CN102148667B - 用于单频网信号的收发方法及其实现装置 - Google Patents

Abstract

一种数字电视网络技术领域的用于单频网信号的收发方法及其实现装置，包括在发射端对数据段前安插上经过PN帧头时空编码处理的PN帧头和发射信号组合处理以及在接收端进行PN相关处理和信道估计处理。本发明针对单频网在重叠覆盖区相同频率引起多径干扰，而产生接收信号不能有效解析的问题，在调制前对PN帧头进行编码处理，然后进行数据拼接、调制发送；接收时，通过将接收到的已编码的PN帧头和已知PN帧头做相关处理及信道估计，获得发射信号。本发明大大提高了信道的信噪比，能够更容易的从受干扰的信号中获得有效信号。

Description

用于单频网信号的收发方法及其实现装置

技术领域

本发明涉及的是一种数字电视网络技术领域的方法及其实现装置，具体是一种用于单频网信号的收发方法及其实现装置。

背景技术

单频组网是电视广播数字化带来的有利覆盖方式，它可以显著减小数字覆盖带来的峭壁效应，让覆盖场强更为均匀。在单频组网中，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PN帧头和数据段，数据帧再经过基带滤波形成基带信号，在发射前，发射机将基带信号调制到指定频点上进行发射；接收时，调谐器将高频信号变换为基带信号，该基带信号经过模数转换得到数据帧，然后对数据帧进行处理，得到与发送端一致的信息。

传统的多发一收的单频网络要求不同的发射点在同一时间用同一频率发射同样内容，实质上是在空间上进行重复(Repeat)分集，由于广播不会采用扩频调制，单频网的重叠覆盖区的用户只能将多个信号当作多径来消除，无法体现发射分集增益，同时，接收端也由于信道估计接近或低于设定门限而无法有效地解析信号。

经过对现有技术的检索发现，中国专利申请号200710129721.2，名称为边缘移动终端的传输方式控制方法及系统的专利申请书中针对移动网络中相邻小区边缘移动终端使用相同时频资源导致相同时频资源干扰的问题，基于MIMO技术提出了利用检测结果控制信号以Alamouti空时分组编码传输方式传输信号。该发明申请的前提是传输系统需要在移动网络等双向通信网络中进行，因为只有在这种网络条件下，控制信号才能从接收端方传送给发射端，从而实现发射端传输信号编码方式的转变，而对于单频网等单向通信网络，接收端无法向发射端发射控制信号，此技术方案也无法在单频网中实施。

进一步检索发现，中国专利申请号200710041714.7，名称为数字电视单频网的分集接收终端及接收方法的专利申请书中，面对单频网，该发明利用定向天线在一定方向上的信号增益较大，而抑制相反方向上传输的多径干扰的原理，使用了多个接收端和多个定向天线接收发射端发出的信号，并利用分集选择部件对多个接收端进行信号筛选，以减少多径衰落的弊端。这个技术方案为了解决多径衰落，制作了特殊的接收机，该接收机无论从成本还是技术实现都受到现有条件的限制，而且接收机接收到的信号效果取决于定向天线的个数和位置，在实际环境中，此方法更针对如铁路网络之类方向性强的信号接收机，而不适用于其他更广泛的单频网接收应用。

由此可见，无论发射分集还是接收分集，都希望每一个分集路径上接收信号与信道响应的关系是乘的关系，以二发一收的Alamouti模型为例，相应的两个时隙的接收信号应满足公式(1)，即：

其中：h表示信道估计，s表示码元，n为随机噪声，要使每一个分集路径上接收信号与信道响应的关系是乘的关系(满足式1)只有三种途径：一是将宽带数据分为多个窄带子载波，二是单载波经过均衡，三是宽带扩频信号通过解扩。而对于国标，其帧头都是采用单载波4QAM调制，其帧体可以单载波调制也可以多载波调制，上述途径1不满足。在单载波信号阶段，对于单一的接收天线是无法均衡独立出2个发送信号，上述的途径2不能满足。而考虑到国标所有帧头都是PN序列，所以在帧头部分途径3是有可能的。并且国标在帧体部分是没有导频的，PN序列将承担信道估计的所有任务，所以提高信道估计增益是一个突破口。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种用于单频网信号的收发方法及其实现装置，针对单频网在重叠覆盖区相同频率引起多径干扰，而产生接收信号不能有效解析的问题，在调制前对PN帧头进行编码处理，然后进行数据拼接、调制发送；接收时，通过将接收到的已编码的PN帧头和已知PN帧头做相关处理及信道估计，获得发射信号。本发明大大提高了信道的信噪比，能够更容易的从受干扰的信号中获得有效信号。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种用于单频网信号的收发方法，包括在发射端对数据段前安插上经过PN帧头时空编码处理的PN帧头和发射信号组合处理以及在接收端进行PN相关处理和信道估计处理。

所述的单频网包含2个以上的发射点，每个发射点的发射信号是基于一阶循环的数据结构，其基本单元为帧，包括：记载系统信息的PN帧头和数据段；

所述的单频网在发射时每个发射点的发射信号各不相同；

所述的PN帧头时空编码是指：将PN帧头进行Alamouti编码，即定义PN为一个伪随机序列(PN Sequence)，PN(n)为这个伪随机序列的第n个码片，则在第i个帧头时刻，第1个发射点发射PN_i(n)e^jπ/4，第2个发射点发射-PN_i+1(n)e^-jπ/4；第i+1时刻，第1个发射点发射PN_i(n)e^jπ/4，第2个发射点发射PN_i(n)e^-jπ/4，其中：PN_i(n)是指第i个帧头时刻PN序列中的第n个值，i为大于0的整数，n为1到N的整数，N为PN序列的周期。

所述的PN相关处理是指：在接收到第i个帧头时，在接收端使用约定的PN序列与当前时间段收到的数据进行匹配相关计算得到相关值corr_i，然后利用相关值corr_i通过

的已知关系得到信道估计： $\left[\begin{array}{c}{\hat{h}}_1\\ {\hat{h}}_2\end{array}\right]=\frac{1}{2G}\left[\begin{array}{cc}{e}^{-\mathrm{j\π}/4}& e^{-\mathrm{j\π}/4}\\ -e^{-\mathrm{j\π}/4}& e^{\mathrm{j\π}/4}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{corr}}_i\\ {\mathrm{corr}}_{i+1}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{h}_1\\ h_2\end{array}\right]+\frac{1}{2G}\left[\begin{array}{cc}{e}^{-\mathrm{j\π}/4}{n}_1& e^{-\mathrm{j\π}/4}{n}_2\\ -e^{-\mathrm{j\π}/4}{n}_2& e^{\mathrm{j\π}/4}{n}_2\end{array}\right],$

其中：corr_i是指对第i个PN序列进行相关得到相关值，h₁为第1个发射天线到接收天线的信道响应值，h₂为第2个发射天线到接收天线的信道响应值。n_i为第i个帧头时的噪声，G为扩频增益。

本发明涉及上述收发方法的实现装置，包括：含有PN帧头时空编码模块和与之相连的发射信号组合模块的发射装置以及含有PN相关处理模块和与之相连的估计信道模块的接受装置，其中：PN帧头时空编码模块将PN帧头进行编码并输出至发射信号组合模块，发射信号组合模块在待发送数据段前安插编码后的PN帧头并调制发送至接收装置，PN相关处理模块将接收信号的PN帧头和已知PN帧头作相关处理得到相关值，估计信道模块利用相关值进行信道估计并恢复得到数据段。

所述的空时编码包括使用代数方法改变发射矩阵。

与背景技术相比，本发明获得的有益效果：解决多发一收模式下的单频网因信号的重叠覆盖区而带来的多径干扰问题，而且，在不增加信道负担的前提下，还提高了信道估计的增益，此外，发射端和接收端不受定向天线方向限制，能在更广泛的单频网络应用中。

附图说明

图1是Alamouti模型示意图。

图2是单频网发射信号的发射方法示意图。

图3是单频网发射信号的接收方法示意图。

图4是包含调制射频的收发方法示意图。

图5是单频网发射信号的发射装置示意图。

图6是单频网发射信号的接收装置示意图。

图7是包含调制射频的收发装置示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例应用环境为包含2个以上的发射点的单频网，每个发射点的发射信号是基于一阶循环的数据结构，其基本单元为帧，包括：记载系统信息的PN帧头和数据段；

如图2所示，为单频网发射信号的发射部分，其中：

在发射端：本实施例单频网的发射信号是基于一阶循环的数据结构，帧是该数据结构的基本单位，一帧由PN帧头(已知序列)和数据段组成，继续的：在PN帧头编码模块内的PN阶段，进行空时编码，即PN帧头经过空时编码处理步骤100后，将形成不同的帧头格式；

在发射信号组合模块内将编码后的形成不同的帧头格式的PN帧头安插在数据段之前即发射信号组合的步骤101。之后再经过其他处理模块的过程的信号处理后分发到发射点进行发射。

如表1所示，针对不同发射点将第i个帧头和第i+1个帧头的PN帧头做共轭编码以及代数运算，保证每个发射点发出的发射信号各不相同，不同发射点发射内容不相同的帧，所述内容不相同的帧是由同一数据经过特定的编码后产生的不同内容。

具体方法为第i个帧头在发射点1的PN编码为PN_i(n)e^jπ/4，同时在发射点2的PN编码为-PN_i+1(n)e^-jπ/4，类似地，第i+1个帧头在发射点1的PN编码为PN_i+1(n)e^jπ/4，同时在发射点2的PN编码为PN_i(n)e^-jπ/4，依此类推，还可以使用其他代数方法把发射矩阵改变成其他的表达方式，但不改变其实质。

表1两个发射点的PN帧头空时编码处理方法

	发射点1	发射点2
			第i个帧头	PNi(n)ejπ/4	-PNi+1(n)e-jπ/4
第i+1个帧头	PNi+1(n)ejπ/4	PNi(n)e-jπ/4

如图3所示，本实施例提供的接收方法，包括：PN相关处理步骤1000，将经空时编码的PN帧头和已知PN帧头作相关处理，获得相关值corr_i；

信道估计处理步骤1001，利用相关值corr_i与时域信道冲激响应第n时刻的值h₁与h₂关系估计信道，用来恢复发射信号。

上述步骤中获得相关值corr_i的方法见公式(2)，其中：G为扩频增益，h为信道，n为信道噪声：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{corr}}_i\\ {\mathrm{corr}}_{i+1}\end{array}\right]=G\left[\begin{array}{cc}{e}^{\mathrm{j\π}/4}& -e^{-\mathrm{j\π}/4}\\ e^{\mathrm{j\π}/4}& e^{-\mathrm{j\π}/4}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{h}_1\\ h_2\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{n}_1\\ n_2\end{array}\right]$ 公式(2)

上述步骤中信道估计值的方法如公式(3)所示：

$\left[\begin{array}{c}{\hat{h}}_1\\ {\hat{h}}_2\end{array}\right]=\frac{1}{2G}\left[\begin{array}{cc}{e}^{-\mathrm{j\π}/4}& e^{-\mathrm{j\π}/4}\\ -e^{-\mathrm{j\π}/4}& e^{\mathrm{j\π}/4}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{corr}}_i\\ {\mathrm{corr}}_{i+1}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{h}_1\\ h_2\end{array}\right]+\frac{1}{2G}\left[\begin{array}{cc}{e}^{-\mathrm{j\π}/4}{n}_1& e^{-\mathrm{j\π}/4}{n}_2\\ -e^{-\mathrm{j\π}/4}{n}_2& e^{\mathrm{j\π}/4}{n}_2\end{array}\right]$ 公式(3)

如图4所示，为单频网发射信号的收发方法，包括发射步骤和接收步骤，其中：

发射步骤包括：PN帧头空时编码处理步骤2000，使其形成不同的帧头格式；发射信号组合步骤2001：将编码后的PN帧头安插在数据段之前。在发射前，还需将数据帧调制为基带信号，然后再调制到指定频点上进而发射出去。

接收步骤包括：对接收到的信号做解调，AD转换，再对PN相关处理步骤2002，将经空时编码的PN帧头信息和已知PN帧头信息作相关处理，获得相关值corr_i(n)；信道估计处理步骤2003，利用相关值corr_i(n)与时域信道冲激响应第n时刻的信道值h₁与h₂关系估计信道，用来恢复发射信号。

其中：步骤2000中针对PN帧头进行空时编码处理方法，如表1所示，针对不同发射点将第i个帧头和第i+1个帧头的PN帧头做共轭编码以及代数运算，保证每个发射点发出的发射信号各不相同。

具体实现为：第i个帧头在发射点1的PN编码为PN_i(n)e^jπ/4，同时在发射点2的PN编码为-PN_i+1(n)e^-jπ/4，类似地，第i+1个帧头在发射点1的PN编码为PN_i+1(n)e^jπ/4，同时在发射点2的PN编码为PN_i(n)e^-jπ/4，依此类推，还可以使用代数方法把发射矩阵改变成其他的表达方式，但不会改变其实质。

步骤2002中获得相关值corr_i的方法见公式(2)

步骤2003中信道估计值的方法如公式(3)所示

如图5所示，为单频网发射信号的发射装置示意图，该发射装置包括：调制模块、发射天线以及：PN帧头编码模块200，用以完成对PN帧头的空时编码，使其形成不同的帧头格式；发射信号组合模块201，用于将编码后的PN帧头安插在数据段之前。

其中：PN帧头编码模块200，如表1所示，针对不同发射点将第i个帧头和第i+1个帧头的PN帧头做共轭编码以及代数运算，保证每个发射点发出的发射信号各不相同。

具体实现为：第i个帧头在发射点1的PN编码为PN_i(n)e^jπ/4，同时在发射点2的PN编码为-PN_i+1(n)e^-jπ/4，类似地，第i+1个帧头在发射点1的PN编码为PN_i+1(n)e^jπ/4，同时在发射点2的PN编码为PN_i(n)e^-jπ/4，依此类推，还可以使用代数方法把发射矩阵改变成其他的表达方式，但不会改变其实质。

发射信号经过信道的传输，接收端在接收发射信号时不但要对PN帧头进行相关运算，而且要考虑信道噪声对信号的影响。

如图6所示，为单频网发射信号的接收装置示意图，该接收装置包括：PN相关模块302，将经空时编码的PN帧头和已知PN帧头作相关处理，获得相关值corr_i；信道估计模块303，利用相关值corr_i与时域信道冲激响应第n时刻的信道值h₁与h₂关系估计信道，用来恢复发射信号。

其中PN相关模块302获得相关值corr_i的方式为：第i帧头第n时刻的相关值corr_i与时域信道冲激响应第n时刻的值h₁与h₂关系如公式(2)所示。

所述相关值corr_i通过公式(3)可以得到对于h₁与h₂的估计

与

见公式(3)。

如图7所示，为单频网发射信号的收发装置，包括：发送装置和接收装置，其中：

发送装置包括：PN帧头编码模块400，用以对PN帧头进行空时编码；发射信号组合模块401，用于将编码后的PN帧头安插在数据段之前。

其中：PN帧头编码模块400，如表1所示，针对不同发射点将第i个帧头和第i+1个帧头的PN帧头做共轭编码以及代数运算，保证每个发射点发出的发射信号各不相同。具体实现是第i个帧头在发射点1的PN编码为PN_i(n)e^jπ/4，同时在发射点2的PN编码为-PN_i+1(n)e^-jπ/4，类似地，第i+1个帧头在发射点1的PN编码为PN_i+1(n)e^jπ/4，同时在发射点2的PN编码为PN_i(n)e^-jπ/4，依此类推，还可以使用代数方法把发射矩阵改变成其他的表达方式，但不会改变其实质。发射信号经过信道的传输，接收端在接收发射信号时不但要对PN帧头进行相关反运算，而且要考虑信道噪声对信号的影响。

接收装置包括：PN相关模块402，将经空时编码的PN帧头和已知PN帧头作相关处理，获得相关值corr_i；信道估计模块403，利用相关值corr_i与时域信道冲激响应第n时刻的信道值h₁与h₂关系估计信道，用来恢复发射信号。

其中：PN相关模块302获得相关值corr_i的方式为：第i帧头第n时刻的相关值corr_i与时域信道冲激响应第n时刻的值h₁与h₂关系如公式(2)所示；

所述相关值corr_i通过公式(3)可以得到对于h₁与h₂的估计

与

见公式(3)。

由上述描述可知，经过这样处理的单频网发射信号，可以对信道估计有3dB的增益，即提高了3dB的信噪比，这使得接收端在恢复信号时能大大减少由多径干扰带来的无法获得信号的问题。

本实施例的显著效果在于，对多发一收的单频网来说，各发射点发射不同的信号，解决多发一收模式下的单频网因信号的重叠覆盖区而带来的多径干扰和发射天线区分的问题，而且，在不增加信道负担的前提下，还提高了信道估计的增益，此外，发射端和接收端不受定向天线方向限制，能应用到更广泛的单频网络应用中。

Claims (5)

1.一种用于单频网信号的收发方法，其特征在于，包括在发射端对数据段前安插上经过PN帧头时空编码处理的PN帧头和发射信号组合处理以及在接收端进行PN相关处理和信道估计处理；

所述的PN相关处理是指：在接收端使用约定的PN序列与当前时间段收到的数据进行匹配相关计算得到相关值corr_i(n)，然后利用相关值corr_i(n)通过

的已知关系得到信道估计：

，其中：corr_i是指对第i个PN序列进行相关得到相关值，h₁为第1个发射天线到接收天线的信道响应值，h₂为第2个发射天线到接收天线的信道响应值。n_i为第i个帧头时的噪声，G为扩频增益；

所述的PN帧头时空编码是指：将PN帧头进行Alamouti编码，即假设第i时刻的PN值是PN_i，第i+1时刻的PN值是PN_i+1，则在第i时刻，第1个发射点发射PN_i+1(n)e^jπ/4，第2个发射点发射PN_i+1(n)e^jπ/4；第i+1时刻，第1个发射点发射-PN_i+1(n)e^-jπ/4，第2个发射点发射PN_i+1(n)e^-jπ/4，其中：PN_i(n)是指第i个帧头时刻PN序列中的第n个值，i为大于0的整数，n为1到N的整数，N为PN序列的周期；

所述的信道估计处理是指：利用相关值corr_i(n)与时域信道冲激响应第n时刻的值h₁与h₂关系估计信道，用来恢复发射信号。

2.根据权利要求1所述的用于单频网信号的收发方法，其特征是，所述的单频网包含2个以上的发射点，每个发射点的发射信号是基于一阶循环的数据结构，其基本单元为帧，包括：记载系统信息的PN帧头和数据段。

3.根据权利要求1或2所述的用于单频网信号的收发方法，其特征是，所述的单频网在发射时每个发射点的发射信号各不相同。 

4.一种根据上述任一权利要求所述方法的实现装置，其特征在于，包括：含有PN帧头时空编码模块和与之相连的发射信号组合模块的发射装置以及含有PN相关处理模块和与之相连的估计信道模块的接收装置，其中：PN帧头时空编码模块将PN帧头进行编码并输出至发射信号组合模块，发射信号组合模块在待发送数据段前安插编码后的PN帧头并调制发送至接收装置，PN相关处理模块将接收信号的PN帧头和已知PN帧头作相关处理得到相关值，估计信道模块利用相关值进行信道估计并恢复得到数据段。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征是，所述的空时编码包括使用代数方法改变发射矩阵。 

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