CN1151672C - 一种采用多层分组乘积码的信道编码调制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于数字信息传输技术领域，涉及一种多层分组乘积码(Multi-level BlockProduct Code)纠错编码调制方法，包括：将输入的多路不同优先级的数据码流先分别经过各自的分组乘积码BPC编码器后，得到分组乘积码码流，将该分组乘积码流按定义分别映射到所设定的调制方式的星座图符号的不同比特位，得到具有不同程度的抗干扰能力的多层调制信号输出。本发明具有实现简单，优先级多，纠错能力强，可靠性高等优点，能满足多种业务的要求，例如可应用地面数字电视广播***中。
Description
技术领域
本发明属于数字信息传输技术领域，涉及一种多层分组乘积码(Multi-level BlockProduct Code)纠错编码调制方法，更具体地涉及地面数字电视广播***中的多层分组乘积码纠错编码调制方法。
背景技术
在数字信息传输中，不论信号通过什么媒介类型的信道传输，由于受到衰减、失真和各种干扰的影响，在接收的数据中会存在误码。因此，任何实际的数字通信***都需要采取信道编码调制技术进行误码纠错，一般采用前向误码纠错FEC(Forward ErrorCorrect)方法，它是在发送端将数据按一定规则附加多余码元，组成具有纠错能力的纠错码。接收端收到码字后，按预先规定的规则进行译码，以确定接收码字中有无差错，若有错误则自动纠正。
一个典型的数字通信***的构成如图1所示，其中包括由信道编码和数字调制构成的信道编码调制单元。在发送端，编码器对输入的数据进行处理，使传输的数据量达到最小。例如，把一个数字化的视频信号送给MPEG源编码器进行压缩，使数据量减少。在收端，MPEG解码器把压缩数据恢复为原始数据。如果MPEG编码器和解码器直接相连，那么只有压缩带来的图象质量损伤。但在大多数应用中，接收端收到的数据中存在着传输过程中引入的误码，当然，这些误码在送给解码器之前需要尽可能地去除。
要去除这些误码，就需要进行信道编码，其功能之一是误码纠错，并且纠错方式有很多种。在发送端，前向误码纠错(Forward Error Correction，FEC)在码流中添加冗余信息，以便接收端能单方面地检测和校正传输误码。最简单的方案是每个比特重复传送N次，接收端通过大数判决准则来判定传输的每个比特。重复N次的方式虽然实现简单，但编码效率非常低。当采用更高效的FEC后，增加的冗余度能够带来巨大的***增益。
在数字通信***中，一个很重要的指标是***误码率(Bit Error Rate，BER)，一个FEC纠错编码降低***BER的程度，决定于FEC的类型和效率。
FEC根据出发点不同，可以有很多种分类。在数字传输中常用的有分组码(例如里德一所罗门RS码、BCH码)和卷积码、Turbo码、分组乘积码(Block Product Code，BPC)等，为了得到更好的纠错编码性能，可以把它们串行或并行级联，以及纠错编码和调制结合。较简单的纠错码级联所能获得的性能，要高于单纯的更复杂的单一码。
其中分组乘积码纠错编码方法是用两个***纠错码处理单个数据集合。
图2表示了一个矩形交织的乘积码。第一个编码器(n1，k1)在行方向上进行纠错编码，生成每行的校验码；然后经交织器后信息比特重新排序，把整个信息比特和其校验比特送给第二个编码器(n2，k2)。通常重新排序只是信息比特加校验比特的行列之间重排，结果得到一个(n1n2，k1k2)码，由此得名。
交织器是按照事先预定的方式改变一个数据序列的顺序。矩形交织器是最简单的一种，并且针对固定长度的数据块工作。输入码流按行写到一个M×N矩形存储阵列中，然后按列从此存储阵列中读出，就得到扰序码流。当然，可以用其它预先定义的方案代替矩形方式，可能获得更好的交织效果，例如沿着对角线方式、卷积交织方式等。乘积码的信息比特重排采用了传统的矩阵交织，先按行方向编码，然后再按列方向编码。
多媒体通信是当前通信技术的发展趋势，多媒体通信需要在通信网络中同时传送声音、数据、文字、图形、图象、动画等多种类型的媒体信息，具有集成性、同步性和交互性的通信方式，而传统的电话网、计算机网和广播网往往只传送单一的媒体。一般而言，数据、文本、图形和静止图象等属于不连续的媒体，要求的的平均码率不高，但有较强的突发性和短时的高速率，其中数据对传输误码非常敏感，而声音和视频信息属于连续性的媒体，其实时性和传输码率要求很高，对传输误码的敏感性要低一些。因此，针对不同信息媒体、不同应用环境、不同服务对象和不同的目的，要对传输的信息施加不同的传输优先级，可以采用分级数字调制实现。
数字调制是数字符号转换为与信道特性相匹配波形的过程。从传输信道的频率特性来看，有的信道是低通型的，如双绞电缆、同轴电缆等；而有的信道则是带通型的，如各种无线信道、光纤信道等。显然，低通型信道适合于传输数字基带信号，而带通型信道必须对数字基带信号进行必要的调制后才能传输。在基带调制的情况下，这些波形是脉冲。带通调制则是把数据信号调制到某一固定频率的载波上(通常为正弦波)。其实，广义上来说调制就是从信源消息到信道波形或矢量之间的映射和频谱搬移。
对应于不同的传输媒介，发射***的结构相同，但调制方式不同。现在常用的调制方式有相移键控调制PSK、正交幅度调制QAM、残留边带调制VSB和正交频分复用OFDM等。其中PSK、QAM技术已经非常成熟，在通信领域得到广泛应用。mPSK和mQAM在相同信号点数时，功率谱相同，带宽均为基带信号带宽的两倍。在理想情况下，mPSK和mQAM的最高频带利用率均为log2Mb/s/Hz。
例如QPSK的最高频带利用率为2b/s/Hz，即基带数字信号的2bit映射为调制信号的一个传输符号；16QAM的最高频率利用率为4b/s/Hz，4bit映射为一个传输符号；64QAM的最高频带利用率为6b/s/Hz，基带数字信号的6bit映射为调制信号的一个传输符号。也就是说，理论上64QAM调制所能传输的信息量是单独QPSK的3倍，是单独16QAM的2倍，或者说，QPSK和16QAM调制所能传输的最大信息量之和等同于64QAM调制。
QPSK和64QAM都是正交调制，因此，可以把它们的调制信号分为两个互为正交的分量，即同相分量I和正交分量Q，并用坐标轴表示IQ分量，得到相应的调制星座图。一般来讲，对于同一种调制方式，虽然调制映射关系可能不同，即星座图中星座点所代表的数字信号数值不同，但星座点在星座图中所处的位置是一样的。QPSK和64QAM的星座图如图3、图4所示，它们是均匀星座图，即α＝1，这里α为星座图中相邻象限间星座点最近距离与象限内星座点最近距离之比。
从上述可知，对于同样的传输信息量，可以单独用64QAM调制可以传输，也可以用多个QPSK、16QAM或者两者的组合来传输。它们各有优缺点，前者实现简单，但传输业务的优先级等同；后者实现复杂一些，但可实现分级传输，从而提供分级服务。对其它的多电平调制(如256QAM)也同样如此。
在地面数字电视广播中，就可采用分级调制和编码实现分级服务。例如为了克服广播电视在低场强覆盖区域内接收信号中断的问题，通过提供较低码率、高可靠和高码率、低可靠的两种比特码流来实现分级调制，从而避免信号中断。欧洲地面数字视频广播(DVB-T)***通过在正交频分复用(OFDM)载波上采用分级调制，由QPSK和16QAM构成多分辨率的64QAM星座图，如图5(a)(b)所示，以此在一个电视频道内提供两级服务，分别使用高优先级(HP)码流和低优先级(LP)码流。HP码流能提供基本的DTV节目和一些音频节目，而LP码流用于另外的DTV或者数据业务或者像HDTV质量的一种业务。LP数据码流用于覆盖核心服务区，通常在LP码流覆盖内，HP码流总是有效的。
上述的这种方式的不足之处是；调制采用16QAM，因而实现复杂，而且因为只分两层调制，优先级少，因此不能满足多种业务的要求；另外，欧洲DVB-T中的分级64QAM前的纠错编码采用的是卷积码，卷积码的纠错性能较差，导致可靠性降低。
发明内容
本发明的目的是这克服已有技术的不足之处，提出一种采用多层分组乘积码的信道编码调制方法，每层调制采用QPSK，具有实现简单，优先级多，纠错能力强，可靠性高等优点，能满足多种业务的要求。
本发明提出的一种多层分组乘积码纠错编码和调制器方法，其特征在于，它包括：
将输入的多路不同优先级的数据码流先分别经过各自的分组乘积码BPC编码器后，得到分组乘积码码流，将该分组乘积码流按定义分别映射到所设定的调制方式的星座图符号的不同比特位，得到具有不同程度的抗干扰能力的多层调制信号输出；所说的分组乘积码为删余截短分组乘积码BPC(3762，3249)。
所说的删余截短分组乘积码BPC(3762，3249)的产生方法可包括以下步骤：
1)采用BCH(63，57)码，经添加一个校验位扩展成为BCH(64，57)；
2)将该BCH(64，57)在行、列方向上对输入数据进行纠错编码，得到BPC(4096，3249)码；
3)将BPC(4096，3249)的前4列和BPC(4096，3249)第一行的前33比特置为0，得到截短的分组乘积码BPC(3811，2992)；
4)从截短BPC(3811，2992)中删除49个双校验比特，得到删余截短分组乘积码(3762，2992)。
所述的调制方式可为64QAM，也可为256QAM调制。
所述的多路不同优先级的数据码流可包括高优先级数据码流、中优先级数据码流、低优先级数据码流。
所述的高优先级数据码流生成的分组乘积码BPC数据可映射为所设定的调制星座图符号的高比特位。
所述的中优先级数据码流生成的分组乘积码BPC数据可映射为所设定的调制星座图符号的中间比特位。
所述的低优先级数据码流生成的分组乘积码BPC数据可映射为所设定的调制星座图符号的低比特位。
本发明的特点：
本发明中采用的多层调制采用QPSK，具有实现简单，优先级多，纠错能力强，可靠性高等优点，能满足多种业务的要求，例如可应用地面数字电视广播***中。
附图说明
图1是一个典型的数字通信***构成图。
图2(a)是乘积纠错码(BPC)原理图。
图2(b)是乘积纠错码(BPC)组成框图。
图3是QPSK调制星座图。
图4是64QAM调制星座图。
图5(a)是欧洲DVB-T非均匀64QAM星座图(α＝2)。
图5(b)是欧洲DVB-T非均匀64QAM星座图(α＝4)。
图6是本发明的一种采用多层分组乘积码的信道编码调制方法的原理框图。
图7是本发明的实施例的高优先级QPSK调制(64QAM高比特位)的星座图。
图8是本发明的实施例的中优先级QPSK调制(64QAM中间比特位)星座图。
图9是本发明的实施例的低优先级QPSK调制(64QAM低比特位)的星座图。
图10是采用本发明的地面数字多媒体电视广播***的发射端框图。
图11是采用本发明的地面数字多媒体电视广播***的接收端框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。
本发明根据数字通信传输和数字电视广播的特性，提出了一种采用多层分组乘积码(Multi-level Block Product Code)的信道编码调制方法的实施例，可达到优先级传输信息，满足各种各样的优先服务需求，以及更好的服务覆盖的目的。
本实施例方法的流程如图6所示，包括：将输入的三路不同优先级(高、中、低)的数据码流先分别经过各自的分组乘积码BPC(3762，2992)编码器后，得到分组乘积码码流，将该分组乘积码流按定义分别映射到64QAM调制方式的星座图符号的不同比特位，得到具有不同程度的抗干扰能力的多层调制信号输出。
上述方法各部分内容分别详细描述如下：
1)分组乘积码编码
分组乘积码的原理如前所述，如图2所示。本发明中采用的分组乘积码BPC(3762，2992)是两维分组乘积码BPC(4096，3249)的删余截短。
BPC(4096，3249)是两个扩展的分组纠错码BCH(64，57)码的乘积，BCH(64，57)码是BCH(63，57)码添加一个奇偶校验比特而扩展成的。BCH(63，57)码的生成多项式定义为
x6+x+1
BCH(63，57)码也称为汉明码(Hamming Code)，是最早发现的分组码之一。
BPC(4096，3249)的截短分组乘积码定义是将BPC(4096，3249)的前4列和BPC(4096，3249)第一行的前33比特置为0，得到截短的分组乘积码BPC(3811，2992)。删余截短分组乘积码BPC(3762，2992)定义是从缩短BPC(3811，2992)中去除49个双校验比特。
对于数字电视传输中的传输码流(Transport Stream，TS)，TS码流中净荷数据长度为187bytes。两个187bytes数据块可编入一个BPC(3762，2992)块中。分组乘积码的传输顺序是从第一列开始一列接一列进行。
本发明所述的分组乘积码BPC(3762，2992)是一种***码(Systematic Code)，其解码器可以采用高性能TURBO算法。
2)映射和星座图
在本发明的实施例中，***的多层分组乘积码分为三层——高、中、低优先级。不同层的分组乘积码得到的码流按定义映射到64QAM星座符号的不同比特位，因此具有不同程度的抗干扰能力。
如前所述，64QAM调制的每个符号可以携带6bit数字信息，这样同相I分量和正交Q分量分别携带3bit，分为高、中、低三位。同样的，前面也讲过，可以用多个较低电平数的调制达到与较高电平数调制同样的传输信息量，例如，对于64QAM调制传输的信息量，可以用3个QPSK调制实现传输，64QAM调制I、Q分量的3个不同的比特位分别对应于3个QPSK调制I、Q分量，即高优先级QPSK调制、中优先级QPSK调制、低优先级QPSK调制。
对于高优先级数据流，分组乘积码纠错编码后的码流映射为64QAM调制的高比特位，即采用高优先级QPSK调制。串行码流中的每2比特组成一组，组中的每个比特分别映射为高优先级QPSK的I和Q分量，其映射关系如表1所示，相应的星座图如图7所示，图中四个坐标点(00，01，10，11)表示高优先级QPSK调制的四个星座点。
表1 QPSK映射表
| 符号 | I | Q | 相位 |
| 0 | 1 | 1 | π/4 |
| 1 | 0 | 1 | 3π/4 |
| 2 | 0 | 0 | 5π/4 |
| 3 | 1 | 0 | 7π/4 |
对于中优先级数据流，分组乘积码纠错编码后的码流映射为64QAM调制的中间比特位，即采用中优先级QPSK调制。串行码流中的每2比特组成一组，组中的每个比特分别映射为中优先级QPSK的I和Q分量，其映射关系如表1所示，相应的星座图如图8所示，图中表示4组中优先级QPSK调制的4个星座点(0000-1111)，和与高优先级QPSK星座点的相对位置关系，其中高优先级QPSK的一个星座点位于每一组中优先级QPSK调制4个星座点的中心。
对于低优先级数据流，分组乘积码纠错编码后的码流映射为64QAM调制的低比特位，即采用低优先级QPSK调制。串行码流中的每2比特组成一组，组中的每个比特分别映射为低优先级QPSK的I和Q分量，其映射关系如表1所示，相应的星座图如图9所示，图中表示16组低优先级QPSK调制的4个星座点(000000-111111)，和与高、中优先级QPSK星座点的相对位置关系，其中中优先级QPSK的一个星座点位于每一组低优先级QPSK调制4个星座点的中心。
综上所述，对于输入的优先级不同的多路数据码流，本实施例的分层分组乘积码纠错编码和调制方法的具体实现步骤如下：
1)产生纠错码BCH(63，57)码，经添加一个校验位扩展成为BCH(64，57)。
2)BCH(64，57)在行、列方向上对输入数据进行纠错编码，得到BPC(4096，3249)码。
3)由BPC(4096，3249)得到截短的分组乘积码BPC(3811，2992).
4)从截短BPC(3811，2992)中删除49个双校验比特，得到删余截短分组乘积码(3762，2992)。
5)高优先级删余截短分组乘积码BPC(3762，2992)产生的数据码流映射为64QAM的高比特位。
6)中优先级删余截短分组乘积码BPC(3762，2992)产生的数据码流映射为64QAM的中间比特位。
7)低优先级删余截短分组乘积码BPC(3762，2992)产生的数据码流映射为64QAM的低比特位。
8)最后完成如图9所示的分层分组乘积码64QAM调制。
上述调制信号经过实际信道传输后，由于存在干扰和噪声，星座点位置会发生变化，有些星座点就可能靠的很近，容易发生误判。从通信原理可知，星座点之间的欧氏距离越大，误判的概率越小，也就是抗干扰能力越强。从图7、图8、图9所示的64QAM高、中、低位比特所对应的QPSK星座点看，高优先级QPSK调制(对应于61QAM的高比特位)的欧式距离最大，中优先级次之，低优先级最小。因此，本发明所述的分层分组乘积码纠错编码和调制器把经过分组乘积码纠错编码后的数据码流映射到64QAM调制的不同层上，实现分级调制，不同层上的星座点间的欧氏距离不同，从而使分级调制具有不同程度的抗干扰能力。
一个采用本发明所述方法的地面数字多媒体电视广播发射***实施例如图10所示。图中输入的三路MPEG TS码流具有不同的优先级，它们可以是视频、音频、图形、数据等多媒体信息，这些不同优先级的数据经过本发明所述的多层分组乘积码纠错编码和调制器，成为数字的分级64QAM调制信号，然后转换为合适的模拟信号，射频RF模块接收此模拟信号，处理后的结果送给发射天线或其它信号发射机。
一个采用本发明所述方法的地面数字多媒体电视广播接收***实施例如图11所示。图中天线或其它信号接收机接收调制信号，送给下变频模块进行频率变换后，送给模数转换ADC变为数字信号。此数字信号经过分级64QAM解调，得到解调后的高、中、低比特位，然后送给相应的分组乘积码解码器，恢复优先级不同的MPEG TS码流。
上面结合附图对本发明的具体实施例进行了详细的说明，但本发明并不限制于上述那些实施例，在不脱离本申请的权利要求的精神和范围情况下，本领域的技术人员可作出各种修改或改型，例如***采用256QAM调制，相应的分为四层分组乘积码。
Claims (8)
1、一种采用多层分组乘积码的信道编码调制方法，其特征在于它包括：
将输入的多路不同优先级的数据码流先分别经过各自的分组乘积码BPC编码器后，得到分组乘积码码流，将该分组乘积码流按定义分别映射到所设定的调制方式的星座图符号的不同比特位，得到具有不同程度的抗干扰能力的多层调制信号输出；所说的分组乘积码为删余截短分组乘积码BPC(3762，3249)。
2、按照权利要求1所述的采用多层分组乘积码的信道编码调制方法，其特征在于进一步包括：所说的删余截短分组乘积码BPC(3762，3249)的产生方法包括以下步骤：
1)采用BCH(63，57)码，经添加一个校验位扩展成为BCH(64，57)；
2)将该BCH(64，57)在行、列方向上对输入数据进行纠错编码，得到BPC(4096，3249)码；
3)将BPC(4096，3249)的前4列和BPC(4096，3249)第一行的前33比特置为0，得到截短的分组乘积码BPC(3811，2992)；
4)从截短BPC(3811，2992)中删除49个双校验比特，得到删余截短分组乘积码(3762，2992)。
3、按照权利要求1所述的采用多层分组乘积码的信道编码调制方法，其特征在于：所述的调制方式为64QAM。
4、按照权利要求1所述的采用多层分组乘积码的信道编码调制方法，其特征在于：所述的调制方式为256QAM调制。
5、按照权利要求1所述的采用多层分组乘积码的信道编码调制方法，其特征在于：所述的多路不同优先级的数据码流包括高优先级数据码流、中优先级数据码流、低优先级数据码流。
6、按照权利要求5所述的采用多层分组乘积码的信道编码调制方法，其特征在于：所述的高优先级数据码流生成的分组乘积码BPC数据映射为所设定的调制星座图符号的高比特位。
7、按照权利要求5所述的采用多层分组乘积码的信道编码调制方法，其特征在于：所述的中优先级数据码流生成的分组乘积码BPC数据映射为所设定的调制星座图符号的中间比特位。
8、按照权利要求5所述的采用多层分组乘积码的信道编码调制方法，其特征在于：所述的低优先级数据码流生成的分组乘积码BPC数据映射为所设定的调制星座图符号的低比特位。
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