CN1111858A - 接收机代码率交换设备 - Google Patents

Abstract

一种卫星信号接收机，包括后接Viterbi解码器 (26)和Read solomon解码器(28)的输入解调器 (25)。所接收的带有包括错误代表信息的信息信号 被编码，并显示其为卫星发射信号功率级承数的纠错 码率。解调器(25)产生控制信号表示是否与所接收 的信号同步，以及信号质量(例如如信噪比)。Read solmon解码器(28)产生控制信号指示错误检测和校 正得是否正确。这些控制信号由控制网络(22，23) 感测，以便必要时改变Literbi解码器的码率。

Description

本发明涉及数字卫星通讯系统领域，更具体地说，涉及此类系统接收机中的纠错设备。

目前，卫星可以接收来自发射机的代表音频、视频或数据信息的信号。卫星将该信号放大并通过通信信道在特定频率和带宽下传送给接收机。由于通信信道因信道本身的内部噪声和某些外部信号源而易于出错，故要求纠错。一种减少或消除错误的技术是前向纠错（FEC）。该技术随原始信息一起发送一定数量的附加信息。当出错时，该接收机在不与该发射机进一步通信的情况下用该附加信息来定位并纠正错误。

两种广泛使用的前向纠错系统应用卷积编码和分组编码。卷积编码对串行和连续传送给编码器的连续数据流起作用。卷积编码器，分析当前数据和一定量的在先数据。该编码器将纠错数据加到当前数据上，从而产生新的数据信号。然后该系统以更高速率输出连续的新数据流，不是较多的数据被更快发送，就是较多的数据持续更长的时间周期。该接收机适宜于分析用由发射机使用的卷积误码方法编码的信号。

诸如Reed.Solomon代码的分组式编码用特定的算法对带有附加纠错数据的信号进行编码。在Reed.Solomon编码器中，一般将数据分为大小合适的相等尺寸的单元或块。使用Reed-Solomon算法，这些块具有以由数据本身决定的某种方式加入的数据。这个过程产生了一个可能与原始数据类似，也可能不类似的稍大尺寸的新块，然而，即使在该数据中已产生错误，熟悉该所用编码方案的接收机仍可分析这新的数据块并提取出原始数据。

每种误编码都有基于进入编码器的位数被除以舍去数的相关码率。这样如果750位数据进入，加入250位纠错码，输出1000位（750+250），码率说成是3/4（750/1000）码率，该设备被认为以3/4纠错编码率运行。有时称其为以3/4速率的前向纠错。

尽管执行相反的操作，这些同样的速率指示由解码器使用的误解码率。例如，输入1000位数据，其中250位是纠错码，剩余的750位是数据。将这250位纠错码从数据信号中除去并用来检测和校正该数据信号中的错误。输出剩余的750位数据。该解码器被认为以3/4纠错解码率运行。

被编码进入数据信号的纠错信息量部分取决于卫星的操作。例如，卫星广播系统可以两种功率模式（低和高）进行操作。在高功率时，卫星收发的信号较强。结果，改善、接收信号的质量，需要较少的纠错编码就能得到所需数据质量。例如，在高功率时，发射数据可能近似25%为纠错数据、和75%为有用数据。类似地，当卫星以低功率操作时，收发信号较弱。因此需要更多的纠错数据以获得所需数据质量。例如，在低功率时，发射的数据中近40%是纠错数据，约60%是有用数据。

一种理想的纠错编码率将使所发射的有用数据最多，而纠错数据最少。如果在所发射的信号中包括的纠错数据不足，则接收机就会因任何原因而不能可靠接收信号。如果包含的纠错数据过量，则信号将被正确接收，但可获得的有效数据占输出信号的百分率比纠错数据与卫星的发射功率匹配情况时要小。

根据本发明原理，在此认可的是：最好使纠错编码率与卫星的不同功率级相匹配。据此，纠错编码率是卫星不同功率级的一个函数，该编码率可不直接通知接收机而变化。接收机检测到已改变发射机的该纠错码率，并因此改变该接收机所用的纠错解码率。

附图中：

图1是包括根据本发明设备的卫星发射/接收系统的框图;

图2是一部分图1中接收机的框图，包括根据本发明的解调器/前向纠错单元;

图3是有助于理解发生在控制图2中所示设备中的一系列事件的流程图;

图4是有助于理解发生在控制图2所示设备中的另一系列事件的流程图。

图1的系统包括一个发射机1，它处理来自源（例如电视信号源）的数据信号并将其发射到卫星13上，卫星13接收该信号并再传送给接收机12。发射机1包括编码器2、调制器/前向纠错器（FEC）3和上行线路单元4。编码器2根据预定的诸如MPEG等标准对来自源14的信号进行压缩和编码（MPEG是一种国际标准，由国际标准化组织动画专家组制定的用于存储在数字存储媒体上的动画及其相关声音的代码表示）。来自单元2的编码信号被加到调制器/前向纠错器（FEC）3，该单元3对带有纠错数据的该信号进行编码，四元相移开关（QPSK）将该编码的信号调制到载波上。卷积和RS分组编码两者都在框3中完成。

上行线路单元4将已压缩编码信号发送至卫星13，卫星将该信号传送给所选择的地理接收区域。在本实施例中，卫星13以两种模式进行操作，其交替使用通道容量和发射功率。在第一种模式中，卫星13发射例如16个通道，每个120瓦。在第二种模式中，卫星13发射8个通道，每个240瓦。

与所谓置顶（set-top）接收机12的输入端耦合的天线5接收来自卫星13的信号，该天线例如为适合于采用电视接收机的接口装置。接收机12包含解调器/前向纠错（FEC）解码器7来使该信号解调及使纠错数据解码、与解调器/FEC7相互作用的微处理器6、以及根据该信号内容即音频或视频信息将该信号传送给单元9中适当的解码器的传送单元8。传送单元8接收来自单元7的校正后数据包并检查每个包的首标以确定其通信路由。单元9中的解码器对该信号进行解码并将附加的传送数据除去（如果用了的话）。NTSC编码器10将已解码的信号编码成适合于标准NTSC用户电视接收机11中信号处理电路使用的格式。

现参照图2，解调器/FEC单元7获得从天线5接收的数据信号并对其进行解调、解码。该单元包括调谐器24、四元相移键控（QPSK）解调器25、Viterbi卷积解码器26。去交错器（de-interleaver）27，以及Reed-Solomon（RS）解码器28，全部常规设计，如图示排列。

调谐器24接收来自天线5的输入信号。基于用户的频道选择，控制单元6例如一个微处理器将频率信号传送到调谐器24。该信号使调谐器24调到适当的频道并使频率随从微处理器6传送到调谐器24的调谐频率降频变换所接收的信号。来自调谐器24的输出信号供给QPSK解调器25。

QPSK解调器25锁定（同步）到该所调谐的频道，已调制数据信号进行解调，并产生表示该已解调信号质量的信号。解调器25对调制的输入数据信号进行解调而与所接收的数据信号的纠错码率无关。解调器25中的锁相环电路使解调器25的操作与使用了众所周知技术的输入信号同步。解调器25产生指示其是否与输入信号同步的解调器锁定（Demodulator    Lock）输出信号，并将该信号提供给微处理器6中的存储寄存器。来自单元25的输出解调的数据信号提供给Viterbi解码器26。解调器25还产生输出信号质量信号。该信号代表从卫星传输接收的信号的质量，并与所接收信号的信噪比有关。各种噪声源以及雨致衰落（rain    fade）可能损害所接收信号的质量。适于用作单元25的QPSK解调器可从Hughes    Network    System    of    German    town.MD（集成电路第1016212型及从Comstream    Crop.San    Diego，California（第CD    2000号）买到。

解码器26应用Viterbi算法对来自单元25的解调的信号中的位误差进行解码和校正。解码器26包括如已知的内部网络，使其操作与输入的解调信号同步以对该已解调信号进行有效解码。

解码器26以两个纠错解码率之一进行操作，该纠错解码率对应于发射和提供的纠错编码率。当卫星13以低功率模式工作时，发射的信号使用2/3纠错码比率。当卫星13以高功率模式工作时，发射信号使用比率为6/7的纠错码。由微处理器6中控制单元22产生的码率控制信号指示解码器26应该用哪种纠错码率。码率控制信号可以是二进制信号，其中一个逻辑电平指示单元26所使用的码率应保持不变，另一个逻辑电平使单元26转换为另一种编程码率。该码率控制信号是由单元22响应来自数字比较器23的输出提供的比较器23提供一输出逻辑态作为输入控制信号如信号质量和块误差（Block    Error）的逻辑态的一个函数，（如下面将讨论的）。这些信号被施加于由比较器23监控的存储寄存器。存解码器26对该解调的数据信号进行解码和纠错后，该解码的数据信号被加到去交错器27。去交错器27按已知技术将数据信号的顺序恢复到其原始序列，并形成Reed-Solomon（RS）块。为此，去交错器27依靠由编码器在每个RS块的起始点插入的8位同步字，从而提供RS块同步。去交错信号被加到Reed-Solomon（RS）解码器28。

RS解码器28使用（例如）130/146的解码率，对RS块进行解码并校正该块中的字节错误。附加在每个Reed-Solomon块上的8位同步字节字便于对每个Reed-Solomon块的开始进行定位。有效的RS解码率130/147是使用该附加同步字的结果。在Reed-Solomon解码前去交错器27除去这8位同步字节字，以致于每块只有146字节被RS解码。

当一块中的错误数超过RS码的校正能力时，RS解码器28还提供检错。例如，RS解码器28可在一块内校正多达8个字节错误。如果检测到的错误超过8字节，则RS解码器28产生一个输出块错误信号，例如一个二进制信号，其高逻辑电平指示存在比可校正的更多的错误。将不能校正的RS块丢弃不用。如果RS块在规定的8字节参数范围内可进行RS解码，则将解码信号加到传输单元8。现已发现将RS块解码器接在Viterbi算法卷积解码器后面的这种已公开的组合产生非常好的检错/纠错效果，特别是在该错误率下和一般与卫星传输相关的信噪比环境中。

发射机（图1中单元3）可随时改变纠错码率而不用将该变化通知接收机解调器/解码器7。在这个例子中，系统支持两种（Viterbi和RS）纠错码率：低的卫星功率时的2/3^＊130/147，和在高的卫星功率时的6/7^＊130/147。当转换功率模式时，可转换纠错码率。由于接收机上RS解码器28的纠错码率保持恒定（130/147），故只有Viterbi解码器的纠错解码率必须通过将其从一个编程比率转换为另一个（2/3到6/7或反之亦然）来改变。Viterbi解码器26所使用的纠错解码率是通过使用由微处理器6所提供的码率控制信号来改变的。微处理器6响应来自RS解码器28的块错误信号状态建立码率信号状态。微处理器6也可象将要讨论的，响应来自解调器25的信号来桷定码率信号的状态。

各种不同的条件可引起接收机纠错解码率不确定。例如，当系统正在用一种纠错解码率操作时，该比率可在发射机上转换或者频道被改变到一个不知道其纠错率的频道。根据本发明，检测不正确的纠错解码率的使用，并改变该纠错解码率。这可通过分析如块错误信号所指示的RS解码器28成功的解码来得到。这也可以通过相对于如由来自RS解码器28的块错误信号所确定RS解码的成功分析如由QPSK解调器25所确定的数据信号的质量来得到。在每种情况下，解调器25使其自己与进来的数据信号同步，所接收的卫星信号的功率电平和纠错码率对解调器25来说是清楚的。因此，解调器25将总是试图对所接收的数据信号进行解调，并将该解调的信号提供给Viterbi解调器26。

来自Viterbi解码器26的解码的信号通过去交错器27提供给RS解码器28。如果解码器26使用正确的纠错解码率对数据信号进行解码，则去交错器27和Reed-Solomon解码器28将正常工作。在这种情况下，块错误信号将显示一种给定状态，例如逻辑“低”电平指示正常解码。如果解码器26对一给定的输入信号使用不正确的纠错码率，则解码器28不大可能提供正常的输出。在这种情况下，块错误信号将显示一种不同的状态，例如，逻辑“高”电平，指示RS解码器28的非正常输出。在每种情况下，分析块错误信号以确定是否应改变Viterbi解码器26所使用的纠错码率。

图3是表示例如当发射机上改变纠错码率时接收机上正发生一系列事件的流程图。这种变化可因为调制器转换为新的纠错码率而使在传输的数据信号中出现扰动引起。扰动也可以由于雨致衰落或者调谐到新的频道而发生。这种扰动可使接收机上的QPSK解调器失去与数据信号的同步。

同时考虑图2和图3，当解调器25失去与数据信号同步（锁定）时，解调器25中的逻辑电路产生，例如高逻辑电平的解调器锁定信号（步骤31）指示失去同步。解调器25试图重新与输入数据信号同步直到该数据信号为正确接收已足够强时（步骤32和33）。当解调器25恢复同步时，解调器锁定信号显示低逻辑电平以指示已获得同步。然后通过使用码率信号由微处理器6将Viterbi解码器26设置到缺陷（default）纠错码率（步骤34）。该缺陷纠错码率是预先编制的可得到的码率之一。

当解调器25失去与数据信号同步时，一般与Viterbi解码器26相关的同步电路将不能与来自该解调器输出端信号同步。结果，将提供给Viterbi解码器的中心部分的是不正确的信息，Viterbi解码器将输出非正常信号。在这种情况下，去交错器27将不能定位和使用插入的8位同步字来调整RS块。因此RS解码器28将不能对来自Viterbi解码器26的输出信号进行正确地解码，并且块错误信号的电平将指示RS解码器28进行的解码不正确。

解调器25恢复同步后的一段预定时间周期，微处理器6将检查块错误信号（步骤35）。如果块错误信号状态（低）指示正常解码，则Viterbi解码器26使用的（缺陷）纠错码率被假定对应于传输的码率（步骤39）。另一方面，如果块错误信号显示另一状态（高）指示非正常解码，则Viterbi解码器26的纠错码率被假定是不正确的，因为如果Viterbi解码器26使用不正确的纠错编码率，则RS解码器28就未必能提供正常的RS块解码。然后微处理器6提供码率信号，其状态指示应该改变Viterbi解码器26的纠错码率（步骤37）。

微处理器6的比较器23以预定的间隔检查块错误信号。Viterbi纠错码率将在可得到的纠错码率间转换直到块错误信号显示指示该数据信号正被正常解码的状态。

调谐到一新频道并不必然导致解调器25失去同步。如果在频道转变期间失去同步，将重复上面所描述的包括步骤35、37和39的过程。

作为另一个例子，来自QPSK解调器25的信号质量信号可用来确定VIterbi解码器26是否使用了错误的纠错码率。图4（同时见图2）图示了在这种情况下所发生事件的次序。图4中，步骤44、45和49分别对应于图3中的步骤34，35和39。图4不同之处在于加上了步骤46、47和48。

当QPSK解调器25开始达到与数据信号同步（锁定）时，如讨论的将Viterbi解码器26设置为缺陷码率（步骤44）。Viterbi解码器26然后试图使其自己与解调的数据信号同步。如果达到同步，去交错器27和RS解码器28便接收到可解码的信号。然后RS解码器28产生低电平的块错误信号以指示解码正确（步骤45）。微处理器6检测该低电平块错误信号，并确定Viterbi解码器正使用着正确的纠错码率（步骤49）。

相反，如果Viterbi解码器26不能与数据信号同步，则去交错器27和RS解码器28从Viterbi解码器26接收到不能解码的数据信号。去交错器27和RS解码器28则将不能正确地对该数据信号进行操作，且RS解码器28将产生表示这种状态的高电平块错误信号。微处理器6（通过比较器23）检测该由QPSK解调器提供的信号质量信号（步骤46）。如果该信号质量信号为高电平，指示RS解码器28应该能对该数据信号进行解码，则微处理器6产生码率信号指令Viterbi解码器26转换纠错码率（步骤47）。

如果信号质量信号的电平为低电平表示即使Viterbi解码器26使用正确的纠错码率RS解码器也不能产生充分解码的信号，微处理器6将不会引起Viterbi解码器26的纠错码率的改变。这种情况可作为例如雨致衰落的一个结果而发生。然后微处理器6在对块错误信号取样前等待一个特定的时间周期（步骤48），以使解码器26有时间在当前的纠错码率下使其自己同步。如果块错误信号保持在高电平（指示不正确解码），微处理器6将再次对信号质量信号进行取样。微处理器6将以预定的间隔对块错误信号取样多次直到该块错误信号指示正确解码。如图4所示，微处理器6将连续对块错误信号和信号质量信号两者进行取样，并将指令Viterbi解码器26改变纠错码率或者等待一个特定的时间周期直到块错误信号显示低电平，指示正确的解码为止。

下表概述了上述关于信号质量和块错误控制信号的可能状态（电平）的情况。

信号质量    块错误    注释

高    低    正常操作情况

低    低    正确码率;不良信号

低    高    不确定原因(雨致衰落)

等待

高    高    不正确码率;转换码率

Viterbi解码器26可根据对特定系统的种种要求响应两个以上的纠错码率来操作。类似地，所述的控制信号能指示特定状态或具有高或低逻辑电平的值。除了Viterbi和Reed-Solomon，也可将编码器和解码器使用在体现本发明的设备中。

Claims (18)

1、在用于处理带有包含便于在解码器上纠错信息的信息编码输入信号的数据通信系统中，解码器设备的特征在于：

用于接收所述编码的输入信号的输入装置(5，24，25)，

响应来自所述输入装置的输出信号并以第一纠错码率操作的第一解码器装置(26)，

用于提供代表所述第一解码器装置解码正常或非正常的第一控制信号(块错误)的供给装置(28)，

响应所述第一控制信号并作为所述第一控制信号的状态函数改变所述第一纠错码率的控制装置(6，22，23)。

2、根据权利要求1所述的设备，其特征在于：

当所述第一控制信号表示所述第一解码器装置解码不正常时，所述第一控制信号改变所述第一纠错码率。

3、根据权利要求1所述的设备，其特征在于：

所述系统是卫星广播系统，分别对相关的不同处理错误码率以不同的功率电平发射信号。

4、根据权利要求1所述的设备，其特征在于：

所述供给装置包含响应来自所述第一解码器装置的输出信号并以第二纠错码率操作的第二解码器装置。

5、根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述输入装置包括：

用于产生指示所述设备与所述输入信号同步的第二控制信号（Demod.Lock）;以及

所述控制装置响应所述第一和第二控制信号来改变所述第一码率。

6、根据权利要求5所述的设备，其特征在于：

所述输入装置包括用于对所述输入信号进行解调的装置（25）;以及

所述第二控制信号指示所述解调装置与所述输入信号同步。

7、根据权利要求6所述的设备，其特征在于：

当所述第二控制信号指示所述解调装置不同步时，所述控制装置改变所述第一码率。

8、根据权利要求1所述的设备，其特征在于：

所述控制装置还响应一个第二控制信号（信号质量）指示所述输入信号的信号质量，用以当所述第二控制信号表示不能接受的信号质量时，改变所述第一码率。

9、根据权利要求5所述的设备，其特征在于：

所述控制装置还响应指示所述输入信号的信号质量的第三控制信号（信号质量）用以当所述第三控制信号指示不能接受的信号质量值时，改变所述第一码率。

10、根据权利要求6所述的设备，其特征在于：

所述控制装置还响应指示所述输入信号的信号质量的第三控制信号（信号质量）用以当所述第三控制信号指示一个不合格的信号质量值时，改变所述第一码率。

11、根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述第一解码装置是卷积解码器。

12、根据权利要求11所述的设备，其特征在于所述卷积解码器是Viterbi解码器。

13、根据权利要求4所述的设备，其特征在于第二解码装置是块解码器。

14、根据权利要求13所述的设备，其特征在于所述的块解码器是Reed-Solomon解码器。

15、在用于处理带有包含便于在解码器上纠错信息的信息编码的输入信号的数据通信系统中，解码器设备的特征在于：

接收所述编码输入信号的输入装置（5，24，25），

用可变的纠错码率对来自所述输入装置的输出信号进行解码的装置（26）;

用于产生控制信号（Demod  Lock）指示所述设备与所述编码的数据信号同步的装置;以及

响应所述控制信号作为所述控制信号的状态函数来改变所述码率的控制装置（6，22，23）。

16、根据权利要求15所述的设备，其特征在于：

所述控制装置在不同步的情况下，改变所述码率;和

所述系统是卫星传输系统。

17、在用于处理带有包含便于在解码器上纠错信息的信息编码输入信号的数据通信系统中，解码器设备的特征在于：

用可变的纠错码率对来自所述输入装置的输出信号进行解码的装置（26）;

用于产生控制信号（信号质量）指示所述输入信号的信号质量的装置（25）;和

响应所述控制信号并作为所述控制信号状态的函数来改变所述码率的控制装置（6，22，23）。

18、根据权利要求17所述的设备，其特征在于：

所述控制装置在所述控制信号指示不合格的信号质量时，改变所述码率。

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