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CN1205770C - 一种适于数字地面广播的编码正交频分复用传输系统 - Google Patents

一种适于数字地面广播的编码正交频分复用传输系统 Download PDF

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CN1205770C
CN1205770C CN 01130988 CN01130988A CN1205770C CN 1205770 C CN1205770 C CN 1205770C CN 01130988 CN01130988 CN 01130988 CN 01130988 A CN01130988 A CN 01130988A CN 1205770 C CN1205770 C CN 1205770C
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葛建华
李兵兵
张文军
王匡
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Xidian University
Shanghai Jiao Tong University
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Xidian University
Shanghai Jiao Tong University
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Abstract

本发明公开了一种数字地面广播COFDM传输系统中的信号传输方法。基带数字调制信号采样率为10MHz，一帧OFDM信号由64个OFDM符号组成，每个OFDM符号由持续期为Ts的多个载波信号组成，其中包括若干个数据信号子载波、移动导频子载波、连续导频子载波和TPS导频子载波，各类载波有规律地排列。连续导频和移动导频子载波基准信号由一个伪随机二进制序列获得，该序列也用于对TPS导频子载波进行2DPSK调制初始化。每个TPS块的64个比特包括1个初始化比特、16个同步比特、34个信息比特和13个用于误码保护的冗余比特。本发明设计的信号传输方法显著提高了COFDM传输系统的性能，同时使得接收机可以更简单地实现。

Description

一种适于数字地面广播的编码正交频分复用传输系统
技术领域    本发明属于信号传输领域，特别涉及采用正交频分复用调制模式(OFDM)的数字地面广播系统中的信号传输方法。
背景技术    典型的数字地面广播传输系统包括发射机和接收机。数字调制技术往往对数字信号进行信道编码后进行调制，再加入必要的辅助信息如导频信号，然后经过信道频谱形成滤波成为基带数字调制信号。该数字信号经过数模转换器、上变频器被调制到相应的频带发送。在接收端，下变频器将射频信号变为基带信号，再经过模数转换器以得到数字信号。该数字信号经数字解调、信道解码后被恢复成与发端一致的信息。图1给出了典型的数字地面广播传输系统框图。
数字地面广播COFDM传输系统的数字编码调制单元对输入数据进行一系列的数字处理。它包括数据随机化、外编码(通常为Reed-Solomon码)、外交织(通常为卷积交织)、内编码(通常为卷积或网格码)、内交织(通常为时间和频率二维交织)、映射、加入导频信号、系统信息、正交频分复用(通常用IFFT实现)、加保护间隔(通常为循环扩展)、成形滤波等。其处理模块流程见图2。
在数字地面广播COFDM传输系统中，传输信号除数据信号之外，还包括用于信道估计、同步捕获和跟踪的移动导频信号和连续导频信号，以及用于传递业务类型系统信息的传输参数信令(TPS)信号。各导频子载波在子载波中的比例以及位置安排，对COFDM传输系统的性能有重要影响。
发明内容    本发明的目的是为数字地面广播COFDM传输系统提供一种信号传输方法，该方法通过合理地安排数据子载波与各导频子载波的结构以提高COFDM传输系统的性能，同时可降低接收机的复杂度。
本发明设计的信号传输方法是这样的：在数字地面广播COFDM传输系统中，基带数字调制信号采样率为10MHz，OFDM信号占用信号带宽为7.62MHz。OFDM传输信号由帧组成，一帧OFDM信号由64个OFDM符号组成。每个OFDM符号由持续期为Ts的多个载波信号组成。符号持续期Ts包括持续期为Tu的有用部分和持续期为ΔT的保护间隔部分。每个OFDM符号由多个子载波信号组成。在快速傅里叶反变换(IFFT)块大小为2048的工作模式(俗称“2K工作模式”)中，子载波数为1561；在IFFT块大小为4096的工作模式(俗称“4K工作模式”)中，子载波数为3121；在IFFT块大小为8192的工作模式(俗称“8K工作模式”)中，子载波数为6241。每个OFDM符号除载有数据的子载波信号外，还含有用于信道估计、同步捕获和跟踪的移动导频子载波信号和连续导频子载波信号，以及用于传递业务类型系统信息的TPS子载波信号。对于2K工作模式，数据信号子载波数目为1392，移动导频子载波数目为130个，连续导频子载波数为41个，TPS子载波数为8个。对于4K工作模式，数据子载波数为2784，移动导频子载波数为260，连续导频子载波数为81，TPS子载波数为16。对于8K工作模式，数据子载波数为5568，移动导频子载波数为520，连续导频子载波数为161，TPS子载波数为32。
数据子载波采用多电平正交振幅(MQAM)调制或相移键控(MPSK)调制，连续导频和移动导频子载波采用二进制相移键控(BPSK)调制，TPS子载波采用二进制差分相移键控(2DPSK)调制。
连续导频和移动导频子载波基准信号由一个伪随机二进制序列wk获得。伪随机二进制序列wk也用于对传输参数信令TPS子载波进行2DPSK调制初始化。
所有的数据单元的调制经归一化，使平均功率电平为1。所有导频(连续和移动)子载波和TPS子载波在提升的功率上发射，使平均功率电平为16/9。
传输参数信令(TPS)定义在一个OFDM信号帧的连续64个OFDM符号上。每个OFDM符号传送一个TPS比特。每个TPS块(对应于一个OFDM帧)由64个比特组成，包括：1个初始化比特、16个同步比特、34个信息比特和13个用于误码保护的冗余比特。对于34个信息比特，可以只使用其中的一部分，而将其余部分作为备用。每个OFDM帧第一个符号的TPS子载波位置相对应的伪随机二进制序列wk应用于该位置TPS子载波信号的2DBPSK调制初始化。
本发明设计的信号传输方法具有以下诸多有益效果：OFDM信号占用信号带宽为7.62MHz，采样率为10MHz有利于频域滤波与频谱成形；OFDM帧信号由64个OFDM符号组成，采用输入码长为50、输出码长为63的二进制本原博斯-查德胡里-霍昆格姆(BCH)码用于传输参数信令信号有较强误码保护，更适宜差分二相调制；连续导频相对与中心对称配置，可简化接收机实现；传输信令参数含有多种信息，可灵活实现混合、单一、分层工作模式，用于移动接收和固定接收业务；各导频功率均大于信号功率3dB，可实现多种同步及信道估计功能；基准信号由一个13阶伪随机序列发生器产生，对2K、4K、8K模式不会出现周期性重复。
以下结合附图进一步描述本发明的实施例。
附图说明    图1为典型的数字地面广播传输系统框图。
图2为数字地面广播COFDM传输系统数字编码调制功能模块流程图。
图3为PRBS序列发生器。
图4为OFDM传输信号的帧结构示意图。
具体实施方式    在数字地面广播COFDM传输系统中，基带数字调制信号采样率为10MHz，OFDM信号占用信号带宽为7.62MHz。OFDM传输信号由帧组成，每个帧信号包含64个OFDM符号。每个OFDM符号由持续期为Ts的多个载波信号组成。符号持续期Ts包括持续期为Tu的有用部分和持续期为ΔT的保护间隔部分。保护间隔插在有用部分之前，它有多个值可以选取，如可选取Tu/4、Tu/8、Tu/16、Tu/32，但不限于此几种值。8K工作模式Tu为819.2微秒，4K工作模式Tu为409.6微秒，2K工作模式Tu为204.8微秒。每个OFDM符号除载有数据的子载波信号外，还含有用于信道估计、同步捕获和跟踪的移动导频和连续导频子载波信号，以及用于系统传输业务类型(如单一、混合和分层调制)信息的TPS子载波信号。数据子载波信号采用多电平振幅调制(MQAM)或相移键控(MPSK)调制，连续导频和移动导频子载波信号采用二进制相移键控(BPSK)调制，TPS子载波信号采用二进制相移键控(2DPSK)调制。
连续导频和移动导频子载波基准信号由一个伪随机二进制序列wk获得。伪随机二进制序列wk按照图3产生，产生该伪随机二进制序列的发生器用的连接多项式为：x13+x4+x3+x+1。将其初始化为11111111111，使该伪随机二进制序列的第一输出比特与第一个有效子载波重合。在每个使用的载波上(无论是否导频)由该序列产生一个新的数值。该伪随机二进制序列wk也用于对传输参数信令TPS子载波进行2DPSK调制初始化。
将构成一帧的64个OFDM符号依次规定为第0个、第1个、…、第63个OFDM符号。这64个OFDM符号的移动导频子载波的位置有所不同，其分布与符号指数i(0～63)有关。第i个OFDM符号，移动导频子载波位置集合Si为：k＝Kmin+3×(i mod4)+12p，p为≥0的整数，i∈[0，63]，k∈[Kmin，Kmax]，  其中，Kmin＝0，对于2K工作模式，Kmax＝1560；对于4K工作模式，Kmax＝3120；对于8K工作模式，Kmax＝6240。
移动导频子载波位置如图4所示。由伪随机二进制序列wk获得的参考信息在每个符号内散布的移动导频单元中传输。移动的导频单元总在“提升后”的功率电平上发射，相应的调制为：
                 Re(Cm，k)＝4/3·(1-2·wk)
                     Im(Cm，k)＝0式中，m为OFDM符号时间指示，k为子载波频率指示。
连续导频子载波的数目随系统工作模式而变化。在2K工作模式，连续导频子载波数为41个；在4K工作模式，连续导频子载波数为81个；而在8K工作模式，连续导频子载波数为161个。OFDM传输信号帧中64个OFDM符号的连续导频子载波位置和值相同。连续导频子载波的位置关于中心频率位置对称(相对于中心位置之和为0)。表1、2、3给出一种关于中心频率位置对称的连续导频子载波位置集。
            表1  2K工作模式连续导频子载波位置集
0，15，69，162，177，216，270，351，375，414，429，480，516，537，594，603，639，666，741，768，780，792，831，852，882，921，966，1023，1050，1095，1146，1185，1200，1209，1278，1344，1383，1437，1479，1545，1560
            表2 4K工作模式连续导频子载波位置集
0，15，69，162，177，216，270，351，375，414，429，480，516，537，594，603，639，666，741，768，780，792，831，852，882，921，966，1023，1050，1095，1146，1185，1200，1209，1278，1344，1383，1437，1479，1545，1560，1575，1629，1722，1737，1776，1830，1911，1935，1974，1989，2040，2076，2097，2154，2163，2199，2226，2301，2328，2340，2352，2391，2412，2442，2481，2526，2583，2610，2655，2706，2745，2760，2769，2838，2904，2943，2997，3039，3105，3120
            表3 8K工作模式连续导频子载波位置集
0，15，69，162，177，216，270，351，375，414，429，480，516，537，594，603，639，666，741，768，780，792，831，852，882，921，966，1023，1050，1095，1146，1185，1200，1209，1278，1344，1383，1437，1479，1545，1560，1575，1629，1722，1737，1776，1830，1911，1935，1974，1989，2040，2076，2097，2154，2163，2199，2226，2301，2328，2340，2352，2391，2412，2442，2481，2526，2583，2610，2655，2706，2745，2760，2769，2838，2904，2943，2997，3039，3105，3120，3135，3189，3282，3297，3336，3390，3471，3495，3534，3549，3600，3636，36573714，3723，3759，3786，3861，3888，3900，3912，3951，3972，4002，4041，4086，4143，4170，4215，4266，4305，4320，4329，4398，4464，4503，4557，4599，4665，4680，4695，4749，4842，4857，4896，4950，5031，5055，5094，5109，5160，5196，5217，5274，5283，5319，5346，5421，5448，5460，5472，5511，5532，
5562，5601，5646，5703，5730，5775，5826，5865，5880，5889，5958，6024，6063，6117，6159，6225，6240
所有连续导频按伪随机二进制序列wk给出的参考序列进行调制。连续导频单元总在“提升后”的功率电平上发射，相应的调制为
                Re(Cm，k)＝4/3·(1-2·wk)
                   Im(Cm，k)＝0式中，m为OFDM符号时间指示，k为子载波频率指示。
TPS子载波用于给出与传输方案有关的参数，即信道编码和调制参数及系统信息。对于2K工作模式，TPS信令在8个载波上并行传输；对于4K工作模式，TPS信令在16个载波上并行传输；对于8K工作模式，TPS信令在32个载波上并行传输。同一符号中的每个TPS子载波传送相同的差分编码的信息比特。表4、5、6给出了一种TPS子载波的载波位置集。
TPS子载波单元在“提升后”功率电平上发射。每个TPS子载波用2DBPSK调制传送相同的信息。2DBPSK在每个TPS块的开始时由伪随机二进制序列wk提供基准序列进行初始化。
        表4 2K工作模式TPS子载波的载波位置集
    40，346，569，700，790，1155，1219，1469
        表5 4K工作模式TPS子载波的载波位置集
40，346，569，700，790，1155，1219，1469，1600，1906，2129，2260，2350，2715，2779，3029
        表6 8K工作模式TPS子载波的载波位置集
40，346，569，700，790，1155，1219，1469，1600，1906，2129，2260，2350，2715，2779，3029，3160，3466，3689，3820，3910，4275，4339，4589，4720，5026，5249，5380，5470，5835，5899，6149
每个OFDM符号传送一个TPS比特，每个TPS块(对应于一个OFDM帧)由64个比特组成，包括：1个初始化比特、16个同步比特、34个信息比特和13个用于误码保护的冗余比特。对于34个信息比特，可以只使用其中的一部分，而将其余部分作为备用。如使用27个，其余7个作为备用，置为“1010101”。每个OFDM帧第一个符号的TPS子载波位置相对应的参考符号序列wk用于该位置TPS子载波信号的2DBPSK调制初始化。
TPS信息按表7进行传输。2DPSK调制的第一个比特S0是一个初始化比特。TPS初始化比特S0从伪随机二进制序列wk得出。
TPS中的第1-16比特是一个同步字，每帧依次取sw0和sw1，这里sw0为0011010111101110，sw1为1100101000010001
TPS误码保护采用输入码长为50、输出码长为63、纠错能力为3的二进制本原博斯-查德胡里-霍昆格姆(BCH)码。码生成多项式为：g(x)＝x13+x12+x11+x10+x9+x8+x6+x3+x+1
                   表7 TPS信令信息及格式
比特数 格式 目的/内容
S0 wk 2DBPSK调制初始化
S1-S16 0011010111101110， 同步字
S17-S18 见表8 工作模式
S19-S21 见表9 传输模式
S22-S24 见表10 非分层单一或分层HP码流或混合模式第一路内编码速率
S25-S27 见表10 分层LP码流或混合模式第二路内编码速率
S28-S29 见表11 非分层单一或分层HP码流或混合模式第一路外交织深度
S30-S31 见表11 分层LP码流或混合模式第二路外交织深度
S32-S33 见表12 单一或混合模式第一路信号星座
S34-S35 见表12 混合模式第二路信号星座
S36 见表13 当前帧混合工作模式
S37 见表13 下一帧混合工作模式
S38 见表13 下下帧混合工作模式
S39 见表13 下下下帧混合工作模式
S40 见表13 下下下下帧混合工作模式
S41-S43 见表14 保护间隙
S44-S50 设置为“1010101” 将来预留
S51-S63 BCH码 误码保护
表8工作模式的信令格式
 比特S17-S18  工作模式
 00  2K
 01  4K
 10  8K
 11  备用
表9传输模式的信令格式
比特S19-S21 传输模式
000 非分层单一
001 非分层混合
010 分层α＝1
011 分层α＝2
100 分层α＝4
101 备用
110 备用
111 备用
         表10码率的信令格式
比特S22-S24，S25-S27  码率
000  1/2卷积码
001  2/3卷积码
010  3/4卷积码
011  5/6卷积码
100  7/8卷积码
101  1/2turbo码
110  备用
111  备用
表11  外交织器交织深度的信令格式
 比特S28-S29，S30-S31  卷积交织器参数
 00  4
 01  32
 10  64
 11  192
表12星座可能类型的信令格式
 比特S32-S33，S34-S35  星座图特性
 00  DQPSK
 01  QPSK
 10  16QAM
 11  64QAM
        表13混合工作模式信令格式
比特S36，S37，S38，S39，S40 混合工作模式
0 第一路
1 第二路
表14保护间隔的信令格式
比特S41-843  保护间隔值
000  1/32
001  1/16
010  1/8
011  1/4
100  备用
101  备用
110  备用
111  备用

Claims (5)

1.一种适于数字地面广播的编码正交频分复用传输系统，其特征在于：基带数字调制信号采样率为10MHz，OFDM信号占用信号带宽为7.62MHz；
一帧OFDM信号由64个OFDM符号组成，每个OFDM符号由持续期为Ts的M个载波信号组成，其中包括N1个数据信号子载波、N2个移动导频子载波、N3个连续导频子载波和N4个TPS子载波；
符号持续期Ts包括持续期为Tu的有用部分和持续期为ΔT的保护间隔部分，保护间隔插在有用部分之前；
在IFFT块大小为2048的工作模式下，每个OFDM符号的子载波数M等于1561，数据信号子载波数N1等于1392，移动导频子载波数N2等于130，连续导频子载波数N3等于41，TPS子载波数N4等于8；Tu为204.8微秒；对于第i个OFDM符号，移动导频子载波位置集合Si为：
k＝3×(i mod4)+12p，p为≥0的整数，i∈[0，63]，k∈[0，1560]
在IFFT块大小为4096的工作模式下，每个OFDM符号的子载波数M等于3121，数据信号子载波数N1等于2784，移动导频子载波数N2等于260，连续导频子载波数N3等于81，TPS子载波数N4等于16；Tu为409.6微秒；对于第i个OFDM符号，移动导频子载波位置集合Si为：
k＝3×(i mod4)+12p，p为≥0的整数，i∈[0，63]，k∈[0，3120]
在IFFT块大小为8192的工作模式下，每个OFDM符号的子载波数M等于6241，数据信号子载波数N1等于5568，移动导频子载波数N2等于520，连续导频子载波数N3等于161，TPS子载波数N4等于32；Tu为819.2微秒；对于第i个OFDM符号，移动导频子载波位置集合Si为：
k＝3×(i mod4)+12p，p为≥0的整数，i∈[0，63]，k∈[0，6240]
连续导频子载波的位置关于中心频率位置对称，OFDM传输信号帧中64个OFDM符号的连续导频子载波位置和值相同；
连续导频和移动导频子载波基准信号由一个伪随机二进制序列获得，该伪随机二进制序列也用于对TPS子载波进行2DPSK调制初始化；
每个OFDM符号传送一个TPS比特，同一符号中的每个TPS子载波传送相同的差分编码的信息比特，对应于一个OFDM帧，每个TPS块由64个比特组成，包括1个初始化比特、16个同步比特、34个信息比特和13个用于误码保护的冗余比特。
2.根据权利要求1所述的编码正交频分复用传输系统，其特征在于：所有的数据单元的调制经归一化，使平均功率电平为1；连续导频、移动导频和TPS子载波均在提升的功率上发射，使平均功率电平为16/9。
3.根据权利要求1所述的编码正交频分复用传输系统，其特征在于：伪随机二进制序列发生器用的连接多项式为：x13+x4+x3+x+1，预置11111111111，使该伪随机二进制序列的第一输出比特与第一个有效子载波重合，在每个使用的载波上由该序列产生一个新的数值。
4.根据权利要求1所述的编码正交频分复用传输系统，其特征在于：TPS块中的第2～17比特是一个同步字，每帧依次取0011010111101110和1100101000010001。
5.根据权利要求1所述的编码正交频分复用传输系统，其特征在于：TPS误码保护采用输入码长为50、输出码长为63、纠错能力为3的二进制本原博斯-查德胡里-霍昆格姆码，码生成多项式为：g(x)＝x13+x12+x11+x10+x9+x8+x6+x3+x+1。
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