一种多频点协同工作的数字音频广播信号的发送、接收方法及其***
技术领域
本发明涉及一种数字音频广播信号的发送、接收方法及其***,特别涉及一种多频点协同工作的数字音频广播信号的发送方法、接收方法及其***,适用于包括地面、卫星等在内的无线音频数字广播***。
背景技术
无线数字广播***的最大特点在于其覆盖面广、地理环境多样,信道特性复杂多变,噪声和干扰情况严重,为了保证信号的有效覆盖和可靠传输,无线数字广播***必须能够充分适应恶劣的传输信道特性。信号分集技术,比如说频率分集,是将信号在一个远大于信道相干带宽的频带内进行传输,是克服无线信道多径和频率选择性衰落的有效手段。然而,不同的无线***共享无线频谱资源必须进行严格的频率规划,新的无线传输***也必须考虑和原有的***和频率规划兼容,以保证新技术的平滑演进。因此,在设计一个新的无线传输***时,常常要面临传输带宽需求和频率规划兼容的矛盾。以数字音频广播***为例,为了保证与原有模拟FM/AM广播的频率规划兼容,数字音频传输技术如美国的HD-Radio和欧洲的DRM均采用采用窄带传输方案,***不具备频率分集增益,对抗多径和衰落的能力差,导致信号覆盖不够理想。相比之下,另一种数字音频广播DAB***,信号传输带宽为1.536MHz,在一定程度上实现了频率分集,因此***对抗多径和衰落的能力大幅提高,信号覆盖相应地也得到改善,但是,DAB和原有的FM/AM的频率规划不兼容,对DAB***的推广和使用造成了一定的障碍。
在现有广播***中,每一台数字节目在一个固定的频率位置发送,由于已有频率规划的限制,比如说在数字音频广播***中,由于要保证和原有模拟FM/AM的频率规划兼容,每一个数字音频频道只能占用一个较窄的带宽,FM为100KHz或200KHz,而AM为9KHz或是10KHz。这种广播方案的主要缺陷在于,由于无线电波的空间传播特性和多径衰落,导致在覆盖区域内不同位置的信号强度(或者是载噪比)差异很大,即便在离发射台较近的地理位置,也有可能因为多径的频率选择性衰落而导致信号质量低于解调门限。为了保证理想的覆盖,只能通过增加发射台的功率,或是通过增加补点器来改善,这又给干扰控制、频率规划和网络架设带来了新的问题。无线信号的衰落特性还体现在,在同一地理位置的不同频点,接收的信号质量差异很大,某些频点无法接收到足够好的信号进行解调,然而在同一个位置,某些频点却能接收到很强的信号。
发明内容
有鉴于此,本发明提出了一种多频点协同工作的数字音频广播信号的发送、接收方法及其***,以提高频谱利用效率,保证在兼容已有频率规划约束的前提下,实现频率分集增益,提高***对抗无线传输中多径衰落的能力,从而改进无线广播***的有效覆盖。
本发明提出了一种多频点协同工作的数字音频广播信号的发送方法,包括如下步骤:
步骤1:发送端将每一个数字广播电台的数字音频广播数据流按照特定的时间长度划分为多个子数据流;
步骤2:为每一个数字广播电台的子数据流设置特定的工作频点序列,以使不同数字广播电台在同一时间内发送的子数据流不出现在同一工作频点上,对于每一个数字广播电台在当前工作频点上发送的子数据流中***下一个子数据流的多频点工作信息;
步骤3:将每一个数字广播电台的数字音频广播数据流在其所对应的工作频点序列上循环调制发送。
优选的,所述多频点工作信息包括多频点协同工作模式和多频点协同工作频点。
优选的,所述每一数字广播电台的数字音频广播数据流可依特定的帧结构传输,所述帧结构为超帧结构,所述超帧包括4个物理层信号帧,每个物理层信号帧包括4个子帧,每个子帧包括1个信标和多个OFDM符号,每个子帧中包含***信息,所述帧结构中每个超帧中第一个物理层信号帧的第一个子帧的工作频点始终保持固定不变。
特别的,在所述***信息中包含1个比特信息用于表示多频点协同工作模式指示和9个比特信息用于表示下一个子帧多频点协同工作频点。
特别的,所述多个子帧间设有一定的跳频间隔,用以保证收发端在频点跳转过程中有足够的频率稳定时间。
本发明还提出一种多频点协同工作的数字音频广播信号的接收方法,包括如下步骤:
步骤1:在接收端进行发射信号定时与载波频率同步;
步骤2:对同步后的信号,提取下一子数据流的多频点工作信息,并将所述多频点工作信息传送给工作频点配置模块;
步骤3:工作频点配置模块根据所接收的多频点工作信息配置接收工作模式和下一子数据流的接收工作频点。
优选的,所述步骤2还包括:对同步后的信号,通过频域变换,进行信道估计和均衡。
优选的,所述子数据流包括子帧,所述子帧中包含***信息;从所述子帧的***信息中提取多频点工作信息,所述多频点工作信息包括多频点协同工作模式和多频点协同工作频点。
本发明同时还提出了一种多频点协同工作的数字音频广播信号的发送***包括:
工作频点序列产生模块,用于为每一个数字广播电台的子数据流设置特定的工作频点序列,以使不同数字广播电台在同一时间内发送的子数据流不出现在同一工作频点上;
数据加扰模块,用于将每一数字广播电台的数据流进行加扰;
信道交织和编码模块,用于将经加扰的数据流进行信道交织和编码,并使得一个编码块的长度能够跨越多个工作频点;
发送端定时模块,用于定时并控制成帧的过程;
物理层成帧模块,用于将每一个数字广播电台的数字音频广播数据流调制在物理层帧结构的不同子帧中并与帧头复接在一起,以形成完整的帧数据,所述子帧中包含下一子帧的工作频点信息;
载波调制模块,将每个数字广播电台的数据按照特定的工作频点序列在对应的子帧上进行载波调制;
合路模块,将每个数字广播电台的数据进行合路、信号放大和发射。优选的,所述多频点工作信息包括多频点协同工作模式和多频点协同工作频点。
优选的,所述每一数字广播电台的数字音频广播数据流可依特定的帧结构传输,所述帧结构为超帧结构,所述超帧包括4个物理层信号帧,每个物理层信号帧包括4个子帧,每个子帧包括1个信标和多个OFDM符号,每个子帧中包含***信息,所述帧结构中每个超帧中第一个物理层信号帧的第一个子帧的工作频点始终保持固定不变。
特别的,在所述***信息中包含1个比特信息用于表示多频点协同工作模式指示和9个比特信息用于表示下一个子帧多频点协同工作频点。
特别的,所述多个子帧间设有一定的跳频间隔,用以保证收发端在频点跳转过程中有足够的频率稳定时间。
本发明还提出了一种多频点协同工作的数字音频广播信号的接收***,包括:
工作频点配置模块,用于根据所接收的多频点工作信息配置接收模式和下一子帧的接收工作频点;
定时与载波频率估计模块,用于在接收端通过信标信号获得与发射信号定时与载波频率同步;
***信息数据符号提取模块,用于提取***信息;
解交织及卷积译码模块,对***信息进行解交织和卷积译码从而获得多频点工作信息,并发送给工作频点配置模块。
优选的,所述接收***的还包括信道估计与均衡模块,用于对同步后的信号,通过频域变换,进行信道估计与数据均衡。
优选的,所述多频点工作信息包括多频点协同工作模式和多频点协同工作频点。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:
图1为本发明多频点协同工作的示意图;
图2为适于本发明的数字音频广播信号帧结构示意图;
图3为本发明发送***的结构图;
图4为本发明发送***的另一结构图;
图5为卷积码编码器结构示意图;
图6为星座映射示意图;
图7为本发明接收***的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图以数字音频广播为例描述本发明的实施例,该说明是示例性的,仅用于解释本发明,而不能解释为对本发明的限制。
根据本发明的一个实施例,提供了一种多频点协同工作的数字音频广播信号的发送方法,包括如下步骤:
步骤1:发送端将每一个数字广播电台的数字音频广播数据流按照特定的时间长度划分为多个子数据流;
步骤2:为每一个数字广播电台的子数据流设置特定的工作频点序列,以使不同数字广播电台在同一时间内发送的子数据流不出现在同一工作频点上,对于每一个数字广播电台在当前工作频点上发送的子数据流中***下一个子数据流的多频点工作信息;
步骤3:将每一个数字广播电台的数字音频广播数据流在其所对应的工作频点序列上循环调制发送。
图1为本发明实施例的多频点协同工作的示意图,以设置4个数字音频广播电台在4个工作频点上互相切换为例,与传统传输方式不同,数字台1不是只在一个固定的频率位置1传送,而是在若干个频点位置中以一个设定的工作频点次序进行一次工作频点切换,如在图1中,数字台1的工作频点次序为频点1->频点3->频点2->频点4。通常,该工作频点序列为一周期性序列,并且在每一个工作频点传输固定长度的时间。于此同时其他数字广播电台的传输也在同样的工作频率集合中进行频点切换,如在图1中,数字台2的工作频点次序为频点2->频点1->频点4->频点3。采用多工作频点,每一个数字音频广播电台数据在不同的工作频点上进行调制发送,由于不同的工作频点经历各自独立的频率选择性衰落,实现了频率分集,从而大幅度提高了接收端对抗频率选择性衰落的能力。此外,每一个数字音频广播电台所发送的业务数据信息在不同工作频点上可以采用相同或不同的调制方式及编码速率,以满足所在频带的频率规划要求。其中,每个台的工作频点序列相互正交,这样可以降低节目间的相互干扰,保证***的频谱使用率,并且可以最大化地重复利用频率资源。所述工作频点次序为周期重复序列,其可为固定配置的,也可为节目传输过程中动态变化的。
所述多频点工作信息包括多频点协同工作模式和多频点协同工作频点。所述每一数字广播电台的数字音频广播数据流可依特定的帧结构传输,参照图2所示,所述帧结构为超帧结构,每个物理层超帧长度为2560ms,每个超帧由4个长度为640ms的物理层信号帧组成,每个信号帧包括4个长度为160ms的子帧,每个子帧包括1个信标用于保证数字音频广播***在工作频率切换过程中有足够的频率稳定时间以及辅助终端接收的同步;以及多个OFDM符号。每个子帧中包含***信息。特别的,每一个子帧中每个OFDM符号的已知子载波位置上携带的***信息如表1所示。其中包含1个比特信息用于表示多频点协同工作模式指示和9个比特信息用于表示下一个子帧多频点协同工作频点,分别由表2的b0和b1~b9指示,用来辅助终端完成多频点协同工作模式下的信号接收。
比特 |
信息描述 |
b0 |
多频点协同工作模式指示 |
b1~b9 |
下一个子帧多频点协同工作频点 |
b10~b13 |
当前子带标称频点 |
b14~b19 |
频谱模式索引 |
b20~b26 |
保留Rfa |
b27~b29 |
CRC校验位 |
表1.***信息比特描述
当多个数字音频广播电台工作于多频点协同工作模式时,每个数字音频广播电台的每个超帧中第一个物理层信号帧的第一个子帧的工作频点始终保持固定不变,因此本实施例中多频点协同工作最大可支持16个工作频点。物理层信号帧内的其他子帧的频点可依次由前一个子帧携带的***信息得到。
特别的,所述多个子帧间设有一定的跳频间隔,用以保证收发端在频点跳转过程中有足够的频率稳定时间。
本发明还提出了一种基于上述发送方法的发送***,图3为本发明发送***的结构图,工作频点序列产生模块100,用于为每一个数字广播电台的子数据流设置特定的工作频点序列,以使数字广播电台1至n在同一时间内发送的子数据流不出现在同一工作频点上;数字广播电台1至n的每一个数字节目源数据流101-1,101-2,.....101-n首先通过数据加扰模块102进行加扰,然后将加扰的节目数据通过信道交织和编码模块103进行信道交织和编码,经编码后的节目数据交由物理层成帧模块104按如图2所示的帧结构进行组帧,物理层成帧模块104用于将信道交织和编码模块103输出的每一个数字广播电台的数字音频广播数据流调制在物理层帧结构的不同子帧中并与帧头复接在一起,形成完整的帧数据,所述子帧中包含下一子帧的工作频点信息。发送端定时模块105,用来定时并控制成帧的过程。载波调制模块106将对应每一数字广播电台数据的信号帧结构按照工作频点序列的指示在对应的工作频点上进行载波调制。每一个数字广播电台的数据可如此进行各自独立的载波调制,最终多个数字广播电台的数据经合路模块107进行合路,信号放大和发送。
采用多工作频点,每一个数字音频广播电台数据在不同的工作频点上进行调制发送,由于不同的工作频点经历各自独立的频率选择性衰落,实现了频率分集,从而大幅度提高了接收端对抗频率选择性衰落的能力。此外,每一个数字音频广播电台所发送的业务数据信息在不同工作频点上可以采用相同或不同的调制方式及编码速率,以满足所在频带的频率规划要求。其中,每个台的工作频点序列相互正交,这样可以降低节目间的相互干扰,保证***的频谱使用率,并且可以最大化地重复利用频率资源。所述工作频点次序为周期重复序列,其可为固定配置的,也可为节目传输过程中动态变化的。
此外,所述多频点工作信息包括多频点协同工作模式和多频点协同工作频点。所述每一数字广播电台的数字音频广播数据流可依特定的帧结构传输,参照图2所示,所述帧结构为超帧结构,每个物理层超帧长度为2560ms,每个超帧由4个长度为640ms的物理层信号帧组成,每个信号帧包括4个长度为160ms的子帧,每个子帧包括1个信标用于保证数字音频广播***在工作频率切换过程中有足够的频率稳定时间以及辅助终端接收的同步;以及多个OFDM符号。每个子帧中包含***信息。特别的,每一个子帧中每个OFDM符号的已知子载波位置上携带的***信息如表1所示。其中包含1个比特信息用于表示多频点协同工作模式指示和9个比特信息用于表示下一个子帧多频点协同工作频点,分别由表2的b0和b1~b9指示,用来辅助终端完成多频点协同工作模式下的信号接收。
当多个数字音频广播电台工作于多频点协同工作模式时,每个数字音频广播电台的每个超帧中第一个物理层信号帧的第一个子帧的工作频点始终保持固定不变,因此本实施例中多频点协同工作最大可支持16个工作频点。物理层信号帧内的其他子帧的频点可依次由前一个子帧携带的***信息得到。
特别的,所述多个子帧间设有一定的跳频间隔,用以保证收发端在频点跳转过程中有足够的频率稳定时间。
更具体而言,参照图4所示,发射端首先将数字音频广播信号的业务数据转换成比特流后,进行扰码;然后对扰码后的业务数据比特流进行LDPC编码;对LDPC编码后的业务数据比特流进行星座映射;对星座映射后承载业务数据的子载波,以子载波为单元,进行交织,构成交织后的业务数据子载波;发射端对数字音频广播信号的业务描述信息转换成比特流后,进行扰码;然后对扰码后的业务描述信息比特流进行卷积编码;对编码后的业务描述信息比特流进行交织;对比特交织后的业务描述信息比特流进行星座映射,构成业务描述信息子载波;发射端对物理层***信息按照特定格式,组成***信息比特流,然后进行卷积编码;对编码后的***信息比特流进行比特交织;对比特交织后的***信息比特流进行星座映射,构成***信息子载波;之后,频域生成离散导频,然后和上述交织后的业务数据子载波、星座映射后的业务描述信息子载波以及***信息子载波复接在一起,映射到对应的频谱模板上,组成OFDM频域符号;通过IFFT变换器将上述频域OFDM符号变换到时域,同时复接上循环前缀,产生OFDM时域符号;将上述多个OFDM时域符号复接在一起,并且***信标,进行组帧,之后将物理层超帧经过载波调制后将多个数字广播电台的数据发送出去。
其中,***信息比特流的信道编码采用约束长度为7的1/4卷积码,卷积码的编码器对应的八进制生成多项式为:133,171,145,133,移位寄存器初始值为全“0”。每36个表2中所示的***信息独立进行卷积编码。请参看图5所示,为卷积码编码器结构示意图:
经过卷积编码的***信息采用比特交织,交织以交织块为单位进行,其交织算法如下:对于交织前的输入序列
其中N
MUX为交织块的长度,所述交织器进行交织后输出序列为
其中z′
n=z
R(n),R(n)通过如下方式获得:
其中,p(0)=0,p(i)=(5×p(i-1)+q)mods,(i≠0),
q=s/4-1***信息固定采用QPSK映射方式。经过比特交织后的比特流
映射为QPSK符号流发送,各种符号映射加入功率归一化因子,使各种符号映射的平均功率趋同。
星座图中已经包括了功率归一化因子QPSK映射时参看图6,为星座映射示意图。
进一步,本发明提出一种与上述发送方法相对应的接收方法,包括如下步骤:
步骤1:在接收端进行发射信号定时与载波频率同步;
步骤2:对同步后的信号,提取下一子数据流的多频点工作信息,并将所述多频点工作信息传送给工作频点配置模块;
步骤3:工作频点配置模块根据所接收的多频点工作信息配置接收工作模式和下一子数据流的接收工作频点。
优选的,所述步骤2还包括:对同步后的信号,通过频域变换,进行信道估计和均衡。
优选的,所述子数据流包括子帧,所述子帧中包含***信息;从所述子帧的***信息中提取多频点工作信息,所述多频点工作信息包括多频点协同工作模式和多频点协同工作频点。
参看图7,本发明还提出了一种与上述发送***相对应的接收***,包括,工作频点配置模块201,用于根据所接收的多频点工作信息配置接收模式和下一子数据流的接收工作频点;定时与载波频率估计模块202,用于在接收端通过信标信号获得与发射信号定时与载波频率同步;***信息数据符号提取模块204,用于提取***信息;解交织及卷积译码模块205,对***信息进行解交织和卷积译码而获得多频点工作信息,并发送给子帧频点配置模块。
优选的,所述接收***的还包括信道估计与均衡模块203,用于对同步后的信号,通过频域变换,进行信道估计与数据均衡。
优选的,所述多频点工作信息包括多频点协同工作模式和多频点协同工作频点。
本发明可提高频谱利用效率,保证在兼容已有频率规划约束的前提下,实现频率分集增益,提高***对抗无线传输中多径衰落的能力,从而改进无线广播***的有效覆盖。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。