CN1207913C - 交互式有线数字多媒体电视广播系统 - Google Patents

交互式有线数字多媒体电视广播系统 Download PDF

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Abstract

交互式有线数字多媒体电视广播系统属于数字信息传输技术领域，其特征在于：它是单或双向广播系统、交互式广播系统和交互信道独立的交互式广播系统中的任何一种；其下行交互信号是采用TDS-OFDM(时域同步正交频分复用)的下行信道，上行交互信号是采用码分多址TDS-OFDM的上行信道；广播信道和交互信道的交互接口或单向广播系统和交互信道独立的共用接口是机顶盒。它具有高容量、高灵活性的操作模式、高可靠性、高度的网络安全性的优点，可支持多媒体盒多个传送/网络协议，还兼容欧洲DVB-C标准。

Description

交互式有线数字多媒体电视广播系统
技术领域
交互式有线数字多媒体电视广播系统属于数字信息传输技术领域，尤其涉及一种交互式有线数字多媒体电视广播(Interactive Cable Digital Multimedia/TV Broadcasting，DMB-IC)技术领域。
背景技术
信息序列再传输过程中由于多径干扰和失真，经过线性卷积而产生的信号将产生时间扩散和码间干扰(ISI)。
目前有效消除码间干扰的技术有两个：时域均衡和正交频分复用(OFDM)。时域均衡器技术比较成熟，被广泛应用于各种通信领域，但其结构复杂，成本高；而且仅对时延较短的ISI效果比较好。当码间干扰的时延与传输信号的周期处于同一数量级时，码间干扰的影响就变得严重起来。因此，延长传输信号的周期可以有效地克服码间干扰的影响，这正是OFDM消除码间干扰的原理。它由大量在频率上等间隔的子载波(设共有N个)构成。串行传输的符号序列也被分为长度为为N的组。每组内的N个符号分别被N个子载波调制，然后一起发送。所以，OFDM实质是一种并行调制技术，它把符号周期延长N倍，从而提高了对码间干扰的抵抗力。
但信道中存在码间干扰时，OFDM子载波间的正交性会被破坏，使得接收机无法正确提取各子载波上的调制符号。为此，在实际应用时需在每个OFDM信号周期前插入一个保护间隔Δ。OFDM抵抗ISI的能力取决于Δ的长度，Δ越长，可消除ISI的时延范围越大。但浪费的频带资源也越多。欧洲的DVB-T系统采用的编码的正交频分复用COFDM传输。在OFDM频谱中随机插入了一些“导频”信号，它有同步、信道估计、传输模式识别和跟踪相位噪声的作用。调制导频的数据是从一个事先规定的伪随机序列发生器中生成的伪随机序列。DVB-T系统中还规定了多种保护间隔Δ，使用户根据实际情况在抵抗码间干扰能力、节省频带资源等综合考虑，提高了系统的灵活性。但COFDM中，导频是在FFT之后插入的，而FFT计算又需要首先同步(导频)，然后才能计算FFT。因此，COFDM就采用迭代逼近算法，存在收敛误差和收敛时间问题
TDS-OFDM技术它没有插入COFDM导频信号，而是利用了扩频技术，插入PN扩频信号作为时域同步，用于帧同步、、频率同步、时间同步、信道传输特性估计和跟踪相位噪声等。它既具有OFDM的优点，又避免了COFDM的缺点。详见申请号为01115520.5、公开号为CN1317903A、名为“时域同步正交频分复用调制方法”，以及申请号为01124144.6、公开号为CN1334655A、名为“正交频分复用调制系统中保护间隔的填充方法”的两项中国发明专利。
目前，OFDM在已经存在的地面数字视频广播(DVB-T)标准以及地面综合业务数字广播(ISDB-T)标准中得到了应用。TDS-OFDM技术则仅在地面数字多媒体电视广播系统中得到了应用，并在2000年申请了中国发明专利(申请号：00123597.4)。它在信道数据包的结构中使用了同步的分级式帧结构。
有线数字电视由于其误码率低、容量大、保密性强而成为数字电视发展的趋势，至于把TDS-0FDM技术应用导传输音频、视频、数据信息的交互式有线数字多媒体电视广播系统中则具有巨大的前景。
发明内容
本发明的目的在于提供可实现音频、视频、数据交互传输的交互式有线数字多媒体电视广播系统。
本发明提出的交互式有线数字多媒体电视广播系统，它是以下三种交互式有线数字多媒体电视广播系统中的任何一种：
(1)系统前端和用户之间单线交互的单向广播系统：系统的下行信道可以单独构成单向广播系统，在系统前端和用户之间是一条传输数字信息的单或双向的宽带广播信道，它的终端是由网络接口单元和机顶单元构成的机顶盒，其中，网络接口单元中的广播接口模块与广播信道相连；
(2)交互式广播系统：它是在单向广播系统基础上外加交互信道构成的，在系统前端和用户之间建立两条信道：广播信道和交互信道，其中：
广播信道是一条建立在系统前端和用户之间用以传输数字信息的宽带广播信道；
交互信道是一条建立在系统前端和用户之间的双向交互信道，其中，上行交互通道是从用户到系统前端的用于向系统前端发出请求、应答或上载数据的信道；下行交互信道是从系统前端到用户的用于提供交互服务信息的信道，该下行交互信道嵌入在广播信道中；
所述的交互式广播系统的交互终端是为广播信道和交互信道提供接口的机顶盒，由网络接口单元和机顶单元构成，网络接口单元含有广播接口模块和交互接口模块，所述的广播接口模块连接着广播信道和下行交互通道，所述的交互接口模块经交互式有线数字多媒体电视广播系统和上行交互信道相连；
(3)交互信道独立的交互式广播系统：它是在单向广播系统基础上外加独立的双向信道构成的，即它在系统前端和用户之间建立广播信道和独立于该广播信道的交互信道，它是一种实时应用服务的交互式广播结构，它的广播信道和交互信道的共同接口是机顶盒，由网络接口单元和机顶盒单元构成，其中网络接口单元含有广播接口模块和交互接口模块，所述的广播接口模块是连接广播信道的，交互接口模块是连接交互信道的；
所述的上行交互信道是一条采用码分多址TDS-OFDM的上行信道；所述的下行交互信道是一条采用TDS-OFDM的下行信道；
所述的交互式有线多媒体电视广播系统，其特征在于：
所述的下行信道的传输子系统由编码部分和经过系统交互网络后的解码部分构成，前述的编码部分依次由输入为多媒体信号、输出为TS信号序列的TS接口和复接模块、帧同步码包模块、同步字反向与数据流随机化模块、纠错编码为RS(209，187)或RS(204，188)的RS编码模块、交织器为(19，22)或(12，17)的卷积交织模块、QAM符号映射模块、差分编码模块、再经PN同步序列生成器处理的基带成形模块，以及上变换器物理接口串接而成；前述的解码部分依次由RF前端处理器和调谐器、A/D变换器、同步和信道估计模块、QAM解码模块、反卷积交织模块、RS解码器、数据随机化处理模块以及输出为TS序列信号的TS接口和解复接模块串接而成，在RF调谐器和同步和信道估计模块间反向并接一个AGC模块；
所述的上行信道的传输子系统由编码部分和经过系统交互网络的解码部分构成；前述的编码部分依次由输入为上行码流的用户接口和复接模块、前向纠错为分组乘积码BPC(348，192)的FEC编码和交织模块、频率分集模块、码分多址的TDS-OFDM模块、再经过PN同步序列生成器处理的基带成形模块、RF前端处理模块串接而成；前述的解码部分依次由RF前端处理器和调谐器、A/D变换器、同步和信道估计模块、TDS-OFDM解码模块、频率解分集模块、反交织模块和FEC解码模块串接而成，其中，RF前端处理器和调谐器及同步和信道估计模块间反向并接着AGC模块。
使用证明它达到了预期目的。
附图说明
图1是按照本发明所述的系统前端和用户之间单线交互的DMB-IC单向广播系统的参考模型。
图2是按照本发明的DMB-IC双向广播系统的参考模型一。
图3是按照本发明的DMB-IC双向广播系统的参考模型二。
图4是按照本发明的DMB-IC传输信道的帧结构。
图5是按照本发明的x8+x6+x5+x+1的Fibonacci型线性反馈移位寄存器。
图6是按照本发明的混合式同步信号帧的帧同步码包。
图7是按照本发明的IDFT块的数据复用。
图8是本发明中x6+x+1的Fibonacci型线性反馈移位寄存器。
图9是本发明中上行信道的信号帧体模式二的信号单元。
图10是本发明中x5+x+1的LFSR方框图。
图11是本发明的DMB-IC下行信道的编码与调制系统框图。
图12是本发明所采用的1+x14+x15的随机化器的线性反馈移位寄存器。
图13是本发明所采用的卷积交织。
图14是本发明所采用的下行信道RF调制功能框图。
图15是本发明所采用的嵌入信令信道。
图16是本发明所采用的信号帧结构。
图17是本发明所采用的DMB-IC上行信道的编码与调制系统框图。
图18是本发明所采用的上行线路RF调制功能框图。
图19是本发明所采用的上行线路信号帧结构。
图20是本发明所采用的DMB-IC的SNR～BER性能曲线。
图21是本发明所采用的DMB-IC的峰值平均功率比和信噪比性能。
具体实施方式
本发明提出了一种交互式有线数字多媒体电视广播传输方法和系统。它设计用于在有线电视系统中提供媒体业务，包括HDTV、音频、视频、数据广播和互动多媒体业务，具有一些重要特性，包括高信息量：在8MHz带宽下，可提供高达下行50Mb/s和上行20Mb/s的净荷传输码率；高灵活的操作模式：通过选择不同的调制方案，系统能够支持不同传输条件的业务；高可靠性：能够抵抗脉冲干扰和不匹配引起的反射等；高度的网络安全性：在物理传输层进行加密与授权控制；支持多个传送/网路协议，易于和其它的广播和通信系统接口，例如MPEG2，ATM和IP协议集；采用了专有技术降低峰值平均功率比；多种操作模式，兼容欧洲DVB-C标准。
本发明针对的主要对象是有线数字电视广播，下面将结合附图对本发明的交互式有线数字多媒体电视广播传输方法和系统进行详细说明。
1.系统说明
1.1 物理层
DMB-IC物理层包括用于上/下行传输的信道编码和调制系统，其中下行信道是必须的，而上行信道是选项。
1.2 随机接入控制层
DMB-IC随机接入控制层包括用于上/下行信道的控制协议。
1.3 传送层
下行传送层为MPEG-TS传送码流，上行传送层为ATM传送码流。
1.4 DMB-IC系统范例
DMB-IC系统有三种组成方式。
(1)单或双向广播系统结构
DMB-IC系统的下行信道可以单独构成单向广播系统，如图1所示，在系统前端和用户之间建立一条单向的宽带广播信道，传输视频、音频和数据等。
(2)交互式广播系统结构
第一种交互式广播系统是在单向广播系统的基础上外加上行信道构成的，如图2所示。
在此模型中，在系统前端和用户之间建立两个信道：广播信道和交互信道。
广播信道：系统前端和用户之间建立一条单向的宽带广播信道，传输视频、音频和数据等；
交互信道：系统前端和用户之间建立一条双向交互信道，用于交互目的。
而交互信道由下面两条通道组成：
上行交互通道：从用户到系统前端的信道，用于向系统前端发出请求、应答或上载数据。
下行交互通道：从系统前端到用户的信道，用于为交互服务提供信息和任何其它的请求交流。
在此模式一中，下行交互通道嵌入在广播信道中。
交互终端也称为机顶盒(Set-Top-Box，STB)，它为广播信道和交互信道提供接口。STB由网络接口单元(Network Interface Unit，NIU)和机顶单元(Set Top Unit，STU)构成，网络接口单元NIU由广播接口模块(Broadcast Interface Module，BIM)和交互接口模块(Interactive Interface Module，IIM)组成。
(3)交互信道独立的交互式广播系统结构
第二种交互式广播系统是在单向广播系统的基础上外加双向信道构成的，如图3所示。
与交互式广播结构相同，此系统结构在系统前端和用户之间建立广播和交互两个信道。与交互式广播结构不同的是，此系统的交互信道独立于它的广播信道。交互信道独立的交互式广播结构适用于对时延要求比较小的实时应用服务。
2.系统帧结构
DMB-IC物理信道有以下特性：
·分层的帧结构；
·具有周期性，循环时间为自然日；
·唯一的帧寻址，与绝对时间同步；
·同步式的上行接入；
·连续和突发数据混合传输；
·DMB-IC系统的下行信道，向下兼容广电总局关于数字有线电视的行业标准。
2.1 帧结构描述
物理信道的帧结构如图4所示。它是同步的分级式帧结构。一个基本帧称为信号帧。信号帧由两部分组成，即帧同步和帧体。帧群定义为一群信号帧，其第一帧定义为帧群头(控制帧)。超帧定义为一组帧群。帧结构的顶层称为日帧(Calendar Day Frame，CDF)。物理信道是周期的，并且和绝对时间同步。
2.1.1 信号帧
DMB-IC系统的上/下行信道的帧结构是一致的，并且由下行信道决定。信号帧是DMB-IC系统帧结构的基本单元。下行信道信号帧的基带符号采用16QAM、64QAM和256QAM三种调制方式，上行信道信号帧的基带符号采用QPSK和16QAM两种调制方式。每个信号帧由帧同步和帧体两部分组成(见图4)。
DMB-IC系统定义两种信号帧供应用选择。
(1)PN码同步信号帧
PN码同步信号帧的帧头为PN序列。信号帧由4000个符号组成。
下行信道的帧同步采用BPSK调制，以得到稳定的同步。它由220个符号的PN序列组成。下行信道的帧体由一个长度为3780的DFT块组成。
上行信道的帧同步采用扩频编码调制以支持多用户同步。它由220个符号的编码PN序列组成。上行信道的帧体由一个长度为3780的多用户DFT块组成。
(2)混合式同步信号帧
下行信道的帧同步和帧体以MPEG-TS包作为基本单元。下行信道的帧同步采用一个具有特定PID的MPEG-TS包，称为帧同步码包。根据不同的调制方式，下行信道的帧体由15、23、或31个MPEG-TS包组成。混合式同步信号帧的最大长度为6528个符号。
上行信道的帧同步采用扩频编码调制以支持多用户同步。它由272个符号的编码PN序列组成。上行信道的帧体长度为6256个符号。
2.1.2 帧群
一个帧群由一个控制帧(帧群头)和随后的188个信号帧构成。帧群中的每一个信号帧有唯一的帧号，它被编码在帧同步信号中。控制帧(帧群头)的帧编号为0，信号帧的帧编号为1-188。
2.1.3 超帧
一个超帧包含600个帧群。超帧中的每个帧群由其帧群号唯一识别，它被编码于每个信号帧中。如图4所示，超帧的第一个帧群编号为0，最后一个帧群编号为599。
2.1.4 日帧或超帧群
超帧群以一个自然日为周期进行周期性重复。在格林威治标准时间(GST)0:0:0 AM或其它选定的参考时间，物理信道帧结构被复位并开始一个新的日帧。每个日帧的最后一个超帧在复位时刻可能是不完整的。
2.1.5 下行信道的信号帧结构
(1)PN码同步信号帧的帧同步PN序列
下行信道帧群中的每个信号帧有唯一的帧同步序列。所以，帧同步能作为特定信号帧的帧同步特征而用于识别。
PN序列定义为一个7阶m序列，用Fibonacci型线性反馈移位寄存器(LFSR)实现，其特征多项式定义为x7+x3+1，LFSR方框图示于图5。初始条件模板将确定所生成m序列的相位。对于一个特定的信号帧，它的信号帧号决定PN序列的初始条件。
经“0”到“+1”值及“1”到“-1”值的映射后，PN序列变换为非归零的二进制信号。
(2)混合式同步信号帧的帧同步码包和帧识别符
在下行信道的帧群中，每个信号帧的帧同步信号由同步码包和识别符构成。每个信号帧的第一个MPEG-TS包定义为帧同步码包，虽然帧同步码包是MPEG-TS格式，它是在物理层插入的，作为DMB-IC的信令信道，如图6所示。DMB-IC的帧同步码包由MPEG-TS包头中的特定PID标识，该包头的第一个字节(同步字节)是被反向后(B8H)传输的。
下行信道的信号帧识别符由16个符号组成，编码表示0-252的信号帧号。信号帧识别符符号的位置取决于下行信道的调制模式，如表1所示。表1假设同步包头的第一个符号的位置为0。
     表1    混合式同步信号帧的帧识别符的位置
    符号位符号位置/模式    16QAM    64QAM     256QAM
    1    24    16     12
    2    48    32     24
    3    72    48     36
    4    96    64     48
    5    120    80     60
    6    144    96     72
    7    168    112     84
    8    192    128     96
    9    216    144     108
    10    240    160     120
    11    264    176     132
    12    288    192     144
    13    312    208     156
    14    336    224     168
    15    360    240     180
    16    384    256     192
信号帧识别符符号位用BPSK信号表示，其16位构成两个8位字节，两个8位字节相同，用来表示信号帧号。
(3)PN码同步信号帧的信号帧体
在下行信道中，一个帧体的基带信号是一个DFT(离散付里叶变换)块。该DFT块在其时域中有3780个样值，它们是频域中3780个子载波的逆离散傅氏变换。DFT块时域信号持续500us，它对应于频域中相邻子载波间隔为2KHz。
在一个帧体中，有3780个符号(载波)，前9个符号(符号0-8)和后9个符号(符号3771-3779)用于携带传输参数信令(Transmission Parameter Signaling，TPS)，剩余的3762个符号用于数据净荷传输。
(4)混合式同步信号帧的信号帧体
在下行信道中，根据调制方式的选择，帧体中可以有15，23或31个MPEG-TS包用来传送多媒体数据。帧体中的第8、16、24个MPEG-TS包头的第一个字节(同步字节)是被反向后(B8H)传输的。
(5)帧群号
帧群号(Frame Group Number，FGN)有9比特。对PN码同步信号帧，帧群号被编码在传输参数信令TPS中。对混合式同步信号帧，帧群号被编码在帧同步码包中。
(6)PN码同步信号帧的传输参数信令(TPS)
传输参数信令TPS嵌入在信号帧的帧体中，用以传送系统配置信息。它由36比特组成，并用QPSK映射为18个符号。
18个TPS符号与3762个数据符号，形成信号帧的帧体，并送给频率分集器，映射为相应的子载波。
TPS在帧群中每个信号帧中重复。传输模式只在新帧群开始时才能改变。
TPS的定义见表2。
            表2    传输参数信令(TPS)表
比特分配     比特数     目的/内容
Bit0-Bit8     9     帧群号
Bit9-Bit10     2     调制方式
Bit11-Bit21     11     超帧号
Bit22-Bit35     14     保留
(7)PN码同步信号帧DFT块中的符号复用
一个DFT块中的复数符号按图7所示进行复用。它是频率分集之前的符号序列。
2.1.6 上行信道的信号帧结构
(1)上行信道的帧同步PN序列
用于上行信道同步的PN序列定义为6阶的m序列，用Fibonacci型线性反馈移位寄存器(LFSR)实现，其特征多项式定义为x6+x+1，LFSR方框图示于图8。初始条件模板将确定所生成m序列的相位，定义为111111。
经“0”到“+1”值及“1”到“-1”值的映射后，PN序列变换为非归零的二进制信号。
(2)上行信道的随机接入同步码
上行信道的同步是由下行信道控制的。根据下行信道采用的信号帧方式，上行信道的随机接入同步码定义如下。
对于下行信道是PN同步码信号帧的情况，上行信道的随机接入同步码由3个6阶的PN序列编码组成。在这种情况下，共有8个不同的长度为189个符号的随机接入同步码。
对于下行信道是混合式同步信号帧的情况，上行信道的随机接入同步码由一个隔离空序列和4个6阶的PN序列编码组成。在这种情况下，共有16个不同的长度为272个符号的随机接入同步码。隔离空序列由20个空符号组成。
上行信道控制帧(帧群头)的同步序列采用编码为000或0000的PN序列，由DMB-IC系统前端指定的用户使用。
(3)下行信道为PN码同步信号帧时的上行信道的信号帧体
在上行信道中，一个帧体的基带信号是被多用户分享的。多用户信号分两种，一种是接入请求信号；另一种是数据信号。上行信道的帧体是由信号单元构成的，每个信号单元由378个符号组成。接入请求信号由一个信号单元构成。数据信号由多个信号单元构成。上行信道的信号帧帧体最多可由10个信号单元组成。
上行信道的帧体中至少要有一个并且最多只能有七个接入请求信号。上行信道的帧体的第一个信号单元总是接入请求信号。上行信道的帧体中的接入请求信号数是由下行信道的控制信号决定的。接入请求信号可能是空的，也可能是多个用户的接入请求信号的混合。
上行信道的帧体中最多只能有七个数据信号，并且与接入请求信号数之和不能超过8。上行信道的帧体中的数据信号数及其结构是由下行信道的控制信号决定的。数据信号是分配给单一用户的，不能与其他用户分享。
上行信道控制帧(帧群头)的帧体是由编码的空序列、PN序列、登记信号和空序列组成的。编码的PN序列表示一个52位二进制码，是由52个6阶的m序列构成的长度为3276的序列。登记信号单元的长度为384个符号。前后两个空序列的长度都是60个符号。
(4)下行信道为混合式同步信号帧时的上行信道的信号帧体
在上行信道中，一个帧体的基带信号是被多用户分享的。多用户信号分两种，一种是接入请求信号；另一种是数据信号。上行信道的帧体是由16个信号单元构成的。每个信号单元有391个符号，如图9所示，它由12个空符号、31个符号的PN序列(5阶的m序列，其特征多项式定义为x5+x+1，初始条件为11111，LFSR方框图示于图10)和348个编码的数据符号组成。接入请求信号由一个信号单元构成。数据信号由多个信号单元构成。
上行信道的帧体中至少要有一个并且最多只能有15个接入请求信号。上行信道的帧体的第一个信号单元总是接入请求信号。上行信道的帧体中的接入请求信号数是由下行信道的控制信号决定的。接入请求信号可能是空的，也可能是多个用户的接入请求信号碰撞的混合。
上行信道的帧体中最多只能有15个数据信号，并且与接入请求信号数之和不能超过16个。上行信道的帧体中的数据信号数及其结构是由下行信道的控制信号决定的。数据信号是分配给单一用户的，不能与其他用户分享。
上行信道控制帧(帧群头)的帧体是由空序列、编码的PN序列、登记信号和空序列组成的。编码的PN序列表示一个96位二进制码，是由96个6阶的m序列构成的长度为6048的序列。登记信号单元的长度为348个数据符号。前后两个空序列的长度都是104个符号。
2.2 物理信道的同步
DMB-IC物理信道的同步主要是指下行信道的同步。
2.2.1 信道帧结构中的寻址
下行信道的信号帧可以用它的帧同步序列或帧同步识别符进行识别。
超帧中帧群编为0到511号，可由信号帧DFT块中的TPS识别或帧同步码包中的帧群号进行识别。
日帧中的超帧从0开始，编到最大数目，它能由GST时间或信号帧的相关数据识别。
2.2.2 信道的信号帧同步
在同步过程中，下行信道的帧同步PN序列被用于信号帧同步，或MPEG-TS包头中的第一个字节(同步字节)47H或其反向B8H首先被用做包同步，然后帧同步识别符将被用于信号帧同步。
2.2.3 信号帧群同步
在同步过程中，下行信道的控制帧(帧群头)中的帧同步信号被用于信号帧群同步。
2.2.4 物理信道的超帧同步
在同步过程中，超帧中的下行信道帧群能由其帧群头识别。
2.2.5 物理信道中上行信道的同步
上行信道的同步是在下行信道同步的基础上，通过双向协议进行的。
2.3 随机接入
DMB-IC物理信道的上行信号接入是在下行信道已经同步的基础上进行的。
2.3.1 用户登记
DMB-IC系统的用户在进行上行信号接入时必须处于登记状态。用户需用系统注册和更新记录两种手段进行登记。
(1)系统注册
系统注册是由用户自发进行的，具有随机性。当具有上行信道功能的DMB-IC用户终端启动工作时，在取得下行信道同步后，马上进行系统注册。上行信道的帧群头是用来进行系统注册的。由于系统注册的随机性，可能存在多个用户同时进行系统注册的情况。从而导致系统注册失败。因此，有时系统注册要反复进行多次，直至系统注册成功。
(2)更新记录
更新记录是在系统的控制下进行的，具有周期性。
2.3.2 接入请求
DMB-IC系统的用户在进行上行信号接入时必须进行接入请求。接入请求分为初始请求和重复请求。
(1)初始请求
初始请求是用户自发进行的，具有随机性。
(2)重新请求
重新请求是在系统没有应答初始请求的情况下进行的。
2.3.3 上行信号传送
当上行传送请求被系统接受后，用户终端将上行信号根据系统前端指定的方式发送。
(1)正常结束
当系统前端收到用户的上行信号后，如果经检验无传输错误，则通知用户正常结束。
(2)重传
当系统前端收到用户的上行信号后，如果经检验发现传输错误，则通知用户按指定方案进行重传。
3.下行信道中信号的编码和调制
3.1 下行信道编码与调制的功能描述
3.1.1 下行信道传输系统框图
下行信道的信道编码和调制系统框图，如图11所示。
3.1.2 MPEG-TS接口
该功能单元为下行信道的数据接口，数据流为MPEG-TS格式。
3.1.3 帧同步码包
该功能单元产生帧同步码包，并将其与下行数据流码包复接。
3.1.4 同步字节反向与数据流随机化
该功能单元将MPEG-TS包的第一个字节(同步字节)进行反向处理，并将其他的字节进行随机化处理。
3.1.5 RS编码器
该功能单元将数据包进行纠错编码，纠错码为RS(209，187)或RS(204，188)的RS码。
3.1.6 卷积交织器
该功能单元将对数据流进行交织，采用深度I＝19，宽度M＝22，或深度I＝12，宽度M＝17，的卷积交织器。
3.1.7 QAM符号映射
该功能单元将下行数据流字节映射成QAM符号，形成符号流。
3.1.8 差分编码
该功能单元将符号流的两个最高有效位(MSB)进行差分编码。
3.1.9 帧同步插入
该功能单元将下行信道帧同步序列或识别符插入符号流。
3.1.10 基带成形
该功能单元将对符号流进行升余弦平方根滚降(SRRC)滤波。
3.1.11 上变频物理接口
该功能单元是下行信道的符号流与上变频处理器的物理接口。
3.2 能量扩散码
DMB-IC系统前端调制器的输入是MPEG2兼容的传送码流包。在传输之前，MPEG2包的187个信息Byte被伪随机二进制序列(PRBS)置乱，产生随机的数据码流。PRBS由线性反馈移位寄存器(LFSR)产生，其特征多项式为x15+x14+1。
3.2.1 PN序列同步信号帧的随机化
在每个信号帧的开始处，LFSR复位为初始值。定义初始值采用八进制45200(Oct)表示。为了置乱输入数据，传输的数据字节顺序地与LFSR的低8位(8LSB)进行异或。MPEG2包的同步字0x47没有传输。
3.2.2 混合式同步信号帧的随机化
每个信号帧的开始的第1、8、16、24个MPEG-TS包的同步字节0x47应按位反向形成反向同步字节0xB8。在每个反向同步字节处，LFSR复位为初始值。定义初始值采用八进制45200(Oct)表示。为了置乱输入数据，传输的数据字节顺序地与LFSR的低8位(8 LSB)进行异或。MPEG2包的同步字0x47和0xB8不与LFSR的低8位进行异或而直接传输到下一级。
3.3 前向纠错码(FEC)
在DMB-IC下行信道中，信号帧使用RS编码(RS(209，187)，RS(204，188))和16QAM、64QAM、256QAM调制，以取得高传输率。
在DMB-IC下行信道中，控制帧(帧群头)和MPEG同步码包使用高保护的FEC编码以取得高可靠性。
3.3.1 PN序列同步信号帧的RS(209，187)码
RS(209，187)码是缩短的里德-索罗门码RS(255，233)，域生成多项式和码生成多项式如下：
              x8+x4+x3+x2+1
和
       (x-1)(x-α)(x-α2)…(x-α21)
RS(209，187)有187字节信息数据、22字节纠错校验字节。它的RS(209，187)生成步骤如下：
1)在187个数据字节前增加46个零字节作为信息字节；
2)编码233个信息字节得到255个编码字节；
3)去掉编码字节的前46个字节。
3.3.2 混合式同步信号帧的RS(204，188)码
RS(204，188)码是缩短的里德-索罗门码RS(255，233)，域生成多项式和码生成多项式如下：
              x8+x4+x3+x2+1
和
        (x-1)(x-α)(x-α2)…(x-α15)
RS(204，188)有188字节信息数据、16字节纠错校验字节。它的RS(204，188)生成步骤如下：
4)在188个数据字节前增加51个零字节作为信息字节；
5)编码239个信息字节得到255个编码字节；
6)去掉编码字节的前51个字节。
3.4 信号帧的交织
DMB-IC的下行信道的交织有两种模式：交织和无交织。交织器采用卷积交织器，如图13所示，交织宽度(支路)B，交织深度(延迟缓存器)M。交织/去交织对的总时延为M×(B-1)×B。
3.4.1 PN序列同步信号帧的随机化
在交织模式下，只有下行信道的信号帧参与交织，下行信道的控制帧不参与交织。交织器的基本信号单位为符号，B＝19，M＝22。
3.4.2 混合式同步信号帧的随机化
交织器的基本信号单位为字节，B＝12，M＝17。
3.5 PN序列同步信号帧的频率分集
为了降低时域信号峰均功率比，提高对相位噪声的抗干扰能力，DMB-IC传输系统对PN序列同步信号帧中的DFT块采用了频率分集的信号处理技术。DFT块的频率分集处理包括频域分集编码和频域特性整形。
3.6 PN序列同步信号帧的时域同步OFDM调制
在TDS-OFDM(Time-Domain Synchronous Orthogonal Frequency Division Multiplexing)中，时域正交编码的帧同步序列作为DFT块的时域保护间隔。这些编码的帧同步PN序列可以用于下行信道的信道估计，系统同步，以及信号帧寻址。在DMB-IC系统的接收端，将PN序列去除后，PN序列填充的时域保护间隔就等效于零填充的时域保护间隔。
TDS-OFDM调制应该按下列步骤进行：
1.将被传信号进行FEC编码，然后映射为符号(16QAM，64QAM，256QAM)流；
2.将符号流和TPS码映射到DFT数据块的相应位置；
3.将DFT数据块进行频率分集处理；
4.采用IFFT将DFT数据块变换为时域的离散样值；
5.帧同步PN序列和时域DFT数据块组合，构成OFDM信号帧；
6.采用平方根升余弦(SRRC)滤波器进行脉冲成型；
7.将基带信号帧上变换到RF载波上；
以上步骤如图14所示。
3.6.1 DFT块
FEC块的输出数据(3762个符号)和传输参数信令(TPS，18个符号)用于形成3780点的离散傅立叶变换(DFT)块。
一个DFT块由3780个子载波组成，子载波间隔为2kHz。因此，占用的带宽为7.56MHz。子载波星座图可以是16QAM、64QAM或256QAM。
将DFT数据块进行频率分集处理，然后通过7560点快速傅立叶逆变换(IFFT)将频域信号变换到时域。合数7560可分解为7×5×33×23，以便进行快速DFT计算。
时域DFT块由7560个样值表示(2倍于奈奎斯特取样)。
3.6.2 符号星座图
为了满足不同的业务需要，DMB-IC支持均匀星座的16QAM、64QAM和256QAM调制。
对于16QAM，有两个比特流，一个映射为I，另一个映射为Q，每次映射两个比特。
           表3    16QAM均匀调制映射表
  比特   00   01     10     11
  符号   -3   -1     1     3
对于64QAM，有两个比特流，一个映射为I，另一个映射为Q，每次映射三个比特。
                         表4  64QAM均匀调制映射表
比特     000  001  010  011 100  101 110 111
符号     -7  -5  -3  -1 1  3 5 7
对于256QAM，有两个比特流，一个映射为I，另一个映射为Q，每次映射四个比特。
                                                                     表5    256QAM均匀调制映射表
  比特   0000   0001   0010   0011   0100   0101   0110   0111   1000   1001   1010   1011   1100   1101   1110   1111
  符号   -15   -13   -11   -9   -7   -5   -3   -1   1   3   5   7   9   11   13   15
3.6.3 下行信道中的嵌入信令信道
下行信道的传输参数信令TPS嵌入信号帧的帧体中，用以携带系统配置信息。
TPS由36比特组成，并用QPSK调制为18个符号。调制方案和分组数据一样。
9个TPS符号后跟随3762个数据符号，然后再跟9个TPS符号形成DFT块，并送给频率分集器，映射为相应的子载波，如图15所示。
TPS在帧群中每个信号帧中重复。传输模式只在新的一个帧群开始时才能改变。
TPS的定义见前面的表1。
3.6.4 时域帧同步序列
下行信道的时域帧同步序列(Frame Sync，FS)主要用于下行信道的同步和信道估计，同时也作为TDS-OFDM调制系统中的时域保护间隔。帧同步由189个符号的PN序列组成，等效于25us。帧同步信号功率比帧体的平均信号功率提升约3dB。
3.6.5 脉冲成形滤波器
平方根升余弦(Square Root Raised Cosine，SRRC)滤波器用于基带脉冲成型。SRRC滤波器的滚降系数α取0.15。
3.6.6 调制的RF信号
TDS-OFDM调制的RF信号由下式描述：
      S(t)＝Re[exp(2πFct)U(t)]
其中，S(t)—RF信号
      Fc—载波频率
      U(t)—脉冲成型基带信号，由下式定义：
         U(t)＝P(t)*[FS(i)+IDFT(k)]
其中，P(t)—SRRC滤波器的脉冲成型函数
      FS(i)—帧同步序列
      IDFT(k)—IDFT块样值
注：FS(i)和IDFT(k)时间上正交，如图16所示。
4.上行信道的编码和调制
这里是用户上行信道的信道编码和调制系统框图，如图17所示。
4.1 前向纠错码(FEC)
在DMB-IC系统中，上行信道的信号使用BPC(348，192)FEC和QPSK和16QAM调制。BPC(348，192)编码器的输入数据为192比特，而BPC的输出数据为348比特。BPC(348，192)是两维分组乘积码BPC(512，286)的删余缩短。BPC(512，286)是BCH(32，26)码和BCH(16，11)的乘积。BCH(32，26)是BCH(31，26)添加一个奇偶校验比特而扩展成的。BCH(16，11)是BCH(15，11)添加一个奇偶校验比特而扩展成的。
BCH(31，26)的生成多项式为
      x5+x2+1
而BCH(15，11)的生成多项式为
      x4+x+1
BPC(348，192)的缩短分组乘积码定义为把BPC(512，286)的前8行，以及BPC(512，286)第9行的前6个比特置为0，BPC(512，286)中定义的0不传送给接收机。上述定义的缩短分组乘积码表示为BPC(378，192)。删余分组乘积码BPC(348，192)定义为从缩短BPC(378，192)中去除30个双校验比特。
一个24字节的数据块可编入一个BPC(348，192)码中。BPC(348，192)的传输顺序为按行进行。
4.2 频域滤波器
FEC编码后的上行信号在做上变频调制以前要进行频域滤波，以保持所需的频率特性。
4.3 码(时)分多址的上行信号调制
DMB-IC系统的上行信号是采用突发的多用户时分多址方式。每个信号帧可以由多个用户分享。同步帧同步TDS-OFDM(Time-Domain Synchronous Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing)中，时域正交编码的帧同步序列用作OFDM保护间隔。这些编码的帧同步PN序列用于信道估计和系统同步，以及数据帧寻址和位置定位。在接收端，PN序列去除后，PN序列填充的OFDM信号就等效于零填充的OFDM信号。
TDS-OFDM调制应该按下列步骤进行：
1.将被传信号进行FEC编码，然后映射为符号(QPSK或16QAM)流；
2.根据系统指定的码(时)分多址规定，将符号流映射到DFT数据块的相应位置；
3.将DFT数据块进行频率分集处理；
4.采用IDFT将DFT数据块变换为时域的离散样值；
5.将编码的帧同步PN序列和时域DFT数据块组合，构成TDS-OFDM信号帧；
6.采用平方根升余弦(SRRC)滤波器进行脉冲成型；
7.将基带信号帧上变换到RF载波上；
以上步骤如图18所示。
4.3.1 DFT块
FEC块的输出数据和单元同步序列(30个符号的PN序列，见附表X)组成数据信号单元(378个符号)。按照系统的协议将一个或多个数据信号单元映射到DFT块(长度为3780)的相应位置。
一个DFT块由3780个子载波组成，子载波间隔为2kHz。因此，占用的RF带宽为7.56MHz。子载波星座图可以是QPSK或16QAM。
然后将DFT数据块进行频率分集处理，最后通过7560点快速傅立叶逆变换(IFFT)将频域信号变换到时域。合数7560可分解为7×5×33×23，以便进行快速DFT计算。
时域DFT块由7560个样值表示(2倍于奈奎斯特取样)。
4.3.2 符号星座图
为了满足不同的业务需要，DMB-IC上行信道支持均匀星座的QPSK和16QAM调制。
对于QPSK，有两个比特流，一个映射为I，另一个映射为Q，每次映射一个比特。
     表6  QPSK映射表
    比特     0     1
    符号     -1     1
16QAM调制的符号星座图与下行信道相同。
4.3.3 随机接入帧同步序列
上行信道的多用户随机接入帧同步序列用于对每个用户所传的上行信号进行同步和信道估计，同时也作为TDS-OFDM调制系统中OFDM的时域保护间隔。帧同步由189个符号的PN序列组成，等效于25us。
4.3.4 脉冲成形滤波器
与下行信道相同，上行信道的SRRC滤波器的滚降系数α取0.15。
4.3.5 调制的RF信号
TDS-OFDM调制的RF信号由下式描述：
      S(t)＝Re[exp(2πFct)U(t)]
其中，S(t)—RF信号
      Fc—载波频率
      U(t)—脉冲成型基带信号，由下式定义：
              U(t)＝P(t)*[FS(i)+IDFT(k)]
其中，P(t)—SRRC滤波器的脉冲成型函数
      FS(i)—帧同步序列
      IDFT(k)—IDFT块样值
注：FS(i)和IDFT(k)时间上正交，如图19所示。
在上面的各个部分，我们分别介绍了各个部分的功能和基本原理，目前已经用FPGA实现了本系统的功能样机。并且针对上述系统进行了计算机仿真测试，得出下面的结果。
在加性高斯白噪声(AWGN)信道中，256QAM调制和信道编码(RS码和卷积交织)的计算机仿真结果如图20所示。对于准透明(Quasi-Error Free，QEF)传输，RS码之前需要的BER门限大约是2×10-4。应该指出的是AWGN信道SNR性能只是传输系统的一个基准，它是一个重要的性能指示，但它可能不代表真实的信道。因此，在图中还提供了DMB-IC在多径下的仿真结果，多径模型采用了DOCSIS推荐的数值。
对于射频传输系统，在给定信号平均输出功率的条件下，要求发射机具有足够高的峰值输出功率以满足信号的峰均比要求。特别是OFDM系统，要求较高的峰均比输出。图21说明不同的调制方式下清华DMB-IC系统由于发射机饱和限幅所引入的接收机解调器输出信号的信噪比。典型条件下，PAPR为6dB时，解调器输出信号信噪比53.95dB。

Claims (1)

1、交互式有线数字多媒体电视广播系统，它是以下三种交互式有线数字多媒体电视广播系统中的任何一种：
(1)系统前端和用户之间单线交互的单向广播系统：系统的下行信道可以单独构成单向广播系统，在系统前端和用户之间是一条传输数字信息的单或双向的宽带广播信道，它的终端是由网络接口单元和机顶单元构成的机顶盒，其中，网络接口单元中的广播接口模块与广播信道相连；
(2)交互式广播系统：它是在单向广播系统基础上外加交互信道构成的，在系统前端和用户之间建立两条信道：广播信道和交互信道，其中：
广播信道是一条建立在系统前端和用户之间用以传输数字信息的宽带广播信道；
交互信道是一条建立在系统前端和用户之间的双向交互信道，其中，上行交互通道是从用户到系统前端的用于向系统前端发出请求、应答或上载数据的信道；下行交互信道是从系统前端到用户的用于提供交互服务信息的信道，该下行交互信道嵌入在广播信道中；
所述的交互式广播系统的交互终端是为广播信道和交互信道提供接口的机顶盒，由网络接口单元和机顶单元构成，网络接口单元含有广播接口模块和交互接口模块，所述的广播接口模块连接着广播信道和下行交互通道，所述的交互接口模块经交互式有线数字多媒体电视广播系统和上行交互信道相连；
(3)交互信道独立的交互式广播系统：它是在单向广播系统基础上外加独立的双向信道构成的，即它在系统前端和用户之间建立广播信道和独立于该广播信道的交互信道，它是一种实时应用服务的交互式广播结构，它的广播信道和交互信道的共同接口是机顶盒，由网络接口单元和机顶盒单元构成，其中网络接口单元含有广播接口模块和交互接口模块，所述的广播接口模块是连接广播信道的，交互接口模块是连接交互信道的；
所述的上行交互信道是一条采用码分多址TDS-OFDM的上行信道；所述的下行交互信道是一条采用TDS-OFDM的下行信道；
所述的交互式有线多媒体电视广播系统，其特征在于：
所述的下行信道的传输子系统由编码部分和经过系统交互网络后的解码部分构成，前述的编码部分依次由输入为多媒体信号、输出为TS信号序列的TS接口和复接模块、帧同步码包模块、同步字反向与数据流随机化模块、纠错编码为RS(209，187)或RS(204，188)的RS编码模块、交织器为(19，22)或(12，17)的卷积交织模块、QAM符号映射模块、差分编码模块、再经PN同步序列生成器处理的基带成形模块，以及上变换器物理接口串接而成；前述的解码部分依次由RF前端处理器和调谐器、A/D变换器、同步和信道估计模块、QAM解码模块、反卷积交织模块、RS解码器、数据随机化处理模块以及输出为TS序列信号的TS接口和解复接模块串接而成，在RF调谐器和同步和信道估计模块间反向并接一个AGC模块；
所述的上行信道的传输子系统由编码部分和经过系统交互网络的解码部分构成；前述的编码部分依次由输入为上行码流的用户接口和复接模块、前向纠错为分组乘积码BPC(348，192)的FEC编码和交织模块、频率分集模块、码分多址的TDS-OFDM模块、再经过PN同步序列生成器处理的基带成形模块、RF前端处理模块串接而成；前述的解码部分依次由RF前端处理器和调谐器、A/D变换器、同步和信道估计模块、TDS-OFDM解码模块、频率解分集模块、反交织模块和FEC解码模块串接而成，其中，RF前端处理器和调谐器及同步和信道估计模块间反向并接着AGC模块。
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