使用16态格编码的数字电视发射器和接收器.pdf

提供一种基于高级电视系统委员会(ATSC)A/53的残余边带(VSB)数字电视(DTV)发射器和接收器及其方法。本发明提供8－VSB DTV发射器和接收器及其方法：其发射和接收包括常规数据和健壮数据的双信号流，当数据流包括健壮数据时通过包括用于对健壮数据执行16态格编码的编码单元，不管常规数据与健壮数据的比率如何都不增加平均功率等级，从而可以提高接收器的接收性能。

1.  一种数字电视(DTV)发射器，包含：
输入装置，用于接收包括常规数据和健壮数据的数字视频数据流；
编码装置，用于把数字视频数据流编码成数据符号；
发射装置，用于调制和发射编码装置的输出信号；
其中编码装置对健壮数据执行16态格编码。

2.  如权利要求1所述的DTV发射器，其中编码装置把常规数据映射到{-7，-5，-3，-1，1，3，5，7}中的任一个数据符号。

3.  如权利要求1所述的DTV发射器，其中编码装置包括：
健壮编码器，用于把健壮数据编码成2比特数据符号；和
格编码器，用于基于该2比特数据符号，输出以3比特表示的预定级中任一级的数据符号。

4.  如权利要求3所述的DTV发射器，其中健壮编码器以下述方式编码2比特数据符号，该方式中格编码器的输出符号级和随后状态分别与表所示相同：



5.  如权利要求3所述的DTV发射器，其中健壮编码器以下述方式编码2比特数据符号，该方式中格编码器的输出符号等级和随后状态分别与表所示相同：



6.  如权利要求3到5中任一个所述的DTV发射器，其中编码装置还包括：
数据随机化器，用于随机化输入装置的输出信号；
里德所罗门(RS)编码器，用于对数据随机化器的输出信号执行RS编码；
健壮交织器/分组格式化器，用于在RS编码器的输出信号中只交织健壮数据，并基于健壮数据编码率将经交织的健壮数据重组为健壮数据分组；和
数据交织器，用于交织健壮交织器/分组格式化器的输出信号。

7.  一种数字电视(DTV)接收器，包括：
接收装置，用于接收包括常规数据和健壮数据的发射信号，并把接收到的发射信号转化为基带信号；
均衡装置，用于确定发射信号的符号级；
格译码装置，用于对已经确定了级的符号执行格译码；和
译码装置，用于输出关于格译码的信号的数字视频数据流；
其中格译码装置对健壮数据执行16态格编码。

8.  如权利要求7所述的DTV接收器，其中格译码装置以如下方式把确定的符号级译码为2比特数据符号，在该方式中健壮数据的符号级和随后状态分别与表中所示相同：



9.  如权利要求7所述的DTV接收器，其中格译码装置以如下方式把确定的符号级译码为2比特数据符号，在该方式中符号级和随后状态分别与表中所示相同：



10.  如权利要求7到9中任一个所述的DTV接收器，其中译码装置包括：
数据去交织器，用于去交织从格译码装置输出的信号；
分组格式化器/健壮去交织器，用于把从数据去交织器输出的信号中的健壮数据重组为包括信息数据的健壮数据分组，并去交织重组的健壮数据分组；
里德所罗门(RS)译码器，用于对分组格式化器/健壮去交织器的输出信号执行RS译码；
数据去随机化器，用于去随机化RS译码器的输出信号；和
去复用器，用于去复用数据去随机化器的输出信号。

11.  一种数字电视(DTV)发射方法，包括步骤：
a)输入包括常规数据和健壮数据的数字视频数据流；
b)把数字视频数据流编码成数据符号；和
c)调制并发送编码步骤b)的输出信号；
其中在编码步骤b)中，对健壮数据执行16态格编码。

12.  如权利要求11所述的DTV发射方法，其中在编码步骤b)中，常规数据被映射到{-7，-5，-3，-1，1，3，5，7}中的任一个数据符号。

13.  如权利要求11所述的DTV发射方法，其中编码步骤b)包括：
b1)把健壮数据编码为2比特数据符号；和
b2)基于2比特数据符号，输出以三比特表示的预定级中任一级的数据符号。

14.  如权利要求13中所述的DTV发射方法，其中，在健壮编码步骤b1)，2比特数据符号以如下方式编码，格编码步骤b2)的输出符号级和随后状态分别与表中所示相同：



15.  如权利要求13所示的DTV发射方法，其中，在健壮编码步骤b1)，2比特数据符号以如下方式编码，格编码步骤b2)的输出符号级和随后状态分别与表中所示相同：



16.  如权利要求13到15中任一个所述的DTV发射方法，其中编码步骤b)还包括：
b3)随机化输入信号；
b4)对在步骤b3)中随机化的输出信号执行RS编码；
b5)只交织RS编码步骤b4)的输出信号中的健壮数据，并基于健壮数据编码率把交织的健壮数据重组为健壮数据分组；和
b6)交织健壮交织/分组格式化步骤b5)的输出信号。

17.  一种数字电视(DTV)接收方法，包括步骤：
a)接收包括常规信号和健壮信号的发射信号，并把接收到的发射信号转化为基带信号；
b)确定发射信号的符号等级；
c)在已经确定等级的符号上执行格译码；和
d)输出关于格译码的信号的数字视频数据流；
其中在格译码步骤c)中，对健壮数据执行16态格编码。

18.  如权利要求17所述的DTV接收方法，其中，在格译码步骤c)中，确定的符号级以如下方式编码为2比特数据符号，健壮数据的符号级和随后状态分别与表中所示相同：



19.  如权利要求17所述的DTV接收方法，其中在格译码步骤c)中，以如下方式把确定的符号级译码为2比特数据符号，符号级和随后状态分别与表中所示相同：



20.  如权利要求17到19中任一个所述的DTV接收方法，其中译码步骤d)包括：
d1)去交织从格译码步骤c)输出的信号；
d2)把从数据去交织步骤d1)输出的信号中的健壮数据重组为包括信息数据的健壮数据分组，并去交织重组的健壮数据分组；
d3)对分组格式化/健壮去交织步骤d2)的输出信号执行RS译码；
d4)去随机化RS译码步骤d3)的输出信号；和
d5)去复用数据去随机化步骤d4)的输出信号。

21.  一种数字电视(DTV)发射信号，包括：
常规数据，其被映射到{-7，-5，-3，-1，1，3，5，7}中的任一个数据符号；
健壮数据，其以16态格编码并被映射到{-7，-5，-3，-1，1，3，5，7}中的任一个数据符号；和
健壮数据标志，用于识别常规数据和健壮数据；
其中发射信号是残余边带(VSB)调制信号。

22.  如权利要求21所述的DTV发射数据，其中健壮数据以如下方式格编码，输出符号级和随后状态分别与表中所示相同：



23.  如权利要求21所述的DTV发射信号，其中健壮信号以如下方式格编码，符号级和随后状态分别与表中所示相同：



24.  如权利要求21到24中任一个所述的DTV发射信号，其中交织常规数据和健壮数据以便相互混合，并且健壮数据包括头以便具有向后兼容性。

使用16态格编码的数字电视发射器和接收器
技术领域
本发明涉及基于地面DTV标准一高级电视系统委员会(ATSC)的A/53的残余边带(VSB)数字电视(DTV)发射器和接收器及其方法。尤其涉及使用16态格编码的DTV发射器和接收器及其方法。
背景技术
高级电视系统委员会(ATSC)标准建议使用通过将12个独立数据流(它们被格编码和时分复用)调制成10.76MHz速率的8级残余边带(VSB))而获得的信号，，来通过地面广播信道传输高清晰电视(HDTV)广播。信号的频带被转换成对应于标准甚高频(VHF)或超高频(UHF)地面电视信道的6MHZ的频带。相应信道的信号以19.39Mbps数据率广播。关于ATSC DTV标准和A/53的详细技术可以在http：//www.atsc.org/得到。
图1是显示传统DTV发射器的方框图。如图所示，输入发射器100的数据是包括188字节运动图像专家组(MPEG)兼容数据分组的串行数据流，每个数据分组包括一个同步字节和187字节净荷数据。在数据随机化器101中将输入数据随机化，并且每个分组被编码成包括用于前向误差校正(FEC)的20字节奇偶信息，FEC包括里德所罗门(Rs)编码、1/6数据场交织和2/3格编码。即，根据ATSC标准，数据随机化器101对输入的净荷数据字节与具有16位最大长度的伪随机二进制序列执行XOR运算，该伪随机二进制序列在数据场的起始场被初始化。
在接收输出的随机化数据的RS编码器103中，通过将用于FEC的20个RS奇偶字节添加到187字节，为每个数据段产生具有总共207字节的数据。
对输入的分组数据当中对应于段同步信号的同步字节不执行随机化和FEC。
随后，在数据交织器105中交织包含在每个场的连续段中的数据分组，并且在格编码器107中再交织和编码所述交织的数据分组。格编码器107通过使用两比特输入，产生以三比特表示的数据符号符号的流。输入的两比特中的一比特被预编码，而另一比特被4态格编码成两比特。最后输出的三比特被映射到8级符号符号。格编码器107包括12个并行的格编码器和预编码器以便产生12个交织/编码的数据序列。
8级符号在复用器(MUX)109中与来自同步单元(未显示)的段和场同步比特序列117组合，以形成发射数据帧。随后，在导频添加器111中添加导频信号。符号流在VSB调制器113中经过VSB抑制载波调制。基带的8-VSB符号流最后在射频(RF)变频器115中被变换成RF信号并接着被发射。
图2是描述传统DTV接收器200的方框图。如图所示，在接收器200的调谐器201中选择用于从发射器100发射的RF信号的信道。接着，RF信号经过中频(IF)滤波器与检测器203中的IF滤波，并且检测出同步频率。同步和定时恢复块215检测同步信号并恢复时钟信号。
随后，通过国家电视系统委员会(NTSC)去除滤波器205中的梳状滤波器，从该信号中去除NTSC干扰信号，并在均衡器与相位跟踪器207中进行均衡和相位跟踪。
去除了多径干扰的编码数据符号在格译码器209中经过格译码。译码后的数据符号在数据去交织器211中去交织。随后，该数据符号在RS译码器213中被RS译码，并且在数据去随机化器(derandomizer)217中去随机化。这样，可以恢复从发射器100发射的MPEG兼容数据分组。
图3是例示图1发射器和图2接收器之间交换的发射数据帧的图表。如图所例示，发射数据帧包括两个数据场，并且每个数据场包括313个数据段。
每个数据场的第一个数据段是同步信号，即，数据场同步信号，其包括用于接收器200的训练数据序列。其他312个数据段分别包括188字节传输分组和用于FEC的20字节数据。由于数据交织，每个数据段由几个发射分组中所包含的数据构成。换句话说，每个数据段的数据对应于几个发射分组。
每个数据段包括832个符号。前四个符号是二进制的，并且它们提供数据段同步。数据段同步信号对应于同步字节，它是MPEG兼容数据分组的188个字节中的第一个字节。其他828个符号对应于MPEG兼容数据分组的187个字节和用于FEC的20个字节。828个符号以8级信号的形式发射，并且每个符号以三比特表示。因此，每数据段发射2484比特(＝828符号×3比特/符号)。
然而，由于可变信道和多径现象，传统8-VSB收发器的发射信号在室内和移动信道环境中发生畸变，并且这使接收器的接收性能降低。
换句话说，发射数据受到各种信道畸变因素影响。信道畸变因素包括多径现象、频率偏移、相位抖动等等。为补偿由信道畸变因素引起的信号畸变，每24.2ms发射一个训练数据序列，但即使是在发射训练数据序列的24.2ms时间间隔中，仍然存在多径特征和多普勒干扰的改变。由于接收器中的均衡器没有足够快收敛速度以补偿由多径特征和多普勒干扰的改变而引起的接收信号的畸变，因此接收器不能准确地执行均衡。
由于这个原因，8-VSB DTV广播的广播节目接收性能低于模拟广播的广播节目接收性能，并且在移动接收器中接收是不可能的。即使接收是可能的，也存在满足可视阈值(TOV)的信噪比(SNR)增加的问题。
为解决上述问题，国际公开号WO 02/080559和WO 02/100026以及美国专利公开号US2002/019470公开了用于通过4级符号(例如，{-7、-5、5、7}或{-7、-3、3、7})中任一个发射健壮数据的技术。由于健壮数据被映射到的符号在传统技术中受到限制，因此存在与传统8-VSB方法相比对应于健壮数据的符号的平均功率增加的问题。换句话说，当健壮数据用四级符号{-7、-5、5、7}中的任一个发射时，符号平均功率是37能量/符号，或者如果健壮数据用四级符号{-7、-3、3、7}中的任一个发射时，符号平均功率是29能量/符号，这意味着与传统8-VSB方法相比，对应于健壮数据的符号的平均功率增加。符号平均功率的增加导致整个平均功率的增加。当信号以有限发射功率发射时(在大多数情况下是这样的)，与传统8-VSB方法相比，常规数据的发射功率相对减少，因此，存在在相同信道环境中常规数据的接收性能比传统8-VSB方法差的问题。
由于当与常规数据混合的健壮数据比率增加时所述问题变得更严重，所以满足TOV的SNR也增加。因此，即使信道环境很好，接收性能也下降，并且有可能发生不能提供对8-VSB接收器的向后兼容性的情况。
发明内容
技术问题
因此，本发明的一个目的是提供一种数字电视(DTV)发射器和接收器以解决问题，通过发射和接收包括遵循8级残余边带(VSB)方法(其将在下文中简称为8-VSB方法)的常规数据和在16态格编码之后获得的健壮数据的双信号流，以便提高接收器的均衡器和格译码器的译码能力，并且提高接收健壮数据以及常规数据的接收性能，从而可以降低满足可视阈值(TOV)的信噪比(SNR)。
本领域的普通技术人员可以容易地从本说明书的附图、详细描述、和权利要求中理解本发明的其他目的和优点。
技术方案
依照本发明的一个方面，提供了一种数字电视发射器，其包括：输入单元，用于接收包括常规数据和健壮数据的数字视频数据流；编码单元，用于把数字视频数据流编码成数据符号；和发射单元，用于调制和发射编码单元的输出信号，其中编码单元对健壮数据执行16态格编码。
依照本发明的另一个方面，提供了一种DTV接收器，其包括：接收单元，用于接收包括常规数据和健壮数据的发射信号并把接收到的发射信号转化为基带信号；均衡单元，用于确定发射信号的符号级；格译码单元，用于对已经确定了级的符号执行格译码；和译码单元，用于输出关于格译码信号的数字视频数据流，其中格译码单元对健壮数据执行16态格译码。
依照本发明的另一个方面，提供了一种DTV发射方法，其包括步骤：a)输入包括常规数据和健壮数据的数字视频数据流；b)把数字视频数据流编码成数据符号；和c)调制和发射编码步骤b)的输出信号，其中在编码步骤b)中对健壮数据执行16态格编码。
依照本发明的另一个方面，提供了一种DTV接收方法，其包括步骤：a)接收包括常规数据和健壮数据的发射信号并把接收到的发射信号转化为基带信号；b)确定发射信号的符号级；c)在已经确定了级的符号上执行格编码；和d)输出关于格译码信号的数字视频数据流，其中在格译码步骤c)中对健壮数据执行16态格译码。
依照本发明的另一个方面，提供了一种DTV发射信号，其包括：常规数据，其被映射到{-7、-5、-3、-1、1、3、5、7}中的任何一个数据符号；健壮数据，其以16态格编码并被映射到{-7、-5、-3、-1、1、3、5、7}中的任何一个数据符号；和健壮数据标志，用于识别常规数据和健壮数据，其中发射信号是残余边带(VSB)调制信号。
依照本发明，常规数据以8-VSB方法发射，而健壮数据经过16态格编码。即，数据场的数据段的一部分312由健壮数据分组而不是常规数据分组替代，并且对应于健壮数据分组的健壮数据符号在格编码成16态之后发射。由于提高了用于对从接收器传输的健壮数据更新均衡器抽头系数的误差信号计算的精确度和格译码器的精确度，因此在提高健壮信号的SNR的同时也提高一般信号的接收性能。
下面描述只例示了本发明原理。即使在本说明书中没有清楚描述或例示，一个本领域的普通技术人员也可以实现本发明原理并发明在本发明概念和范围之内的各种装置。
在本说明书中提供的条件术语和实施例的使用只意欲使本发明概念能够被理解，并且他们不限于本说明书中提及的实施例和条件。
另外，关于本发明原理、观点和实施例和特定实施例的所有详细描述应该理解为包括其结构和功能等效物。所述等效物不仅包括目前已知的等效物，也包括将来要开发出的那些等效物，即，被发明用于执行相同功能的所有设备，而不管其结构如何。
例如，本发明的方框图应该理解为显示实现本发明原理的示范电路的概念性观点。类似地，所有流程图、状态转化图表、伪码等等可以主要在计算机可读媒介中表示，并且无论是否特别描述了计算机或处理器，他们应该理解为表示由计算机或处理机处理的各种处理。
在包括以处理器或类似概念表示的功能块的图中例示的各种设备的功能可以不仅通过使用专用于所述功能的硬件提供，也可以通过使用能够运行用于实现所述功能的适当软件的硬件提供。当功能是由处理器提供时，该功能可以由单个专用处理器、单个共享处理器、或其一部分可以共享的多个单独处理器提供。
术语‘处理器’、‘控制’或类似概念的明显使用不应该理解为专指能运行软件的一种硬件，而是应该理解为隐含包括数字信号处理器(DSP)、硬件、以及用于存储软件的ROM、RAM和非易失性存储器。其他已知的和常用的硬件也可以包括在这里。
类似地，图中描述的开关可以只是概念上的表示。开关功能应该理解为手工或者通过控制程序逻辑或专用逻辑、或者通过专用逻辑的相互作用执行。设计者可以选择特定技术用作本说明书的更深入理解。
在本说明书的权利要求中，以装置形式表示的用于执行在详细描述中描述的功能的元件意欲包括用于执行包括所有软件格式功能的所有方法，譬如，用于执行期望功能的电路组合、固件/微码等等。
为了执行期望功能，元件与适当电路组合以便执行软件。通过权利要求定义的本发明包括用于执行特定功能的各种装置，并且所述装置以权利要求中要求的方法相互连接。因此，可以提供所述功能的任何装置应该理解为从本说明书中领会的装置的等效物。
有益效果
如上所述，本发明通过发射和接收包括遵循8残余边带(VSB)方法的常规数据和从基于16态格编码获得的健壮数据的双信号流，而不管混合率如何都不增加平均功率，从而可以降低满足可视阈值的信噪比(SNR)，并且提高健壮数据以及常规数据的接收性能。

附图描述
本发明的上述和其他目的和特性将在结合附图给出的优选实施例的下面描述中变得显而易见，其中：
图1是显示传统数字电视(DTV)发射器的方框图；
图2是例示传统DTV接收器的方框图；
图3是描述在图1发射器和图2接收器之间交换的发射数据帧的图表；
图4是显示依照本发明实施例的DTV发射器的方框图；
图5是描述图4的健壮交织器和分组格式化器的方框图；
图6是描述图5的健壮数据交织器的图表；
图7是例示图4的健壮编码器的图表；
图8是描述图4的健壮编码器和格编码器的图表；
图9是描述由菲利普公司提出的描述健壮数据的格编码方框图；
图10是例示依照本发明实施例的健壮数据的格编码方框图；
图11是例示依照本发明另一个实施例的健壮数据的格编码方框图；
图12是描述图4的健壮数据处理器的方框图；
图13是显示图4发射器发射的数据帧的场同步段的图表；
图14是例示依照本发明实施例的DTV接收器的方框图；
图15是显示图14控制器的方框图；
图16是描述图14的分组格式化器和健壮去交织器的方框图；和
图17是例示图16的健壮数据去交织器的图表。
具体实施方式
参照附图，其在下文中提出，本发明的其他目的和方面将从实施例的下面描述中变得显而易见。如果认为关于现有技术的进一步描述可能混淆本发明的观点，那么将不提供描述。下文中，将参照附图详细描述本发明的优选实施例。
图4是显示依照本发明实施例的数字电视(DTV)发射器的方框图。如图所示，发射器400包括：第一复用器401、数据随机化器403、里德所罗门(RS)编码器405、健壮交织器/分组格式化器407、数据交织器409、健壮编码器411、健壮数据处理器413、格编码器415、第二复用器417、和导频添加器/调制器/射频(RF)变频器419。
数据随机化器403、RS编码器405、数据交织器409、格编码器415、第二复用器417、和导频添加器/调制器/射频(RF)变频器419与传统数据随机化器101、RS编码器103、数据交织器105、格编码器107、第二复用器109、和导频添加器111、残余边带(VSB)调制器113、和RF变频器115相同，其已经参照图1描述。
第一复用器401在健壮数据标志信号425控制下，复用常规数据分组421和健壮数据分组423。
常规数据分组421和健壮数据分组423是包括188字节运动图像专家组(MPEG)兼容数据分组的串行数据流，并且它们具有相同属性，而健壮数据分组包括信息分组和空分组。空分组包括具有空分组头的任意数据，例如“0”，并且添加它以确保基于健壮数据的编码率扩展分组空间。在本说明书中，本发明将基于健壮数据编码率是1/2的实施例描述，但是本发明应该理解为不限于此。
基于一个场中健壮数据与常规数据的比率，即健壮数据分组(NRP)数目和健壮数据编码率(例如，1/2或1/4)，在外部设备(未显示)中产生健壮数据标志信号425。包括第一复用器401的发射器400的其他组成元件可以通过使用健壮数据标志信号425，检验当前处理的数据是否为健壮数据。
基于每个场的健壮数据分组数目，第一复用器401复用常规数据分组421、健壮数据分组423、和健壮数据标志信号425。依照实施例，根据健壮数据分组数目，健壮数据分组的位置可以被定义为式1。
0≤NRP/2≤39
{s|s＝4i，i＝0，1，...，NRP-1}，(0≤s≤156)
40≤NRP/2≤78
{s|s＝4i，i＝0，1，...，77}∪{s|s＝4i+2，i＝0，1，...，NRP-79}
79≤NRP/2≤117
{s|s＝4i，i＝o，1，...，77}∪{s|s＝4i+2，i＝o，1，...，77}∪{s|s＝4i+1，i＝o，1，...，NRP-157}
118≤NRP/2≤156
{s|s＝4i，i＝o，1，...，77}∪{s|s＝4i+2，i＝0，1，...，77}∪{s|s＝4i+1，i＝0，1，...，77}∪{s|s＝4i，i＝0，1，...，NRP-235}
                                                     式1
在式1中，NRP表示对于每个数据场被健壮数据分组占据的健壮段的数目，即，一帧中健壮数据分组的数目。如上所述，NRP是包括信息分组和空分组的所有数目的值，并且其具有0到312的范围。还有，∪表示两个集合的并，而s表示数据场中的数据段数目，并且s具有0到311的范围。
依照另一个实施例，健壮数据分组的位置可以定义为式2。
RPI＝312/NRP
RPP＝floor(RPI×r)
                                                     式2
在式2中，RPI代表健壮数据分组间隔，而RPP代表健壮数据分组位置。Floor(*)是小数删切操作，其意味着切掉小数数字操作，用于把任意数字*转化成整数值，并且值r具有0到NRP的范围。
根据式2，当NRP是162且健壮数据编码率是1/2时，如表1所示确定数据场的常规数据和健壮数据的位置。
表1