采用统一系统时钟实现信道编码的方法

摘要

本发明公开了一种采用统一系统时钟实现信道编码的方法。该方法在信道编码的前端设置一个缓冲池将来自解复用器的码流缓存起来，然后由前端控制模块有规律地产生控制信号控制缓冲池中码流的读写，最终形成统一系统时钟所要求的数据流从缓冲池中输出。该方法着重解决了缓冲池的读写控制问题和Fts时钟的产生问题。本发明将Fs作为整个电路统一的系统时钟，尽可能地采用Fs完成整个信道编码，简化了实现电路，大大缓解了用多个锁相环产生多个时钟频率造成的资源浪费，同时避免了在时钟变换接口处的相位漂移，提高了系统的稳定性。

说明书

本发明属于信道编码技术领域，特别涉及数字电视地面广播信道编码系统中统一系统时钟的方法。

数字电视地面广播COFDM传输系统发射端主要组成部分如图1所示。其中，解复用器为信道编码提供所需码率的TS码流。信道编码对进入的数据流进行加扰、外码(外编码和外交织)、内码(内编码和内交织)、映射、帧形成、IFFT和插入保护间隔等等，最终经过调制和滤波形成射频信号发射出去。

图2中给出了一般数字电视地面广播COFDM传输系统发射部分信道编码的组成。其中，许多模块按照编码方式和传输模式的不同输入输出净码率也是不一样的。例如，外编码为RS(n，k)方式(n＞k)，则每k字节数据输入，将有n字节输出；内编码是码率为r=m/n(n＞m)的卷积编码，每m比特输入，就有n比特输出，且通常码率r可选择1/2，2/3，3/4，5/6和7/8等多种模式；帧形成模块在数据流的基础上插入导频(包括连续导频和散布导频)以及TPS信号，组成OFDM符号和帧，显然输入输出净码率是不平衡的；同样，P/S变换和保护间隔插入等模块都存在传输净码率不统一的问题。

输入输出净码率不统一，一般可以用频率合成或锁相环的方法解决，但用这些方法解决时不仅需要占用很多系统资源，同时在时钟变换接口处的相位漂移会影响电路的稳定性。如果能够采用某个时钟作为整个系统的全局时钟，从全局考虑保证系统中每个模块能够在统一的系统时钟下运行，各个模块尽可能地在这个时钟的驱动下工作，就能够尽可能少地使用锁相环资源，而且可以提高电路稳定性，使电路实现得到简化。

本发明的目的是尽可能地让数字电视地面广播COFDM传输系统的信道编码在一个统一的时钟下实现，该方案能够避免采用多种时钟频率对系统性能带来的影响，增强了系统的稳定性，而且使电路实现得到简化。

本发明的目的是这样实现的：在信道编码的前端设置一个缓冲池将来自解复用器的码流缓存起来，然后由前端控制模块按照某种规律产生控制信号控制缓冲池中码流的读写，最终形成统一系统时钟所要求的数据流从缓冲池中输出。

由解复用器输出进入信道编码的数据是在时钟Fts驱动下连续的TS流，缓冲池在前端控制模块的控制下将连续的数据分割成断续的数据包送入加扰；经过RS编码送入外交织器；在P/S由字节到比特的并串变换中，采用8Fts的时钟，数据流的形式并不改变，只是从原来并行的8比特变成了串行的8比特；在内编码中，根据卷积编码码率的不同对数据包进行相应扩展；经过去复用进入内交织、映射；帧形成后，将数据整理成标准的OFDM符号，并进而形成帧、超帧，完成整个帧结构的形成；经IFFT到保护间隔插入，形成信道编码最终的带保护间隔□的连续的输出码流，送入数摸转换、调制滤波电路。

在整个编码过程中共用到了3个时钟，其中Fts是由信道编码部分根据配置模式产生送给解复用器。Fs(10MHZ)作为全局时钟是整个电路统一的系统时钟，为了电路实现方便，在P/S、内编码和去复用的部分电路中采用8Fs时钟，Fs和8Fs分别由锁相环产生。在统一系统时钟的情况下，Fts与Fs之间的关系表达式为： $>>Fts>=>Fs>\times >>>N>d>>>>N>ifft>>\times >>(>1>+>\Delta >/>>T>u>>)>>>>\times >V>\times >R>\times >>k>n>>\times >>1>8>>\times >>>N>fd>>>N>fc>>>>>式中N$_d为OFDM符号中的数据载波数；□为保护间隔长度，T_u为符号有效长度；R为编码速率；V与数据载波调制方式对应一般可以取2(如QPSK和DQPSK)，4(如16QAM)，6(如64QAM)等值；k，n对应RS(n，k)编码方式；N_fd是一帧中包含的OFDM符号数，N_fc是一帧的符号数，即一帧中的参考符号数与OFDM符号数之和；N_ifft与系统传输模式有关，2K模式下取2048，4K模式下取4096，8K模式下取8192。当系统参数不同，如外编码方式、卷积编码码率、数据载波调制方式，插入保护间隔大小等等，根据Fs得出的Fts也不相同，仅单一工作模式下就有60个频率值。所以，Fts不能用一般锁相环产生，其产生器必须是可编程的数字控制的多频率产生器，能够根据系统参数用数字控制的方法从一个参考频率源产生多个频率。

常用的数控振荡器可以产生小于1HZ直至几十MHZ的正弦波和方波，本发明只需要产生方波时钟，所以可以采用一种电路更简单、小巧灵活的数控振荡器。数控振荡器的核心是相位累加器和相位比较器，驱动时钟是固定的，相位步长控制字b和频率控制字a由数控振荡器前边的控制电路设定。类似于吞脉冲技术，采用相位累加截取法，以驱动时钟来触发相位累加器，每次累加b，累加结果对a求模后的数d作为相位累加器的另一输入，相位比较器以a/2为门限与d相比较，大于门限值取高，反之取低，产生脉冲。一般要求占空比在45％～55％之间，为了得到满足占空比要求的时钟信号，可以算出最小分频比必须大于11，即Fq/Fts＞11。

TS码流以Fts连续进入到缓冲池里，又以高于Fts的速率从缓冲池里读出，且读出的数据是断续的，所以要由前端控制模块产生读使能，按照规律读缓冲池，同时产生有效位标识从缓冲池读出的有效数据。如果缓冲池以Fts的速度写入一组N字节数据，又以Fs的时钟去读这N字节数据，设在x个读时钟周期里从缓冲池中全部读出，那么 $>>x>=>>>N>\times >>F>s>>>>F>ts>>>>>。如果得到的x值不是整数，就会给实现带来困难，因为在小数个时钟周期里读数据是不可能的，这时要对x的小数部分进行处理，将小数化为分数形式，即：x＝c+d/e，在电路实现时将小数部分累积一定周期化整后再处理。具体步骤如下：(1)前(e-1)次循环相同，在c个Fs读时钟周期的前N个时钟周期置读使能和数据有效位为高，控制缓冲池读出有效数据；(2)第e次循环与前(e-1)次不同，是在(c+d)个Fs读时钟周期的前N个时钟周期置读使能和数据有效位为高，控制缓冲池读虫有效数据；(3)e次循环为一个循环周期，按照(1)、(2)不断产生读使能，控制缓冲池以时钟Fs读出数据。$

在实际电路中由于不同系统配置模式下Fts的不同导致x不同，进而c、d、e也不同，所以c、d、e在电路中是根据系统参数可选择的，当系统配置模确定时，c、d、e也随之确定，然后按照上述方法产生读使能及数据有效位标识。

本发明将Fs作为整个电路统一的系统时钟，尽可能地采用Fs完成整个信道编码，简化了实现电路，大大缓解了用多个锁相环产生多个时钟频率造成的资源浪费，同时避免了在时钟变换接口处的相位漂移，提高了系统的稳定性。

以下结合附图进一步描述本发明的实施例。

图1为数字电视地面广播传输系统发射端框图。

图2为数字电视地面广播信道编码功能模块流程图。

图3为数字电视COFDM传输系统信道编码结构框图(a)与时钟分配和数据流示意图(b)。

图4为缓冲池和前端控制模块。

图5为信道编码时钟分布图。

图6为读有效位产生周期示意图。

图7为可编程数字频率合成器。

图8为数控振荡器。

以数字电视地面广播系统BDB-T传输系统的2k非分层单一工作模式为例，具体涉及的参数见表1：

模式2K，非分层单一工作模式外编码RS(204，188)内编码码率R 1/2，  2/3，  3/4，  5/6，  7/8数据载波调制方式64QAM(V＝6)，16QAM(V＝4)，QPSK和DQPSK(V＝2)OFDM载波数1585数据载波数1440每帧符号数68  (含0个参考符号和68个OFDM符号)FFT采样率10MHZ保护间隔(□/Tu)1/4，    1/8，    1/16，    1/32

信道编码部分结构框图如图3(a)，共用到了3个时钟。其中Fts是由信道编码部分根据配置模式产生送给解复用器，Fs(10MHZ)作为全局时钟是整个电路统一的系统时钟，为了电路实现方便，在P/S、内编码和去复用的部分电路中采用8Fs时钟，Fs和8Fs分别由锁相环产生。

每个模块输入输出数据流的形式在图3(b)中详细列出。由解复用器输出进入信道编码的数据是在时钟Fts驱动下连续的188包TS流；缓冲池在前端控制模块的控制下将连续的数据分割成断续188包的数据送入加扰；经过RS编码，每188包要加入了16位的监督位形成断续204包的数据流，送入外交织器；在P/S由字节到比特的并串变换中采用了8Fs的时钟，所以数据流的形式并不改变，只是从原来并行的8比特变成了串行的8比特，相应的204字节包变成了1632比特包；在内编码中，根据卷积编码码率的不同数据包的扩展也不同，当码率为r时，比特流将扩展为1632/r的比特包；经过去复用将数据扩成v比特(v根据映射星座的不同可以取2、4或6)并行1632*8/(v*r)的包，进入内交织；映射后形成n比特(n按照数据设计的精度要求取值)并行1632*8/(v*r)的包；帧形成后，将数据整理成标准的OFDM符号(每符号由2048个载波点组成，其中1585个包括数据、导频和TPS信息，其它是零频点)，并进而形成帧、超帧，完成整个BDB-T帧结构的形成；经IFFT到保护间隔插入，形成信道编码最终的带保护间隔□的连续的输出码流，送入数摸转换、调制滤波电路。

通过图3(b)中各模块输入输出数据流形式的变化可知：由于采用了统一的系统时钟，数据流会由连续□有规律的断续□连续。实际上是利用缓冲池和前端控制模块在系统的最前端把各模块要产生的冗余数据的位置提前空出来，数据流由连续变成间断，当数据经过各模块时依次添加冗余数据，于是当数据由插入保护间隔模块插入最后的冗余数据输出时，数据流将由间断变成连续。

缓冲池和前端控制模块的基本工作方式如图4所示。缓冲池以时钟Fts在写使能的控制下将数据流连续写入；以时钟Fs在读使能(数据有效标识)的控制下将数据流断续读出，形成如前所述的断续的188包数据流。

如图5所示，假设插入保护间隔后a处的时钟频率为Fa，根据表1中的系统参数可以推得a、b、…、h处的时钟大小。

保护间隔为□/Tu，则b处时钟应为： $>>Fb>=>Fa>\times >>2048>>2048>\times >>(>1>+>\Delta >/>Tu>)>>>>;>>>$

帧形成有1个参考符号，所以c处时钟为：Fc＝Fb；

数据载波数为1440，则d处时钟为： $>>Fd>=>Fc>\times >>1440>2048>>;>>>$

数据载波调制方式为V，则e处时钟为：Fe＝Fd×V；

内编码码率为R，则f处时钟为：Ff＝Fe×R；

P/S变换是8比特并行化为串行，则g处时钟为： $>>Fg>=>>Ff>8>>;>>>$

外编码为RS(204，188)，则h处时钟为： $>>Fh>=>Fg>\times >>188>204>>;>>>$

由上面各式得： $>>Fh>=>Fa>\times >>1440>>2048>\times >>(>1>+>\Delta >/>Tu>)>>>>\times >V>\times >R>\times >>188>204>>\times >>1>8>>>>实际上，Fh＝Fts；Fa＝Fs，所以Fts和Fs的关系：$ >>Fts>=>Fs>\times >>1440>>2048>\times >>(>1>+>\Delta >/>Tu>)>>>>\times >V>\times >R>\times >>188>204>>\times >>1>8>>>>其中，Fs为统一系统时钟，1440为数据载波数，\square 为保护间隔长度，Tu为符号有效长度，R为编码速率，V与数据载波调制方式对应关系见表1。$$

由上式可知，当系统参数不同，如外编码方式、卷积编码码率、数据载波调制方式，插入保护间隔大小等等，所得Fts的计算结果也不相同，仅单一工作模式下就有60个频率值。由于Fts是根据系统配置模式而定的，所以时钟Fts产生器必须是可编程的数字控制的多频率产生器，能够限据系统参数用数字控制的方法从一个参考频率源产生多个频率，如图7。控制单元根据系统参数确定a和b送到数控振荡器，数控振荡器在参考频率源的驱动下产生Fts。

图7中的驱动时钟是固定的，相位步长控制字b和频率控制字a是由数控振荡器前边的控制电路设定的。类似于吞脉冲技术，采用相位累加截取法，以驱动时钟来触发相位累加器，每次累加b，累加结果对a求模后的数d作为相位累加器的另一输入，相位比较器以a/2为门限与d相比较，大于门限值取高，反之取低，产生脉冲。设驱动时钟Fq，输出时钟Fts＝0.3Fq，则Fts/Fq＝3/10，取b＝3，a＝10。图8电路中，在驱动时钟的作用下相应A、B、C处的信号的变化规律如表二。可以看出，第0～3时刻产生一脉冲；第4时刻将上次累加剩余的相位字2保存作为本次累加相位初值继续累加，第4～6时刻又产生一脉冲；第7时刻同样将上次累加剩余的相位字1作为本次累加相位初值，第7～9时刻产生一脉冲；而第10时刻的剩余相位字是0，所以后面又重新从0相位开始累加循环，这样便产生了0.3Fq的时钟信号Fts。

                                         表二

时刻  0 1 2 3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  A  0  3  6  9  12  5  8  11  4  7  10  3  6  B  0  3  6  9  2  5  8  1  4  7  0  3  6  C  0  0  1  1  0  0  1  0  0  1  0  0  1

以上仅仅作为原理性介绍，因为在该参数条件下按照这种分频方法产生的时钟不符合占空比要求，其占空比约为33.3％～50％，而一般要求占空比在45％～55％之间。为了得到满足占空比要求的时钟信号，最小分频比必须大于11，即Fq/Fts＞11。由于根据BDB-T方案中参数计算出时钟Fts的取值不是很高，只要作为参考频率源的驱动时钟足够高，使最小分频比大于11，产生的时钟的占空比就可以满足要求。

电路设计中驱动时钟Fq可以通过锁相环倍频得到，Fts的产生实际上是个小数分频的问题，表达式Fts/Fq为： $>>>Fts>Fq>>=>>1440>>2048>\times >>(>1>+>\Delta >/>Tu>)>>>>\times >V>\times >R>\times >>188>204>>\times >>1>8>>\times >>Fs>Fq>>=>>a>b>>>>由于要求精度十分高，所以Fts/Fq不能约成小数形式，而是直接表示成最简分式a/b形式。与读始能类似，电路中a、b也是根据系统参数可以选定的，当系统配置模式确定后，由控制单元选取a、b并送出。$

根据BDB-T标准中参数可以计算出不同模式下时钟Fts的取值在0.5MHZ～4.1MHZ之间，所以驱动时钟必须大于45.1MHZ。基于电路实现的实际需要，一方面：应尽可能让a、b的数值减小，这样数控振荡器中a和b的位数就相应减少，不会因为位数的加大而阻碍了电路的运算速度。另一方面：驱动时钟不易选得太高，否则会影响整个电路的稳定性。综合这两个方面的因素的影响，选取驱动时钟Fq为70MHZ，这样可以使a、b的位数降到17位，电路稳定工作，占空比达到47％～53％。

由图4可以看到，TS码流以Fts连续进入到缓冲池里，又以高于Fts的速率从缓冲池里读出，且读出的数据是断续的188字节包，所以要由前端控制模块产生读使能，按照规律读缓冲池，同时产生有效位标识从缓冲池读出的有效数据，每间隔多长时间读数据要经过精确的计算。

假设按照系统配置模式算出缓冲池写时钟Fts＝3.3MHZ，统一的系统时钟Fs＝10MHZ。如果缓冲池以3.3MHZ的速度写入一组188字节数据，又以10MHZ的时钟去读这188字节的数据，设在x个读时钟周期里从缓冲池中全部读出，那么：

写188字节所用时间：188/3.3  μs

读188字节所用时间：  x/10  μs

读写所用时间需相等：188/3.3＝x/10

读188字节所用的读时钟周期：x＝(188*10)/3.3＝569.696969696969697个，得到的x值不是整数。因为在小数个时钟周期里读数据是不可能的，所以要对x的小数部分进行处理，将小数化为分数，得：

      x＝(c+d/e)＝(569+23/33)    式  (1-3)在电路实现时将小数部分累积一定周期化整后，再处理。

如图5示，共有33次循环组成一个循环周期，在一个循环周期内的第1到第32次循环是相同的，在569个Fs读时钟周期的前188个时钟周期置读使能为高，从缓冲池中读188字节数据，同时置数据有效位为高，标识这188字节数据是有效数据；第33次循环在592个Fs读时钟周期的前188个时钟周期置读使能为高，同样从缓冲池中读188字节数据，置数据有效位为高。

在实际电路中由于不同系统配置模式下Fts的不同导致x不同，进而c、d、e也不同，所以c、d、e在电路中是根据系统参数可选择的，当系统配置模确定时，c、d、e也随之确定，然后按照上述方法产生读使能及数据有效位标识。

综上所述，统一系统时钟实现信道编码是一个整体性的方案，这种方法同样适用于其它的数字电视地面广播COFDM传输系统发射部分信道编码。