用于生成在电缆传输系统中使用的前导信号的方法和设备

摘要

本发明提供一种用于生成在DVB-C2电缆传输标准中使用的前导信号的方法和设备。所述前导信号具有多种功能，包括帧计时、同步、频率偏移估计、发送系统信息的信令和初始信道的估计。根据一种实施方式，插入补充序列作为信头，所述补充序列和系统信令位被映射到调制符号中，用于仅在所述电缆传输系统的所分配的偶数信道上传输。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2008年10月20日提交的美国临时专利申请61/196,746的权益，其全部内容通过引用包含在此处。

技术领域

本发明原理涉及有线传输系统和技术。更特别的是，本发明涉及一种用于电缆信道传输的DVB-C(电缆数字视频广播)2标准的前导信号设计。

背景技术

近来，DVB-C2(DVB项目正在研发的下一代数字电缆传输系统)标准正在进行中。达成一致的是，DVB-C2将尽可能多地重新利用DVB-T(地面数字视频广播)2标准的内容。因此，将会采用DVB-T2标准中规定的OFDM(正交频分复用)技术以及编码技术(BCH+低密度奇偶校验(LDPC))。但是，必须要注意到，设计DVB-T2标准是用于地面无线信道，而设计DVB-C2标准是用于电缆信道。电缆信道和无线信道有两点区别。第一点区别是，电缆信道是仅有几个微弱的回波的高质量(高信噪比(SNR))信道。第二点区别是，分配给电视广播的无线频谱是由美国联邦通讯委员会(FCC)来管制，而我们可以使用有线网络中自由度高的频谱。结果是，DVB-T2中所用的信号帧结构和前导信号可能不适合再用于DVB-C2标准中。

发明内容

根据一种实施方式，用于生成在电缆传输介质中使用的前导信号的方法包括，在头几个载波中插入补充序列作为信头；用纠错码保护所述系统的信令位；将所述补充序列和信令位只映射到分配的偶数载波上的调制符号中，其中，映射后的调制符号形成每一帧中的前导信号；以及将所形成的前导信号变换到时域上。

根据另一种实施方式，用于生成在电缆传输系统中使用的前导信号的设备包括处理器，用于在头几个载波中插入补充序列作为信头，用纠错码保护所述系统的信令位，并将所述补充序列和保护后的信令位映射到调制符号中，以形成所述前导信号；以及调制器，配置为仅分配偶数载波，使得所述前导信号能够在所分配的偶数载波上传输。

从下文对示例实施例的具体描述结合附图，本发明原理的这些及其它方面、特征和优点将会显而易见。

附图说明

根据以下示例的附图，会更好地理解本发明原理，其中：

图1是DVB-C2信号的帧结构的表示图；

图2a-2c所示为说明根据本发明原理的各种实施方式的用于生成前导信号的方法的方块图；

图3是DVB-C2前导信号在频域内的构成的表示图；

图4是根据本发明原理的实施方式的示例的前导信号与绑定信道的循环表示图；

图5是根据本发明原理的实施方式的前导信号的构成表示图；

图6是根据本发明原理的实施方式的使用沃尔什(Walsh)码的前导信号的例子；

图7是根据本发明原理的实施例的用于实施前导信号的生成的设备的方块图。

具体实施方式

本发明原理针对的是在数字有线传输环境中所用的DVB-C2标准中的前导信号设计的方法和设备。

当前的描述说明的是本发明的原理。因此，要理解的是，本领域技术人员能够设计出各种体现本发明的原理且包含在本发明的精神和范畴内的方案，即使这些方案没有在这里明确描述或者显示。

此处所列举的所有示例和条件语言的目的是用于教导，以帮助读者理解发明人贡献的本发明原理和概念，以使现有技术更进一步改进，应解读为不受这些特别地列出的示例和条件的限制。

另外，此处详述本发明原理的原理、各方面和实施例及其具体例子的所有表述旨在涵盖其结构和功能上的等同物。另外，这样的等同物不仅旨在包括当前已知的等同物，还包括将来研发的等同物，即，将来研发的执行同样功能的元件，而不管其结构如何。

因此，例如，本领域技术人员会明白，此处所呈现的方块图表示的是体现本发明原理的示例性电路的构思图。类似地，将会理解，任何流程图、流程图表、状态转换图、伪码等代表各种处理过程，这些处理过程可以主要呈现为计算机可读介质的形式，由计算机或者处理器执行，而不管是否明确示出了这样的计算机或处理器。

图中所示的各种元件的功能可以由使用专用的硬件以及与适当的软件关联的、能够执行软件的硬件来提供。当由处理器来提供时，所述功能可以由单个的专用处理器、单个共享的处理器、或者多个单独的处理器来提供，所述多个单独的处理器中有一些可以共享。另外，专用术语“处理器”或者“控制器”不应当解释为排他性地指能够执行软件的硬件，可以隐含包括且不限于数字信号处理器(“DSP”)硬件、用于存储软件的只读存储器(“ROM”)、随机存取存储器(“RAM”)和非易失性存储器。

也可以包括其它传统的和/或定制的硬件。类似地，图中所示的任何开关仅是概念上的。它们的功能可以通过操作程序逻辑、通过专用逻辑、通过程序控制和专用逻辑的交互、或者甚至是手动来实现，所述特定的技术是可由实施者选择的，这在上下文中会更具体地理解到。

在权利要求中，任何表述为用于执行特定功能的装置的要素旨在涵盖执行所述功能的任何一种方式，包括，例如，a)执行所述功能的电路元件的组合，或者b)任何形式的软件，包括固件、微代码之类，与用于执行所述软件的适当的电路结合来实现所述功能。通过这样的权利要求定义的本发明原理在于所列举的各种装置所提供的功能是依照权利要求要求的方式结合在一起的事实。因此，任何能够提供那些功能的装置被认为是等同于本说明书所示的这些装置。

说明书中引用的本发明原理的“一个实施例”或者“本发明原理的实施例”，以及它的其它变化，意思是结合实施例所描述的特定的特征、结构、特性等等之类是包括在本发明原理的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中各处出现的短语“在一个实施例中”或者“在实施例中”以及任何其它变化不是必须都指的是同一个实施例。

根据一种实施方式，设计一种在DVB-C2标准中使用的前导信号。本发明原理的前导信号具有多种功能，包括帧的计时同步、频率偏移估计、系统信息信令和初始信道估计。

本领域技术人员会认识到，本说明书中讨论的一些构思包括但是不限于DVB-C2、前导信号设计、信令和同步。

设计本发明原理的前导信号的动机是因为在电缆信道内需要使用有效的前导信号结构。根据一种优选的实施方式，本发明原理的前导信号结构拥有以下功能：

1.当在发送器侧应用信道绑定技术时，允许在任何调谐位置接收，以支持在接收器侧的局部接收；

2.C2系统识别、前导信号识别和帧计时同步；

3.频率偏移估计；

4.系统信息的信令(保护间隔长度、星座图、编码率，等等)以及

5.初始信道估计

基本的前导信号结构

如图1所示，DVB-C2帧10包括一群OFDM符号12a-12n，且第一个OFDM符号是前导信号符号14，用于执行C2系统的同步和信令。在所描述的例子中，选择所述OFDM调制的FFT(快速傅立叶变换)大小为4k。因此，根据这个示例的实施方式，所述前导信号被设计成使用有4k载波的OFDM调制。

图2a所示为一种生成所述前导信号的示例方法20的方块图。在这个例子中，在开头的几个载波中插入补充序列22作为信头(例如参见图3)，然后被映射24到调制符号中(例如，二相相移键控(BPSK)映射)。那些本领域技术人员会认识到，所述补充序列是所述标准的一部分，可以参考欧洲电信标准化协会欧洲标准ESTI EN 302 755 V1.1.1_0.2(2008-10)草案中的表63。从功能上讲，所述映射后的符号被指定给所分配的偶数载波，因而在分配所述偶数载波之前先进行映射。

系统信息的信令位26由纠错码保护28，然后被映射到正交码的调制符号或者正交幅度调制(QAM)符号中(30)。图5所示为所述前导信号符号的结构的例子。根据一种实施方式，那些本领域技术人员将会明白，可以用导频载波来进行信道估计。图6所示为另一个使用长度为2的Walsh码来表达1位的例子。信息位0由编码(1，1)发送，信息位1由编码(1，-1)发送。一旦发送了所述系统的位的信号之后，所述调制器给偶数载波32分配系统位信息和补充序列。重要的是要注意，根据本发明原理的优选实施方式，仅使用偶数载波，奇数载波留作虚拟载波。最后，通过IFFT运算34，将所述前导信号变换到时域，根据所希望的实施方式，可以加上循环前缀(CP)36，以生成DVB-C2前导信号。

图2b所示为从图2a的方块图得到的方法步骤20b。在这种实施方式中，在开头的几个载波中插入所述补充序列作为信头22，所述信令位用纠错码来保护28，所述补充序列和信令位都被映射到调制符号中(24，30)，然后，仅将它们分配给所述偶数载波(32)。

图2C所示为根据本发明原理的方法20c的另一种实施方式。在这种实施方式中，当电缆传输中的两个或多个信道绑定时(40)，可以考虑。在这种情况下，如在下文所描述的，必须加上限制(42)载波的数目小于或者等于OFDM符号中所用的载波的数目的步骤。也需要加上确保(44)所产生的在频率上重复的前导信号填满所述绑定的信道的整个频谱的步骤。

图7所示为根据本发明原理的用于生成DVB-C2前导信号的设备70。与存储器74和调制器76通信的处理器72通过使用下文的判定及执行同样的步骤来控制前导信号的生成。那些本领域技术人员将会认识到，存储器74可以包含所需要的补充序列的变型，所述处理器72将会判断，在前导信号生成过程中使用哪些补充序列，以便协调补充序列与期望的电缆传输应用。

根据一种优选的实施方式，所述前导信号结构有三个判定：

1.所述前导信号所用的载波数目K_p由

K_p≤K_total           (1)

限定，其中K_total是一个OFDM符号中所用的载波数目，例如，在DVB-T2中规定，在4K模式下，K_total＝3409(FFT大小＝4096)；

2.所述前导信号，承载着在所述绑定的信道的频谱中发送的信号的信息，循环地填满整个频谱。另外，所述前导信号将覆盖整个8MHZ，即，在DVB-T2中定义了3584个载波。这个判定可以表述为

X_i[k]＝P[(i·3584+k)％K_p]，i＝0，1，...，k＝0，1，...，3583    (2)

其中，X_i[k]是在第i个绑定信道的第k个载波中传输的信号，P[l]是在第l个载波中的前导信号，0≤l≤K_p；以及

3.仅调制偶数载波，而留下奇数载波作为虚拟载波。

当在发送器侧应用所述信道绑定技术时，因需要在接收器侧支持局部接收而使用所述第一和第二判定。通过使用所述信道绑定技术，将几个信道绑定在一起，以提供一个大的频谱。因此，根据个别业务所需的带宽，可以将这个大的频谱分成子信道或者数据片。为了更灵活，允许子信道或者数据片在所述绑定的频谱内的任何点(载波)开始。然后，所述前导信号必须由接收器在所述绑定频谱内的任何调谐位置接收和检测到。值得注意的是，如果在所述接收器中实施局部接收，则不能去掉或者减小所述保护频带。因此，当使用所述信道绑定技术时，所述频谱的效率没有明显的改善。当不使用信道绑定和局部接收时，或者对子信道有限制，使得不允许一个子信道横跨两个相邻的绑定信道的边界时，前两个判定可以放弃。作出第三个判定，使得所述前导信号在时域内有重复的结构，以能够快速识别前导信号。这种类型的结构还用在IEEE802.11和802.16中。所述重复结构理解起来容易。考虑我们仅调制偶数载波，留下奇数载波作为虚拟载波。从反(离散傅立叶变换)DFT方程式

$x\left[n\right]=\frac{1}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}X\left[k\right]e^{j2\mathrm{\pi kn}/N}---\left(3\right)$

因为对于奇数载波X[k]＝0，我们可以将方程式(3)重新写作

$x\left[n\right]=\frac{1}{N}\underset{k=0}{\overset{N/2-1}{\Sigma }}X\left[2k\right]e^{j2\pi \left(2k\right)n/N}---\left(4\right)$

从(4)可以清楚地看出，x[n]＝x[N/2+n]，n＝0，1，...，N/2-1。这个结构可以用来执行帧的计时同步和小数频率偏移估计。虽然所述保护间隔也可以达到这两个目标，但是当所述保护间隔的长度没有过多地大于所述信道长度时，性能会降低。

用于频率偏移估计的前导信号结构

如果通过载波间隔来规格化(normalize)频率偏移，所述频率偏移可以被分为整数部分和小数部分。所述频率偏移的小数部分可以通过时域重复结构来估计。由于时域信号的相位模糊的问题，整数部分频率偏移的估计必须依赖于频域导频。在这篇说明书中的至少一种实施方式中，如图3所示在频域中分配一个补充序列，以辅助整数频率偏移的估计。应当根据信道状况来选择所述补充序列的长度。在DVB-T2中，为P1前导信号规定8个长度为64的正交补充序列和16个长度为256的正交补充序列。所述每个长度为64的补充序列通过级联一组8个长度为8的补充序列形成。所述8个长度为64的补充序列由8个正交的补充序列组构成。以同样的方式构成长度为256的补充序列。它们由16个长度为16的正交补充序列组构成。对于DVB-C2，如图5和图6所示，在前导信号的开始，选择并分配长度为64(在十六进制中为124721741D482E7B)的序列中的一个序列。所述补充序列被分配在开头的128个载波的偶数载波中。注意，我们使用补充序列，而不是用在DVB-T2中实施的、可以传送3位信息的8个正交补充序列。通过这样做，减少估计所述频率偏移的整数部分的处理时间。

用于系统信息的信令的前导信号结构

在所述前导信号中提供两种发信令的方法。

1.重新使用DVB-T2标准中规定的P2前导信号和分散的导频模式PP5。

在这种方法中，在DVB-C2系统中应用分散的导频模式PP5。但是，在如图5所示的前导信号中，每12个载波中有一个导频。所述信令位由BCH和LDPC码来保护，然后被映射到可用的偶数载波中的QAM符号上。通过这种方式发信令可以发送更多的信息位，但是它的解码复杂性比下文描述的发信令的方法的解码复杂性大。

2.使用正交码来传送系统信息的信令位。

根据DVB-C2系统评估(SE)组推荐的信道模型，均方根(rms)延迟扩散σ_τ等于97.5ns。相干带宽，其定义为其上频率相关函数在0.9以上的带宽，大约为

$B_c\approx \frac{1}{{50\sigma }_{\tau }}=205\mathrm{kHz}---\left(5\right)$

假设用DVB-T2中定义的4k模式，其子载波间隔大约为2.232KHz。因此，我们可以假设，相邻的205/2.232＝91个载波具有相等的增益和线性相位。因此，对于小数目的相邻子载波，例如为16个，假设它们具有相同的频域信道增益因子是合理的。利用这个属性，我们可以发送相邻子载波中的正交码，并在接收器中通过简单地进行相关运算来解码这些正交码。例如，通过编码(1，1)发送信息位0，编码(1，-1)发送信息位1。另外，所述传送系统信息的位理想情况下是无误差的。因此，如图2所示，加上纠错码。选择所述正交码和纠错码取决于所需的系统信息位的数目和实施起来的复杂程度。这里给DVB-C2前导信号选择长度为8的Walsh码。在下面的表1中给出了将位映射为Walsh码：

  位  Walsh码  000  1，1，1，1，1，1，1，1  001  1，-1，1，-1，1，-1，1，-1  010  1，1，-1，-1，1，1，-1，-1  011  1，-1，-1，1，1，-1，-1，1  100  1，1，1，1，-1，-1，-1，-1  101  1，.-1，1，-1，-1，1，-1，1  110  1，1，-1，-1，-1，-1，1，1  111  1，-1，-1，1，-1，1，1，-1

表1

考虑用DVB-T2中定义的4k模式，并选择K_total等于3408(在DVB T2中为3409)，从方程式(1)，在前导信号中的载波的数目为K_p≤3408。为了承载尽可能多的信息并匹配所述编码结构，选择K_p为3200。因此，除了分配开头的128个载波使用补充序列之外，从载波指数128至3200，在偶数载波中发送192组长度为8的Walsh码。也有可能在补充序列和Walsh码组之间留有一个小的间隔，以具有更好的频率偏移估计性能。长度为8的Walsh码能够传送3位信息。因此，共发送了576个信息编码位。选择里德-穆勒Reed-Muller码--RM(64，42，8)来保护系统信息的信令位。因此，所述前导信号可以承载系统信息的378个信令位。全部的576个位被分成9组64位，以承载系统信息的9组42个信令位。选择Reed-Muller代码是因为其解码简单。如果使用长度为4的Walsh码以及鲁棒性更强的纠错码，例如，使用里德-所罗门Reed-Solomon码，则有可能承载多于600个信令位。值得注意的是，通过使用这种方案来发送信令位，在进行信令位解码时不需要信道估计。因此，大大降低了延迟。

I.用于初始信道估计的前导信号结构

如果我们使用所述第一种发信令的方法，在所述前导信号中的那些导频载波上的信道增益因子可以在接下来的OFDM符号中重新使用。如果使用所述第二种发信令的方法，则在对所述系统信息位解码后，我们可以对解码位进行编码，以得到原始的位以及所发送的正交码。然后，可以容易地获得在那些调制后的子载波中的信道增益因子。值得注意的是，我们得到的信道增益因子的数目比我们使用所述第一种发信令的方法得到的信道增益因子的数目大很多。由于所述电缆信道是稳定的信道，从所述前导信号获得的信道增益因子对信道估计相当有帮助。所述C2系统将会受益于这个初始的信道估计。

那些本领域技术人员会认识到，相对于已有的电缆传输技术，本发明原理具有几个优点。这些优点例如为：

1.在本说明书中的至少一种实施方式中设计的前导信号提供一种时域上的N/2点重复结构，其中N是FFT的大小。可以使用这个时域结构同时执行前导信号的识别、帧计时同步和小数频率偏移估计。另外，所需要的复杂性低，并且帧计时同步和小数频率偏移估计的性能比基于CP的方法好。

2.提供一种发信令的方法来解码在所述前导信号中发送的信令位。因此，降低了复杂性，也减少了在处理所述前导信号时的延迟时间，在本说明书中的至少一个实施方式不需要信道估计；

3.在所发送的信令位上使用正交码的前导信号设计可以提供额外的初始信道增益因子(偶数载波中的频域信道增益因子)；以及

4.在本说明书中的至少一种实施方式中的对所述设计的前导信号结构的解码复杂性降低了，因此，解码所述前导信号的处理时间(初始的延迟)要短得多。

相关领域技术人员基于这些教导，可以立即明白本发明原理的这些及其它特征和优点。要理解的是本发明原理的教导可以以各种形式的硬件、软件、固件、专用处理器或者它们的组合来实现。

更优选的是，本发明原理的教导实施为硬件和软件的结合体。另外，所述软件可以被实施为在程序存储单元上的实体应用程序。该应用程序可以被上载到具有任何适当结构的机器中并执行。优选的是，所述机器是在具有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”)接口之类的硬件的计算机平台上实施的。所述计算机平台还可以包括操作系统和微指令代码。此处描述的各种处理过程和功能可以是可以由CPU来执行的一部分微指令代码或者一部分应用程序，或者是它们的任意组合。另外，其它各种外围单元可以连接到诸如附加的数据存储单元和打印单元之类的计算机平台上。

要进一步理解的是，因为在附图中描述的一些构造系统组件和方法优选的是以软件来实现的，在系统组件或处理功能块之间的实际连接可以根据编程本发明原理的方式而有所不同。给定此处的教导，相关领域的普通技术人员能够理解本发明原理的这些和类似的实施方式或者配置。

虽然此处参考附图来描述示例的实施例，应当理解的是，本发明原理不限于这些精确的实施例，在不偏离本发明原理的精神范围内，本领域技术人员可以进行各种变化和修改。所有这些改变和修改旨在被涵盖在如所附的权利要求书所述的本发明原理的范畴内。