行性，在传输帧的接收端设置一定的数据缓冲池，发射台根据时间戳信息从数据缓冲池中得到正确的传输帧进行调制发射，解决了局域网因存在网络波动和传输延时而造成单频网内各发射台无法持续稳定地同步调制传输帧的问题。
2、本发明设计的单频网系统采用普通局域网进行传输帧馈送，从而降低了网络建设成本，同时提高单频网系统的通用性。
3、低成本、小型化的DMB单频网系统降低了广播电台的使用门槛，对DMB技术的推广使用具有重要意义。
附图说明
图1为所述DMB单频网的系统结构框图；
图2为所述频率误差的计算及校准算法流程图；
图3为所述的当M＝4时的动态分频示意图；
图4为所述时间误差的校准及同步控制流程图；
图5为实地测试发射台和测试路线示意图；
图6为发射台1发射功率为1.5W时的PBER分布图；
图7为发射台2发射功率为3.5W时的PBER分布图；
图8为一个发射功率为5W的发射台与一个功率为3.5W的发射台组成单频网工作时的PBER分布图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了如图1-4所示的一种基于局域网的小区DMB单频网实现方法，包括控制台PC和发射台，所述控制台PC连接GPS接收模块，同时，所述控制台PC通过局域网和发射台连接；
所述控制台PC包括若干路源编码、数据编码和信道编码，若干路所述源编码的输出端和信道编码的输入端信号连接，若干路所述信道编码的输出端与传输帧复用器的输入端信号连接；
所述发射台包括PC、发射机和GPS接收模块，所述PC的数据缓冲池通过USB接口与发射台连接，所述发射机通过放大器放大后与发射天线连接，所述GPS接收模块输出UTC时间和PPS秒脉冲信号给发射机的同步控制模块，同时，所述GPS接收模块提供24.576MHz的基准时钟给发射机，所述GPS接收模块的信号接收端与GPS天线连接；
数据以传输帧的形式通过局域网馈送，传输帧的帧计数值TF_CNT作为时间戳保存在传输帧中；发射台的同步电路根据PPS信号动态调整内部时钟的分频比，实现频率同步；同时，同步电路根据PPS信号和UTC信息，产生传输帧同步脉冲、传输帧更新脉冲和调制符号更新脉冲；同步电路根据传输帧更新脉冲，从数据缓冲池中读出时间戳匹配的传输帧进行调制；调制之后的信号经过上变频、放大后，通过天线进行发射。
所述发射机包括OFDM调制模块、上变频和同步控制模块，所述OFDM调制模块的输入端通过USB接口与PC的数据缓冲池信号连接，所述OFDM调制模块的输出端通过IQ数字基带信号与上变频的输入端连接，所述GPS接收模块的PPS输出信号与同步控制模块的一个输入端连接。
考虑到局域网内输出传输的不稳定性，发射台的数据缓冲池大小设为可至少容纳2秒钟的DMB传输帧数据；因为DMB传输帧的传输速度恒定为2048kbps，对应的缓冲池大小等于2048*1000*2/8＝512000字节；
所述同步控制模块基于FPGA芯片设计，所述M倍频和M分频电路采用四倍频和四分频电路，即M＝4；利用GPS接收模块输出的24.576MHz的基准时钟CLK0，经过四倍频后产生FPGA内部的四倍频时钟CLK4X，CLK4X再经过一个动态四分频电路输出时钟CLK1，在CLK1基础上根据GPS输出的UTC时间产生同步信号；所述的动态四分频电路的分频比，由GPS接收模块输出的PPS信号进行动态调控；
单频网实现的关键点在于发射台之间必须保证严格的频率同步和时间同步，这就要通过补偿两类误差：实际频率与理论频率的误差，发射机调制电路的本地时间与UTC时间的累计误差，对系统频率和系统时间进行校准。
所述同步控制电路对频率同步的校准算法如下：
第一步，以第i个PPS为开始信号，第i+1秒的GPS的PPS为终止信号，利用CLKMX进行计数，获得第i秒的实际计数值Ni，计算出Ni和理论值Ntheory之间的误差Nd＝Ni-Ntheory；由于M＝4，CLK0频率标称值为24.576MHz,则Ntheory＝24576000*4＝98304000；
第二步，若Nd>0，即实际计数值大于理论计数值，则在第i+1秒的计数周期内，M分频计数器应有Nd次加零计数，使得第i+1秒实际计数值Ni+1＝Ntheory+∣Nd∣；若Nd<0，即实际计数值小于理论计数值，则在第i+1秒的计数周期内，M分频计数时应有∣Nd∣次加二计数，使得第i+1秒实际计数值Ni+1＝Ntheory-∣Nd∣；
第三步，假设在每秒内M分频计数器需要重复计数R次(R＝24576000)，则将上述∣Nd∣次加零计数或加二计数操作，按照间隔等于R/∣Nd∣的频次，均匀的分布在第i+1秒的所有M分频计数周期内；
第四步，重复执行上述三个步骤，动态的调整每个PPS间隔之内M分频计数器的分频值，从而实现输对CLK1频率的动态调整和校准。
所述同步控制模块对发射机调制电路的本地时间与UTC时间的累计误差的校准及同步控制理如下：
第一步，发射机的同步控制模块根据GPS输出的UTC和PPS信号，在UTC的秒计数器值等于0、12、24、36或48，且PPS上升沿的时刻，强制的同步产生传输帧同步信号TF_SYNC；由于DMB传输帧的第一个符号是零符号，在此时强制同步使得时间的误差累计在零符号内，而零符号不会对DMB解调造成影响；
第二步，在TF_SYNC脉冲之后，依照DMB标准规定的时间序列，依次产生每个调制符号的更新脉冲信号SYM_PULSE，以及传输帧更新脉冲TF_PULSE；在每一个TF_PULSE到来后，传输帧计数器TF_CNT加1，同时调制符号计数器SYM_CNT清零；在每一个SYM_PULSE到来后，调制符号计数器SYM_CNT加1；
第三步，根据发射机本地的TF_CNT的数值，读出发射机数据缓冲池内时间标签等于TF_CNT的那帧传输帧数据，并送给OFDM调制器进行调制。
所述OFDM调制模块在同步信号的控制下在规定时间完成传输帧的OFDM编码，并输出IQ数字基带信号；所述上变频电路将IQ数字基带信号上变频至特定频点，经过放大、滤波后，经天线发射出去。
本发明在重庆邮电大学校园DMB广播系统中进行了实际测试。
该广播系统共包括两台DMB发射机，图5中红色五角星标识出了两个发射台的位置。发射台1位于图左下角和发射台2位于图右上角，两个发射台间的直线距离约800米，两个发射台的水平高度相当。发射台1采用的是全向天线。发射台2采用的是定向天线，定向天线正面朝向发射台1。
图6为只有发射台1工作，且发射功率为1.5W时，用接收机在所述测试路线上的接收到的伪误码率(PBER)信息。PBER越小，代表信号接收效果越好。一般而言，对于DMB音频节目，要求PBER小于400E-4,对DMB视频和数据节目，要求PBER小于200E-4。从图6可以看出，测试路线上有多处PBER超过400E-4，说明仅靠发射台1，存在多处信号盲区。
图7为仅发射台2工作，且发射功率为3.5W时的测试结果。从PBER的分布来看，编号①～④区域的信号较差。
图8为发射台1与发射台2使用本发明所述方法后，在单频网模式下的测试结果。从PBER的分布来看，所有区域的PBER都在200E-4以下，满足了DMB数据解码的需求。采用DMB收音机在测试路线上收听广播并查看误码率变化，整个测试路线误码率整体偏低，均能流畅地接收音乐。
测试结果表明，采用本发明构建两个发射台的单频网能够有效提高目标覆盖区域的信号强度，增加信号的可靠性。测试中利用现有的局域网，无需额外搭建传输网络，降低施工难度的同时，降低了建设成本，有利于DMB的推广。
上述通过同步信号控制OFDM调制的方法，使得单频网中各个发射台不仅每一帧的调制时间同步，每一个符号的调制时间也是同步的，整体的时间同步性更好。上述方法为实现低成本的局域网传输方案提供了可行性，在传输帧的接收端设置一定的数据缓冲池，发射台根据时间戳信息从数据缓冲池中得到正确的传输帧进行调制发射，解决了局域网因存在网络波动和传输延时而造成单频网系统中各个发射台无法持续稳定地同步调制传输帧的问题。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于局域网的小区DMB单频网实现方法，包括控制台PC和发射台，其特征在于：所述控制台PC连接GPS接收模块，同时，所述控制台PC通过局域网和发射台连接；
所述控制台PC包括若干路源编码、数据编码和信道编码，若干路所述源编码的输出端和信道编码的输入端信号连接，若干路所述信道编码的输出端与传输帧复用器的输入端信号连接；
所述发射台包括PC、发射机和GPS接收模块，所述PC的数据缓冲池通过USB接口与发射台连接，所述发射机通过放大器放大后与发射天线连接，所述GPS接收模块输出UTC时间和PPS秒脉冲信号给发射机的同步控制模块，同时，所述GPS接收模块提供的基准时钟给发射机，所述GPS接收模块的信号接收端与GPS天线连接；
控制台PC和发射台之间的数据以传输帧的形式通过局域网馈送，传输帧的帧计数值TF_CNT作为时间戳保存在传输帧中；发射台的同步电路根据PPS信号动态调整内部时钟的分频比，实现频率同步；同时，同步电路根据PPS信号和UTC信息，产生传输帧同步脉冲、传输帧更新脉冲和调制符号更新脉冲；同步电路根据传输帧更新脉冲，从数据缓冲池中读出时间戳匹配的传输帧进行调制；调制之后的信号经过上变频、放大后，通过天线进行发射。
2.根据权利要求1所述的一种基于局域网的小区DMB单频网实现方法，其特征在于：所述发射机包括OFDM调制模块、上变频和同步控制模块，所述OFDM调制模块的输入端通过USB接口与PC的数据缓冲池连接，所述OFDM调制模块的输出端通过IQ数字基带信号与上变频的输入端连接，所述GPS接收模块的PPS输出信号与同步控制模块的一个输入端连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于局域网的小区DMB单频网实现方法，其特征在于，所述同步控制模块利用GPS接收模块输出的基准时钟CLK0，经过M倍频后产生时钟CLKMX，CLKMX再经过一个动态M分频电路输出时钟CLK1，在CLK1基础上根据GPS输出的UTC时间产生同步信号；所述的动态M分频电路的分频比，由GPS接收模块输出的PPS信号进行动态调控；单频网实现的关键点在于发射台之间必须保证严格的频率同步和时间同步，这就要通过补偿两类误差：实际频率与理论频率的误差，发射机调制电路的本地时间与UTC时间的累计误差，对系统频率和系统时间进行校准。
4.根据权利要求3所述的一种基于局域网的小区DMB单频网实现方法，其特征在于，实际频率与理论频率的误差的计算及校准算法如下：
第一步，以第i个PPS为开始信号，第i+1秒的GPS的PPS为终止信号，利用CLKMX进行计数，获得第i秒的实际计数值Ni，计算出Ni和理论值Ntheory之间的误差Nd＝Ni-Ntheory；由于两个PPS之间的理论间隔为1秒，Ntheory的值就等于CLKMX的理论频率值，也等于CLK0的理论频率值乘以M；
第二步，若Nd>0，即实际计数值大于理论计数值，则在第i+1秒的计数周期内，M分频计数器应有Nd次加零计数，使得第i+1秒实际计数值Ni+1＝Ntheory+∣Nd∣；若Nd<0，即实际计数值小于理论计数值，则在第i+1秒的计数周期内，M分频计数时应有∣Nd∣次加二计数，使得第i+1秒实际计数值Ni+1＝Ntheory-∣Nd∣；
第三步，假设在每秒内M分频计数器需要重复计数R次(R的值等于CLK0的理论频率值)，则将上述∣Nd∣次加零计数或加二计数操作，按照间隔等于R/∣Nd∣的频次，均匀的分布在第i+1秒的所有M分频计数周期内；
第四步，重复执行上述三个步骤，动态地调整每个PPS间隔之内M分频计数器的分频值，从而实现对CLK1频率的动态调整和校准。
5.根据权利要求3所述的一种基于局域网的小区DMB单频网实现方法，其特征在于，发射机调制电路的本地时间与UTC时间的累计误差及同步控制方法如下：
第一步，发射机的同步控制模块根据GPS输出的UTC和PPS信号，在UTC的秒计数器值等于0、12、24、36或48，且PPS上升沿的时刻，强制地同步产生传输帧同步信号TF_SYNC；由于DMB传输帧的第一个符号是零符号，在此时强制同步使得时间的误差累计在零符号内，而零符号不会对DMB解调造成影响；
第二步，在TF_SYNC脉冲之后，依照DMB标准规定的时间序列，依次产生每个调制符号的更新脉冲信号SYM_PULSE，以及传输帧更新脉冲TF_PULSE；在每一个TF_PULSE到来后，传输帧计数器TF_CNT加1，同时调制符号计数器SYM_CNT清零；在每一个SYM_PULSE到来后，调制符号计数器SYM_CNT加1；
第三步，根据发射机本地的TF_CNT的数值，读出发射机数据缓冲池内时间标签等于TF_CNT的那帧传输帧数据，并送给OFDM调制器进行调制。
6.根据权利要求2所述的一种基于局域网的小区DMB单频网实现方法，其特征在于，在发射台设置传输帧接收数据缓冲池，发射台同步电路根据TF_CNT的数值从数据缓冲池中选择时间戳等于TF_CNT的传输帧送入OFDM调制电路，从而解决局域网因存在网络波动和传输延时而造成单频网内各发射台无法持续稳定地同步调制传输帧的问题。
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