用于在分层调制方案中提供信号捕获和帧同步的方法和设备.pdf

提供一种在数字广播系统利用低密度奇偶校验(LDPC)码来支持信号捕获和帧同步的方法。利用分层调制来提供后向兼容，由此用LDPC编码对下层信号编码。接收一个信号，由此根据包括上层和下层的分层调制方案调制所述信号。所述信号包括数据模式和编码帧。去除接收信号在上层调制中的相关性。使去除调制的信号与多种预定的数据模式相互关联以确定所述信号的数据模式。基于所确定的数据模式来获得编码帧的码速率。上述设置尤其适合于数字卫星广播系统。

1.  一种用于在通信系统(100)中产生分层调制信号的方法，所述方法包括步骤：
接收一个上层数据流和一个下层数据流；
通过在所述下层数据流的前面插入一个由码速率决定的数据模式修改所述下层数据流；
将所述上层数据流和所述经修改的下层数据流组合在一起；以及
基于所述组合的数据流选择多个分层信号构象点中的一个。

2.  根据权利要求1的方法，其中所述数据模式是多个数据模式中之一，每一个数据模式具有相同的长度。

3.  根据权利要求1的方法，其中根据低密度奇偶校验(LDPC)编码对所述下层数据流编码。

4.  根据权利要求3的方法，其中根据卷积编码对所述上层数据流编码。

5.  根据权利要求1的方法，其中根据第一调制方案对所述上层数据流进行调制，而根据第二调制方案对所述下层数据流进行调制，其中所述第一调制方案比所述第二调制方案高级。

6.  根据权利要求5的方法，其中所述第一调制方案是正交相移键控(QPSK)，而所述第二调制方案是二相相移键控(BPSK)。

7.  根据权利要求1的方法，所述数据模式包括：

用于在分层调制方案中提供 信号捕获和帧同步的方法和设备
技术领域
本发明涉及通信系统，尤其涉及数字通信系统。
背景技术
自从经由卫星的数字视频广播(DVB-S)标准的出现到现在数字卫星视频广播已经在全世界获得巨大成功。然而，DVB-S是基于标准初期可用的技术发展水平；这些技术现在已经过时。随着信号处理技术的发展-尤其是，在纠错编码上的突破-可能出现更多的利用频谱和卫星功率的有效方式。不幸的是，将任何新技术引入到成功的平台上都可能需要承受服务中断和承担替换遗留设备的巨大费用。在这种情形下，已经存在基于DVB-S部署的无数接收机。要替换这些设备是令人惊骇的，将花费数十亿美元。因此，需要一个能够提供从现有平台到下一代系统的平滑的、成本有效的过渡的机制。
公认为分层调制能提供这样的机制，它将信号构象(constellation)构造成两层：一层(上层)符合遗留技术(因此符合遗留设备)，另一层(下层)支持新业务。在这样的配置中，既可用遗留设备又可用新设备接收上层信号。重要的是，这将不中断遗留业务，而且为享受附加业务新设备两层都能接收。另一方面，这种方法相比非后向兼容方案频谱和/或功率效率要低。而且，新的接收设备将需要配置非后向兼容模式。随着遗留设备的逐步淘汰，系统可逐步向非后向兼容的模式过渡，也许是以一个转发器到一个转发器的逐个过渡为基础。
在使用分层调制的系统里，快速而有效的信号捕获和帧同步面临挑战。传统上，对于常规的广播和/或使用卷积码的连续传输系统而言，由于解码可在帧同步之前进行所以帧同步并不是人们主要关心的领域。后解码帧同步可从纠错码提供的编码增益中受益。例如，DVB-S标准已经被全世界广泛采用以提供，例如，数字卫星电视节目。传统的遵从DVB的系统使用固定的调制和编码方案。目前，这样的遵从DVB的系统利用正交相移键控(QPSK)调制和级联卷积码以及Reed-Solomon信道编码。给定调制和编码方案是固定的这一事实，以及广播或单播的连续传输特性的事实，对于这些应用可利用简单的帧结构。实际上，唯一的成帧开销是附加到MPEG2(活动图像专家组-2)帧的一个同步(“SYNC”)字节。卷积码和Reed-Solomon编码器像对待其他数据一样对待SYNC字节。在接收方，卷积码首先恢复被通信介质破坏的数据。卷积码可在不了解帧结构的情况下工作。卷积码的输出是高保真的，典型地是误码率低于1×10^-5。由于高保真的输出，与SYNC字节匹配的简单数据能够确定MPEG帧的起点。因此，就可正确的重新组合所传输的数据以传递到下一层。然而，借助分组编码系统，在解码前已经实现帧同步。尤其是当接收机不得不判断在大量调制和编码方案的潜在组合中使用哪一种调制和编码时。现代的纠错编码，例如低密度奇偶校验码，以极低的信噪比工作。这就意味着必须以同样低的信噪比实现这种帧同步。而且，在这种系统里的帧同步不只是要找到一帧的起点和结束点，它还需要确定在该帧中使用的调制和编码方案。
在这些条件下，由于诸如高保真输出的要求不再得到保证，传统的实现帧同步的方法就无法好好工作。
结果，其他方法得到发展，但需要带来大的开销(即，流量的减少)以及接收机复杂度的提高。例如，一种方法建议使用前向纠错编码，诸如Bose Chaudhuri Hocquenghem(BCH)码，以保护帧结构内的成帧信息。在接收端，接收机首先通过相关搜索唯一字。一旦检测到这个唯一字，就会通过最大似然相关解码相干地解码出BCH编码成帧信息。这项技术的缺点在于该唯一字必须很大(即，高开销)。另一个缺点是BCH码的真正的最大似然解码非常复杂。此外具有这些种特征的方案，即，使用训练符号，在分层调制中不能保持后向兼容性。
因此，就需要一种帧同步机制，它在保证与配置的技术和业务后向兼容的同时，不带来大的开销成本地提供快速捕获。还需要一种实现很简单的帧同步方法。还需要提供一种对于提供编码和调制独立性灵活的同步技术。
发明内容
本发明提出了这些和其他的需要，其中提供了一种用以在数字广播系统中利用低密度奇偶校验(LDPC)码对分层调制的下层支持信号捕获和帧同步的方法。利用分层调制来提供后向兼容，由此用LDPC编码来对下层信号进行编码。在一个示范实施例中，上层利用正交相移键控(QPSK)，而下层利用二相相移键控(BPSK)。接收到一个信号，由此根据包括上层和下层的分层调制方案调制所述信号。所述信号包括一个数据模式和一个编码帧。将接收信号在上层调制地相关性去除。使去除调制的信号与多种预定的数据模式相互关联以确定所述信号的数据模式。基于所确定的数据模式获取编码帧的码速率。上述安排有利地提供了快速而可靠的帧捕获而没有额外开销。
根据本发明的实施例的一个方面，公开了一种在通信系统中产生分层调制信号的方法。所述方法包括接收上层数据流和下层数据流；以及通过在下层数据流之前插入一个由码速率决定的数据模式来修改下层数据流。所述方法还包括将上层数据流和经修改的下层数据流组合在一起。而且，所述方法包括基于所组合的数据流从多个分层信号构象点中选出一个。
根据本发明实施例的另一个方面，公开了一种在通信系统中捕获信号的方法。所述方法包括接收根据包括上层和下层的分层调制方案所调制的信号。所述信号包括一个数据模式和一个编码帧。而且，所述方法包括去除接收信号在上层调制上的相关性；以及使所述去除调制的信号和多个数据模式相互关联。所述方法进一步包括确定多个数据模式中哪一个对应所述信号的数据模式；以及基于所确定的一个数据模式获得所述编码帧的码速率。
根据本发明实施例的另一方面，公开了一种在支持分层调制方案的通信系统中产生信号的方法。所述方法包括产生拥有一个具有第一帧结构的上层数据流。所述方法还包括产生一个具有第二帧结构的下层数据流，其中第一帧结构不是第二帧结构的倍数，下层数据流的起点只对应于上层位置的一个子集。而且，所述方法包括输出该信号，其中该信号表示与数据流的组合相关的分层调制方案中的一个构象点。
根据本发明实施例的另一个方面，公开了一种在分层调制方案中捕获帧同步的方法。所述方法包括解码上层信号；以及获取上层信号的帧同步。所述方法还包括启动根据前向纠错码编码的下层信号的帧同步，其中下层信号包括一个嵌入的数据模式。该方法还包括在启动下层的帧同步的步骤之前基于前向纠错码解码下层信号；并搜索嵌入在下层信号中的数据模式。
根据本发明实施例的另一个方面，公开了一种在数字通信系统里支持帧同步的方法。所述方法包括在预定的窗口长度内搜索一帧内的峰值，其中该峰值对应指定根据分层调制方案调制的接收信号的下层信号的不同码速率的多个序列之一所相关的最大相关值。所述方法还包括指定所述峰值为预选值，并验证该预选值。所述方法进一步包括如果所述预选值得到验证就宣布捕获到所述帧。
根据本发明实施例的再一个方面，公开了一种在数字通信系统里支持帧同步的接收机。所述接收机包括在预定的窗口长度内搜索一帧内的峰值的装置，其中所述峰值对应指定根据分层调制方案调制的接收信号的下层信号的不同码速率的多个序列之一所相关的最大相关值。所述接收机还包括用于指定所述峰值为预选值的装置；验证所述预选值的装置；以及如果所述预选值得到验证就宣布捕获到所述帧的装置。
从接下来的只是通过示意许多特殊的实施例和实施方案的详细描述中，仍有本发明的其他方面、特点和优点是显而易见的，这样实施例和实施方案包括预期的用于实现本发明的最佳模式。本发明也可有其他不同的实施例，而且它的若干细节能够在各种各样明显的方面得到修改，所有这些都不脱离本发明的精神和范围。因此，这些附图和描述在本质上被认为是起说明作用的，并非限制作用的。
附图说明
在诸附图中通过举例，而不是通过限制来说明本发明，其中相同的附图标记指示相同单元，且其中：
图1是根据本发明的实施例，为利用低密度奇偶校验(LDPC)码而配置的数字广播系统的示意图；
图2是在图1的系统的数字传输设备中所用的分层构象映射器的示意图；
图3根据本发明的实施例，对分层8-PSK(移相键控)调制的分层构象映射器的示意图。
图4是图2的分层群映射器所用的一个示范信号构象的示意图。
图5是根据本发明的实施例，在下层数据流插入数据模式的过程示意图。
图6A-6C是根据本发明的实施例，展示在图5的过程中用作数据模式的码序列的自相关和互相关特性的图表。
图7是根据本发明的实施例，去除上层调制的模块的示意图。
图8是根据本发明的实施例，用以定位数据模式的峰值搜索检测方案的示意图。
图9是根据本发明的实施例，用以定位数据模式的峰值搜索过程的流程图。
图10是根据本发明的实施例，能够执行各种与信号捕获和帧同步有关的处理过程的计算机系统的示意图。
具体实施方式
这里描述了在数字广播系统中有效地提供信号捕获和帧同步的设备、方法和软件。在下面的描述中，为了说明，列出了许多特定的细节，目的是提供对本发明的详尽的理解。然而，对本领域的技术人员来说很明显的是没有这些特定细节或借助等效安排也可能实施本发明。在其他的例子中，以框图形式展示众所周知的结构和装置是为了避免使本发明不必要地含糊不清。
图1是根据本发明的实施例，为了利用低密度奇偶校验(LDPC)码所配置的数字广播系统的示意图。数字通信系统100包括数字传输设备101，其产生的信号波形通过通信信道103广播到一台或多台调制解调器105。根据本发明的一个实施例，通信系统100是卫星通信系统，除交互式业务外还支持例如音频和视频广播业务。交互式业务包括，例如，电子节目指南(EPGs)、高速互联网接入、交互式广告、电话以及邮件业务。这些交互式业务也包括电视业务，如按次计费、商业电视、视频点播、准视频点播以及音频点播业务。在这样的环境下，调制解调器105是卫星调制解调器。为了提供后向兼容，系统100利用了分层调制方案(如图3详示)。
在这个通信系统100里，传输设备101传输两种不同的数据流，每种数据流代表介质内容(如，音频、视频、原文信息、数据等)；每种可能的信息有相应的信号波形。这些信号波形被通信信道103削弱，或者改变。为了抑制信道103的噪音，传输设备101采用了前向纠错编码。
根据本发明的一个实施例，下层得益于采用如LDPC的前向纠错编码的信道的改进。因此，系统100以空前低的信噪比运行。在由系统100支持的广播应用中，为了避免负面地影响用户的感受，也为了有效地利用系统资源，在低信噪比(SNR)的环境下快速的帧同步是必须的。
图2是在图1系统里的数字传输设备中使用的分层构象映射器的示意图。上层信号处理单元201和下层信号处理单元203在由分层构象映射器205将信号映射到最后的信号构象之前提供基带信号处理。根据本发明的一个实施例，这些单元203、205分别执行前向纠错编码和加扰。组合后的数据流利用实现编码的能力，诸如LDPC码；这种实现编码的能力是在相对低的信噪比下运行的，因此对信号捕获和同步强加了额外的挑战。
根据本发明的实施例，根据上层帧来构成下层帧，使得源于上层帧的成帧信息有助于减小下层帧起点的搜索空间，因此有利地减小了下层帧同步的复杂性。
图3是根据本发明的实施例，分层8-PSK(相移键控)调制的分层构象映射器的示意图。在实现“较新”的系统(或协议)时，可利用分层调制方案(例如，8-PSK)以支持与遗留系统的后向兼容调制；这种方法也适用于经由卫星的数字视频广播(DVB-S)标准，特别是，DVB-S2和DVB-S。作为例子，上层遵循DVB-S，而下层采用DVB-S2格式。在DVB-S接收机被广泛部署的情况下，用设计于适应“较新的”DVB-S2标准的接收机来完全替代这些“较老”或“遗留”接收机是没有成本效益的。在这种方法中，可以部署既遵循DVB-S又遵循DVB-S2的接收机。
如图中所示，将对应接收信号的编码数据流输入到标准的正交相移键控(QPSK)构象映射器301。该QPSK构象映射器301符合DVB-S规范并将二进制信号映射为相角。该角是由系统100的可用功率确定的系统参数。构象映射器301创建一个如图4所示的信号构象。
另外，下层传输另一个不依赖于上层的数据流，由此下层可用二相相移键控(BPSK)来调制。用转换器303将BPSK调制过的数据转换成与预定的角θ有关的相位信息。角θ可基于可用功率来确定。然后通过乘法器305将调制过的上层和下层信号相乘。根据本发明的一个实施例，进一步将相乘后的信号进行脉冲成形。
信号捕获涉及确定是否有下层信号存在。如果提供了下层信号，调制器301确定θ。根据本发明的实施例，用低密度奇偶校验(LDPC)码对下层信号编码。LDPC码典型地相当长，例如每个LDPC编码帧的长度是64800比特。为了正确地解调LDPC码，接收机需要首先实现帧同步。
图4是图2的分层构象映射器所用的示范性的信号构象的示意图。如图4所示，下面画线的两个比特代表上层。构象400从上层选择两比特并从下层选择1个比特以选出分层构象点的其中一个点。公认的是也可利用其它等效标记的构象；例如，可基于Gray标记为构象作标记。在任何配置中，为了保持后向兼容，上层以由特殊的遗留系统(例如，DVB-S系统)所定义的方式来映射。
在上述安排下，上层可以用任何使用传统数字接收机设计技术的遗留接收机来接收。实际上，上层接收机没有必要知道下层的存在。接收信号在被传送到上层前向纠错编码之前对于上层来说是定时和载波相位同步的。由于下层经受同样的定时和载波相位损失，下层具有获得上层的定时和载波相位同步的好处。
在下层LDPC解码器工作之前，必须获得包括LDPC编码帧的起点和LDPC码的码速率的LDPC码的成帧信息。这方面与上层处理过程很不相同。首先，下层以低信噪比运行，典型地是，Es/No低于0dB。其次，下层需要恢复成帧信息以继续进行LDPC解码，然而可以首先对上层解码，因为卷积编码可不使用任何成帧信息进行自同步。这就暗示上层成帧恢复能够得益于前向纠错编码的编码增益。相反，下层不能从编码增益中获益。而且，为了保持后向兼容，在下层必须严格携带下层的任何成帧信息。在任何给定的传输阶段，上层和下层都被用来确定将要传输的信号点；因此，就不能使用用来训练下层的已知信号点的传输。
在本发明的一个实施例中，为了便于帧同步，将周期性的数据模式插入到下层流中。这种周期性的数据模式随着LDPC的码速率变化而变化。
图5是根据本发明的实施例，将数据模式插入到下层数据流的过程的示意图。LDPC编码帧501在由码速率决定的数据模式503之前以形成下层所要传输的数据。因为数据模式实质上携带了成帧信息，所以这种模式的结构必然展示出良好的自相关和互相关特性。对于定位LDPC编码帧的起点来说，良好的自相关特性对数据模式的检测非常关键。另外，良好的互相关特性对可靠的恢复成帧信息非常关键。
数据模式的合理设计方面的另一个因素是长度。很明显，从减少系统开销的观点来看，较短的数据模式将带来更大的效率。因此，在系统开销和性能之间要采取折衷。在一个实施例中，选择90比特的数据模式与图3的映射器301一起使用，用以在系统开销成本和性能收益之间提供好的平衡。
在示范性实施例中，展示出良好的自相关和互相关特性的四种不同的序列或数据模式，如下表1所定义：