CN1333593C - 数字电视地面广播中的一种信号电平映射方法 - Google Patents

数字电视地面广播中的一种信号电平映射方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了数字电视地面广播中的一种信号电平映射方法，适用于混合传输的数字电视地面广播系统。该方法要求，在按帧格式传输的数据流中，每个数据帧中的预置信息和系统信息映射为二电平信号后的同步信号平均功率与该帧中的多电平数据信息信号的平均功率之间的信号功率波动，小于接收端的最小A/D量化误差；不同的数据帧在传输不同的业务时，各帧之间的信号平均功率波动小于接收端的最小A/D量化误差。这种信号电平映射方法确保了自动电平控制的精度和速度基本不受信号功率波动的影响，使得系统可以更有效地利用发射效率，降低峰均比。

Description

数字电视地面广播中的一种信号电平映射方法
技术领域  本发明属于数字信号传输领域，特别涉及数字电视地面广播传输系统中信号映射电平的选择方法。
背景技术  典型的数字电视地面广播传输系统包括发射机和接收机。数字调制技术往往将数字信号进行编码，再加入必要的辅助信息，如：同步信号、导频信号等。编码后的数字信号经过信道滤波后形成基带信号。该基带信号经过上变频器被调制到相应的频带后发送。在接收端，调谐器将高频信号变换到基带后经模数转换器得到数字信号。该数字信号经过处理后被恢复成与发送端一致的信息。
目前，现有的数字电视地面广播传输系统主要有三种，即欧洲的DVB-T，美国的ATSC和日本的ISDB-T。
在数字电视地面广播系统中，数据信号电平的选择会影响发射效率，以及接收机的设计。参见图1，在美国的ATSC 8VSB系统中，调制前的数据信息被映射到8个电平上，同步信号被映射到2个电平上，然后被调制发送出去。在ATSC 8VSB系统中，不计导频时，数据信号电平选择的是±1，±3，±5，±7；而同步信号电平，包括段同步、场同步和帧同步，选择的是±5。为设计简单起见，同步信号电平选择了数据电平中的2个。数据信号的平均功率是21，而同步信号的平均功率是25。在基带信号上，发送数据的平均功率已经出现不平坦，会在一定程度上影响峰均比和接收机中自动电平控制的速度与精度。
参见图2，对于以欧洲DVB-T为代表的多载波传输体系，包括日本的ISDB-T在内，快速傅立叶逆变换(IFFT)之前的信号电平映射规则为：映射后的数据信息信号电平功率归一化为1，则其导频功率为16/9。以四相移键控(QPSK)为例，其I或Q路映射为±1，则导频映射为4/3。可见发送数据的平均功率已经出现不平坦。由于数据信息再经过IFFT变换之后，峰均比自然还会增大，使得被传输的信号峰均比和接收机中自动电平控制的速度与精度更加恶化。
发明内容  本发明的目的是提供一种在数字电视地面广播系统中，在时域上进行信号电平映射的电平选择方法。该方法可以使系统更有效地利用发射效率，降低峰均比，提高接收机中自动电平控制的速度与精度。
本发明方法针对的是新的数字电视广播传输系统。这种系统传输的数据流被分为一个一个连续的数据帧进行传输，每个数据帧包含可用作系统同步、时钟恢复、信道估计和均衡器训练的预置信息、可用于表征本帧数据信息的传输模式的系统信息、数据信息这三部分。新的数字电视广播传输系统传输三种业务，分别是固定业务(电视信号固定接收)、移动业务(电视信号移动接收、数据信号移动接收)和数据业务(数据信号移动接收)。其中，固定业务可以选择16-OQAM传输模式；移动业务可以选择4-OQAM传输模式或者其增强模式(4-OQAM-E)，4-OQAM-E传输模式可以通过在4-OQAM传输模式中结合Nordstxom-Robinson码等方式实现；数据业务可以选择4-OQAM-E传输模式。地面广播的三种传输模式分别采用四电平(16-OQAM传输模式)和二电平(4-OQAM传输模式和4-OQAM-E传输模式)时域偏置式正交幅度调制方式。在混合传输模式下，各种业务各自的调制模式以帧为单位任意混合，各帧的调制模式由该帧中的系统信息明确指出。
数字电视地面传输系统，会对输入的TS流的数据信息经过信道编码、插入同步信号、符号映射、加入导频信号，并最终调制输出。为了提高数字电视地面广播传输系统的发射效率，降低峰均比，本发明设计的信号电平映射方法是这样：在符号映射的时候，基于数据信息信号平均功率与同步信号平均功率相同或者基本相同的原则，选择数据信息的多电平映射和同步信号的二电平映射。同时，保证在以数据帧为单位进行业务混合传输的混合传输模式中，各传输模式的信号功率保持相同或者基本相同。
对于固定业务，16-OQAM调制模式，只包含内码和内交织，每一信道符号可以传送2比特信息。扰码之后的数据流转换成比特流送入内码和内交织器，输出的数据信息比特流同步于同步信号(包括预置信息和系统信息)，并按2个比特映射成1个符号的顺序进行映射，同步信号不参加信道编码。
对于移动业务和数据业务，4-OQAM和4-OQAM-E调制模式，包含外码、外交织、内码和内交织。扰码之后的数据流经过外码和外交织器之后，再转换成比特流送入内码和内交织器，输出的数据信息比特流同步于同步信号(包括预置信息和系统信息)，并按1个比特映射成1个符号的顺序进行映射，同步信号不参加信道编码。对于4-OQAM模式，每一信道符号可以传送1比特信息；对于4-OQAM-E模式，每一信道符号可以传送1/2比特信息。
由于在实际实现中，考虑到实现复杂度，量化误差等因素，只能保持上述信号功率基本一致，即其信号功率波动小于接收端的A/D量化误差，从而保证自动电平控制的精度和速度基本不受信号功率波动的影响，也保证在混合传输时各种传输模式之间的功率变化尽量达到最小。
本发明方法在符号映射的时候，基于数据信息信号平均功率与同步信号平均功率基本一致的原则，选择信息数据的多电平映射和同步信号的二电平映射，同时保证在以数据帧为单位进行业务混合传输的混合传输模式中，各传输模式的信号功率保持基本一致。这种信号电平映射方法确保了自动电平控制的精度和速度基本不受信号功率波动的影响，使得系统可以更有效地利用发射效率，降低峰均比。
以下结合附图和实施例进一步描述本发明。
附图说明  图1为美国ATSC系统的数据结构和信号电平映射方法。
图2为欧洲DVB-T系统的数据结构及信号电平映射方法。
图3为新申请的数字电视地面广播传输系统框图。
图4为新申请的数字电视地面广播传输系统的数据结构。
图5为本发明在新申请的数字电视地面广播传输系统的信号电平映射方法。
具体实施方式  新申请的数字电视地面广播传输系统中分三种传输模式，分别是固定业务(电视信号固定接收)、移动业务(电视信号移动接收、数据信号移动接收)和数据业务(数据信号移动接收)。其中，固定业务可以选择16-OQAM传输模式；移动业务可以选择4-OQAM或者4-OQAM-E传输模式；数据业务可以选择4-OQAM-E传输模式。地面广播的三种传输模式分别采用4电平(16-OQAM传输模式)和2电平(4-OQAM和4-OQAM-E传输模式)时域偏置式正交幅度调制方式。
如图3所示，16-OQAM、4-OQAM、4-OQAM-E传输模式使用独立的输入缓冲电路、扰码电路、外码编码电路、外交织电路、内码编码电路和内交织电路。预置信息和系统信息不参加扰码、外码、外交织、内码和内交织，因此预置信息和系统信息可以用于编解码和符号映射/解映射等处理的同步之用，作为系统的同步信号。
参见图4，该新的传输系统的数据帧结构包括三个部分：二电平的预置信息，长度为1024或者2048；二电平的系统信息，产生于128位的WALSH扩频序列；多电平的数据信息。16-OQAM模式下，数据信息为四电平数据符号；4-OQAM和4-OQAM-E模式下，数据信息为二电平数据符号。
为了保证多电平数据信息的平均信号功率与二电平的预置信息和系统信息的映射后信号功率基本相同，数字电视地面广播系统方案中地面广播的三种传输模式下数据电平以及同步信号电平的选择如下：
1)16-OQAM模式
对于固定业务，16-OQAM调制模式，只包含内码和内交织，每一信道符号可以传送2比特信息，每一固定业务的MPEG-IITS包用188个字节传送。
扰码之后的数据流转换成比特流送入内码和内交织器，输出的数据信息比特流同步于同步信号(包括预置信息和系统信息)，并按2个比特映射成1个符号的顺序进行映射，同步信号不参加信道编码。
16-OQAM传输模式下，数据信息归一化电平首先被选为±2、±6，其归一化信号平均功率为20。根据信号功率相等的原则，归一化同步信号电平应为 ± 20 ≈ 4.472 . 考虑到实际电路的实现复杂度，选择归一化同步信号电平为±4.5，其信号平均功率为20.25。由此，产生的信号功率波动为0.05dB。该信号功率波动远小于ATSC的信号功率波动0.757dB。在接收端采用典型的10比特A/D采样精度，那么同步信号电平的10比特最小量化误差为0.06dB，可见信号功率波动小于量化误差。
映射后的量化电平值可以根据需要选用10比特、11比特或者12比特表示，在不计导频的情况下，相应的电平选择分别见表1、表2和表3。如果选择12比特量化，16-OQAM传输模式下信号的均方根值(RMS)为572.4。
表1  16-OQAM在10比特范围内对应的电平选择(导频不计在内)
比特1 比特0 归一化数据电平 数据电平 归一化同步电平 同步电平
  1   1     +6   +192     +4.5   +144
  1   0     +2   +64
  0   0     -2   -64
  0   1     -6   -192     -4.5   -144
表2  16-OQAM在11比特范围内对应的电平选择(导频不计在内)
比特1 比特0 归一化数据电平 数据电平   归一化同步电平   同步电平
    1   1     +6   +384     +4.5     +288
    1   0     +2   +128
    0   0     -2   -128
    0   1     -6   -384     -4.5     -288
表3  16-OQAM在12比特范围内对应的电平选择(导频不计在内)
比特1 比特0 归一化数据电平   数据电平   归一化同步电平   同步电平
    1     1     +6   +768     +4.5   +576
    1     0     +2   +256
    0     0     -2   -256
    0     1     -6   -768     -4.5   -576
2)4-OQAM和4-OQAM-E模式
对于移动业务和数据业务，4-OQAM和4-OQAM-E调制模式，包含外码、外交织、内码和内交织。对于4-OQAM模式，每一信道符号可以传送1比特信息，每一个MPEG-II TS包用200个字节传送，其中包含外码的冗余字节；对于4-OQAM-E模式，每一信道符号可以传送1/2比特信息，每一个MPEG-II TS包用200个字节传送，其中包含外码的冗余字节。
扰码之后的数据流经过外码和外交织器之后，再转换成比特流送入内码和内交织器，4-OQAM和4-OQAM-E模式分别对应不同编码率的内码编码。输出的数据信息比特流同步于同步信号(包括预置信息和系统信息)，并按1个比特映射成1个符号的顺序进行映射，同步信号不参加信道编码。
由于4-OQAM与4-OQAM-E传输模式下预置信息、系统信息与数据信息归一化电平均为二电平，本身不存在功率波动。但考虑到在混合模式下，4-OQAM、4-OQAM-E应与16-OQAM的映射电平保持基本相同的信号功率，而16-OQAM的数据信息映射电平首先被选为±2、±6，其预置信息和系统信息的映射电平为±4.5，因此4-OQAM与4-OQAM-E传输模式下的数据信息映射电平和同步信号映射电平也选择为±4.5。4-OQAM与4-OQAM-E传输模式下功率波动为0，混合模式下功率波动为0.05dB，均小于接收端的10比特A/D量化误差0.06dB。
映射后的量化电平值可以根据需要选用10比特、11比特或者12比特表示，在不计导频的情况下，相应的电平选择分别见表4、表5和表6。如果选择12比特量化，4-OQAM和4-OQAM-E传输模式下信号的均方根值(RMS)为576，可见与16-OQAM传输模式下信号的RMS值(572.4)基本相同。
表4  4-OQAM和4-OQAM-E在10比特范围内对应的电平选择
比特0   归一化数据电平   数据电平   归一化同步电平   同步电平
    1     +4.5     +144     +4.5     +144
    0     -4.5     -144     -4.5     -144
表5  4-OQAM和4-OQAM-E在11比特范围内对应的电平选择
比特0   归一化数据电平   数据电平   归一化同步电平   同步电平
    1     +4.5     +288     +4.5     +288
    0     -4.5     -288     -4.5     -288
表6  4-OQAM和4-OQAM-E在12比特范围内对应的电平选择
比特0   归一化数据电平   数据电平   归一化同步电平   同步电平
    1     +4.5     +576     +4.5     +576
    0     -4.5     -576     -4.5     -576

Claims (6)

1.数字电视地面广播中的一种信号电平映射方法，适用于混合传输的数字电视地面广播系统，其特征在于：
在按帧格式传输的数据流中，每个数据帧中的预置信息和系统信息映射为二电平信号后的同步信号平均功率与该帧中的多电平数据信息信号的平均功率之间的信号功率波动，小于接收端的最小A/D量化误差；不同的数据帧在传输不同的业务时，各帧之间的信号平均功率波动小于接收端的最小A/D量化误差；
数字电视地面广播混合传输系统包含16-OQAM、4-OQAM和4-OQAM-E这三种传输模式；16-OQAM传输模式下，数据帧包括二电平的预置信息、二电平的系统信息和四电平的数据信息，4-OQAM和4-OQAM-E传输模式下，数据帧包括二电平的预置信息、二电平的系统信息和二电平的数据信息；
16-OQAM传输模式下，扰码之后的数据流转换成比特流送入内码和内交织器，输出的数据信息比特流同步于同步信号，并按2个比特映射成1个符号的顺序进行映射，同步信号不参加信道编码；数据信息归一化电平选为±2、±6，其归一化信号平均功率为20，同步信号归一化电平选为±4.5，其信号平均功率为20.25；
4-OQAM和4-OQAM-E传输模式，扰码之后的数据流经过外码和外交织器之后，再转换成比特流送入内码和内交织器，输出的数据信息比特流同步于同步信号，并按1个比特映射成1个符号的顺序进行映射，同步信号不参加信道编码；数据信息归一化映射电平和同步信号归一化映射电平都选择为±4.5。
2.根据权利要求1所述的信号电平映射方法，其特征在于：映射后的量化电平值可以根据需要选用10比特、11比特或者12比特表示。
3.根据权利要求2所述的信号电平映射方法，其特征在于：映射后的量化电平值选用10比特表示；
不计导频在内，16-OQAM在10比特范围内对应的电平选择见表1，4-OQAM和4-OQAM-E在10比特范围内对应的电平选择见表2：
表1
比特1 比特0 归一化数据电平 数据电平 归一化同步电平 同步电平 1 1 +6 +192 +4.5 +144 1 0 +2 +64
0 0 -2 -64 0 1 -6 -192 -4.5 -144
表2
比特0   归一化数据电平   数据电平   归一化同步电平   同步电平 1   +4.5   +144   +4.5   +144 0   -4.5   -144   -4.5   -144
4.根据权利要求2所述的信号电平映射方法，其特征在于：映射后的量化电平值选用11比特表示；
不计导频在内，16-OQAM在11比特范围内对应的电平选择见表3，4-OQAM和4-OQAM-E在11比特范围内对应的电平选择见表4：
表3
  比特1   比特0   归一化数据电平   数据电平   归一化同步电平   同步电平   1   1   +6   +384   +4.5   +288   1   0   +2   +128   0   0   -2   -128   0   1   -6   -384   -4.5   -288
表4
比特0   归一化数据电平   数据电平   归一化同步电平   同步电平 1   +4.5   +288   +4.5   +288 0   -4.5   -288   -4.5   -288
5.根据权利要求2所述的信号电平映射方法，其特征在于：映射后的量化电平值选用12比特表示；
不计导频在内，16-OQAM在12比特范围内对应的电平选择见表5，4-OQAM和4-OQAM-E在12比特范围内对应的电平选择见表6：
表5
比特1 比特0   归一化数据电平   数据电平   归一化同步电平   同步电平 1 1   +6   +768   +4.5   +576 1 0   +2   +256 0 0   -2   -256 0 1   -6   -768   -4.5   -576
表6
比特0   归一化数据电平   数据电平   归一化同步电平   同步电平 1   +4.5   +576   +4.5   +576 0   -4.5   -576   -4.5   -576
6.根据权利要求5所述的信号电平映射方法，其特征在于：16-OQAM传输模式下信号的RMS值为572.4，4-OQAM和4-OQAM-E传输模式下信号的RMS值为576。
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