地面数字多媒体电视广播系统中的信道传输方法 本发明是2000年8月25日申请的名称为“地面数字多媒体电视广播系统”(申请号为00123597.4)的专利申请的分案申请。
本发明属于数字电视广播技术领域，更具体地涉及一种地面数字多媒体电视广播系统中的信道传输方法。
对于电视传输系统来说，在模拟电视的基础上，经过十多年坚持不懈的研究和发展，数字电视地面广播(Digital Television Terrestrial Broadcasting，DTTB)已经取得了很多的成果，达到了可以实现阶段。从1998年11月北美和欧洲已经开播DTTB节目，许多国家宣布了它们的DTTB制式选择和实现计划。目前，世界上主要有三种DTTB传输标准：
1)美国的ATSC(Advanced Television Systems Committee)数字电视标准。
2)欧洲的DVB-T(Digital Video Terrestrial Broadcasting-Terrestrial)数字视频地面广播标准。
3)日本的ISDB-T(Integrated Service Digital Broadcasting—Terrestrial)地面综合业务数字广播标准。
图1显示了地面数字多媒体电视广播系统的原理方框图。数字电视系统信号结构由压缩层、传送层和传输层三大部分组成。传输层的具体构成，是由传输信道(或者叫传输媒介)决定的。传输媒介有有线媒介(包括光纤、铜轴和两者的混合网)、无线媒介(包括卫星、微波、MMDS等)、地面波传输的无线媒介。
在传输层中一个很重要的问题就是信道地物理帧结构和其组成。对于无线传输媒体，由于在传输过程中存在各种噪声干扰，例如脉冲干扰、多径干扰、白噪声等，为了可靠地传输和系统中断后及时恢复，通常需要把要传输的数据按一定的格式打成数据帧，帧长度一般是固定的，而且是分层的。但根据不同的应用和实际设计，数据帧结构和组成可能是不同。
美国ATSC 8-VSB在一个NTSC 6MHz信道内数据净荷码率为19.28Mb/s。传送层输出给传输层的是一个串行数据传送码流(TS流)，它有188byte数据比特组成。经过数据随机化和误码纠错编码FEC后，在原始数据之后增加冗余校验比特，各个FEC的数据分组都要格式化为数据帧，以便可靠传输。另外，为了系统同步和接收机均衡处理，还需要增加同步比特和训练序列。
图2是ATSC 8-VSB系统的数据传输帧结构图。每个数据帧包括2个数据场，每个数据场有313个数据段。每个数据段包含有832个符号，前4个符号是以二进制形式来传输，并提供数据段同步，其余828个符号是187byte的净荷数据和相应的FEC纠错数据，这828个符号都以8电平符号传输，因而每个符号携带3bit数据码流。每个数据场的第一个数据段是一个独特的同步信号(数据场同步)和用于接收机均衡的训练序列。从图中看到，可以认为美国ATSC帧结构分为了三层：第一层为数据段；第二层为数据场；第三层为数据帧，因此，ATSC帧结构和传统电视扫描中的行、场、帧概念非常相似。
参见图3，欧洲DVB-T采用了COFDM技术，其数据也是组织成一定的帧格式后再传输或调制，其数据帧结构中每个帧的持续周期为TF，并且包含68个OFDM符号，4个帧构成一个超帧。每个OFDM符号的载波数为1705(2k模式)或6817(8k模式)，其传输周期为Ta。Ts由两部分组成：有效期Tu和保护间隔D。保护间隔是有效部分的一个循环，插在有效部分的前面，保护间隔长度可以是数据有效部分的1/4、1/8、1/16和1/32。
除了数据载波外，欧洲DVB-T还插入导频(分散的和连续的)和TPS等附加信息。分散导频用作信道特性的估计；连续导频用作帧、定时和载波频率的同步。TPS用于传输系统参数。有的连续导频在某些位置刚好和分散导频重合，因此，一个OFDM符号中有效的数据载波数量为为1512(2k模式)或6048(8k模式)，DVB-T载波数、导频数见表0所示。
表0欧洲DVB-T载波数量和同步导频数量2k模式8k模式总载波数1705 6817数据载波1512 6048分散导频142 568连续导频45 177TPS导频17 68
由此可以看出，欧洲DVB-T也采用了分层的信道帧结构，同美国的相似，也是分为OFDM符号、帧、超帧三层，但比美国的要复杂，在其中按一定规律插入了连续的和分散的导频信号。
随着技术的发展和研究的不断深入，人们认识到在信号峰值—平均功率比、C/N门限、移动接收、室内/外接收、频谱效率、HDTV传输能力、同频/邻频道干扰、对现有模拟电视的干扰、单频网和同频道转发、脉冲干扰和连续波干扰、相位噪声、静态/动态的多径失真、系统的灵活性等等方面，上述三个系统各有其优缺点。
在信号传输过程中，由于回波干扰和信道的线性失真，会在接收符号间产生符号间干扰(ISI)。目前有效消除ISI的技术有两种：时域均衡和正交频分复用(OFDM)。
时域均衡一般是在匹配滤波器后插入一个横向滤波器(也称横截滤波器)，它由一条带抽头的延时线构成，抽头间隔等于符号周期。每个抽头的延时信号经加权后送到一个相加电路输出，其形式与有限冲激响应滤波器(FIR)相同，相加后的信号经抽样送往判决电路。每个抽头的加权系数是可调的，通过调整加权系数可以消除ISI。均衡器的均衡效果主要由抽头数和均衡算法决定，均衡算法常用的有迫零算法和最小均方畸变算法等。均衡器分预置式和自适应式两种。在实际信道中还存在噪声干扰，它会对均衡器的收敛产生影响。为了进一步改善性能，实际应用中常采用判决反馈式均衡器，反馈均衡器的抽头系数由前向均衡器所造成的信道冲激响应拖尾所决定。
美国的数字电视就是采用了判决反馈均衡器，而调制技术采用了数字8—VSB方式。
均衡器技术比较成熟，被广泛应用于各种通信领域，但它有两个缺点：一是结构复杂，成本较高；二是仅对时延较短的ISI效果比较好，对时延较长的ISI效果比较差。此时，采用正交频分复用(OFDM)技术更好。
欧洲的DVB-T系统中采用编码的正交频分复用COFDM传输。在一个OFDM数据帧中，所有载波上使用一样的格雷码映射的QPSK、16QAM或64QAM调制。每次从内交织器中输出的V比特符号映射成调制星座中的一个星座点。
编码正交频分复用COFDM中的“编码”的含义之一是指在OFDM频谱中随机插入了一些“导频”信号，这里所谓的“导频”是指这样一些OFDM的载波，它们由接收机已知的数据调制，它们所传输的不是调制数据本身，因为这些数据接收机是系统已知的，设置导频的目的是系统通过导频上的数据传送某些发射机的参量或测试信道的特性。
导频在COFDM中的作用十分重要，它的用处包括：帧同步、频率同步、时间同步、信道传输特性估计、传输模式识别和跟踪相位噪声等。调制导频的数据是从一个事先规定的伪随机序列发生器中生成的伪随机序列。DVB-T中规定了散布导频和连续导频。连续导频在每个COFDM符号中的位置都是固定的，在8k模式中插入了177个连续导频，在2k模式中插入了45个连续导频。散布导频的位置在不同的COFDM符号中有所不同，但以四个COFDM符号为周期循环，也就是说第1、2、3、4个COFDM符号中的散布导频的位置各不相同，但第5个COFDM符号与第1个OFDM符号中的导频位置是相同的，第6个COFDM符号与第2个COFDM符号中的导频位置是相同的，第7个COFDM符号与第3个COFDM符号中的导频位置是相同的，第8个COFDM符号与第4个COFDM符号中的导频位置是相同的，其余COFDM符号依此类推。
不论导频的位置如何变化，各COFDM符号中用于传输有效节目信息的载波的数目都是恒定的，在2k模式中为1512，在k模式中为6048。由于导频在系统中的作用比较重要，为保证导频上数据的可靠性，防止噪声干扰，导频信号的平均功率要比其它载波信号的平均功率大16/9倍，即导频信号是在“提升的”功率电平上发射的。
但是，因为在COFDM中FFT和导频是互相需求的，导频是在FFT之后插入的，而FFT计算又需要首先同步(导频)，然后才能计算FFT。因此，COFDM采用迭代逼近算法，因此收敛误差大，收敛时间长。
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提供一种地面数字多媒体电视广播系统中的信道传输方法。本发明的方法采用固定长度的帧，而且是分层方式的，便于实现可靠的、灵活的信息传输。
按照本发明的地面数字多媒体电视广播系统中的信道传输方法，采用分层的物理信道帧结构；其特征在于：
信号帧由帧体和帧同步组成，帧体采用同步正交频分多载波调制(OFDM)，帧同步由PN序列码构成；
一个帧群头和多个信号帧构成一个帧群；
多个帧群构成一个超帧；
多个超帧构成一个超帧群；
多个超帧群以自然目为周期循环地传输；
所述信号帧能唯一地由其信号帧同步PN序列认定；
所述超帧群的所述超帧由所述帧群头唯一地定义。
所述帧同步是由扩频的PN序列码构成；所述由扩频的PN序列码构成的帧同步信号是一个由BPSK方式调制的信号；所述由扩频的PN序列码构成的帧同步信号是一个功率提升的BPSK信号，它比OFDM结构中的数据信号功率大；在所述帧群头中定义了系统参数和控制参数，比如：传输日期(年、月、日)、帧码(帧群号、超帧号、超帧群号)等；所述超帧群与某个绝对时间同步地开始传输；所述帧体由DFT块和保护间隔组成；所述信号帧体长度选择为4666个符号；
所述信号帧体包含具有630个连续符号的保护间隔序列；所述信号帧同步长度选择为255个符号；所述超帧中的帧群数目为512；所述超帧群中的超帧数目为478。
本发明的方法采用固定长度的帧，而且是分层方式的，便于实现可靠的、灵活的信息传输。
本发明不仅可用于地面、卫星、有线、微波和其它传输媒介，也可用于数据广播、互连网、和其它宽带多媒体信息传输及综合数据业务领域。
附图简要说明：
图1是地面数字多媒体电视广播系统的原理方框图。
图2是美国ATSC系统信号帧结构图。
图3是欧洲DVB-T系统信号帧结构图。
图4是按照本发明的地面数字多媒体电视广播系统的信道传输方法的物理信道帧结构实施例图。
下面将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。
为了更加可靠、灵活地满足数字地面电视广播的需求，本发明的地面数字多媒体电视广播系统的信道传输方法的信道物理帧结构。它可用于6MHz、7MHz或8MHz频道。
本发明的物理信道结构有以下特性：
A.分层的帧结构
B.同步正交频分多载波调制(也称OFDM或DMT)
C.PN序列导频同步
D.周期性传输方案，循环时间为自然日
E.唯一的帧地址，支持时间共享多址
F.连续和突发数据传输混合应用
本发明的物理信道帧结构实施例如图4所示。帧结构是分级的，一个基本帧结构称为一个信号帧。帧群定义为一群信号帧，其第一帧被定义为帧群头。超帧定义为一组帧群。帧结构的顶层称为超帧群。如图所示，例如，一个超帧群由478个超帧组成，一个超帧包含512个帧群，一个帧群包含255个信号帧。物理信道是周期的，并且和绝对时间同步。
信号帧是下行物理信道的基本单元。一个信号帧由两部分组成：帧同步和帧体。帧同步和帧体的基带符号率相同，规定为7.56MSps。帧同步采用BPSK调制以得到稳定的同步。帧同步包含前同步缓冲、PN序列和后同步缓冲。帧同步中的符号数依赖于前同步缓冲和后同步缓冲中的符号数，如表1所示。
表1帧同步中的符号数帧同步中的符号数 前同步缓冲中的 符号数 PN序列中的 符号数 后同步缓冲中的 符号数256 0 255 1304 24 255 25384 25 255 104
OFDM调制方法用于帧体。DFT块有3780个符号并持续500us。保护间隔可选为DFT块的1/6、1/9、1/12、1/20或1/30，如表2所示。
表2 一个OFDM块中的符号数OFDM块中的符号数 保护间隔相对DFT块的 百分数 保护间隔中的 符号数4410 1/6 6304200 1/9 4204095 1/12 3153969 1/20 1893906 1/30 126
一个信号帧将有不同的符号数，取决于所选用的帧同步和OFDM保护间隔，如表3所示。表3也列出了对应于一个信号帧的时间。
表3 一个信号帧中的符号数信号帧的时间(μS) 信号帧中的 符号数帧同步中的符号数 OFDM块中的 符号数617.2 4666 256 4410623.5 4714 304 4410634.1 4794 384 4410589.4 4456 256 4200595.8 4504 304 4200606.3 4584 384 4200575.5 4351 256 4095581.9 4399 304 4095592.5 4479 384 4095558.9 4225 256 3969565.2 4273 304 3969575.8 4353 384 3969550.5 4162 256 3906556.9 4210 304 3906567.5 4290 384 3906
一个帧群含255个信号帧，其中第一个信号帧定义为帧群头。一个帧群中的信号帧有唯一的帧号，标号从0到254，信号帧号(FN)被编码到当前信号帧的帧同步PN序列中。一个帧群的持续期依赖于其信号帧中的样值数，在140.4mS到161.7mS之间。
超帧被编号，从0到最大帧群号(511)。超帧号(SFN)(0-47)与超帧群号(SFGN)一起被编码到超帧的第一个帧群头中。
超帧群的发送以一个自然日为周期进行周期性重复，它被编码为超帧群中一个超帧的第一个帧群头中的前两个字节，编码格式是月、日和年如十进制的MMDDYY，见表4。在太平洋标准时间(PST)0：0：0AM，物理信道帧结构被复位并开始一个新的超帧群。每个超帧群的最后一个超帧在复位时刻可以是不完整的。
如上所述，分层的同步信道结构的低层被嵌入到一个信号帧中。而分层的同步信道结构的高层，SFGN和SFN，被编码到超帧的第一个帧群头中。SFGN和SFN数据包被定义为超帧同步包，如表4所示。
表4下行线路超帧同步包 D3 D2 D1 D0 M3 M2 M1 M0 Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 Y0 D4 SFGN7 SFGN6 SFGN5 SFGN4 SFGN3 SFGN2 SFGN1 SFGN0 SFN7 SFN6 SFN5 SFN4 SFN3 SFN2 SFN1 SFN0 SFGN8 SFN8 SFN9 BS4 BS3 BS2 BS1 BS0 FGN7 FGN6 FGN5 FGN4 FGN3 FGN2 FGN1 FGN0[M3…M0]： 日期的月份，范围从1到12[D4…D0]： 日期的日，范围从1到31[Y6…Y0]： 日期的年，范围从0到99[SFGN8…SFGN0]： 超帧群号[SFN9…SFN0]： 超帧号[FGN7…FGN0]： 帧群号[BS4…BS0]： 基站标识，缺省值为0
基带帧同步信号由一个前同步缓冲、一个PN序列和一个后同步缓冲构成。前同步缓冲可定义为0、24和25个符号，后同步缓冲可定义为1、25和104个符号，PN序列有255个符号。对于一个信号帧群中的不同信号帧，有不同的帧同步信号。所以，帧同步能作一个特殊信号帧的帧同步特征而用于识别。前同步缓冲和后同步缓冲定义为PN序列的循环扩展。有关PN序列的详细阐述见另一文件。
一个帧体的基带信号是一个正交频分复用(OFDM)块。一个OFDM块可进一步分成保护间隔和一个DFT块，如图8所示。由于OFDM块保护间隔不同，在时域中对应于频域有3780个子载波的OFDM块有不同的取样数(参见表2)。
DFT块在其时域中有3780个取样，它们是频域中3780个子载波的逆离散傅氏变换。DFT块时域信号持续500us，它等价于频域中两个相邻子载波之间2kHz的频率间隔。
有5种可选的保护间隔大小，即DFT块大小的1/6、1/9、1/12、1/20、1/30。保护间隔的信号相同于DFT块时域信号的最后一段。保护间隔时间在不同的保护间隔大小下约在83.3us到16.7us之间。有关OFDM的信号组成的详细阐述见另一文件。
本发明下行传输协议是一个同步传输结构。下面列出此结构的重要特性。
所有超帧群开始于PST(太平洋标准时间)0：0：0AM。
超帧群的一个超帧有帧群头唯一地定义。
超帧的一个信号帧群被唯一地定义在其信号帧中。
帧群的一个信号帧能唯一地由其信号帧同步PN序列认定。
同步信号是一个功率提升的BPSK信号，它比OFDM结构中的数据信号功率大很多。
帧地址结构基于一组移位的m序列，它是伪随机数(PN)序列的一种特殊类型。
一个帧群中的任一信号帧能被其帧同步认定。有255个不同的m序列用作信号帧同步，它们对应用于一个帧群中的255个信号帧。一个超帧的任一帧群被标号，从0到511，并能由信号帧DFT块认定。
一个超帧群的任一超帧从0开始标号，它能由PST(太平洋标准时间)时间或帧体的数据认定。
帧同步m序列被用于信号帧同步。帧群头中的帧同步m序列被用于信号帧同步。一个超帧的帧群能由其帧群头认定。帧同步信号可用于符号定时恢复。帧同步序列在经过初始捕捉过程后是可预测的。