CN1656691B - 使用前向消除校正的同步丢失弹性数字通信系统 - Google Patents

使用前向消除校正的同步丢失弹性数字通信系统 Download PDF

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Abstract

提供了一种用于使数字通信系统(100)中的丢失信息恢复的装置。所述装置包括：前向消除校正(FXC)编码器(110)，用于计算在信息超分组上的FXC奇偶超分组，以用于随后恢复已经由于同步丢失而至少部分地被损坏的几个信息超分组的任何整体。

Description

使用前向消除校正的同步丢失弹性数字通信系统
技术领域
本发明一般地涉及通信系统，具体涉及使用前向消除校正(FXC)的同步丢失弹性数字通信系统。
背景技术
无线数字通信系统经受多径和衰落，它们可能导致同步丢失。在丢失同步期间发送的数据通常被接收器丢失。因此，要解决的问题是如何设计具有尽可能低的开销率的、对于由于多径或衰落引起的同步丢失为弹性的无线数字通信系统。
在无线数字通信链路上的多径效果和衰落效果可以良好地被理解，它们的概率特性已经被充分研究(document)。例如，在用于美国的高清晰度电视(HDTV)广播的高级电视系统委员会(ATSC)8残余边带(8VSB)传输系统中，已经研究了衰落持续时间的概率分布。在移动设备上的8VSB系统的接收还增加了同步丢失的概率。即使在重新获得同步后，也不能在ATSC8VSB系统中恢复有用的数据，直到重新进行(re-train)格形解码为止，并且交织器开始新的块。
ATSC 8VSB系统包括几种类型的信道编码来防止带有噪音的传输，其中包括格形编码、交织和里德-索罗蒙(RS)前向纠错(FEC)。但是当发生同步丢失时，所使用的信道编码方法并不有助于恢复数据。
重复地发送数据可以改善系统弹性同步丢失，但是是以高开销成本为代价的。向数据的重复发送分配更多的可用带宽减少了可以被发送的原始数据的数量，这意味着较少的节目或被发送的节目的质量较低。
也已经提出，取代重复地发送原始数据，能够通过冗余地发送原始数据的低比特率版本来降低所述开销率。当由于同步丢失而损失原始数据时，接收器使用降低分辨率的版本。这允许合适地降级，即可以获得原始数据的低质量版本而不是原始数据。但是，如果需要原始高分辨率数据，则可以证明降低分辨率的版本是不满意的。
因此，具有克服现有技术的上述问题的同步丢失弹性数字通信系统是可取的和高度有益的。
发明内容
本发明(即，使用前向消除校正(FXC)的同步丢失弹性数字通信系统)解决了上述的问题以及现有技术的其他问题。
按照本发明的一个方面，提供了一种用于使数字通信系统中的丢失信息恢复的装置。所述装置包括前向消除校正(FXC)编码器，用于计算在信息超分组上的FXC奇偶超分组，以用于随后恢复已经由于同步丢失而至少部分地被损坏的几个信息超分组的任何整体。
按照本发明的另一个方面，提供了一种用于恢复数字通信系统中的丢失信息的装置.所述装置包括前向消除校正(FXC)解码器，用于解码在信息超分组上的在前被计算的FXC奇偶超分组，以便恢复已经由于同步丢失而至少部分地被损坏的几个信息超分组的任何整体.
按照本发明的另一个方面，提供了一种用于使数字通信系统中的丢失信息恢复的方法。所述方法包括步骤：计算在信息超分组上的FXC奇偶超分组，以用于随后恢复已经由于同步丢失而至少部分地被损坏的几个信息超分组的任何整体。
按照本发明的另一个方面，提供了一种用于恢复数字通信系统中的丢失信息的方法。所述方法包括步骤：解码在信息超分组上的在前被计算的FXC奇偶超分组，以恢复已经由于同步丢失而至少部分地被损坏的几个信息超分组的任何整体。
通过参照附图在下面详细说明优选实施例，本发明的这些和其他方面、特征和优点将会变得清楚。
附图说明
图1是图解按照本发明的说明性实施例的、残余边带(VSB)发送器的示意图；
图2是图解按照本发明的说明性实施例的、残余边带(VSB)接收器的示意图；
图3是图解按照本发明的说明性实施例的、超分组丢失的示例模式的图。
具体实施方式
本发明涉及使用前向消除校正(FXC)的同步丢失弹性数字通信系统。本发明通过将同步丢失的时段作为分组消除来使用前向消除校正(FXC)代码来从同步丢失中恢复。用于从那些分组消除中恢复的附加奇偶数据以反向兼容的方式被发送。与重复发送数据相比较，这允许开销率的降低。
应当明白，本发明可以以各种形式的硬件、软件、固件、专用处理器或其组合来实现。优选的是，本发明被实现为硬件和软件的组合。而且，所述软件优选地被实现为灵活地嵌入在程序存储器上的应用程序。所述应用程序可以被上载到包括任何适当的架构的机器并且被其执行。优选的是，所述机器被实现在具有硬件的计算机平台上，所述硬件诸如一个或多个中央处理单元(CPU)、随机存取存储器(RAM)和输入/输出(I/O)接口。所述计算机平台还包括操作系统和微指令代码。在此所述的各种处理和功能可以是经由操作系统执行的所述微指令代码的一部分或应用程序的一部分(或其组合)。另外，各种其他的外围设备可以连接到计算机平台，诸如附加的数据存储器和打印设备。
还可以明白，因为在附图中所述的一些组成系统部件和方法步骤的最好以软件来实现，因此在系统部件(或处理步骤)之间的实际连接可能依赖于本发明被编程的方式而不同。通过本文给出的教程，本领域的普通技术人员能够考虑到本发明的这些和类似的实现方式或配置。
前向消除校正(FXC)代码被应用到分组数据的发送以防止在通过诸如使用因特网协议(IP)的那些的分组网络的数据的发送中的分组丢失.可以使用任何类型的FXC代码，包括但是不限于例如里德-索罗蒙(RS)代码.里德-索罗蒙代码是系统代码，即原始信息字节以及附加的奇偶字节被发送.在没有信道损失的情况下，接收器可以仅仅使用所接收的原始信息字节，并且不必进行任何FXC解码.分组网络趋向于丢失数据的整个分组而不是在分组中的各个字节.当使用FXC来防止分组丢失时，通常(但是不必须)，来自每个分组的一个字节用于形成FXC代码字.例如，如果使用RS(15，10)代码的FXC来编码长度为1024字节的10个分组，则将发送10个长度为1024字节的信息分组和5个长度为1024的奇偶分组.因此，将通过从每个分组采用一个字节来形成1024个不同的RS代码字.
因此，通过增加前向消除校正(FXC)层、使用在对应于同步丢失时段的预期长度的时段上计算的奇偶数据来实现防止数字通信系统中由于同步丢失而导致的数据丢失。由于同步失败而导致的数据丢失的时段在FXC解码器中被考虑为分组消除。因为术语分组一般用于指示在这个系统中的较小的时间量度(诸如188字节的MPEG-2传送分组)，因此在此使用的术语“超分组”将用于指示在或能够在FXC解码器中使用的分组单元。
可以明白，本发明独立于被发送的数据的类型，因此可以用于任何类型的数据的发送。还可以明白，本发明不限于音频/视频节目，因此可以用于任何类型的节目。
按照本发明，除了在防止脉冲噪音的数字通信系统中的其他信道编码方法之外，还使用FXC。例如，在ATSC 8VSB系统中，向系统的格形编码、交织和里德-索罗蒙(RS)前向纠错(FEC)编码增加FXC编码。所使用的FXC可以是任何系统的前向消除校正代码，其中包括但是不限于例如里德-索罗蒙(RS)代码。当使用系统代码时，本发明可以向后兼容。即，现有的解码器可以忽略被发送的附加奇偶超分组，并且正常地解码未改变的信息超分组。FXC编码器和解码器与已经在现有的数字通信系统中使用的任何RSFEC不同。例如，以超分组为基础计算FXC代码字(例如每个超分组的一个字节)，并且防止丢失(消除)整个超分组。相反，现有的RS FEC使用从附近点及时获得的采样来防止在给定的分组内的随机比特或字节误差而不是消除。
在本发明的一个优选实施例中，根据期望的丢失保护水平和允许的延迟来选择FXC参数n和k和超分组长度s。参数n表示FXC代码字的块长度。参数k表示在FXC代码字中的信息码元的数量。应当明白，在此可交换地使用词组“FXC代码字”和“FXC奇偶超分组”，它们与作为从其计算FXC奇偶超分组的数据元素的“信息超分组”形成对比。
丢失的同步的预期长度应当等于或小于：s*(n/k)*h(其中h＝n-k)。FXC编码的开销率是h/k。因此，例如，在广播19.2Mbps(即2.4兆字节/秒)的系统中，为了防止500毫秒的衰落，s*(n/k)*h＜＝1.2兆字节。如果例如n＝6和k＝4(因此h＝2)，则所述开销率是50％，并且s＝400千字节。本发明的s*n字节——在此示例中是2.4兆字节——除了标准ATSC 8VSB系统所需要的之外还可能需要附加的存储器。如果多个节目共享19.2Mbps的信道带宽，则可以通过仅仅对于被解码的节目执行FXC解码来减少存储器的要求。
图1是图解按照本发明的说明性实施例的、残余边带(VSB)发送器100的示意图。应当明白，虽然示意的发送器配置已经参照图1在此被说明和示出以用于说明性的目的，但是本发明可以保持本发明的精神和范围的同时容易地被应用到能够进行VSB信号发送的其他发送器配置。
发送器100包括源编码器105、FXC编码器110、传送复用器115、帧同步器120、数据随机化器125、里德-索罗蒙编码器130、数据交织器135、同步插入模块140、导频插入模块145、8-VSB调制器150和模拟上变换器155。
来自源编码器105的压缩比特流被FXC编码器110处理，FXC编码器110通过建立奇偶超分组来增加冗余.来自各种来源的输入被传送复用器115组合为提供到帧同步器120的复合流.帧同步器120建立和描述数据帧.每个数据帧包括两个字段.每个数据字段具有以ATSC标准的313个数据分段，其中包括一个帧同步分段.每个数据分段承载188字节的一个传送分组和相关联的前向纠错(FEC)开销.数据随机化器125用于所有的输入数据以仅仅随机化数据有效负荷(不包括开销和同步元素).里德-索罗蒙(RS)编码器130是块编码器，它包括187个字节，并且增加20个奇偶字节以用于在接收器进行的外前向纠错.通过数据校正器135来交织字节数据，数据交织器135使用工作在52个数据字段(大约字段深度的1/6)上的卷积交织器.通过格形编码器136来实现具有被预编码的一个未编码比特的2/3速率的、4状态格形编码方案.同步插入模块140将一个数据分段同步插入到每个数据分段中，并且将一个数据字段同步插入到每个数据字段中.这些元素不被里德-索罗蒙或格形编码.由导频插入模块145通过向每个码元增加直流(DC)分量来引入导频信号.其后，8-VSB调制器150将(以10.76兆码元/秒产生的)所述码元映射在8-VSB星座上，并且产生对应于每个码元的根奈奎斯特脉冲.模拟上变换器155然后将所述信号转换为期望的载波频率以发送.
FXC编码器110被置于源编码器105之后，但是在传送复用器115和信道编码块(例如RS编码器130)之前。k个超分组——每个长度为s——被输入到FXC编码器110。FXC编码器110产生长度s的h＝n-k个奇偶超分组。然后使用传送复用器115来复用原始信息超分组和奇偶超分组。ATSC 8VSB系统在传送复用器115中使用MPEG-2传送流，传送复用器115允许多个节目被复用和在同一信道上被发送，并且每个节目被分配不同的处理标识符(PID)。按照本发明，所述信息超分组与不使用FXC的系统相同。按照本发明，发送被传送复用器115分配不同的PID的附加的奇偶超分组而不是发送信息超分组。如果要发送多个节目并且每个具有不同的PID，则可以根据所有的节目一起或根据一个或多个独立的节目来计算所述奇偶超分组。所有的数据然后被发送到与标准系统相同的ATSC 8VSB的剩余信道编码部分。为了帮助在接收器的同步，可以在不同的PID下发送特定的FXC同步传送分组，对于每n个超分组发送一次。这些FXC同步传送分组将利用MPEG-2传送分组PID和节目时钟参考(PCR)和连续性计数字段、超分组长度s和里德-索罗蒙(n，k)参数来指示在超分组序列号开始位置之间的对应关系。
图2是图解按照本发明的说明性实施例的、残余边带(VSB)接收器200的示意图。应当明白，虽然已经在此参照图2说明和示出了示范性的接收器配置以用于说明的目的，但是本发明可以在保持本发明的精神和范围的同时容易地被应用到能够进行VSB信号接收的其他接收器配置。
接收器200包括调谐器205、中频(IF)滤波器和同步检测器210、同步和定时模块215、均衡器220、相位跟踪器225、格形解码器230、数据交织器235、里德-索罗蒙(RS)解码器240、接收去随机化器245、传送去复用器250、FXC解码器260和源解码器265。
在8-VSB发送信号中，数字信息唯一地以射频包络的幅度而不以相位被发送。通过仅仅采样I信道或同相信息来恢复被发送信号的8个电平。因为消除了对Q信道上的任何依赖性，因此接收器200仅仅需要处理I信道，由此在接收器200的不同阶段中所需要的数字信号处理电路的数量减少了一半。很清楚，这导致在接收器设计中的较大的简单性和成本节省。
通过应用被应用到图1的发送器100中的原理的反原理来在接收器200中解调信号.即，输入的VSB信号被接收、下变换、滤波和然后检测.然后，恢复分段同步和帧同步.输入的信号被调谐器205转换为中频.通过中频滤波器和同步检测器210来执行信道选择性.然后通过同步和定时模块215来实现定时恢复和粗载波恢复.所述信号然后在均衡器220被均衡以去除所有的多径分量.VSB系统的优点之一是复杂的均衡是不必要的，因为均衡器仅仅工作在I信道或实际信息上.均衡器220的输出被施加到相位跟踪器225以去除残余的相位抖动.相位跟踪器225的输出被施加到与级联的前向纠错(FEC)系统的内部代码相对应的格形解码器230.格形解码器230的输出被施加到用于扩展由格形解码器引发的突发误差的数据去交织器235.被去交织的数据然后被施加到基于块的里德-索罗蒙(RS)解码器240的块上.里德-索罗蒙(RS)解码器240对应于级联编码系统的外编码，里德-索罗蒙解码器240的输出、即信道解码的数据然后被数据去随机化器245处理，去随机化器245对应于在发送器的反向处理.被去随机化的数据然后被提供到传送去复用器250，去复用器250将复合流分离为分量流以由音频源解码器、视频源解码器和数据源解码器(集体表示为源解码器260)分别处理.
FXC解码器255被置于其他信道解码块(例如里德-索罗蒙解码器240)和传送去复用器250之后和在源解码器260之前。可以使用FXC同步传送分组来确定超分组序列号和位置。可以使用来自前面的信道编码块之一、诸如RS解码器240的误差指示信号来使得FXC解码器255可以获得消除位置。为了用于MPEG-2传送流系统中，可以使用在传送分组中的传送误差指示符字段来指示错误的位置。
如果未发生同步丢失，则不需要FXC解码，并且FXC解码器255仅仅将在信息超分组中的数据传递到源解码器260。如果发生同步丢失并且被检测到，则那些具有丢失或损坏的数据的超分组被标记为消除。如果k和更多个超分组被正确地接收，不论是信息或奇偶超分组，FXC解码器255通过执行s个RS(n，k)代码字的解码和从每个超分组取出一个字节来形成代码字而良好地重建丢失的信息分组。当然，可以从每个超分组取出多个字节来形成代码字。即，在提供在此的本发明的教程的情况下，本领域内普通技术人员可以考虑到这些和各种其他的数据单元来用于从超分组形成代码字。
例如，在具有FXC RS(6，4)的系统中，发送长度为400千字节的6个超分组。超分组0-3是信息超分组，超分组4和5是奇偶超分组。超分组3和4由于同步丢失而在接收器被损坏。对于40万个代码字执行FXC解码，每个代码字是通过取得超分组0、1、2和5的第i个字节并且将第三和第四个位置标记为消除而被形成的。超分组3被FXC解码器255良好地重建，超分组0-3被发送到源解码器260上。在图3中提供了这个示例的图示，图3是图解按照本发明的说明性实施例的、超分组丢失的示例模式300的图。
应当明白，虽然已经参照高级电视系统委员会(ATSC)8VSB数字通信系统描述了本发明，但是本发明可以用于任何基于分组的数字通信系统。
虽然已经在此参照附图描述了说明性实施例，但是应当明白本发明不限于那些精确的实施例，可以由本领域的普通技术人员在不脱离本发明的范围或精神的情况下在其中进行各种其他改变或修改。所有这些改变和修改意欲被包括在由所附的权利要求所限定的本发明的范围内。

Claims (13)

1.一种用于使数字通信系统中的丢失信息恢复的装置，包括：
前向消除校正编码器，用于计算在信息超分组上的前向消除校正奇偶超分组，以用于随后恢复多个信息超分组中的已经由于同步丢失而至少部分地被损坏的任何整个信息超分组；以及
复用器，用于在其任何发送之前复用信息超分组和前向消除校正奇偶超分组，
其中，每个信息超分组是在前向消除校正编码器中采用的分组单位，并且每个信息超分组包括多个分组；以及
在与至少一个同步丢失时段的预期长度相对应的时段上、以每个信息超分组一个字节或者多于一个字节地在信息超分组上计算每个前向消除校正奇偶超分组。
2.按照权利要求1的装置，其中前向消除校正编码器以每个信息超分组的一个字节地计算信息超分组上的前向消除校正奇偶超分组。
3.按照权利要求1的装置，其中对于每个长度为s的k个信息超分组，所述前向消除校正编码器计算长度为s的h个前向消除校正奇偶超分组，其中h＝n-k，n＝每个前向消除校正奇偶超分组的块长度，k＝在每个前向消除校正奇偶超分组中的信息码元的数量。
4.按照权利要求1的装置，其中复用器向前向消除校正奇偶超分组而不是信息超分组分配不同的处理标识符PID。
5.按照权利要求1的装置，其中前向消除校正编码器使用里德-索罗蒙RS代码来计算前向消除校正奇偶超分组。
6.按照权利要求1的装置，其中复用器产生指示在超分组序列号开始位置之间的对应关系的前向消除校正同步传送分组。
7.一种用于使数字通信系统中的丢失信息恢复的方法，包括：
计算在信息超分组上的前向消除校正奇偶超分组，以用于随后恢复多个信息超分组中的已经由于同步丢失而至少部分地被损坏的任何整个信息超分组；以及
在其任何发送之前复用信息超分组和前向消除校正奇偶超分组；
其中，每个信息超分组是在前向消除校正编码器中采用的分组单位，并且每个信息超分组包括多个分组；
在所述计算步骤中，在与至少一个同步丢失时段的预期长度相对应的时段上、以每个信息超分组一个字节或者多于一个字节地在信息超分组上计算每个前向消除校正奇偶超分组。
8.按照权利要求7的方法，其中所述计算步骤包括步骤：以每个信息超分组的一个字节地计算信息超分组上的前向消除校正奇偶超分组。
9.按照权利要求7的方法，其中对于每个长度为s的k个信息超分组，所述计算步骤包括步骤：计算长度为s的h个前向消除校正奇偶超分组，其中h＝n-k，n＝每个前向消除校正奇偶超分组的块长度，k＝在每个前向消除校正奇偶超分组中的信息码元的数量。
10.按照权利要求7的方法，其中所述复用步骤还包括步骤：向前向消除校正奇偶超分组而不是信息超分组分配不同的处理标识符PID。
11.按照权利要求7的方法，其中所述计算步骤使用里德-索罗蒙RS代码来计算前向消除校正奇偶超分组。
12.按照权利要求7的方法，还包括步骤：产生用于指示在超分组序列号开始位置之间的对应关系的前向消除校正同步传送分组，
13.一种用于恢复在数字通信系统中的丢失信息的方法，包括：
解码之前在信息超分组上计算的前向消除校正奇偶超分组，以恢复多个信息超分组中的已经由于同步丢失而至少部分地被损坏的任何整个信息超分组；以及
解码前向消除校正同步传送分组以确定前向消除校正奇偶超分组和信息超分组两者的超分组序列号和超分组位置，
其中，每个信息超分组是在前向消除校正解码器中采用的分组单位，并且每个信息超分组包括多个分组；
每个前向消除校正奇偶超分组是在与至少一个同步丢失时段的预期长度相对应的时段上、以每个信息超分组一个字节或者多于一个字节地在信息超分组上而计算的。
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