CN101248639A - 用于卫星广播***的简化的加扰方案 - Google Patents

Abstract

一种简化的加扰方案，其统一卫星广播***的所有信号，包括具有公共基准相位的帧头部(404)，帧体(402)与导频符号(408)。这实现了接收器前端设计的简化与增加的灵活性，而不影响总体***性能。在许多具有帧头部与导频符号的现行通信***中，帧头部与导频符号的相位不设计成与来自帧体的调制数据的任何星座点对准。这种加扰方案考虑了由于在帧头部/导频符号与调制数据之间不规则的相位变化的可能影响。

Description

用于卫星广播***的简化的加扰方案

相关申请的交叉引用

本申请在35 U.S.C.§119(e)下要求以下利益，由Ernest C.Chen，Dennis Lai，Tung-Sheng Lin，William C.Lindsey，Shamik Maitra，Joseph Santoru与Guangcai Zhou在2003年8月29日申请的US临时专利申请No.60/498824，题目为“SIMPLIFIED SCRAMBLINGSCHEME FOR SATELLITE BROADCASTING SYSTEMS(用于卫星广播***的简化的加扰方案)”，代理人案号PD-203069，该申请在这里通过参照而合并。

技术领域

本发明一般涉及用于加扰发送信息的方法与***，更具体地涉及一种使具有公共基准相位的所有信号一致的简化的加扰方案。

背景技术

由本发明的受让人提供的数字直接广播***(DBS)，诸如DIRECTV

，已经很成功。然而，随着这种***的发展，增加了对承载不断增长的音频、视频与数据业务的集合的附加带宽的要求。

在***中，对附加的吞吐量需要是恒定的，以充分地容纳相对于提供视频与数据业务而不断增长的要求。相对于其下一代***的发展，为了实现上述目的，正在研究更有效的前向纠错(FEC)码，诸如低密度奇偶校验(LDPC)码、turbo码等等。为使用这些非常有效的FEC码，帧头部预先***到调制数据中，以确保解码器可以容易地识别所述码帧的边界。同样，由于这些码常常运行在载波噪声比(CNR)很低的信道上，以及面对低噪声块(LNB)与其它相位噪声，所以周期地***导频符号以改善载波同步的性能。

头部与导频符号在下一代***广播***中必需是关键的，以确保时间捕获与帧同步的质量，以及载波(包括频率与相位)捕获和跟踪。需要改善具有头部/导频符号的***的解调性能。本发明满足这个需要。

发明内容

为了解决如上所述的需求，本发明公开了一种用于在数据传输***中加扰符号的方法和设备，包括在由所述***发送所述帧之前，加扰帧的所有元素(帧头部、帧体和一个或多个导频符号)，以便所有元素具有公共的基准相位。本发明实现了接收器前端设计的简化与增加的灵活性，而不影响总体***性能。在具有帧头部/导频符号的许多现行通信***中，所述头部/导频符号的相位不设计成与任何星座点对准。本方案从信号设计的观点是新的：其考虑了由于在头部/导频符号和调制数据之间不规则的相位变化的可能影响。

附图说明

现在参照附图，其中相同的标号一直表示相应的部分：

图1示出了根据本发明优选实施例的示范性直接广播卫星***的框图；

图2进一步示出了根据本发明优选实施例的示范性信号发送***的方框图；

图3进一步示出了根据本发明优选实施例的示范性信号接收***的方框图；

图4示出了所述物理层(PL)帧的格式的示意图；

图5表明了根据本发明优选实施例的复数加扰序列产生电路的方框图；

图6示出了根据本发明优选实施例的具有{±45°，±135°}旋转的加扰信号的星座图；

图7示出了根据本发明优选实施例的具有{0°，±90°，180°}旋转的加扰信号的星座图；

图8示出了在本发明优选实施例中执行的逻辑的流程图。

具体实施方式

在下面优选实施例的说明中，参照形成实施例一部分的附图，其中以示例方式示出了可以实践本发明的具体实施例。应当理解，可以在不脱离本发明范围的前提下，使用其它实施例和进行结构的改变。

概述

本发明描述了一种简化的加扰方案，其统一在数据传输***、诸如直接广播卫星***中的所有信号，包括具有公共基准相位的帧头部、帧体和导频符号。这引起了接收器前端设计的简化与增加的灵活性，而不影响总体***性能。

在许多具有帧头部与导频符号的现行通信***中，帧头部与导频符号的相位不设计成与用于调制数据(即帧体)的任何星座点对准。本发明的方案从信号设计的观点是新的：其考虑了由于在所述帧头部/导频符号和调制数据之间不规则的相位变化的可能影响。

本发明提供了一种简单的加扰方案，其相对于由所述DVB-S2(数字视频广播----卫星版本2)标准组产生了以下优点：

------消除在帧头部/导频符号与调制数据之间多余的相位突变：保持调制数据的频谱特性。

----需要更少的信号处理：仅仅需要I/Q(同相与正交)分量对换与符号改变，不需要重伸缩(re-scaling)。

----减少接收器的实施复杂性：帧头部/导频符号可以当做调制数据；也就是，对帧头部/导频符号不需要特殊处理。

----对于捕获/追踪算法允许更多选择：相对于基于取平均值或者N^th功率非线性操作的所述捕获/追踪算法，不经历性能降低。

直接广播卫星***

图1示出了根据本发明优选实施例的示范性直接广播卫星***100的框图。所述***100包括由业务提供者操作的控制中心102，其经由链路106与上行链路中心104通信，经由链路110与接收站108通信。控制中心102把广播材料提供给所述上行链路中心104，以及与所述接收站108协调以提供各个业务，包括对于加密与解密的密钥管理，等等。

所述上行链路中心104使用天线112与发射机114，从控制中心102接收所述广播材料，以及经由上行链路116把广播材料发送到一个或多个卫星118，每个卫星可以包括一个或多个转发器(transponder)120。所述卫星118接收与处理所述广播材料，以及使用转发器120，经由下行链路122把所述广播材料再发送给接收站108。接收站108经由天线124从所述卫星118接收广播材料，以及使用接收器126解码并解密所述广播材料。

信号发送

图2是进一步示出了依照本发明优选实施例的示范性信号发送***的框图。控制中心102包括许多视频和/或音频编码器200，每个编码器200把视频和/或音频源编码到视频基本流(VES)和/或音频基本流(AES)202里。所产生的视频和/或音频基本流202在204处统计地多路复用。在206使用前向纠错(FEC)码编码所述多路复用的数据流。在FEC编码之后，执行多个发送器114功能。所述编码的数据流在208映射到期望的星座里，也就是BPSK(二进制移相键控)、QPSK(四相移相键控)、8PSK(8移相键控)、16APSK(16振幅移相键控)、或者32APSK(32振幅移相键控)，以及在210执行物理层(PL)组帧，其中所述PL组帧包括帧头部的增加、可选的导频符号的***、以及所述帧体的加扰或者随机化。所述PL帧的数据流在212经调制并且转换为上行链路频率，然后经由天线112在上行链路传输到一个或多个卫星118中的一个或多个转发器120。

信号接收

图3进一步示出了根据本发明优选实施例的示范性信号接收***的方框图。在接收站108，所述PL帧的数据流经由天线124与接收器126从所述卫星118中的转发器120在下行链路传送。在所述接收器126中，在300下变频所述信号流，以及解调所述数据流。在解调之后，在302在所述数据流上执行PL分帧，其包括解扰、同步，消除帧头部与可选的导频符号，以恢复所述帧体。在304去映射所述数据流，以恢复所述FEC编码的数据流。在306解码所述FEC编码的数据流。所产生的数据流在308统计地多路分解，以恢复所述视频和/或音频基本流310。所述视频和/或音频基本流310由视频和/或音频解码器312分别解码，以完成所述信号接收。

物理层帧

图4示出了所述物理层(PL)帧400的格式的示意图。每个PL帧400包括：

——PL本体402，包括有64,800比特(长FEC帧)或者16,200比特(短FEC帧)的有效负荷，其通过根据所选择的FEC方案编码所述用户比特而产生的；以及

——PL头部404，包含同步序列、调制类型与FEC比率、帧长度、以及导频符号的存在/不存在。

所述PL本体402由S个时隙406组成，其中每一个时隙由90个符号组成。时隙406的数量S依据所述调制而变化，其中对于BPSK而言S＝720，对于QPSK而言S＝360，对于8PSK而言S＝240，对于16APSK而言S＝180，以及对于32APSK而言S＝90。导频符号408可以每16个时隙地***，以保持同步，其中所述导频符号408包括36个符号。

所述PL头部404由用固定的π/2BPSK调制的90个符号。在所述PL头部404中首先的26个符号允许帧开始(SOF)的检测。其次的64个符号包括物理层信令码(PLSCODE)，适合于软判定相关解码以及包含上列的信令信息。

在原来的DVB-S2信号相位结构中，每一个PL头部404是使用π/2BPSK(0°，±180°，与±90°)调制的。通过在410执行复数加扰操作，即通过把所述PL本体402的(I+jQ)样本乘以表示为(C_I+jC_Q)的复数加扰(随机化)序列412，每个PL本体402为了能量分散而被随机化的。

原来的DVB-S2复数加扰操作

在原来的DVB-S2信号相位结构中，在所述PL本体402上执行的复数加扰操作包括以下：

$I_{S,k}+{\mathrm{jQ}}_{S,k}=\left[\frac{1}{\sqrt{2}}\right](I_k+j{Q}_k)\·(C_{I,k}+C_{Q,k})$

其中：

I_k，Q_k表示原始符号，

I_S，k，Q_S，k表示加扰的符号，和

C_I，k，C_Q，k表示值为±1的复数加扰序列412。

所述复数加扰序列412由以下得出：

$C_{I,k}={(-1)}^{d_{I,k}}$

$C_{Q,k}={(-1)}^{d_{Q,k}}$

其中d_I，k与d_Q，k是由图5示出的由复数加扰序列产生电路500产生的复数平方序列412的第k个元素的实(I)与虚(Q)部，将在以下进行描述。

注意到所述复数加扰运算410包括根据以下表格的排除1/2因数的简单的加减法：

CI，k	CQ，k	IS，k+jQS，k
			1	1	(Ik-Qk)+j(Ik+Qk)
1	-1	(Ik-Qk)+j(-Ik+Qk)
			-1	1	(-Ik-Qk)+j(Ik-Qk)
-1	-1	(-Ik+Qk)+j(-Ik-Qk)

在应用上述规则之后，所产生的信号相位结构如下：

π/2BPSK(0°，±180°，与±90°)调制的PL头部404，由±45°或±135°旋转加扰的调制数据(即、PL本体402)：

BPSK旋转到对角轴(±45°与+135°)，

QPSK旋转到I与Q轴(0°，±90°，±180°)，

16APSK与32APSK旋转使节点集中在I与Q轴，和

8PSK星座未改变。

图6示出了对于几种调制的原始信号星座，以下更详细地描述。上面和下面的行表示分别由上述规则加扰前与加扰后的星座。所述点表示星座点，箭头表示导频符号相位。所述PL头部404节点不受加扰的影响。可见，PL头部404与导频符号408的相位并不总是与调制数据、即所述PL本体402的信号星座的相位对准。特别地，所述导频符号408的相位在加扰之前是0°，但是在加扰之后相对于QPSK、8PSK与16APSK星座是不对准的。因此，在星座中可以容易地注意到在PL头部404/导频符号408与所述PL本体402之间的相位突变。

本发明另一方面借助于改善的复数加扰操作统一具有公共基准相位的所有信号。

改善的复数加扰操作

本发明想使得所述PL头部402与导频符号408的相位与已调制的所述PL本体402的星座的一些点对准。这可以通过在PL本体402与导频符号408上执行改善的复数加扰操作410而实现。

$I_{S,k}+{\mathrm{jQ}}_{S,k}=(I_k+{\mathrm{jQ}}_k)\·\exp \left\{j\frac{2\mathrm{\π}{n}_k}{4}\right\}$

其中：

I_k，Q_k表示原始符号，

I_S，k，Q_S，k表示加扰的符号，

n_k表示加扰相位乘数，使得n_k＝2d_I，k+d_Q，k，以及

d_I，k与d_Qk是由电路500产生的复数加扰序列412的第k个元素的实(I)与虚(Q)部。

在所述复数加扰操作410中，仅仅执行I/Q分量交换与标记改变，在下面表格描述：

dI，k	dQ，k	nk	旋转	IS，k+jQS，k
					0	0	0	0°	Ik+jQk
0	1	1	90°	-Qk+jIk
					1	0	2	180°	-Ik-jQk
1	1	3	270°	Qk-jIk

注意不需要重缩放。

根据本发明，所产生的信号定相，例如调制，总结如下：

BPSK有效负荷符号相位＝{45°，-135°}

--加扰符号相位＝{±45°，±135°}

8PSK有效负荷符号相位＝{0，±90°，±180°，±45°，±135°}

--加扰符号相位＝{0，±90°，±180°，±45°，±135°}

(相同的集合)

PL头部402符号相位＝{45°，-135°}(与BPSK相同)

--π/2调制的数据相位＝{±45°，±135°}

导频符号408相位＝{45°}

--加扰符号相位＝{±45°，±135°}

在执行复数加扰操作410之前与之后，所有信号对于BPSK、QPSK、8PSK、16PSK与32PSK调制具有45°的公共基准相位。

图7中示出了本发明各种调制的星座，以下将详细描述。注意到在本发明中，在PL头部404与导频符号408、以及调制数据、即PL本体402之间没有不必要的相位突变。

复数加扰序列产生电路

图5是本发明优选实施例中使用的复数加扰序列产生电路500的框图。通常，复数加扰序列产生电路500的功能将在发送器114的组帧方框210与接收器126的分帧方框302中执行。

在电路500中，提供了1比特延迟(标记为“D”)的两个序列：X延迟的第一序列502(从左到右标记为X(17)至X(0))，以及Y延迟的第二序列504(从左到右标记为Y(17)至Y(0))。

在所述第一与第二延迟序列502与504中载入初始比特串或条件，其中所述初始比特串或者条件包括：

X(0)＝1，X(1)＝X(2)＝...＝X(17)＝0

Y(0)＝Y(1)＝Y(2)＝...Y(17)＝1

此后，所述PL本体402在延迟X(0)逐比特载入到所述复数加扰序列产生电路500中，其中每个所述延迟中的比特在每个时钟载入到下一个邻近的延迟，以便：

X(0)＝X(1)＝X(2)＝...＝X(17)

Y(0)＝Y(1)＝Y(2)＝...＝Y(17)

另外，使用所述延迟的各个输出执行许多其它操作。异或(XOR)506产生输出值：

d_I，k＝X(0)+Y(0)

所述输出值然后在508使用，以根据以下产生用于所述电路500的输出值：

$C_{I,k}={(-1)}^{d_{I,k}}$

XOR 510产生输出值：

X(4)+X(6)+X(14)

XOR 512产生用于到X(17)的输入的输出值：

X(17)＝X(0)+X(7)

XOR 514产生用于设置所述Y(17)的值的输出值：

Y(17)＝Y(0)+Y(5)+Y(7)+Y(10)

XOR 516产生输出值：

Y(5)+Y(6)+Y(8)+Y(9)+Y(10)+Y(11)+Y(12)+Y(13)+Y(14)+Y(15)

XOR 518产生输出值：

d_Q，k＝XOR₅₁₆+d_I，k

所述输出值然后在520使用，以产生用于所述电路500的输出值：

$C_{Q,k}={(-1)}^{d_{Q,k}}.$

使用DVB-B2加扰的加扰信号的星座

图6示出了使用现行的DVB-S2加扰方案的信号的星座。上面的星座600指示在对每种不同的调制加扰之前的信号，同时下面的星座602指示在对所述PL头部404与对于每种不同调制加扰之后的信号。箭头604标识所述导频符号408的旋转。

使用改善加扰的加扰的信号的星座

图7示出了使用本发明改善的加扰方案的信号的星座。上面的星座700指示在对每种不同的调制加扰之前的信号，同时下面的星座702指示在对所述PL头部404与对于每种不同调制加扰之后的信号。箭头704标识所述导频符号408的旋转。

优选实施例的逻辑

图8示出了在本发明优选实施例中执行的逻辑的流程图。特别地，所述逻辑包括一种从具有实符号I_k与虚符号Q_k的信号产生具有实符号I_S，k，与虚符号Q_S，k的加扰信号的方法。

方框800表示产生复数加扰序列(d_I，k)的第k个元素的实部的步骤。

方框804表示根据以下产生加扰相位乘数n_k的步骤：

n_k＝2d_I，k+d_Q，k。

方框806表示产生所述加扰信号的步骤：

$I_{S,k}+{\mathrm{jQ}}_{S,k}=(I_k+{\mathrm{jQ}}_k)\·e^{j\left(\frac{2\mathrm{\π}{n}_k}{4}\right)}$

性能

本发明在载波与相位捕获以及载波与相位跟踪方面，提供了不低于原来的DVB-S2方案中的等级的性能等级。实际上，本发明提供了相对于原来的DVB-S2方案明显的优点，即消除了在所述PL头部404与PL本体402之间、在所述导频符号408与PL本体402之间、和在来自不同的调制、即不同的PL本体402的节点之间的π/4与π/8的不必要的相位突变。这种相位突变在性能方面可能是不受欢迎的，因为它们可能影响N^th功率处理性能、等等。另外，本发明需求更少的处理，仅仅需要I/Q分量交换与符号改变，不需要重伸缩。最终，本发明简化了所述DVB-S2规范，这是由于其减少了对于发送器和接收器二者的设计、实施复杂性、相关的测试和降低了成本。

结论

为了示例和描述，已经给出了本发明优选实施例的前面的描述。然而不是将本发明穷尽的或者限制为所公开的准确形式。可以按照上述教导进行许多修改和变化。

所述详细说明不限制本发明的范围，而由最后附加的权利要求来限定。上述说明、例子和数据提供了所述制造的完整说明和本发明设备和方法的使用。由于可以在不脱离本发明范围下形成本发明许多实施例，本发明存在于以下附加的权利要求中。

Claims (11)

1. 一种从具有实符号I_k与虚符号Q_k的信号，产生具有实符号I_S，k与虚信号Q_S，k的加扰信号的方法，包括以下步骤：

产生复数加扰序列(d_I，k)的第k个元素的实部；

产生所述复数加扰序列(d_Q，k)的所述第k个元素的虚部；

按照以下产生加扰相位乘数n_k：

n_k＝2d_I，k+d_Q，k；以及

产生所述加扰信号：

$I_{S,k}+{\mathrm{jQ}}_{S,k}=(I_k+{\mathrm{jQ}}_k)\·e^{j\left(\frac{{2\mathrm{\πn}}_k}{4}\right)}.$

2. 一种对在数据发送***中的符号加扰的方法，包括

在由所述***发送帧之前，对所述帧的所有元素加扰，以使得所有元素具有公共的基准相位。

3. 权利要求2的方法，其中所述帧的所述元素包括帧头部或者帧体。

4. 权利要求2的方法，其中所述帧的所述元素还包括一个或多个导频符号。

5. 权利要求2的方法，其中所述加扰步骤包括按照以下执行复数加扰操作：

$I_{S,k}+{\mathrm{jQ}}_{S,k}=(I_k+{\mathrm{jQ}}_k)\·\exp \left\{j\frac{{2\mathrm{\πn}}_k}{4}\right\}$

其中：

I_k，Q_k表示原始符号，

I_S，k，Q_S，k表示加扰的符号，

n_k表示加扰相位乘数，使得n_k＝2d_I，k+d_Q，k，和

d_I，k与d_Qk是所述复数加扰序列的第k个元素的实(I)与虚(Q)部。

6. 权利要求5的方法，其中所述复数加扰操作包括根据以下的简单的分量交换和符号改变：

  d_I，k   d_Q，k   n_k   旋转   I_S，k+jQ_S，k   0   0   0   0°   I_k+jQ_k   0   1   1   90°   -Q_k+jI_k   1   0   2   180°   -I_k-jQ_k   1   1   3   270°   Q_k--jI_k

7. 一种用于对数据发送***中的符号加扰的设备，包括：

装置，用于在由所述***发送帧之前，对所述帧的所有元素加扰，使得所有的所述元素具有公共的基准相位。

8. 权利要求7的设备，其中所述帧的所述元素包括帧头部或者帧本体。

9. 权利要求7的设备，其中所述帧的所述元素还包括一个或多个导频符号。

10. 权利要求7的设备，其中所述用于加扰的装置包括用于按照以下执行复数加扰操作的装置：

$I_{S,k}+{\mathrm{jQ}}_{S,k}=(I_k+{\mathrm{jQ}}_k)\·\exp \left\{j\frac{{2\mathrm{\πn}}_k}{4}\right\}$

其中：

I_k，Q_k表示原始符号，

I_S，k，Q_S，k表示加扰的符号，

n_k表示加扰相位乘数，使得n_k＝2d_I，k+d_Q，k，和

d_I，k与d_Qk是所述复数加扰序列的第k个元素的实(I)与虚(Q)部。

11. 权利要求10的设备，其中所述复数加扰操作包括按照以下的简单的加法和减法：

  d_I，k   d_Q，k   n_k   旋转   I_S，k+jQ_S，k   0   0   0   0°   I_k+jQ_k   0   1   1   90°   -Q_k+jI_k   1   0   2   180°   -I_k-jQ_k   1   1   3   270°   Q_k--jI_k

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