数字广播多发射机的数据流分配系统及其分配方法

摘要

本发明公开一种数字广播多发射机数据流分配系统及其分配方法。根据本发明的系统包括：OFDM调制装置，延迟装置，主发射机，包处理装置，分配网络，以及副发射机。根据本发明的分配方法包括：经信道编码的数据流分为两路，一路数据流利用OFDM调制装置进行OFDM调制并利用延迟装置延迟一定的时间后传送到主发射机并由该主发射机传送到用户端的步骤；另一路数据流利用包处理装置进行包处理并通过分配网络传送到副发射机，在副发射机中通过OFDM调制后传送到用户端的步骤。本发明中数据流经信道编码后通过分配网络送入副发射机，减小了副发射机的信息处理压力。

说明书

技术领域

本发明涉及数字信息传输技术领域，尤其涉及一种基于OFDM(正交频分复用)的数字广播多发射机的数据流分配系统及其分配方法。

背景技术

目前，数字广播已经成为人们日常生活中不可缺少的一部分。数字广播除具有覆盖面广、节目容量大的特点外，还具有广播性，其能够实现一点对多点、一点对面的广播，且广播信息的成本与用户数量无关。因此，数字广播作为信息通信业的一个重要组成部分，在国家信息基础设施建设、实现普遍服务中具有重要地位。

OFDM是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，而OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。这样，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。

在基于OFDM的地面无线广播、地面手持广播、卫星广播等系统中，为了实现单频网的无缝覆盖，需要由多个发射站进行同频、同步发送。图1为现有的多发射机的数字广播系统的框图。

如图1所示，信源编码器1输出的信源流分别通过主发射机通路和副发射机通路发送到用户端6。在主发射机通路中，信道编码器2对由信源编码器1输入的数据流(信源流)进行编码而输出码符号。OFDM调制器3将码符号进行OFDM调制使其调制为模拟信号后将其搬移到预定的频点上发送给主发射机4，主发射机再将来自上述OFDM调制器3的信号变频后发送到用户端6；在副发射机通路中，副发射机5接收信源编码器1输出的数据流(信源流)并对其进行信道编码以及OFDM调制后再将信号变频以发送到用户端6。这样一来，需要在副发射机5中进行信道编码、OFDM调制等工作。对于需要配备多个副发射机的数字广播系统来说，每个副发射机都需要独立地进行上述信道编码，使副发射机的信息处理量大、系统总体成本较高。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中存在的问题。本发明的一个目的在于提供一种能够预先进行信道编码以减小副发射机信息处理压力的数字广播多发射机的数据流分配系统。

本发明的另一个目的在于提供一种实现上述数字广播多发射机的数据流分配系统的方法。

根据本发明的数字广播多发射机的数据流分配系统如图2所示，包括：OFDM调制装置23，其连接信道编码器(未图示)和延迟装置24，用于对接收的经信道编码的数据流进行OFDM调制，将其调制为第一信号发送到延迟装置24；延迟装置24，其连接OFDM装置23和主发射机25，用于接收来自OFDM调制装置23的第一信号，根据设定的时间来延迟该第一信号后将其发送到主发射机25；主发射机25，其连接延迟装置24和用户端29，用于接收来自延迟装置24的第一信号，并将该第一信号发送给用户端29；包处理装置26，其连接信道编码器(未图示)和分配网络27，用于对输入的数据流按映射方式进行拆包并在各数据包前插入带有控制信息的包头，并将数据流发送给分配网络27；分配网络27，其连接包处理装置26和副发射机28，用于将数据流转换为第二信号并分配给相应的副发射机28；以及副发射机28，其连接分配网络27和用户端29，用于将接收自分配网络的第二信号进行OFDM调制后发送给用户端29。

上述包处理装置26通过SPI接口与分配网络27相连。

优选地，上述副发射机28至少为一个。

优选地，上述控制信息为发射频点、时隙位置、映射方式信息。

优选地，上述映射方式可以采用BPSK映射、QPSK映射或16QAM映射。

根据本发明的OFDM调制装置23进一步包括：符号映射单元，加入离散导频单元，扰码单元，IFFT单元，符号成形单元，频点搬移单元，以及射频调制单元。

其中符号映射单元将编码后的二进制比特流映射成复符号的星座点；加入离散导频单元在映射的符号序列中加入离散导频，生成有效频域符号；扰码单元用复扰码序列对有效频域符号进行扰码，增加信号的随机性；IFFT单元进行频、时域变换，生成时域基带采样点序列；频点搬移单元将基带信号搬移到合适的频点上；射频调制单元将信号调制到射频点上发送出去。

上述包处理装置26包括：根据映射方式将数据分割为若干个数据包的数据拆包单元；在各数据包前插入一包头并对包头的各字段分别进行定义以使包头中包含不同控制信息的插入包头单元。

根据本发明的数字广播多发射机的数据流分配方法包括以下步骤：经信道编码的数据流分为两路，一路数据流利用OFDM调制装置进行OFDM调制，调制成第一信号的步骤；第一信号利用延迟装置延迟一定的时间后传送到主发射机的步骤；该第一信号通过主发射机传送到用户端的步骤；经信道编码的数据流分为两路，另一路数据流利用包处理装置进行包处理并且传输到分配网络的步骤；数据流在分配网络中被转换成第二信号并传送到副发射机的步骤；该第二信号在副发射机中通过OFDM调制后传送到用户端的步骤。

在上述数据流被传输到分配网络的步骤中，该数据流通过SPI接口以逐频点逐时隙的方式依次传输。

在经信道编码的数据流利用包处理装置进行包处理的步骤中，包处理进一步包括：数据流根据在一个频点一个时隙内传输的字节数进行拆包的步骤；和在各数据包前插入一包头的插入包头步骤。

在上述插入包头步骤中，插入的包头的各字段被分别定义以使包头具有不同的控制信息。

在第二信号在副发射机中通过OFDM调制后传送到用户端的步骤中，第二信号在副发射机中进行信号处理从而识别出包头的控制信息后，在该控制信息的控制下进行OFDM调制。

根据本发明的数字广播能够取得如下有益效果：在保证数据流正确传输的同时可以控制副发射机以适当的方式对数据流进行调制并发送出去。而在主发射机处理流程中引入一定延迟，补偿分配网络和副发射机进行OFDM调制引入的时延，实现主、副发射机的同步发射。信息流经信道编码后送入分配网络，减小了发射机的信息处理压力；通过延迟保证多个发射机间的同步发送；发射机的发射频点、时隙位置、映射方式等能够进行灵活配置；传送的数据和控制字可以通过多种方式进行传输；并可广泛应用于卫星广播、地面无线广播、地面手持广播等各广播领域。

附图说明

图1为现有技术的多发射机数字广播系统的框图。

图2为本发明的数字广播多发射机的数据流分配系统的框图。

图3为本发明的数字广播多发射机的数据流分配系统的第一实施例的示意图。

图4为图3中OFDM调制装置的结构框图。

图5(a)为BPSK星座映射图。

图5(b)为QPSK星座映射图。

图5(c)为16QAM星座映射图。

图6为PRBS扰码生成示意图。

图7为本发明第一实施例的频域子载波结构图。

图8为本发明第一实施例的接口时序图。

图9为本发明的数字广播多发射机的数据流分配系统的第二实施例的示意图。

具体实施方式

下面，结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。

图3所示为根据本发明第一实施例的数字广播多发射机的数据流分配系统的示意图。如图3所示，本发明第一实施例为卫星移动广播系统。该卫星移动广播系统由OFDM调制器33，第一Ku波段上行站34，包处理装置35，DVB-S调制器(未图示)，第二Ku波段上行站36，卫星37和转发器38组成。

该卫星移动广播系统使用25MHz带宽，划分为三个8MHz的频道，每个8MHz频道传送一路OFDM调制信号。三个8MHz频道分别命名为频道0、频道1、频道2。系统采样率为60MHz。

该卫星移动广播系统每帧为200毫秒，由TS0到TS9共10个时隙组成。每个时隙占20毫秒，包括1个信标头和42个OFDM符号组，每个OFDM符号由IFFT块、循环前缀CP和2个保护间隔GD组成。其中信标中携带同步和时隙号信息。循环前缀用于抵抗信道多径时延扩展，保护间隔用于降低系统频带泄漏。

当信源编码器31输出信源流后，信道编码器32对信源编码器31提供的信源流进行信道编码、加入连续导频并将经信道编码的信源流分两路分别输入到下一级的OFDM调制器33和包处理装置35。

上述信道编码器32中，其内部信道编码一般采用卷积纠错码、Reed-Solomon码、LDPC码、或者TURBO码中的一种。

图4所示为OFDM调制器33的结构框图。OFDM调制器33包括：符号映射单元41、加入离散导频单元42、扰码单元43、IFFT单元44、符号成形单元45、频点搬移单元46和射频调制单元47。上述这些单元共同作用实现OFDM调制，最后通过射频调制单元47向第一Ku波段上行站34输出卫星信号。这里，设该通过OFDM调制发射到第一Ku波段上行站34的信号为主卫星信号。

第一Ku波段上行站34的内部优选包括一延迟器(未图示)。该延迟器为长度可调的移位寄存器，其补偿卫星传输信道和转发器38中的处理时延。第一Ku波段上行站34将延迟后的主卫星信号放置到14GHz的频点上并发送给卫星37。

上述延迟器还可设置于第一Ku波段上行站34和OFDM调制器33之间或设置在OFDM调制器33上。

包处理装置35包括拆包单元和插入包头单元(未图示)。包处理装置35对由信道编码器32传输的数据进行拆包及插入包头，将打包后的数据通过SPI接口传输到DVB-S调制器(未图示)。

DVB-S调制器对接收的数据进行DVB-S调制并输出。这里，设经DVB-S调制并输出的信号为副卫星信号。

SPI口连接上述包处理装置和DVB-S调制器。其实现数据的快速传输。该SPI口包括时钟线CLK、8根数据线Data(0～7)、同步指示线PSYNC和数据有效线DVALID。

第二Ku波段上行站36接收DVB-S调制器发送的副卫星信号，将该副卫星信号放置到11GHz的频点上并发送给卫星37。

卫星37接收由第一Ku波段上行站34和第二Ku波段上行站36传送的主卫星信号和副卫星信号，并且将来自第一Ku波段上行站34的主卫星信号放置到2.6GHz的频点上发送给用户解调器39，将来自第二Ku波段上行站36的副卫星信号进行放大并发送给转发器38。

转发器38包括DVB-S解调器和OFDM调制器(未图示)。其中DVB-S解调器将卫星37下传的副卫星信号解调后输出到OFDM调制器，OFDM调制器在数据包和包头信息的控制下对接收到的数据进行OFDM调制后在2.6GHz的频点上发送给用户解调器39。

用户解调器39对接收的信号进行解调后将解调的信号输出给信源解码器40；信源解码器40对接收的信号进行解码处理并输出。

下面，结合图3的卫星移动广播系统示意图对该系统的分配方法的各步骤进行详细说明。

通过信源编码器31产生的信源流在信道编码器32中进行信道编码以及加入连续导频后一方面通过OFDM调制器33经卫星37发送到用户解调器39，另一方面通过包处理装置35经转发器38发送到用户解调器39。

在通过OFDM调制器33经卫星37发送到用户解调器39的过程中，OFDM调制过程具体包括：

符号映射：信道编码后的二进制比特流首先映射成复符号的星座点，这里形成调制符号的比特数目是一定的，其中BPSK映射时每1比特映射为1个星座点，如图5(a)所示；QPSK映射时每2比特映射为1个星座点，如图5(b)所示；16QAM映射时每4比特映射为1个星座点，如图5(c)所示。其中x、y轴是复符号的坐标轴。这样利用符号映射来调制多个载波时，使得一个符号周期内有更多数据位在空中传输，可以提高数据传输率。

加入离散导频：接着，映射的符号序列中加入离散导频。通过加入离散导频，生成有效频域符号。在本实施例中，系统共采用3076个有效子载波，其中有384个离散导频。离散导频全部传1+0j，用(m，n)指示导频信号的位置坐标，其中m和n分别是频率和时间轴指示。m、n取值规则如下：

0≤n≤41，

m＝8p+1  p＝0，1，2，...，191和m＝8p+3  p＝192，193，194，...，383 ifmod(n，4)＝0

m＝8p+5  p＝0，1，2，...，191和m＝8p+7  p＝192，192，193，...，383 ifmod(n，4)＝1

m＝8p+3  p＝0，1，2，...，191和m＝8p+5  p＝192，193，194，...，383 ifmod(n，4)＝2

m＝8p+7  p＝0，1，2，...，191和m＝8p+9  p＝192，192，193，...，383 ifmod(n，4)＝3

扰码：加入离散导频后，该系统内所有有效子载波均被一复伪随机二进制序列(PRBS)扰码。在本实施方案中PRBS序列的生成多项式f_(x)满足：f_(x)＝x¹²+x¹¹+x⁸+x⁶+1，移位寄存器初始值为000000000001，生成方法如图6所示。PRBS在每时隙开头重置，故所有时隙都被相同图样扰码。S_i，S_q以0→/2，1→-/2的方式映射到实数域，并以S_i+jS_q的形式生成复扰码序列。扰码序列的初始状态和时隙的第1个有效子载波对齐。扰码增强了信号随机性，并使信号的私密性更强，有助于保护信号安全，不被他人恶意破坏。

IFFT变换：扰码后的频域信号在IFFT单元利用IFFT进行频-时域变换，从而生成时域基带采样点序列。在本实施例中，记IFFT运算的正交子载波序号为i，i_min＝0，i_max＝4095，共有4096个正交子载波，具体可分为3076个有效子载波和1020个虚拟子载波，其中DC子载波也作为虚拟子载波，如图7所示。有效子载波带宽为7.5MHz，这样虚拟子载波就成为两个各8MHz带宽的频道间的保护带。设m为有效子载波序号，i(m)为该有效子载波对应的IFFT正交子载波序号，两者之间满足：

$$ >>i>>(>m>)>>=>\begin{array}{}>>>m>+>1>>>0>\le >m>\le >1537>>>>>m>+>1020>>>1538>\le >m>\le >3075>>>\; >\end{array}$$

m＝0、1、2、...、3075。在时域中，时间轴上OFDM符号序号为n，n＝0、1、2、...、N-1。

符号成形：如前所述，每一OFDM符号包括有循环前缀(CP)、符号体和前、后保护间隔(GD)。每一OFDM符号长度为409.6us。循环前缀长度为51.2us，前、后保护间隔分别为4.4us。相邻两OFDM符号间被加窗从而使前一个OFDM符号的后保护间隔(GD)与其后一个OFDM符号的前保护间隔(GD)相交叠。相邻两符号的信号逐渐相互渗入，可以明显减弱高频分量的泄漏。该窗函数为：

其中T_GD为前、后保护间隔长度，T为OFDM符号长度。

频点搬移：在符号成形步骤后，基带信号频率根据发射频点的需要被搬移至相应频点。由于一般的卫星移动广播系统使用25MHz带宽，划分为3个频点间的间隔为8MHz的频道，因此频点搬移可以由以下方式实现：

$$ >>y>>(>n>)>>=>x>>(>n>)>>·>>e>>j>>>2>\pi >>(>k>->1>)>>n\Delta f>>>f>s>\; >\; >$$

其中x(n)是基带时域信号；y(n)是频率搬移后的时域信号；k是频点号，可以取0、1、2；fs是系统采样率，为60MHz；Δf为频点间隔，8MHz。

射频调制：最后，信号频率被调制至2.6G频点通过功率放大器发射出去。

OFDM调制完成后，经OFDM调制器33调制的主卫星信号通过延迟器延迟一定时间周期后由第一Ku波段上行站在14GHz的载波频率上被发送到卫星37，经卫星37变频后在2.6GHz的载波频率上被发送到用户解调器39。

在通过包处理装置35经转发器38发送到用户解调器39的过程中，对于包处理过程，信源流根据在一个频点一个时隙内传输的字节数进行拆包，具体的方法是，对BPSK映射的数据流，每14133字节为一个数据包；对QPSK映射的数据流，每28266字节为一个数据包；对16QAM映射的数据流，每56532字节为一个数据包。

而后，在上述每个数据包前插入一个包头。其中包头为2字节，分为3个字段，分别定义：

包头的第0字节为Freq字段，表示发送频点，如表1所示；

表1、Freq字段定义

  Freq字段 意义  0x0 频点0  0x1 频点1  0x2 频点2  0x3～0xFF 保留

包头的第1字节的高4位为Timeslot字段，表示时隙号，如表2所示；

表2、Timeslot字段定义

  Timeslot字段 意义  0x0 时隙0  0x1 时隙1  0x2 时隙2  …… ……  0x9 时隙9  0xA～0xF 保留

包头的第1字节的低4位为Map字段，表示后续数据的星座点映射模式。由于星座点映射模式不同，后续数据的长度也会不同，如表3所示。

表3、Map字段定义及数据长度

 Map字段  映射模式  数据长度(字节)  0x00  BPSK  14133  0x1  QPSK  28266  0x2  16QAM  56532  0x3～0xF  保留  保留

打包后的数据通过SPI口传输给DVB-S调制器。这里，在SPI口上利用PSYNC信号指示Type字段的位置、通过CLK信号传送时钟，时钟为系统60MHz时钟，接口时序如图8所示。各数据包的数据按照逐频点逐时隙的方式通过SPI的8位数据接口依次传输。具体地传输顺序为：0频点的0时隙→1频点的0时隙→2频点的0时隙→0频点的1时隙→1频点的1时隙→2频点的1时隙......→0频点的9时隙→1频点的9时隙→2频点的9时隙→0频点的0时隙......。

如前所述，设经DVB-S调制的信号为副卫星信号。则上述副卫星信号由第二Ku波段上行站36在11GHz的载波频率上通过卫星37发送给转发器38。

利用转发器38对该副卫星信号进行DVB-S解调，识别出包头的Freq，Timeslot，Map字段，并在该Freq，Timeslot，Map字段的控制下对接收的数据流进行OFDM调制。即当Freq字段、Timeslot字段和Map字段分别为0x0、0x0、0x00时，控制信息表示的意义为在频点0、时隙0、采用BPSK星座映射方式对数据流进行OFDM调制。这里，OFDM调制方法与前述OFDM调制方法完全相同。

上述经OFDM调制的副卫星信号由转发器38在2.6GHz的载波频率上发送到用户解调器39。从而完成系统中信号的分配过程。

上述来自卫星37和转发器38的信号在用户解调器中进行解调并通过用户端信源解码器进行解码处理并输出。

图9是根据本发明的第二实施例的数字广播多发射机的数据流分配系统的示意图。本发明第二实施例采用地面手持广播系统进行说明。

该地面手持广播系统包括：OFDM调制器93、主发射站94、包处理装置95、第一SDH光端机(未图示)和副发射站96。

地面手持广播系统使用若干个8MHz带宽，与传统模拟电视系统带宽兼容，每个8MHz频道传送一路OFDM调制信号。地面手持广播信号在800MHz左右发送，系统采样率为10MHz。

地面手持广播系统每帧为200毫秒，由TS0到TS9共10个时隙组成。每个时隙占20毫秒，包括1个信标头和42个OFDM符号组，每个OFDM符号由IFFT块、循环前缀CP和2个保护间隔GD组成。其中信标中携带同步和时隙号信息。

当信源编码器91输出信源流后，信道编码器92对信源编码器91提供的信源流进行信道编码、加入连续导频并将经信道编码的信源流分两路分别输入到下一级的OFDM调制器93和包处理装置95。

OFDM调制器93包括：符号映射单元、加入离散导频单元、扰码单元、IFFT单元、符号成形单元、频点搬移单元和射频调制单元。设通过OFDM调制输出到主发射站94的信号为主信号。

地面主发射站94作为主发射机，将用户信号发送给用户解调器97。

包处理装置95包括拆包单元和插入包头单元(未图示)。包处理装置95对由信道编码器92传输的数据进行拆包及插入包头，将打包后的数据通过SPI接口传输到第一SDH光端机。

第一SDH光端机将数据流转变为光信号并通过SDH网络传输到副发射站96。

SPI口实现数据的快速传输。该SPI口包括时钟线CLK、8根数据线Data(0～7)、同步指示线PSYNC和数据有效线DVALID。

副发射站96作为副发射机，将SDH网络传输的增补信号也发送给用户解调器97。副发射站96包括第二SDH光端机和OFDM调制器(未图示)。第二SDH光端机将传输的光信号转为数据流并识别出数据包和包头中的控制信息，OFDM调制器在数据包和包头信息的控制下对接收到的数据进行OFDM调制后发送到用户解调器97。

用户解调器97对接收的信号进行解调后输出给信源解码器98；信源解码器98对接收的信号进行解码处理并输出。

下面，结合图9对本发明第二实施例的分配方法进行说明。

当信源编码器91输出信源流后，信源编码器91提供的信源流在信道编码器92中进行信道编码、加入连续导频并且经信道编码的信源流分两路分别输入到下一级的OFDM调制器93和包处理装置95。

数据流在OFDM调制器93中分别进行符号映射、加入离散导频、扰码、IFFT变换、符号成形和射频调制从而完成OFDM调制。在调制过程中，由于地面手持广播系统信号在各个8MHz频带内分别发送，因此不需要进行频率搬移。在射频调制步骤中，信号通过功率放大器和射频变频器被调制到800+k×8MHz(k为整数)频点上并发送到主发射站94，并通过主发射站94发送到用户解调器97。

在另一路通过包处理装置95经副发射站96发送到用户解调器97的过程中，由于其间包处理过程与前述第一实施例中相同，故不加赘述。

打包后的数据通过SPI口传输给第一SDH光端机。在SPI口上利用PSYNC信号指示Type字段的位置、通过CLK信号传送时钟，时钟为系统60MHz时钟。各数据包的数据按照逐频点逐时隙的方式通过SPI的8位数据接口依次传输。即传输顺序为：0时隙→1时隙→2时隙......→0时隙......。

数据接着通过第一SDH光端机被转换成光信号通过SDH网络发送到副发射站96。经副发射站96中第二SDH光端机的变换解析，通过SDH网络传输的各数据包中的频点、时隙、映射方式信息被识别和读取。然后在上述信息控制下，数据流在OFDM调制器经符号映射、加入离散导频、扰码、IFFT变换、符号成形、频点搬移、射频调制后，发送到用户解调器97。

上述来自主发射站94和副发射站96的信号在用户解调器97中进行解调并通过用户端信源解码器98进行解码处理并输出。

通过上述方法，可以看出，信源流输出后首先进行信道编码，然后再分别输入到主发射机和副发射机中，副发射机并不进行信道编码，因此，在副发射机为多个的情况下，本方法能够降低每个副发射机的配置成本，从而降低整个系统的成本。

另外，在数据包的包头中加入控制信息如发射频点、时隙位置、映射方式后再对数据进行相应调制，使得副发射机在对接收信号进行相应解调后能够容易地根据上述控制信息进行OFDM调制。

尽管基于说明目的本发明已经结合具体实施例进行了公开，但本领域的技术人员应该理解，各种改变、增加和替代都是可能的。因此，本发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求书的范围来确定其技术性范围。