專利名稱：數(shù)字衛(wèi)星廣播系統(tǒng)及信息傳輸方法、糾錯編碼系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)字信息通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種衛(wèi)星移動廣播系統(tǒng)及其數(shù)字信息傳輸系統(tǒng)及方法、數(shù)字信號糾錯編碼系統(tǒng)及其方法。
背景技術(shù)：
衛(wèi)星通信是通信行業(yè)的一個重要分支，衛(wèi)星通信系統(tǒng)是電子技術(shù)、通信技術(shù)和航天技術(shù)等相結(jié)合的產(chǎn)物，主要由通信衛(wèi)星、地球站、接收站以及測量控制跟蹤系統(tǒng)等組成。衛(wèi)星通信和其它通信手段相比較，具有通信容量大、覆蓋面積廣、通信距離遠、傳輸質(zhì)量好、能全天候工作、可靠性高、組網(wǎng)靈活快捷和成本費用低等優(yōu)點，因此在國家信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、實現(xiàn)普遍服務(wù)和國家信息安全戰(zhàn)略中得到廣泛應(yīng)用。
目前的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，主要有固定業(yè)務(wù)的衛(wèi)星系統(tǒng)(FSS)、移動業(yè)務(wù)的衛(wèi)星系統(tǒng)(MSS)和廣播業(yè)務(wù)的衛(wèi)星系統(tǒng)(BSS)。其中，廣播業(yè)務(wù)的衛(wèi)星系統(tǒng)(BSS)特別是數(shù)字衛(wèi)星廣播系統(tǒng)隨著信息化對通信的要求及衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，越來越受到業(yè)內(nèi)關(guān)注?，F(xiàn)階段，數(shù)字衛(wèi)星廣播系統(tǒng)已經(jīng)取得了很多成果，達到了實用階段，目前世界上主要有兩種數(shù)字衛(wèi)星廣播標(biāo)準(zhǔn)(1)數(shù)字視頻衛(wèi)星廣播(Digital Video Broadcasting-Satellite，DVB-S)標(biāo)準(zhǔn)DVB-S是由歐洲通信標(biāo)準(zhǔn)組織(European Telecommunications StandardsInstitute，ETSI)提出的。歐洲在1993年停止了數(shù)?；旌现剖诫娨曄到y(tǒng)的研究后，開始了數(shù)字電視廣播系統(tǒng)的研究，并先后頒布了DVB-S、數(shù)字視頻有線廣播(Digital Video Broadcasting-Cable，DVB-C)、數(shù)字視頻地面廣播(Digital Video Broadcasting-Terrestrial，DVB-T)標(biāo)準(zhǔn)。其中DVB-S標(biāo)準(zhǔn)適用于衛(wèi)星鏈路，DVB-S標(biāo)準(zhǔn)提供了一套完整的適用于衛(wèi)星傳輸?shù)臄?shù)字電視系統(tǒng)規(guī)范，選定ISO/IEC MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)作為音頻及視頻的編碼壓縮方式。在傳輸方式上，DVB-S標(biāo)準(zhǔn)采用級聯(lián)編碼，并使用單載波四相相移鍵控(QPSK)調(diào)制方式在11G/12GHz頻率點上進行傳輸。
其中，MPEG-2是MPEG組織制定的一種數(shù)字視頻、音頻壓縮、解壓縮標(biāo)準(zhǔn)。MPEG是活動圖像專家組(Moving Picture Exports Group)英文的縮寫，于1988年成立，是為數(shù)字視/音頻制定壓縮標(biāo)準(zhǔn)的專家組，目前已擁有300多名成員，包括IBM、SUN、BBC、NEC、INTEL、AT&T等世界知名公司。MPEG組織最初得到的授權(quán)是制定用于“活動圖像”編碼的各種標(biāo)準(zhǔn)，隨后擴充為“及其伴隨的音頻”及其組合編碼。后來針對不同的應(yīng)用需求，解除了“用于數(shù)字存儲媒體”的限制，成為現(xiàn)在制定“活動圖像和音頻編碼”標(biāo)準(zhǔn)的組織。MPEG組織制定的各個標(biāo)準(zhǔn)都有不同的目標(biāo)和應(yīng)用，目前已提出MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7和MPEG-21標(biāo)準(zhǔn)。
四相相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)，又稱正交相移鍵控，是一種四進制的相位鍵控調(diào)制方式，可以看成是兩正交的二相調(diào)制合成，把相繼碼元的四種組合(00、01、10、11)對應(yīng)于載波的四個相位(0、±π/2、π)。調(diào)制的傳輸效率高，抗誤碼性能較優(yōu)，其調(diào)制信號是包絡(luò)恒定信號，傳輸信道中的幅度衰減對其性能無影響，非常適合衛(wèi)星信道。
DVB-S系統(tǒng)在亞洲、澳洲、美國都得到了很好的響應(yīng)，我國在1996年頒布廣播電視數(shù)字傳輸技術(shù)體制，決定采用符合DVB-S標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字電視衛(wèi)星廣播系統(tǒng)。但是DVB-S標(biāo)準(zhǔn)僅僅適用于固定接收系統(tǒng)，不適用于移動終端設(shè)備，移動用戶無法使用該系統(tǒng)。
(2)日韓數(shù)字衛(wèi)星廣播標(biāo)準(zhǔn)1998年5月，Toshiba、SKTelecomm、Sharp、Toyota Motor等公司共同出資，成立了移動廣播公司(Mobile Broadcasting Corporation，MBC)，并于2004年3月發(fā)射了廣播衛(wèi)星，現(xiàn)已開始運營，對日本、韓國提供服務(wù)。系統(tǒng)采用和DVB-S相同的MPEG-2視頻編碼技術(shù)，也使用了偽隨機比特流(Pseudo-Random Binary Sequence，PRBS)、帶交織的級聯(lián)編碼，并采用碼分復(fù)用(CDM)擴頻的方式進行傳輸。
碼分復(fù)用(Code Division Multiplexing，CDM)是指每個信道作為編碼信道實現(xiàn)位傳輸(特定脈沖序列)的一種技術(shù)。這種編碼傳輸方式通過傳輸唯一的時間系列短脈沖完成，但在較長的位時間中則采用時間片斷替代。每個信道，都有各自的代碼，并可以在同一信道上進行傳輸以及異步解除復(fù)用，是靠不同的編碼來區(qū)分各路原始信號的一種復(fù)用方式，主要和各種多址技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生了各種接入技術(shù)，包括無線和有線接入。
日韓數(shù)字衛(wèi)星廣播借助于糾錯功能或多通路技術(shù)，用戶無論在室內(nèi)和戶外，還是在汽車、輪船、火車上，都可以收到信號，也就是其支持移動接收，但用實際應(yīng)用的效果來看，性能仍然不夠理想，有待進一步的改善。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種數(shù)字衛(wèi)星廣播系統(tǒng)，該系統(tǒng)進一步降低衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸?shù)男旁氡?，為用戶提供高質(zhì)量的音頻和視頻，同時滿足了低成本和高性能的要求。
本發(fā)明的又一個目的在于提供一種數(shù)字信號糾錯編碼系統(tǒng)，具有更好的能夠逼近香農(nóng)極限的優(yōu)良特性，編解碼復(fù)雜度更適中，更能有效譯碼。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種數(shù)字信息傳輸?shù)姆椒?，該方法使糾錯編碼、交織、擴頻后的數(shù)據(jù)更加利于數(shù)字衛(wèi)星傳輸，有更大的信道容量、更強的糾錯功能，從而更加有效地提高數(shù)字傳輸?shù)乃俣?，但又能得到高質(zhì)量音頻和視頻信號。
本發(fā)明的再一個目的在于提供一種數(shù)字信號糾錯編碼的方法，具有更好的能夠逼近香農(nóng)極限的優(yōu)良特性，編解碼復(fù)雜度更適中，更能有效譯碼。
為實現(xiàn)本發(fā)明的衛(wèi)星移動廣播系統(tǒng)的技術(shù)方案為一種數(shù)字衛(wèi)星廣播系統(tǒng)，包括信源編碼器、發(fā)射機、衛(wèi)星、信源解碼器，還包括碼分復(fù)用調(diào)制器，用于糾錯編碼，比特交織，擴頻，調(diào)制和復(fù)用；碼分復(fù)用解調(diào)器，用于與所述碼分復(fù)用調(diào)制器相對應(yīng)的解復(fù)用，解調(diào)，解擴頻碼，解比特交織，解糾錯編碼；所述碼分復(fù)用調(diào)制器包括高度結(jié)構(gòu)化的低密度奇偶校驗碼糾錯編碼模塊，用于數(shù)字信號糾錯編碼；所述碼分復(fù)用解調(diào)器包括高度結(jié)構(gòu)化的低密度奇偶校驗碼糾錯解碼模塊，用于數(shù)字信號糾錯解碼；碼分復(fù)用調(diào)制器中的高度結(jié)構(gòu)化的低密度奇偶校驗碼糾錯編碼模塊對數(shù)字信號進行糾錯編碼；碼分復(fù)用調(diào)制器對糾錯編碼后的數(shù)字信號，經(jīng)過交織、擴頻、調(diào)制后，在相同頻段內(nèi)復(fù)用起來，輸出調(diào)制后的數(shù)字信號；調(diào)制后數(shù)字信號通過發(fā)射機發(fā)射到衛(wèi)星，衛(wèi)星把信號轉(zhuǎn)換、放大到所需的水平，向業(yè)務(wù)區(qū)廣播；碼分復(fù)用解調(diào)器接到衛(wèi)星信號，經(jīng)過解復(fù)用、解調(diào)制、解擴頻、解交織，輸出解調(diào)數(shù)字信號；輸出數(shù)字信號通過高度結(jié)構(gòu)化的低密度奇偶校驗碼糾錯解碼模塊對數(shù)字信號進行糾錯解碼，輸出解調(diào)數(shù)字信號。
所述數(shù)字衛(wèi)星廣播系統(tǒng)，還可以包括衛(wèi)星天線和補點器。
當(dāng)衛(wèi)星信號對建筑物的陰影和室內(nèi)等區(qū)域無法實現(xiàn)良好覆蓋時，衛(wèi)星天線與補點器在較好的條件下接收到衛(wèi)星信號后，針對上述無法良好覆蓋的區(qū)域利用補點器進行轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)衛(wèi)星廣播信號的無縫覆蓋。
所述高度結(jié)構(gòu)化的低密度奇偶校驗碼為短高度結(jié)構(gòu)化的低密度奇偶校驗編碼或者長高度結(jié)構(gòu)化的低密度奇偶校驗編碼中的一種。
所述碼分復(fù)用調(diào)制器有比特交織器，沃爾什碼擴頻模塊、截短M序列擾碼模塊和四相相移鍵控調(diào)制模塊；所述碼分復(fù)用解調(diào)器有比特解交織器，沃爾什碼擴頻解碼模塊、截短M序列解擾模塊、四相相移健控解調(diào)模塊。
一種數(shù)字衛(wèi)星廣播系統(tǒng)的數(shù)字信息傳輸方法，包括如下步驟步驟一多個信道的數(shù)據(jù)信號被輸送到信源編碼器后被編成符合制式要求的數(shù)字信號，送入碼分復(fù)用調(diào)制器；步驟二碼分復(fù)用調(diào)制器中的高度結(jié)構(gòu)化的低密度奇偶校驗碼糾錯編碼模塊對數(shù)字信號進行糾錯編碼；步驟三碼分復(fù)用調(diào)制器對糾錯編碼后的數(shù)字信號，經(jīng)過交織、擴頻、調(diào)制后，在相同頻段內(nèi)復(fù)用起來，輸出調(diào)制后的數(shù)字信號；步驟四調(diào)制后數(shù)字信號通過發(fā)射機發(fā)射到衛(wèi)星，衛(wèi)星把信號轉(zhuǎn)換、放大到所需的水平，向業(yè)務(wù)區(qū)廣播；步驟五碼分復(fù)用解調(diào)器接到衛(wèi)星信號，經(jīng)過解復(fù)用、解調(diào)制、解擴頻、解交織，輸出解調(diào)數(shù)字信號；步驟六輸出數(shù)字信號通過高度結(jié)構(gòu)化的低密度奇偶校驗碼糾錯解碼模塊對數(shù)字信號進行糾錯解碼，輸出解調(diào)數(shù)字信號；步驟七解調(diào)數(shù)字信號送入信源解碼器譯碼后傳輸?shù)接脩魪V播設(shè)備上。
所述信道可以為多個廣播信道和一個導(dǎo)頻信道。所述導(dǎo)頻信道包括導(dǎo)頻符號、幀同步符號、幀計數(shù)器和導(dǎo)頻字，所述廣播信道和除導(dǎo)頻符號、幀同步符號和幀計數(shù)器以外的導(dǎo)頻信道數(shù)據(jù)流使用四相相移鍵控調(diào)制；被輸入導(dǎo)頻信道數(shù)據(jù)流的導(dǎo)頻符號、幀同步符號和幀計數(shù)器使用二相相移鍵控調(diào)制。
所述廣播信道和除導(dǎo)頻符號、幀同步符號和幀計數(shù)器以外的導(dǎo)頻信道數(shù)據(jù)流使用四相相移鍵控調(diào)制；被輸入導(dǎo)頻信道數(shù)據(jù)流的導(dǎo)頻符號、幀同步符號和幀計數(shù)器使用二相相移鍵控調(diào)制。
本發(fā)明還提供了一種數(shù)字信號糾錯編碼系統(tǒng)，其包括高度結(jié)構(gòu)化的低密度奇偶校驗碼糾錯編碼模塊，由多個子矩陣模塊組成，所述子矩陣模塊包括多個單位矩陣模塊、右移單位矩陣模塊或者左移單位矩陣模塊中的一種或者一種以上相結(jié)合。
一種數(shù)字信號糾錯編碼方法，是指根據(jù)參數(shù)和性能的要求，高度結(jié)構(gòu)化的低密度奇偶校驗碼糾錯編碼模塊通過單位矩陣模塊右移或者左移次數(shù)，獲得合適的奇偶校驗矩陣模塊，從而獲得合適的高度結(jié)構(gòu)化的低密度奇偶校驗碼。
所述編碼方法可以采用低復(fù)雜度的LU矩陣分解方法。
所述編碼方法可以采用添加冗余比特或者打孔方法來匹配所述參數(shù)。
本發(fā)明的有益效果是所述的數(shù)字衛(wèi)星廣播系統(tǒng)進一步降低衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸?shù)男旁氡?，為用戶提供高質(zhì)量的音頻和視頻，同時滿足了低成本和高性能的要求，使糾錯編碼、交織、擴頻后的數(shù)據(jù)更加利于數(shù)字衛(wèi)星傳輸，具有更大的信道容量、更強的糾錯功能，從而更加有效地提高數(shù)字傳輸?shù)乃俣龋帜艿玫礁哔|(zhì)量音頻和視頻信號。


圖1為本發(fā)明衛(wèi)星移動廣播系統(tǒng)框圖；圖2為圖1中碼分復(fù)用調(diào)制器框圖；圖3為圖2中碼分復(fù)用(CDM)調(diào)制模塊框圖；圖4為高度結(jié)構(gòu)化的低密度奇偶校驗碼(HS-LDPC)糾錯編碼模塊框圖；圖5為QPSK調(diào)制中的符號映射；圖6為BPSK調(diào)制中的符號映射；
圖7為比特交織器工作原理圖；圖8為比特交織器概念9為比特解交織器概念圖；圖10為短HS-LDPC碼模塊導(dǎo)頻信道中的幀和超幀；圖11為長HS-LDPC碼模塊導(dǎo)頻信道中的幀和超幀。
圖中1-信源編碼器2-碼分復(fù)用(CDM)調(diào)制器3-發(fā)射機4-衛(wèi)星 5-衛(wèi)星天線 6-補點器7-碼分復(fù)用解調(diào)器8-信源解碼器具體實施方式
下面結(jié)合附圖進一步詳細說明本發(fā)明如附圖1所示，本發(fā)明所述的衛(wèi)星移動廣播系統(tǒng)，包括信源編碼器1，碼分復(fù)用(CDM)調(diào)制器2，Ku波段發(fā)射機3，衛(wèi)星4，碼分復(fù)用(CDM)解調(diào)器7，信源解碼器8。
(一)當(dāng)信號送入信源編碼器1后，信源編碼器1編碼為負(fù)載數(shù)字信號所述信源編碼器1選擇MPEG-4 AAC+標(biāo)準(zhǔn)音頻作為音頻信源編碼，并采用音頻數(shù)據(jù)傳送流(ADTS)以保證MPEG-4系統(tǒng)環(huán)境下AAC+比特流的使用；數(shù)據(jù)編碼既包括單一媒體(例如視頻源編碼、文本)和多媒體(例如音頻、視頻、文本和數(shù)據(jù)的混合)在內(nèi)的各種類型的廣播數(shù)據(jù)，只要其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與H.264兼容，就適用于本發(fā)明的廣播系統(tǒng)。
本發(fā)明的廣播系統(tǒng)業(yè)務(wù)復(fù)用可以采用H.264系統(tǒng)，對于一些將來才會用到的業(yè)務(wù)，只要其適用H.264系統(tǒng)，就適用于本系統(tǒng)。
(二)數(shù)字信號被輸送到碼分復(fù)用(CDM)調(diào)制器2，加入糾錯碼，經(jīng)比特交織器交織、擴頻、調(diào)制后進入復(fù)用器復(fù)用a)糾錯編碼所述碼分復(fù)用(CDM)調(diào)制器2包括糾錯編碼模塊，其中糾錯編碼使用高度結(jié)構(gòu)化的低密度奇偶校驗碼(Highly-structured Low Density ParityCheck，HS-LDPC)。低密度奇偶校驗碼(Low Density Parity Check code，LDPC)是一種有稀疏校驗矩陣(校驗矩陣中1的個數(shù)較少)的線性分組碼，具有能夠逼近香農(nóng)極限的優(yōu)良特性，并且由于采用稀疏校驗矩陣，譯碼復(fù)雜度只與碼長成線性關(guān)系，編解碼復(fù)雜度適中，在長碼長的情況下，仍然可以有效譯碼。
HS-LDPC糾錯編碼模塊如圖4所示，其奇偶校驗矩陣模塊H由三個子矩陣模塊H0、H1和H2組成，每個子矩陣模塊又包含了多個單位矩陣模塊I、或者右移(左移)單位矩陣模塊P和S。圖4中空白處表示矩陣模塊的元素取值為0。
針對參數(shù)和性能的要求，HS-LDPC碼糾錯編碼模塊通過選擇圖4中的單位矩陣模塊右移(或左移)次數(shù)，可以獲得合適的奇偶校驗矩陣模塊，從而獲得合適的HS-LDPC碼。
根據(jù)參數(shù)和性能要求，獲得合適的奇偶校驗矩陣的過程如下首先，根據(jù)參數(shù)如碼率、碼長的要求，確定奇偶校驗矩陣中單位矩陣的個數(shù)和單位矩陣的大?。黄浯?，根據(jù)性能如誤碼率門限、錯誤地板的要求，隨機右移或左移奇偶校驗矩陣中的單位矩陣，然后計算右移或左移單位矩陣后的奇偶校驗矩陣對應(yīng)的HS-LDPC碼的環(huán)長(girth)。環(huán)長(girth)是指HS-LDPC碼對應(yīng)的雙向圖(或稱Tanner圖)中從一個結(jié)點出發(fā)后第一次回到該結(jié)點的路途中經(jīng)歷的最小邊(edge)數(shù)目。一般情況下，環(huán)長越大，HS-LDPC碼性能越好。
第三、不斷重復(fù)第二步，直至獲得最大的環(huán)長，就可獲得性能優(yōu)秀的HS-LDPC碼；或者，獲得合適的環(huán)長大小，進而獲得合適的HS-LDPC碼，如錯誤地板和誤碼率門限的折衷結(jié)果。
例如，生成一個碼率為1/2、碼長為9036的HS-LDPC碼的方法和過程如下首先，根據(jù)碼率R＝1-j/k＝1/2(其中j為列重量，k為行重量)，可以計算得到列重量j為3，即HS-LDPC編碼矩陣H中任意一列上元素1的個數(shù)為3；行重量k為6，即HS-LDPC編碼矩陣H中任意一行上元素的個數(shù)為6；其次，根據(jù)碼長N＝L*k*k＝9036(其中，L為單位矩陣)，可以得到單位矩陣大小為L×L＝251×251。
第三，根據(jù)圖4中的HS-LDPC編碼矩陣H結(jié)構(gòu)，由于列重量j為3，所以HS-LDPC編碼矩陣H由子H0，H1和H2構(gòu)成，根據(jù)所述碼長的計算公式N＝L*k*k可知，其中H0，H1和H2分別由6個方塊組成，每個方塊有6個單位矩陣，其構(gòu)成了一個6×6的單位矩陣塊，對其中的每個單位矩陣進行隨機左移或右移，然后計算該校驗矩陣對應(yīng)的HS-LDPC碼的環(huán)長大小，若不滿足性能要求，繼續(xù)右移或左移其中的單位矩陣，直至獲得合適的HS-LDPC碼環(huán)長大小，即可獲得了合適的HS-LDPC碼。
其中，單位矩陣右移方法可說明如下，左移方法同理單位矩陣I4×4表示為I4×4=1000010000100001]]>用T表示右循環(huán)移位的算子，Tu(I)表示將單位矩陣I向右循環(huán)移動u列。例如，T2(I4×4)=0010000110000100]]>這里，u為2。
基于以上原理，可以獲得一個性能較優(yōu)的HS-LDPC碼對應(yīng)的校驗矩陣H其中，子矩陣H0中單位矩陣右循環(huán)移位參數(shù)都設(shè)置為0，即不移位；表1給出了精選出的H1子矩陣中每個單位矩陣的右循環(huán)移位數(shù)；表2列出了H2中單位矩陣根據(jù)性能評估精選出的右移位數(shù)。
表1H1子矩陣中每個單位矩陣右移位數(shù)表 表2H2子矩陣中每個單位矩陣右循環(huán)移位數(shù)表 HS-LDPC碼的編碼方法可以采用低復(fù)雜度的LU矩陣分解方法，或者其它編碼算法；其譯碼算法可以采用部分并行的置信傳播譯碼方法，或者其它譯碼方法。
若HS-LDPC碼的碼長、碼率等參數(shù)不能直接與圖4中的結(jié)構(gòu)相對應(yīng)，可以采用添加冗余比特或者打孔等方法來匹配參數(shù)。
進一步，也可以去掉或添加圖4中HS-LDPC碼的校驗矩陣結(jié)構(gòu)中的某幾行或某幾列，生成非規(guī)則HS-LDPC碼，從而達到提高性能的目的。
HS-LDPC編碼采用前向糾錯保護方案，可以分為短HS-LDPC碼，如表3所示，和長HS-LDPC碼，如表4所示。
表3短HS-LDPC編碼的一些參數(shù)

表4長HS-LDPC編碼的一些參數(shù)

其中，每個表中第1列表示不同的編碼模式，第2列是編碼前的比特數(shù)，第3列是編碼后的比特數(shù)。
b)比特交織比特交織器如圖8所示，是為了對抗多徑信道中的信號衰落，交織器對輸入的比特流進行重新排列交織的一種交織模塊。
如圖7所示，比特交織器以51比特為單位工作。51比特中的第1比特延遲為0，第2比特延遲為51×17×m，第3比特延遲為51×34×m，第4比特延遲為51×1×m，……，第49比特延遲為51×16×m，第50比特延遲為51×33×m，第51比特延遲為51×50×m。其中，m為整數(shù)，其取值如表5所示。
比特交織器采用三組比特的卷積交織。
針對不同廣播信道，比特交織器的時延可以通過導(dǎo)頻信道中的導(dǎo)頻數(shù)據(jù)，從表5中定義的8種可能的位置中選擇。本實施例中，選擇位置5，這樣比特交織器時延大約為3.257秒，可以恢復(fù)1.2秒的接收信號中斷。
表5比特交織可供選擇的位置

c)擴頻調(diào)制復(fù)用在本發(fā)明的碼分復(fù)用(CDM)調(diào)制器2中，碼片速率為16.384MHZ，處理增益為64。擴頻序列和擾碼序列分別采用了64位長的沃爾什(Walsh)編碼和長為2048比特的截短M序列，其中擾碼序列通過截短由12級反饋移位寄存器產(chǎn)生的4095比特的最大長度序列得到。
如圖3所示。編碼、交織后的負(fù)載數(shù)據(jù)分解為I/Q兩路，分別進行64位的沃爾什(Walsh)碼擴頻、然后用偽隨機序列加擾，即一個數(shù)據(jù)序列首先轉(zhuǎn)換為I和Q兩路串行比特流，然后，每路I和Q數(shù)據(jù)經(jīng)過相同且唯一對應(yīng)的沃爾什(Walsh)編碼(No.n)序列擴頻和截短M序列擾碼，即初始的I和Q序列擴頻后與擾碼序列進行模2相加。
理論上，因為采用了64位長的Walsh編碼，系統(tǒng)碼分復(fù)用(CDM)信道復(fù)用數(shù)量可達64個。通常，對其中的30個CDM信道進行了復(fù)用，在多路徑環(huán)境下取得了穩(wěn)定的接收效果。
最后進行QPSK調(diào)制后多路疊加在一起，如圖5所示QPSK映射中，輸入比特序列以每2比特為一個單位映射為一個QPSK符號。2比特中的第1比特映射為I路，第2比特映射為Q路，每路均將0映射為+1，1映射為-1。
把擴頻碼調(diào)制成QPSK信號，每個信號以沃爾什(Walsh)編碼為特征，在相同頻段內(nèi)復(fù)用起來。
有效載荷數(shù)據(jù)通過廣播信道傳輸?shù)耐瑫r，系統(tǒng)還增加一個導(dǎo)頻信道，傳輸系統(tǒng)的導(dǎo)頻數(shù)據(jù)，以簡化接收機同步。導(dǎo)頻數(shù)據(jù)在高度結(jié)構(gòu)化的低密度奇偶校驗碼(HS-LDPC)編碼后不進行交織，與導(dǎo)頻符號一起送入如圖3所示的碼分復(fù)用(CDM)擴頻調(diào)制模塊。
導(dǎo)頻信道有三個功能。首先它傳送用于幀同步的唯一特征字和用于超幀同步的幀計數(shù)器；第二傳送導(dǎo)頻符號；第三傳送增強接收機功能的導(dǎo)頻數(shù)據(jù)。
其中，所述的幀和超幀中，PS是導(dǎo)頻符號，D1是特征字，D2是幀計數(shù)器，其他是導(dǎo)頻字。
導(dǎo)頻符號作為嵌入導(dǎo)頻信道的特殊數(shù)據(jù)，由32位的連續(xù)數(shù)據(jù)1組成。借助于這些導(dǎo)頻符號，接收機可以對接收信號的輪廓進行分析(路徑搜索分析)，從而實現(xiàn)瑞克(RAKE)接收機功能。
在圖10所示的短HS-LDPC碼系統(tǒng)導(dǎo)頻信道中，32bit的導(dǎo)頻符號和32比特的數(shù)據(jù)符號交替?zhèn)鬏?。每個導(dǎo)頻符號和數(shù)據(jù)符號構(gòu)成一個傳輸塊，長度為250us。每51個傳輸塊構(gòu)成一幀，長度為12.750ms。每6幀構(gòu)成一超幀，長度為76.5ms。
在圖11所示的長HS-LDPC碼系統(tǒng)導(dǎo)頻信道中，32bit的導(dǎo)頻符號和32比特的數(shù)據(jù)符號交替?zhèn)鬏?。每個導(dǎo)頻符號和數(shù)據(jù)符號構(gòu)成一個傳輸塊，長度為250us。每153個傳輸塊構(gòu)成一幀，長度為38.250ms。每6幀構(gòu)成一超幀，長度為229.5ms。
在本實施例中，導(dǎo)頻符號每隔250μs被插入傳輸一次，如果采用短HS-LDPC碼的系統(tǒng)，一個傳輸幀的周期為12.750ms，是導(dǎo)頻符號間隔期的51倍；如果采用長HS-LDPC碼的系統(tǒng)，一個傳輸幀的周期為38.250ms，是導(dǎo)頻符號間隔期的153倍。第一個符號D1(4字節(jié)或32位)不同于導(dǎo)頻符號，是唯一的特征字。
為了提高路徑搜索分析的準(zhǔn)確性，導(dǎo)頻信道比廣播信道需要更大的功率。通常，導(dǎo)頻信道信號功率為廣播信道的兩倍。
如圖3所示。編碼導(dǎo)頻數(shù)據(jù)分解也被分為I/Q兩路，分別進行64倍的沃爾什(Walsh)碼擴頻、然后用偽隨機序列加擾，最后進行QPSK調(diào)制后多路疊加在一起。每個信號以沃爾什(Walsh)編碼為特征，在相同頻段內(nèi)復(fù)用起來。
另一方面，一個導(dǎo)頻信道和數(shù)個廣播信道組成了如圖2所示的完整CDM調(diào)制廣播系統(tǒng)。多個廣播信道和除導(dǎo)頻符號、幀同步符號和幀計數(shù)器以外的導(dǎo)頻信道數(shù)據(jù)流使用QPSK對內(nèi)容進行調(diào)制，與此同時，被輸入導(dǎo)頻信道數(shù)據(jù)流的導(dǎo)頻符號、幀同步符號和幀計數(shù)器使用BPSK調(diào)制。如圖6所示BPSK映射中，每比特映射為一個BPSK符號。0在I路和Q路均映射為+1，1在I路和Q路均映射為-1。
(三)發(fā)射廣播接收發(fā)射信號通過均方根升余弦濾波器濾波，滾降系數(shù)為0.22。輸出到Ku波段發(fā)射機3，Ku波段發(fā)射機3向衛(wèi)星4發(fā)送信號，本發(fā)明的廣播系統(tǒng)可以以各種帶寬頻率發(fā)射，優(yōu)選為2630-2655MHz，基本帶寬為25MHz。
信號首先通過衛(wèi)星業(yè)務(wù)上行信道(例如14GHz頻段)以圓極化方式從上行鏈路地面站傳到廣播衛(wèi)星4上，在衛(wèi)星4上又把信號從14GHz轉(zhuǎn)換到2.6GHz，然后衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器將2.6GHz信號放大到所需的水平，最后通過大型衛(wèi)星發(fā)射天線向業(yè)務(wù)區(qū)進行廣播。
衛(wèi)星信號經(jīng)過衛(wèi)星4廣播后，碼分復(fù)用解調(diào)器7接收到信號，檢測要收的節(jié)目，解復(fù)用后用QPSK解調(diào)或者QPSK與BPSK相結(jié)合解調(diào)，得到數(shù)據(jù)流，經(jīng)過擴頻解碼，解交織，高度結(jié)構(gòu)化的低密度奇偶校驗碼糾錯解碼，然后用信源解碼器8解碼，最后輸出信號。
衛(wèi)星廣播的信號由接收裝置接收，經(jīng)過自動增益控制(AGC)調(diào)整、同步、頻偏估計與調(diào)整、信道估計、瑞克(Rake)接收，輸出衛(wèi)星信號。
碼分復(fù)用解調(diào)器7從接收到廣播信號到最后輸出數(shù)字信號給信源解碼器8的過程，實際上的碼分復(fù)用調(diào)制器2的逆過程，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)碼分復(fù)用調(diào)制器2的編碼調(diào)制過程完成本發(fā)明的解碼過程，因此，在本申請說明書中，不再一一詳細描述解碼過程。
在本實施例中，QPSK和BPSK解調(diào)也可以用相干相位檢測解調(diào)。
在2.6GHz頻段進行傳播的主要問題是直射路徑的遮蔽和阻擋，特別是在移動接收中，這種遮蔽和阻擋表現(xiàn)為在運動接收過程中，接收信號中的噪聲突然加強，最長持續(xù)時間可達約1秒。
為了解決這一問題，本發(fā)明在接收數(shù)字信號的碼分復(fù)用解調(diào)器7中使用比特解交織器對抗小物體引起的遮蔽和阻擋。
比特解交織器如圖9所示，是比特交織器的逆過程。它在恢復(fù)發(fā)送序列順序的同時，將衰落信道中長時間的連續(xù)錯誤重新排列成隨機的短突發(fā)錯誤，從而方便高度結(jié)構(gòu)化的低密度奇偶校驗碼(HS-LDPC)解碼器進行糾錯解碼。
比特解交織器是比特交織器的逆過程。在與比特交織器同步后，以51比特為單位工作。51比特中的第1比特延遲為51×50×m，第2比特延遲為51×33×m，第3比特延遲為51×16×m，第4比特延遲為51×49×m，……，第49比特延遲為51×34×m，第50比特延遲為51×17×m，第51比特延遲為0。其中，m為整數(shù)，其取值如表5所示。
使用比特解交織器以后，突發(fā)噪聲被分散到幾秒的時間中去，憑借系統(tǒng)的糾錯能力就能夠處理直射路徑的遮蔽和阻擋問題。
在系統(tǒng)設(shè)計中，還可以增加使用補點器6，補點器6用于轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星信號，采用圓極化或者線極化方式廣播，可覆蓋被大樓等大型建筑物遮擋的區(qū)域。
這時，衛(wèi)星上行也可以使用不同的信號，例如11GHz頻率，經(jīng)過發(fā)射機3發(fā)送的衛(wèi)星4上，利用衛(wèi)星天線5接收。
但是，當(dāng)兩路以上廣播的信號(如11GHz和2.6GHz)同時被接收時，多徑衰落效應(yīng)就出現(xiàn)了，如果沒有該轉(zhuǎn)發(fā)器，就不能正確地接收信號。本發(fā)明的廣播系統(tǒng)采用碼分復(fù)用(CDM)技術(shù)來保證對多徑衰落信號的穩(wěn)定接收，并借助瑞克(RAKE)技術(shù)和接收機上的天線分集，接收機在多徑衰落環(huán)境下的性能有望得到大幅度提升。
瑞克(RAKE)接收機能夠分辨出多徑中每一徑的幅值、相位和延遲，通過針對多徑的解擴與合并收集多徑中的信號能量，從而實現(xiàn)更好的接收。天線分集則是在接收機上使用多根天線，每個天線上接收到的信號不相關(guān)。從不同天線上接收到不相關(guān)的信號，可以避免單天線接收時深衰落的影響，從而實現(xiàn)更好的接收效果。
當(dāng)衛(wèi)星天線5接收到信號后，首先輸出給補點器6，減輕由遮蔽和阻擋引起的信號衰落，保證穩(wěn)定接收。
針對不同的遮擋方式設(shè)計了兩種類型的補點器6，即直接放大型補點器和頻率轉(zhuǎn)換型補點器。
直接放大型補點器只能對2.6GHz頻段的衛(wèi)星廣播信號進行放大。為了避免發(fā)射和接收天線之間耦合效應(yīng)引起的不必要的振蕩，這種補點器的增益放大倍數(shù)受到限制，只能覆蓋最遠距離為500米的視距區(qū)域。
相比之下，頻率轉(zhuǎn)換型補點器可以對半徑3公里的較大區(qū)域進行覆蓋，但是衛(wèi)星上行信號使用不同于2.6GHZ的頻率，例如11GHz頻率。
本發(fā)明所述的補點器6也可以是聚光型補點器，該補點器能改善多路徑的環(huán)境，可以根據(jù)目標(biāo)覆蓋區(qū)的實際情況在直接放大或者頻率轉(zhuǎn)換兩種模式之間選取。
系統(tǒng)的主要廣播節(jié)目內(nèi)容首先提供高質(zhì)量的聲音業(yè)務(wù)，還提供包括數(shù)字廣播在內(nèi)的多媒體業(yè)務(wù)。
聽眾或者觀眾可以用低方向性小天線接收衛(wèi)星4廣播信號，但為了保證移動接收有足夠的等效全向輻射功率，衛(wèi)星4需要配備大功率的轉(zhuǎn)發(fā)器和大型發(fā)射天線。
在本發(fā)明的廣播系統(tǒng)中，不同的廣播商對各自信號可以使用不同的正交編碼使各自的節(jié)目之間互相獨立。同時，由于碼分復(fù)用(CDM)信號分布在較寬頻帶上，所以每單位帶寬上的功率流密度(PFD)相對較低，信號更容易傳輸，也更能很好地被接收。
本實施例是為了使審查員更好地理解本發(fā)明進行的詳細的描述，并不是對本發(fā)明所保護的范圍的限定，因此，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員不脫離本發(fā)明的主旨未經(jīng)創(chuàng)造性勞動而對本明所做的改變在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字衛(wèi)星廣播系統(tǒng)，包括信源編碼器(1)、發(fā)射機(3)、衛(wèi)星(4)、信源解碼器(8)，其特征在于，還包括碼分復(fù)用調(diào)制器(2)，用于糾錯編碼，比特交織，擴頻，調(diào)制和復(fù)用；碼分復(fù)用解調(diào)器(7)，用于與所述碼分復(fù)用調(diào)制器(2)相對應(yīng)的解復(fù)用，解調(diào)，解擴頻碼，解比特交織，解糾錯編碼；所述碼分復(fù)用調(diào)制器(2)包括高度結(jié)構(gòu)化的低密度奇偶校驗碼糾錯編碼模塊，用于數(shù)字信號糾錯編碼；所述碼分復(fù)用解調(diào)器(7)包括高度結(jié)構(gòu)化的低密度奇偶校驗碼糾錯解碼模塊，用于數(shù)字信號糾錯解碼；碼分復(fù)用調(diào)制器(2)中的高度結(jié)構(gòu)化的低密度奇偶校驗碼糾錯編碼模塊對數(shù)字信號進行糾錯編碼；碼分復(fù)用調(diào)制器(2)對糾錯編碼后的數(shù)字信號，經(jīng)過交織、擴頻、調(diào)制后，在相同頻段內(nèi)復(fù)用起來，輸出調(diào)制后的數(shù)字信號；調(diào)制后數(shù)字信號通過發(fā)射機(3)發(fā)射到衛(wèi)星(4)，衛(wèi)星(4)把信號轉(zhuǎn)換、放大到所需的水平，向業(yè)務(wù)區(qū)廣播；碼分復(fù)用解調(diào)器(7)接到衛(wèi)星信號，經(jīng)過解復(fù)用、解調(diào)制、解擴頻、解交織，輸出解調(diào)數(shù)字信號；輸出數(shù)字信號通過高度結(jié)構(gòu)化的低密度奇偶校驗碼糾錯解碼模塊對數(shù)字信號進行糾錯解碼，輸出解調(diào)數(shù)字信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字衛(wèi)星廣播系統(tǒng)，其特征在于，還包括衛(wèi)星天線(5)和補點器(6)；所述衛(wèi)星(4)把信號向業(yè)務(wù)區(qū)廣播后，衛(wèi)星天線(5)與補點器(6)接收衛(wèi)星信號，再利用補點器(6)進行轉(zhuǎn)發(fā)到碼分復(fù)用解調(diào)器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的數(shù)字衛(wèi)星廣播系統(tǒng)，其特征在于，所述高度結(jié)構(gòu)化的低密度奇偶校驗碼為短高度結(jié)構(gòu)化的低密度奇偶校驗編碼或者長高度結(jié)構(gòu)化的低密度奇偶校驗編碼中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的數(shù)字衛(wèi)星廣播系統(tǒng)，其特征在于，所述碼分復(fù)用調(diào)制器(2)有比特交織器，沃爾什碼擴頻模塊、截短M序列擾碼模塊和四相相移鍵控調(diào)制模塊；所述碼分復(fù)用解調(diào)器(7)有比特解交織器，沃爾什碼擴頻解碼模塊、截短M序列解擾模塊、四相相移健控解調(diào)模塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的數(shù)字衛(wèi)星廣播系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)字信號包括廣播信道數(shù)字信號和導(dǎo)頻信道數(shù)字信號；所述碼分復(fù)用調(diào)制器(2)還包括二相相移鍵控調(diào)制模塊，用于調(diào)制導(dǎo)頻信道數(shù)字信號；所述碼分復(fù)用解調(diào)器(7)還包括二相相移鍵控解調(diào)模塊，用于解調(diào)接收到的導(dǎo)頻信道信號；導(dǎo)頻信道數(shù)字信號中的導(dǎo)頻符號、幀同步符號和幀計數(shù)器使用二相相移鍵控調(diào)制；廣播信道和除導(dǎo)頻符號、幀同步符號和幀計數(shù)器以外的導(dǎo)頻信道數(shù)字信號使用四相相移鍵控調(diào)制。
6.一種數(shù)字信號糾錯編碼系統(tǒng)，其特征在于，包括高度結(jié)構(gòu)化的低密度奇偶校驗碼糾錯編碼模塊，用于數(shù)字信號糾錯編碼。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的數(shù)字信號糾錯編碼系統(tǒng)，其特征在于，所述高度結(jié)構(gòu)化的低密度奇偶校驗碼糾錯編碼模塊由多個子矩陣模塊組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的數(shù)字信號糾錯編碼系統(tǒng)，其特征在于，所述子矩陣模塊包括多個單位矩陣模塊、右移單位矩陣模塊或者左移單位矩陣模塊中的一種或者一種以上相結(jié)合。
9.一種如權(quán)利要求1所述的數(shù)字衛(wèi)星廣播系統(tǒng)的數(shù)字信息傳輸方法，其特征在于，包括如下步驟步驟一多個信道的數(shù)據(jù)信號被輸送到信源編碼器(1)后被編成符合制式要求的數(shù)字信號，送入碼分復(fù)用調(diào)制器(2)；步驟二碼分復(fù)用調(diào)制器(2)中的高度結(jié)構(gòu)化的低密度奇偶校驗碼糾錯編碼模塊對數(shù)字信號進行糾錯編碼；步驟三碼分復(fù)用調(diào)制器(2)對糾錯編碼后的數(shù)字信號，經(jīng)過交織、擴頻、調(diào)制后，在相同頻段內(nèi)復(fù)用起來，輸出調(diào)制后的數(shù)字信號；步驟四調(diào)制后數(shù)字信號通過發(fā)射機(3)發(fā)射到衛(wèi)星(4)，衛(wèi)星(4)把信號轉(zhuǎn)換、放大到所需的水平，向業(yè)務(wù)區(qū)廣播；步驟五碼分復(fù)用解調(diào)器(7)接到衛(wèi)星信號，經(jīng)過解復(fù)用、解調(diào)制、解擴頻、解交織，輸出解調(diào)數(shù)字信號；步驟六輸出數(shù)字信號通過高度結(jié)構(gòu)化的低密度奇偶校驗碼糾錯解碼模塊對數(shù)字信號進行糾錯解碼，輸出解調(diào)數(shù)字信號；步驟七解調(diào)數(shù)字信號送入信源解碼器(8)譯碼后傳輸?shù)接脩魪V播設(shè)備上。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的數(shù)字信息傳輸方法，其特征在于，所述信道為包括多個廣播信道和一個導(dǎo)頻信道。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的數(shù)字信息傳輸方法，其特征在于，所述交織為比特交織；所述擴頻與擾碼為沃爾什碼擴頻和截短M序列擾碼；所述調(diào)制為四相相移鍵控調(diào)制。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的數(shù)字信息傳輸方法，其特征在于，所述廣播信道和除導(dǎo)頻符號、幀同步符號和幀計數(shù)器以外的導(dǎo)頻信道數(shù)據(jù)流使用四相相移鍵控調(diào)制；被輸入導(dǎo)頻信道數(shù)據(jù)流的導(dǎo)頻符號、幀同步符號和幀計數(shù)器使用二相相移鍵控調(diào)制。
13.一種數(shù)字信號糾錯編碼方法，其特征在于，根據(jù)參數(shù)和性能的要求，高度結(jié)構(gòu)化的低密度奇偶校驗碼糾錯編碼模塊通過單位矩陣模塊右移或者左移次數(shù)，獲得合適的高度結(jié)構(gòu)化的奇偶校驗矩陣模塊，從而獲得合適的高度結(jié)構(gòu)化的低密度奇偶校驗碼。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的數(shù)字信號糾錯編碼方法，其特征在于，所述編碼方法可以采用低復(fù)雜度的LU矩陣分解方法。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的數(shù)字信號糾錯編碼方法，其特征在于，可以采用添加冗余比特或者打孔方法來匹配所述參數(shù)。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的數(shù)字信號糾錯編碼方法，其特征在于，可以去掉或添加校驗矩陣結(jié)構(gòu)中的某幾行或某幾列，生成非規(guī)則低密度奇偶校驗碼，從而達到提高性能的目的。
全文摘要
數(shù)字衛(wèi)星廣播系統(tǒng)及傳輸方法、糾錯編碼系統(tǒng)及方法。其包括信源編碼器(1)、碼分復(fù)用(CDM)調(diào)制器(2)、發(fā)射機(3)、衛(wèi)星(4)、碼分復(fù)用(CDM)解調(diào)器(7)、信源解碼器(8)，所述碼分復(fù)用(CDM)調(diào)制器(2)包括高度結(jié)構(gòu)化的低密度奇偶校驗碼(HD－LDPC)糾錯編碼模塊；所述碼分復(fù)用解調(diào)器(7)包括高度結(jié)構(gòu)化的低密度奇偶校驗碼糾錯解碼模塊。當(dāng)多個信道的數(shù)字信號經(jīng)信源編碼器(1)編制后，送入碼分復(fù)用(CDM)調(diào)制器(2)經(jīng)過糾錯編碼、交織、擴頻、調(diào)制后，在相同頻段內(nèi)復(fù)用起來，通過發(fā)射機(3)發(fā)射到衛(wèi)星(4)，衛(wèi)星(4)向業(yè)務(wù)區(qū)廣播，碼分復(fù)用解調(diào)器(7)接到衛(wèi)星信號，經(jīng)過解復(fù)用、解調(diào)制、解擴頻、解交織，解糾錯編碼，輸出到用戶廣播設(shè)備上。系統(tǒng)降低衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸?shù)男旁氡?，為用戶提供高質(zhì)量的音頻和視頻。
文檔編號H04N7/20GK1917399SQ20051009067
公開日2007年2月21日 申請日期2005年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月18日
發(fā)明者葛啟宏, 陶濤, 宋揮師, 楊慶華, 解偉 申請人:北京泰美世紀(jì)科技有限公司