專利名稱：多媒體信息傳輸中時(shí)頻矩陣二維信道動態(tài)分配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于數(shù)字信息傳輸技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到在使用正交頻分復(fù)用(OFDM)多載波調(diào)制技術(shù)的多媒體信息傳輸中時(shí)頻矩陣(Time-Frequency Matrx，TFM)二維信道動態(tài)分配方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)今世界己步人信息時(shí)代，社會的信息需求急劇增加和信息社會功能的顯著變化，使多媒體的研究發(fā)展成為時(shí)代的必然，并得到了越來越廣泛的應(yīng)用。
多媒體是將數(shù)據(jù)、文字、聲音、音樂、動畫、視頻、圖象等多種媒體綜合于一體，通過數(shù)字化處理，實(shí)現(xiàn)人-機(jī)交互式信息交流和傳播的新型信息技術(shù)。人們在獲取、處理和交流信息時(shí)，最自然的形態(tài)是以多媒體方式進(jìn)行的，往往表現(xiàn)為視覺、聽覺、嗅覺等感覺器官的并用。實(shí)驗(yàn)心理學(xué)家赤瑞特拉(Treicher)做過一個(gè)關(guān)于人類獲取信息來源的著名實(shí)驗(yàn)人類獲取的信息83％來自視覺，11％來自聽覺，這兩個(gè)加起來就有94％，還有3.5％來自嗅覺，1.5％來自觸覺，1％來自味覺。由此可見，多媒體能與人們的自然交流和處理信息的方式達(dá)到最好的匹配。
多媒體是一個(gè)涉及多門學(xué)科和多種技術(shù)領(lǐng)域的系統(tǒng)工程，包括計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)、廣播電視技術(shù)以及其他若干技術(shù)。作為多媒體技術(shù)核心的視頻技術(shù)、音頻技術(shù)、信息壓縮和解壓技術(shù)、圖像技術(shù)、高密度存儲技術(shù)等日臻完善；多媒體硬件系統(tǒng)、操作系統(tǒng)平臺、窗口系統(tǒng)、多媒體創(chuàng)作工具等正日趨成熟。
多媒體應(yīng)用是隨著多媒體技術(shù)的研究開發(fā)而發(fā)展的，圍繞著多媒體業(yè)務(wù)類型和針對不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，正在不斷地研究開發(fā)各種多媒體應(yīng)用，從行政辦公、軍事安全、交通環(huán)保、教育醫(yī)療、金融保險(xiǎn)、信息檢索、休閑娛樂、出版印刷到動畫、音視頻制作、特技、虛擬世界、數(shù)字藝術(shù)創(chuàng)作等社會和經(jīng)濟(jì)的各個(gè)方面，都由于多媒體技術(shù)的廣泛采用而發(fā)生了深刻的變革。
多媒體的主要目標(biāo)之一是滿足人們對多種信息處理和傳播的需求。沒有信息傳播的多媒體技術(shù)也將不會有如此迅速的應(yīng)用和發(fā)展。
人們對傳媒的真實(shí)感、現(xiàn)場感、直接參與性提出的高要求，以及應(yīng)用目的、對象和環(huán)境等外部條件的千差萬別，迫切要求信息傳輸系統(tǒng)具有快速、靈活、有效率等特點(diǎn)。但不管是在電視廣播、通信和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，多媒體信息的傳播仍有許多特殊問題需要解決，例如不同終端和前端服務(wù)器的動態(tài)適應(yīng)、多媒體信息的實(shí)時(shí)性要求、可變視頻數(shù)據(jù)流的處理、網(wǎng)絡(luò)頻譜及信道分配、高性能和高可靠性、壓縮性能等。
例如對于視頻的傳輸碼率，不同的應(yīng)用(高清晰度電視HDTV、標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視SDTV和DVD、VCD和掌上電腦PDA、手機(jī)等)，有不同的需求。
例如按照ITU-R 601標(biāo)準(zhǔn)，使用422的采樣格式，去掉行場逆程后，SDTV傳輸率為165Mb/s，而HDTV更高達(dá)829Mb/s。而對于小屏幕的手持設(shè)備(如手機(jī))，CIF和QCIF就用滿足圖像質(zhì)量要求。CIF是352×288像素，8bit/像素，25幀/s，亮色4:2:0，則未壓縮的圖像信號傳輸碼率是30Mb/s，目前的壓縮技術(shù)，如MPEG-2/4、MS WM9、H264等，保守計(jì)算可做到壓縮比R＝40倍，則壓縮后的碼率是760kb/s。若為QCIF(166×144)，則傳輸碼率進(jìn)一步降為190kb/s。因此，對于小屏幕，先進(jìn)視頻壓縮技術(shù)使得視頻流碼率只有幾百kbps量級。而信道的傳輸能力可能大于10Mbps，在地面數(shù)字電視廣播中就是如此，這樣的話，如何優(yōu)化和靈活地利用傳輸資源就成為一個(gè)重要問題。
對于短消息，信息量比較小，可能只有幾個(gè)比特或幾千個(gè)bit，如何高效地在大容量傳輸通道中傳輸如此小的信息量？而對于即時(shí)消息，如何快速地響應(yīng)，如何快速地傳輸出去，也是一個(gè)關(guān)鍵問題。
上述應(yīng)用中的不同需求，體現(xiàn)了多媒體信息傳輸?shù)目焖?、靈活、有效率性要求，對于一個(gè)信息傳輸系統(tǒng)來講，可以在物理層、鏈路曾或應(yīng)用層等不同的ISO協(xié)議層滿足多媒體信息傳輸?shù)目焖?、靈活和高效要求。
本發(fā)明主要針對地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)中傳播多媒體電視節(jié)目，提出了一種在物理層上采用時(shí)域-頻域二維矩陣方式的傳輸信道動態(tài)分配方法，滿足多媒體信息傳輸?shù)目焖?、靈活和高效要求。
國內(nèi)外地面數(shù)字電視廣播(Digital TV terrestrial broadcasting，DTTB)正在高速發(fā)展。數(shù)字電視從80年代末研制到現(xiàn)在只有短短十幾年的時(shí)間，但發(fā)展速度之快令人驚異。經(jīng)過這些年堅(jiān)持不懈的研究和發(fā)展，DTTB已經(jīng)取得了很多的成果，達(dá)到了可以實(shí)現(xiàn)階段。從1998年11月北美和歐洲已經(jīng)開播DTTB節(jié)目，許多國家宣布了它們的DTTB制式選擇和實(shí)現(xiàn)計(jì)劃。目前，世界上主要有三種DTTB傳輸標(biāo)準(zhǔn)1)美國高級電視系統(tǒng)委員會(Advanced Television Systems Committee，ATSC)研發(fā)的格形編碼的八電平殘留邊帶(Trellis-Coded 8-Level Vestigial Side-Band，8-VSB)調(diào)制系統(tǒng)。
ATSC數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)是高級電視系統(tǒng)委員會ATSC開發(fā)的。調(diào)制方案采用了具有導(dǎo)頻信號的單載波調(diào)制，即八電平殘留邊帶調(diào)制(8-VSB)，用于單發(fā)射機(jī)(多頻網(wǎng)Multi-FrequencyNetwork，MFN)實(shí)現(xiàn)。美國VSB系統(tǒng)加入了0.3dB的導(dǎo)頻信號，用于輔助載波恢復(fù)。傳輸信號采用段、場結(jié)構(gòu)，成幀發(fā)送，數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。加入的段同步信號用于系統(tǒng)同步和時(shí)鐘恢復(fù)；而長度達(dá)511的兩電平場同步信號，用于系統(tǒng)同步和均衡器訓(xùn)練，通過采用精心設(shè)計(jì)的自適應(yīng)判決反饋均衡器來消除多徑衰落引起的回波干擾。
在美國ATSC數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)中，視頻、音頻和數(shù)據(jù)等多種媒體構(gòu)成的傳送流(TransportStream，TS)按上述圖1所示構(gòu)成數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，一個(gè)TS流是連續(xù)放置在固定的數(shù)據(jù)段位置，不存在信道動態(tài)分配問題，但不能滿足多媒體信息傳輸?shù)目焖佟㈧`活的要求，并且數(shù)據(jù)只是在時(shí)域放置(分配)的。
2)歐洲數(shù)字視頻地面廣播(Digital Video Terrestrial Broadcasting-Terrestrial，DVB-T)標(biāo)準(zhǔn)采用的編碼正交頻分復(fù)用(Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing，COFDM)調(diào)制。
DVB-T系統(tǒng)是歐洲數(shù)字視頻廣播(Digital Video Broadcasting，DVB)組織開發(fā)的。在地面?zhèn)鬏敺矫?，它采用與美國8-VSB不同的調(diào)制技術(shù)COFDM，OFDM屬于多載波調(diào)制技術(shù)(在ADSL相似的技術(shù)稱為DMT調(diào)制)。8MHz信道內(nèi)傳輸?shù)挠行舯忍卮a率在4.98～31.67Mbit/s范圍內(nèi)，取決于信道編碼參數(shù)、調(diào)制類型和保護(hù)間隔的選擇。DVB-T在每個(gè)電視頻道內(nèi)使用了1705(2k模式)或6817(8k模式)個(gè)子載波。DVB-T的幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。OFDM的基本原理就是將一個(gè)較寬頻帶分成一些子信道(Sub Channel or Subcarrier)。如果各子信道所占帶寬足夠窄，它們將分別經(jīng)歷平坦衰落。在這種情況下，接收機(jī)的均衡器很容易實(shí)現(xiàn)。而且，為了提高系統(tǒng)頻譜效率，OFDM系統(tǒng)中各子信道的頻譜是重疊的，但它們之間又是正交的，這就是其正交頻分復(fù)用(OFDM)名稱的由來。多徑信道情況下，為了保持其各子信道間的正交性，必須加入保護(hù)間隔(Guard Interval，GI)。DVB-T使用循環(huán)前綴(Cycle Padding，CP)保護(hù)間隔，就是將OFDM碼元最后一部分復(fù)制到各碼元前端。
為了輔助完成同步任務(wù)，DVB-T在頻域放置了大量導(dǎo)頻信號，穿插在數(shù)據(jù)子載波之中，并以高于數(shù)據(jù)3dB的功率發(fā)送，如圖3所示，分為信號幀起始位置的連續(xù)導(dǎo)頻和位置偏移的分散導(dǎo)頻，四個(gè)信號幀構(gòu)成一個(gè)超幀，另外還有有限數(shù)目的頻道用于傳輸系統(tǒng)參數(shù)信息，稱為傳輸參數(shù)信令(Transmission Parameter Signaling，TPS)，目前在DVB-T系統(tǒng)中，TPS只剩下寶貴的幾個(gè)比特還空閑著，這樣用于系統(tǒng)指示的功能就收到很大限制。
各導(dǎo)頻數(shù)值由PRBS(偽隨機(jī)二進(jìn)制序列)調(diào)制計(jì)算得出，所以其自相關(guān)性較好，大多數(shù)的COFDM系統(tǒng)定時(shí)、同步等算法都是基于這些導(dǎo)頻信號在頻域進(jìn)行的。但是，導(dǎo)頻是在離散傅里葉變換(DFT)之前插入的，進(jìn)行DFT計(jì)算又需要首先同步(之后才能進(jìn)行正確解調(diào))。因此，COFDM系統(tǒng)的同步需要使用迭代逼近算法，這樣就存在收斂誤差和收斂時(shí)間問題。同步時(shí)間是接收機(jī)從開啟、鎖定信號到開始段接收所需要的時(shí)間。在當(dāng)前的DVB-T實(shí)現(xiàn)中，這個(gè)時(shí)間估計(jì)在200-250ms量級。這個(gè)同步時(shí)間就不適合于多媒體信息的應(yīng)用，不滿足多媒體信息傳輸?shù)目焖佟㈧`活和高效要求，例如短消息和即時(shí)消息的傳送。
同美國ATSC數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)一樣，歐洲D(zhuǎn)VB-T也是把一個(gè)TS流連續(xù)放置如圖3所示的固定數(shù)據(jù)位置，不存在信道動態(tài)分配問題，并且只是在頻域放置的。
3)日本地面綜合業(yè)務(wù)數(shù)字廣播(Integrated Service Digital Broadcasting-Terrestrial，ISDB-T)采用的頻帶分段傳輸(Bandwidth Segmented Transmission，BST)正交頻分復(fù)用OFDM。
ISDB-T系統(tǒng)是日本無線電工商業(yè)協(xié)會(Association of Radio Industries and Businesses，ARIB)開發(fā)的。系統(tǒng)采用的調(diào)制方法稱為頻帶分段傳輸(BST)OFDM，由一組共同的稱為BST段的基本頻率塊組成。除OFDM特性之外，BST-OFDM對不同的BST段采用不同的載波調(diào)制方案和內(nèi)碼編碼碼率，依此提供了分級傳輸特性。每個(gè)數(shù)據(jù)段有其自己的誤碼保護(hù)方案(內(nèi)碼編碼碼率、時(shí)間交織深度)和調(diào)制類型(QPSK，DQPSK，16-QAM或者64QAM)，這樣每段能滿足不同的業(yè)務(wù)需求。該系統(tǒng)衍生于歐洲系統(tǒng)，主要變動是針對多媒體廣播和移動接收的需求，將頻帶進(jìn)行了分段，并大大加長了交織深度(最長達(dá)0.5秒)，以改善移動接收效果。雖然日本系統(tǒng)在移動測試中表現(xiàn)出一定的優(yōu)越性(也相應(yīng)證明了歐洲系統(tǒng)需要改進(jìn))，但它并沒有解決COFDM中的實(shí)質(zhì)性問題。
自從有了這三個(gè)DTTB系統(tǒng)以來，許多國家和地區(qū)都在選擇自己的DTTB系統(tǒng)。從上面的背景介紹看，這三個(gè)DTTB系統(tǒng)，都是針對傳統(tǒng)的連續(xù)碼流傳輸而設(shè)計(jì)的，主要考慮的問題是傳輸?shù)母咝Ш透呖煽?，采用了前向糾錯(cuò)編碼(FEC)和高階正交頻分復(fù)用(mQAM-OFDM)多載波調(diào)制技術(shù)，而且只是在單一的時(shí)域或者頻域中實(shí)現(xiàn)的，而沒有考慮傳輸多媒體信息時(shí)所需要的快速、靈活性。當(dāng)需要傳輸多媒體信息時(shí)，這些DTTB系統(tǒng)在物理層上不能滿足需要，而只能在鏈路層或應(yīng)用層上采取一定的技術(shù)措施，滿足應(yīng)用需求。例如下面講述的歐洲手持?jǐn)?shù)字視頻廣播(DVB-H)系統(tǒng)。
歐洲地面數(shù)字電視廣播(DVB-T)標(biāo)準(zhǔn)為了適應(yīng)不同的要求，設(shè)置了可變的參數(shù)，這些參數(shù)主要還是針對室內(nèi)外固定接收和室外接收，但是抗脈沖干擾能力不強(qiáng)，并且沒有考慮省電功能，對于便攜的手持移動設(shè)備并不適用，還存在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃不靈活的問題。因此，歐洲D(zhuǎn)VB組織正在制定針對手持移動設(shè)備的地面數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)，稱之為DVB-H。
為了滿足DVB-H的商業(yè)需求，完全的DVB-H系統(tǒng)定義為物理層、鏈路層和業(yè)務(wù)信息的組合，其中為了增加電池的使用時(shí)間，必須降低功耗。因此，DVB-H的節(jié)目分配在鏈路層采用了上述的時(shí)分復(fù)用(TDM)技術(shù)，在DVB-H中稱為時(shí)間片(Time-Slicing)，把多媒體信息以高碼率(12Mbs左右)的突發(fā)形式傳送電視廣播數(shù)據(jù)，在兩個(gè)突發(fā)之間，不傳輸本業(yè)務(wù)碼流數(shù)據(jù)，這使得接收機(jī)只在接收所請求的業(yè)務(wù)突發(fā)時(shí)才保持激活狀態(tài)。
為了告知接收端下一個(gè)突發(fā)的時(shí)間，，在當(dāng)前突發(fā)中說明到下一個(gè)突發(fā)開始的時(shí)間。在兩個(gè)突發(fā)之間，沒有傳輸碼流數(shù)據(jù)，此時(shí)可以傳輸其它的節(jié)目碼流。時(shí)間片使得接收端只在接收到請求的業(yè)務(wù)突發(fā)時(shí)，才開始工作。注意，發(fā)射機(jī)一直在工作(即TS傳送流的傳輸沒有中斷)，如圖4所示。
圖5描述了DVB-H系統(tǒng)的概念性結(jié)構(gòu)，包括DVB-H調(diào)制/解調(diào)器和DVB-H終端，其中有時(shí)間片和MPE-FEC、4K等模塊。
在歐洲D(zhuǎn)VB-T系統(tǒng)中，同步時(shí)間為250ms，突發(fā)長度要和同步時(shí)間有可比擬性，不能遠(yuǎn)小于系統(tǒng)同步時(shí)間，否則同步時(shí)間占的開銷就太大了。因此，根據(jù)歐洲地面數(shù)字電視廣播標(biāo)準(zhǔn)DVB-T的特性，DVB-H的突發(fā)長度選為200ms，并且突發(fā)帶寬為15Mbps，空閑時(shí)間為4s，突發(fā)大小為2Mb。歐洲D(zhuǎn)VB-H需要有一個(gè)2Mb的緩存器，以平滑突發(fā)碼流為恒定碼率的輸出。由此帶來的問題是系統(tǒng)的傳輸延時(shí)增大，而且2Mb容量的存儲器會顯著地增加手持設(shè)備的成本。
另外，從通信角度看，傳輸?shù)男畔挝辉叫?，開展業(yè)務(wù)越靈活。在DVB-H系統(tǒng)中，突發(fā)長度最小為200ms，每個(gè)突發(fā)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為2Mbits，不利于傳輸小的信息和即時(shí)信息，例如短消息、尋呼、告警等。
特別需要說明的的是，DVB-H中的時(shí)間片技術(shù)必須在鏈路層實(shí)現(xiàn)，沒有在任何地方涉及到DVB-T物理層。并且，DVB-H選擇了在已有的多協(xié)議封裝(Multi-ProtocolEncapsulation，MPE)上傳輸IP包數(shù)據(jù)，在鏈路層的MPE上實(shí)施時(shí)間片。DVB-H的時(shí)間片技術(shù)一定程度上增加了節(jié)目分配的靈活性，到達(dá)了省電的目的，但只是在時(shí)間域中實(shí)現(xiàn)的。
總結(jié)以上所述，現(xiàn)有的三個(gè)地面數(shù)字電視廣播國際標(biāo)準(zhǔn)，這三個(gè)DTTB系統(tǒng)，都是針對傳統(tǒng)的連續(xù)碼流傳輸而設(shè)計(jì)的，無法滿足多個(gè)多媒體節(jié)目所要求的傳輸快速和可靠、節(jié)目分配靈活和高效、省電和保密等要求。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明根據(jù)時(shí)域同步正交頻分復(fù)用(TDS-OFDM)多載波調(diào)制采用的與自然時(shí)間同步的分層幀結(jié)構(gòu)特性，針對多媒體信息傳輸?shù)男枨螅岢隽艘环N二維的時(shí)間-頻率矩陣(Time-Frequency Matrix，TFM)信道動態(tài)分配方法。
本方明的特征在于多媒體信息傳輸中時(shí)頻矩陣二維信道動態(tài)分配方法，其特征在于它是在TDS-OFDM即時(shí)域同步正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中傳輸多媒體信息的條件下，根據(jù)與自然時(shí)間同步的分層幀結(jié)構(gòu)特性而提出的在物理層利用二維時(shí)間頻率矩陣，即TFM，來隨機(jī)地動態(tài)分配信道的方法，它是在發(fā)射端，當(dāng)對輸入碼流依次進(jìn)行信道糾錯(cuò)編碼、調(diào)制符號映射、IDFT變換后，通過利用現(xiàn)場可編程門陣列即FPGA對IDFT的輸出碼流依次進(jìn)行如下處理而實(shí)現(xiàn)的第1步用一個(gè)下述的二維的時(shí)間-頻率矩陣來描述多用戶廣播信道的多媒體信息的分配圖案TFM=SC0,0SC0,1…SC0,N-2SC0,N-1SC1,0SC1,1…SC1,N-2SC1,N-1···············SCM-2,0SCM-2,1…SCM-2,N-2SCM-2,N-1SCM-1,0SCM-1,1…SCM-1,N-2SCM-1,N-1M×N]]>其中TFM矩陣中的元素SCm×n表示TDS-OFDM中第m個(gè)信號幀中的第n個(gè)OFDM子載波；在TFM矩陣中，水平方向代表頻率矢量，用符號 表示，矢量 中的元素代表了某個(gè)多媒體節(jié)目在OFDM子載波上的位置；垂直方向代表時(shí)間矢量，用符號 表示，矢量 中的元素代表某個(gè)多媒體節(jié)目在幀群中信號幀的索引；從而用TFM矩陣中元素的賦值表示一個(gè)多媒體節(jié)目在TDS-OFDM物理傳輸信道的分配；當(dāng)傳輸p個(gè)節(jié)目時(shí)，用一個(gè)由每個(gè)節(jié)目的時(shí)間-頻率矩陣構(gòu)成的三維矩陣來表示該要傳輸?shù)膒個(gè)節(jié)目，所述三維矩陣用一個(gè)節(jié)目矢量表示，用符號 或TFMp代表TFMp＝[TF1，TF2，…TFm，…，TFp]其中的TFm表示第m個(gè)節(jié)目在時(shí)頻二維矩陣TFM中信道分配信息；第2步依據(jù)步驟1所述的TFM矩陣定義的多用戶廣播信道分配方案，把從上述IDFT輸入的多媒體節(jié)目碼流分配到TFM矩陣的相應(yīng)位置，用1表示該元素所代表的子載波傳輸該節(jié)目數(shù)據(jù)，用0表示此子載波不傳輸該節(jié)目數(shù)據(jù)，接收機(jī)處于空閑狀態(tài)，關(guān)閉相應(yīng)的部分接收電路，但發(fā)射機(jī)此時(shí)繼續(xù)發(fā)送其他的電視節(jié)目；第3步用前向糾錯(cuò)碼分別對每個(gè)用戶的廣播信息進(jìn)行保護(hù)處理，前向糾錯(cuò)碼后的數(shù)據(jù)經(jīng)過調(diào)制作符號星座映射；第4步把多用戶的數(shù)據(jù)在頻域進(jìn)行復(fù)接，形成長度在事先確定的數(shù)據(jù)塊，然后采用IDFT即離散傅里葉變換把所形成的頻域數(shù)據(jù)塊變換成為相應(yīng)長度的時(shí)域離散樣值幀體，得到OFDM多載波基帶調(diào)制信號，構(gòu)成TDS-OFDM信號幀的幀體；第5步按TDS-OFDM的信道幀結(jié)構(gòu)，在OFDM保護(hù)間隔內(nèi)插入一定長度的PN序列作為幀頭，把幀頭和幀體組成信號幀；第6步在TDS-OFDM幀群的幀群頭中插入TFM矩陣信息；第7步把幀群進(jìn)一步組成超幀和日幀，構(gòu)成一個(gè)符合TDS-OFDM傳輸幀結(jié)構(gòu)的完整信號；發(fā)射端最后把步驟7形成的完整的TDS-OFDM信號進(jìn)行成形濾波處理，再經(jīng)過頻率上變換和功放，在預(yù)定的頻道帶寬中發(fā)射出去。
根據(jù)上述的TDS-OFDM系統(tǒng)中時(shí)頻矩陣二維信道動態(tài)分配方法，其具體特征在于所述TFM矩陣是稀疏矩陣。
根據(jù)上述的TDS-OFDM系統(tǒng)中時(shí)頻矩陣二維信道動態(tài)分配方法，其具體特征在于所述TFM矩陣用壓縮方法傳輸。
根據(jù)上述的TDS-OFDM系統(tǒng)中時(shí)頻矩陣二維信道動態(tài)分配方法，其具體特征在于所述TFM矩陣中元素排列圖案是隨機(jī)的。
根據(jù)上述的TDS-OFDM系統(tǒng)中時(shí)頻矩陣二維信道動態(tài)分配方法，其具體特征在于所述TFM矩陣中元素排列圖案是有固定規(guī)則的。
本發(fā)明根據(jù)清華所發(fā)明的TDS-OFDM與自然時(shí)間同步的多層信道幀結(jié)構(gòu)，提出了一種在TDS-OFDM物理層利用二維時(shí)間-頻率矩陣(TFM)來隨機(jī)地動態(tài)分配信道的方法，滿足了傳輸多個(gè)多媒體節(jié)目的需求。由于TFM矩陣具有稀疏性，體現(xiàn)突發(fā)傳輸特性，通過在節(jié)目突發(fā)之間關(guān)閉部分電路，從而到達(dá)省電效果；由于TFM矩陣的跳頻、隨機(jī)和不連續(xù)特性，表征了時(shí)頻二維聯(lián)合交織，增強(qiáng)了抵抗突發(fā)誤碼的能力，同時(shí)增加了保密性；由于TFM矩陣可以事先定義，在專門的信令信道(控制幀)內(nèi)傳送，實(shí)現(xiàn)節(jié)目的靈活分配；由于TFM中每個(gè)元素所代表的突發(fā)間隔很短，所能到達(dá)的功耗降低的性能滿足實(shí)際需求，所需存儲器大小和突發(fā)包的長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于現(xiàn)有的其它數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)，使得接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)成本和信號延遲大大降低，同時(shí)利于短信息和即時(shí)信息的傳送，而且與現(xiàn)在的TDS-OFDM系統(tǒng)保持兼容。
圖1為ATSC幀結(jié)構(gòu)。
圖2為DVB-T幀結(jié)構(gòu)。
圖3為DVB-T導(dǎo)頻信號。
圖4為歐洲D(zhuǎn)VB-H中節(jié)目的分配方法。
圖5為DVB-H系統(tǒng)的概念性結(jié)構(gòu)。
圖6為TDS-OFDM與自然時(shí)間同步的分級幀結(jié)構(gòu)。
圖7為采用本發(fā)明的一個(gè)多媒體節(jié)目的物理信道分配圖案的舉例。
圖8為三維TFM示意圖。
圖9為采用本發(fā)明所述方法的地面數(shù)字電視廣播發(fā)射系統(tǒng)信號處理流程框圖。
圖10為采用本發(fā)明所述方法的地面數(shù)字電視廣播接收系統(tǒng)信號處理流程框圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供了一種時(shí)頻矩陣(Time-Frequency Matrix，TFM)二維信道動態(tài)分配方法，在時(shí)域同步正交頻分復(fù)用，即TDS-OFDM，系統(tǒng)中采用二維的時(shí)域-頻域信道分配方法，以滿足多媒體節(jié)目的靈活、高效、低功耗和即時(shí)等需求。
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。
我國自1994年起，也開始了高清晰度電視的研究工作。并于1998年研制成功了中國第一代高清晰度電視功能樣機(jī)。由廣播電視主管單位、國家廣電總局組織了我國的專家對數(shù)字電視及數(shù)字高清晰度電視標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了制定，清華大學(xué)地面數(shù)字多媒體廣播(Digital MultimediaBroadcasting for Terrestrial，DMB-T)傳輸協(xié)議是測試方案之一。
清華DMB-T中采用的時(shí)域同步正交頻分復(fù)用(Time Domain Synchronous OFDM，TDS-OFDM)調(diào)制屬多載波技術(shù)，但與歐洲的COFDM不同，在TDS-OFDM中沒有插入頻域?qū)ьl信號，而是插入了PN序列，在時(shí)域進(jìn)行幀同步、頻率同步、定時(shí)同步、信道傳輸特性估計(jì)和跟蹤相位噪聲等。系統(tǒng)使用更加優(yōu)化的前向糾錯(cuò)編碼FEC來抵抗突發(fā)誤碼，例如里德-索羅門(Reed-Solomon，RS)或Turbo碼、卷積碼以及它們的級聯(lián)等。
關(guān)于DMB-T、TDS-OFDM的相關(guān)情況詳見授權(quán)號為00123597.4名為“地面數(shù)字多媒體電視廣播系統(tǒng)”、授權(quán)號為01115520.5名為“時(shí)域同步正交頻分復(fù)用調(diào)制方法”，以及授權(quán)號為01124144.6名為“正交頻分復(fù)用調(diào)制系統(tǒng)中保護(hù)間隔的填充方法”等清華大學(xué)申請的中國發(fā)明專利。
為了實(shí)現(xiàn)快速和穩(wěn)定的同步，DMB-T傳輸系統(tǒng)采用了與自然時(shí)間同步的分級幀結(jié)構(gòu)。它具有周期性，并且可以和自然時(shí)間同步。幀結(jié)構(gòu)的基本單元稱為信號幀，如圖6所示。DMB-T傳輸系統(tǒng)的幀群是由一個(gè)控制幀和隨后的225個(gè)信號幀構(gòu)成。每個(gè)幀群的持續(xù)時(shí)間為125ms。幀群中的第一個(gè)信號幀被定義為幀群頭(控制幀)，用于傳輸控制該幀群的信令。幀群中的每一個(gè)信號幀有唯一的幀號，它被編碼在幀頭的PN序列中。每個(gè)幀群由一個(gè)9bit的幀群號標(biāo)識。幀群號被編碼在信號幀的傳輸參數(shù)信令(TPS)中。TPS在幀群中每個(gè)信號幀中重復(fù)，只在新的幀群開始時(shí)才能改變。DMB-T傳輸系統(tǒng)的超幀包含480個(gè)幀群。超幀中的每個(gè)幀群由其幀群號唯一識別。超幀的第一個(gè)幀群編號為O，最后一個(gè)幀群編號為479。每個(gè)超幀的持續(xù)時(shí)間為60s。DMB-T傳輸系統(tǒng)的日幀是由1440個(gè)超幀組成，并以一個(gè)自然日為周期進(jìn)行周期性重復(fù)。在北京時(shí)間0:0:0AM或其它選定的參考時(shí)間，DMB-T傳輸系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)被復(fù)位并開始一個(gè)新的日幀。每個(gè)日幀的最后一個(gè)超幀是不完整的。
這樣一種與自然時(shí)間同步的分層幀結(jié)構(gòu)，信號幀和幀群是唯一可尋址的，并且可以在物理層為單頻網(wǎng)提供與TS流對應(yīng)的秒同步時(shí)鐘，便于單頻組網(wǎng)；也可以與按日歷日為周期的廣播節(jié)目表相配合，便于進(jìn)行定時(shí)接收；也有利于未來系統(tǒng)的功能擴(kuò)展，如雙向交互和定位功能等。對于手持便攜接收機(jī)，利于省電控制，這是一個(gè)重要的特性。
DMB-T傳輸系統(tǒng)的信號幀使用時(shí)域同步的正交頻分復(fù)用調(diào)制，或者稱為以PN序列為保護(hù)間隔的正交頻分復(fù)用調(diào)制。一個(gè)信號幀由幀同步和幀體兩部分組成，它們具有相同的基帶符號率7.56MS/s(1/T)?？紤]到信道的時(shí)間選擇性(多普勒分布約為100Hz)，每個(gè)信號幀的長度定義為＜600μs。一個(gè)信號幀可以作為一個(gè)正交頻分復(fù)用(OFDM)塊。一個(gè)OFDM塊進(jìn)一步分成一個(gè)保護(hù)間隔和一個(gè)離散傅里葉逆變換(IDFT)塊。對于TDS-OFDM來說，幀同步序列作為OFDM的保護(hù)間隔，而幀體作為IDFT塊，信號幀的幀體采用多載波調(diào)制方式，幀體的頻率域子載波數(shù)為3780，相鄰子載波的間隔為2 kHz，每個(gè)子載波符號采用64QAM星座圖。在TDS-OFDM中，幀體的長度為固定的500us，而保護(hù)間隔有1/4和1/9兩種模式，即保護(hù)間隔長度分別為幀體長度的1/4(625us)或1/9(555.6us)。
信號幀中的幀同步由前同步、8階PN序列和后同步三部分構(gòu)成。PN前同步和后同步定義為PN序列的循環(huán)擴(kuò)展，8階PN序列定義為特征多項(xiàng)式x8+x6+x5+x+1的m序列，其初始條件將確定所生成的m序列的相位。每個(gè)信號幀的幀號決定其m序列的初始條件。信號幀群中的每個(gè)信號幀，分配有唯一的幀同步信號，以作為信號幀的識別特征。
TDS-OFDM的另外一種解釋是PN序列與IDFT塊的正交時(shí)分復(fù)用。由于PN序列對于接收端來說是已知序列，PN序列和IDFT塊在接收端是可以被分開的。
PN序列除了作為OFDM塊的保護(hù)間隔以外，在接收端還可以被用做信號幀的幀同步、載波恢復(fù)與自動頻率跟蹤、符號時(shí)鐘恢復(fù)、信道估計(jì)等用途。
TDS-OFDM是靠PN序列進(jìn)行同步的，僅在時(shí)域進(jìn)行，理論上TDS-OFDM系統(tǒng)的同步捕獲約為1ms左右，相當(dāng)于相鄰PN序列的時(shí)間間隔。在國家有關(guān)部門組織的國家數(shù)字地面數(shù)字電視廣播實(shí)驗(yàn)室和場地測試中，TDS-OFDM的同步時(shí)間為2ms。而歐洲D(zhuǎn)VB-T的同步技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，同步時(shí)間約為250ms左右。
如前所述，對于這樣一種與自然時(shí)間同步的TDS-OFDM分層幀結(jié)構(gòu)，信號幀和幀群是可尋址的，體現(xiàn)了TDS-OFDM的時(shí)間特征，而信號幀中3780個(gè)子載波的每一個(gè)也是唯一的，并且是可尋址的，這體現(xiàn)了TDS-OFDM的頻率特征。由于采用了PN序列的時(shí)域同步技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)的快速同步，使得系統(tǒng)能夠很快地尋址到所需要的子載波、信號幀和幀群位置。
基于TDS-OFDM與自然時(shí)間同步的分層幀結(jié)構(gòu)體現(xiàn)出來的時(shí)間和頻率特征，并且系統(tǒng)能夠快速尋址到子載波、信號幀和幀群，可以把多個(gè)多媒體節(jié)目分散地分配在不同信號幀、不同子載波上傳輸，我們可以用矩陣來描述這種分配位置，即可以把分配某個(gè)多媒體節(jié)目的子載波、信號幀或幀群構(gòu)成一個(gè)二維的時(shí)間-頻率矩陣(TFM)TFM=SC0,0SC0,1…SC0,N-2SC0,N-1SC1,0SC1,1…SC1,N-2SC1,N-1···············SCM-2,0SCM-2,1…SCM-2,N-2SCM-2,N-1SCM-1,0SCM-1,1…SCM-1,N-2SCM-1,N-1M×N]]>其中TFM矩陣中的元素SCm×n表示TDS-OFDM中第m個(gè)信號幀中的第n個(gè)OFDM子載波(Sub-Carrier)。
在TFM矩陣中，水平方向代表頻率矢量(Frequency Vector)，用符號 表示，在本在本發(fā)明中，我們用TFM矩陣中元素的賦值表示一個(gè)多媒體節(jié)目在TDS-OFDM物理傳輸信道的分配，并且這個(gè)分配可以根據(jù)應(yīng)用需求、節(jié)目內(nèi)容、緊迫性和重要性等因素做動態(tài)修改。
本發(fā)明利用時(shí)分復(fù)用(TDM)技術(shù)在時(shí)頻二維域中以突發(fā)時(shí)隙形式傳輸數(shù)據(jù)，從而達(dá)到省電、加密、可靠和靈活等目的。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的突發(fā)傳輸，在TDS-OFDM信道幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，一個(gè)多媒體節(jié)目的物理信道分配圖案舉例如圖7所示。
圖7也可以用矩陣TFM表示，圖7中的灰色豎條表示矩陣TFM中相應(yīng)位置的元素為1，此子載波傳輸該節(jié)目數(shù)據(jù)；白色豎條代表0，則此子載波不傳輸該節(jié)目數(shù)據(jù)，接收機(jī)處于空閑狀態(tài)，就可以關(guān)閉部分接收電路，但發(fā)射機(jī)此時(shí)可以繼續(xù)發(fā)送其它的電視節(jié)目。用時(shí)域矩陣(TFM)表示上述信道分配為
TFM=000000000100000000010000000001…00000100010000001000100000100010001000000000100000000010000000·····························································································0001100000000110000000011000000M×N]]>在頻率矢量 中的信道分配圖案可以是原先排列的、固定的有規(guī)律，或者隨機(jī)產(chǎn)生的分配。
在時(shí)間矢量 之間的信道分配圖案可以是相同的，或某種規(guī)律，或隨機(jī)的。
當(dāng)傳輸p個(gè)節(jié)目時(shí)，可以進(jìn)一步由每個(gè)節(jié)目的時(shí)間-頻率矩陣(TFM)構(gòu)成一個(gè)三維矩陣，如圖8所示，該三維矩陣可以用一個(gè)節(jié)目矢量(Program Vector)表示，用符號 或TFMp表示TFMp＝[TF1，TF2，…TFm，…，TFp]其中的TFm表示了節(jié)目m在時(shí)頻二維矩陣TFM中信道分配信息。
一般情況下，本發(fā)明的TFM矩陣是一個(gè)稀疏矩陣。設(shè)矩陣TFMM×N中有s個(gè)非零元素，若s遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于矩陣元素的總數(shù)(即s＜＜M×N)，則稱TFM為稀疏矩陣。
當(dāng)傳輸節(jié)目數(shù)量很多時(shí)，TFMp矩陣的數(shù)據(jù)量就會變得很大，那么如何有效地壓縮這個(gè)稀疏的TFMp矩陣呢？對于稀疏矩陣，一般按照某個(gè)算法只存貯其非零元素。由于非零元素的分布一般是沒有規(guī)律的，因此在存儲非零元素的同時(shí)，還必須存儲非零元素所在的行號、列號，才能迅速確定一個(gè)非零元素是矩陣中的哪一個(gè)元素，即其中每一個(gè)非零元素所在的行號、列號和數(shù)值組成一個(gè)三元組(m，n，V)，并由此三元組惟一確定。稀疏矩陣常用的壓縮方法有兩種順序存儲和鏈?zhǔn)酱鎯Γ蓞⒖枷嚓P(guān)的資料。當(dāng)然，也可以進(jìn)一步研究更有效的稀疏矩陣壓縮算法。
由上述可知，TFMp攜帶了節(jié)目在信道中的動態(tài)分配信息，那么如何告知接收機(jī)這個(gè)TFMp信息？在TDS-OFDM幀群中，第1個(gè)信號幀是控制幀(幀群頭)，上述的壓縮的或未壓縮的TFMp矩陣信息可以在控制幀中攜帶，并傳送給接收機(jī)，接收機(jī)就可以根據(jù)收到的TFMp矩陣信息來處理用戶所需要的節(jié)目。
一個(gè)采用本發(fā)明所述方法的地面數(shù)字電視廣播發(fā)射系統(tǒng)原理性組成框圖如圖9所示。在本實(shí)施例發(fā)送端中，信號處理的步驟如下
(1)按照某種規(guī)則產(chǎn)生信道分配圖案，得到一個(gè)二維的時(shí)域-頻域矩陣TFM多用戶廣播信道；(2)依照上述的TFM矩陣定義的多用戶廣播信道分配圖案，把輸入的視頻、音頻、圖形、文本、數(shù)據(jù)等多媒體節(jié)目碼流分配到二維的時(shí)域-頻域矩陣的相應(yīng)位置；(3)為了抵抗傳輸過程中產(chǎn)生的誤碼，對每個(gè)用戶的廣播信息采用了前向糾錯(cuò)碼(LDPC碼或者RS碼和串行級聯(lián)系統(tǒng)卷積碼作為內(nèi)外糾錯(cuò)碼)分別進(jìn)行保護(hù)，前向糾錯(cuò)碼后的數(shù)據(jù)經(jīng)過調(diào)制的符號星座映射后。
(4)將多用戶的數(shù)據(jù)在頻域進(jìn)行復(fù)接，形成確定長度的數(shù)據(jù)塊，(例如，采用長度為3780的數(shù)據(jù)塊)，然后采用離散傅立葉反變換(IDFT)將所形成的頻域數(shù)據(jù)塊變換成為相應(yīng)長度的時(shí)域離散樣值幀體，得到OFDM多載波基帶調(diào)制信號，構(gòu)成TDS-OFDM信號幀的幀體；(5)按時(shí)域同步正交頻分復(fù)用，即TDS-OFDM，的信道幀結(jié)構(gòu)，在OFDM保護(hù)間隔內(nèi)插入一定長度的PN序列作為幀頭，將幀頭和幀體組成信號幀；(6)在TDS-OFDM幀群的幀群頭(幀群控制幀)中插入TFM矩陣信息，用于傳遞節(jié)目的信道分配信息；(7)把幀群進(jìn)一步組成超幀和日幀，構(gòu)成一個(gè)符合TDS-OFDM傳輸幀結(jié)構(gòu)的完整信號；(8)將上述完整的TDS-OFDM信號進(jìn)行成形濾波處理，然后經(jīng)過頻率上變換和功放，在預(yù)定的頻道帶寬中發(fā)射出去。
一個(gè)采用本發(fā)明所述方法的地面數(shù)字電視廣播接收系統(tǒng)原理性組成框圖如圖10所示，主要包括以下一些部分(1)模擬前端模擬前端即高頻調(diào)諧器，它將接收的RF信號放大，完成頻道選擇，并將選擇的信號從RF頻段變換到一個(gè)固定的中頻IF1(36.25Mhz)?？刂聘哳l頭自動增益控制AGC的電壓是由中頻部分提供的。頻道選擇通過改變PLL的分頻系數(shù)來實(shí)現(xiàn)。IF1信號經(jīng)過8MHz帶寬濾波器濾波。在中頻單元中的一個(gè)本振將IF1變換到小中頻IF2(4.5MHz)，此時(shí)的信號為一個(gè)靠近基帶的帶通信號。
(2)AD變換和希爾伯特濾波器經(jīng)過模擬前端后，模擬信號經(jīng)過濾波經(jīng)四倍采樣Rs(即30.40MHz)成為數(shù)字小中頻信號，AD變換器的取樣時(shí)鐘沒有經(jīng)過鎖相，是自由振蕩的。因此，數(shù)字小中頻信號要經(jīng)過后面的載波恢復(fù)處理模塊后才能得到精確的載波頻率。數(shù)字小中頻信號經(jīng)過希爾伯特濾波器(Hilbert Filter)后變?yōu)閺?fù)數(shù)信號，即被解復(fù)用成兩路數(shù)據(jù)I路(同相分量)和Q路(正交分量)。
(3)載波恢復(fù)和下變頻接收機(jī)振蕩器的頻率不可能很穩(wěn)定，所以總會存在一個(gè)定量的頻率偏移，數(shù)字定時(shí)和其他同步算法只有在小頻差的情況下才能正常，所以進(jìn)行載波恢復(fù)是必要的。接收機(jī)加電時(shí)要有一個(gè)范圍較大的粗頻率估計(jì)，之后需要更高精度的頻率估計(jì)AFC使頻率誤差降低到1Hz以下。對載波頻率偏移進(jìn)行校正是通過將時(shí)域的采樣數(shù)據(jù)乘上 (一個(gè)帶有遞增相位的復(fù)指數(shù)，其中相位增加量為 變量k為數(shù)據(jù)序號， 為以Ts歸一化的頻偏估計(jì)值)。
得到恢復(fù)的載波信號后，數(shù)字小中頻信號通過乘法器實(shí)現(xiàn)下變頻，得到數(shù)字基帶信號。
(4)時(shí)鐘恢復(fù)TDS-OFDM時(shí)鐘恢復(fù)包括PN碼捕獲(Code Acquisition，CA)和符號定時(shí)恢復(fù)(Symbol Timing Recovery，STR)兩部分。開始時(shí)，接收機(jī)不知道所接收信號幀中PN碼的相位，通過碼捕獲獲得此相位，從而PN序列成為已知信號，可用于其他同步模塊。碼捕獲算法是將接收信號和本地產(chǎn)生的PN序列滑動相關(guān)，因?yàn)楸镜禺a(chǎn)生的PN序列與接收的PN序列僅是有一個(gè)時(shí)間偏移，所以相關(guān)結(jié)果中將出現(xiàn)很強(qiáng)的峰值。
碼捕獲后，定時(shí)誤差僅在±Ts/2范圍內(nèi)，我們需要更精確的定時(shí)同步，STR對殘余定時(shí)誤差ε0進(jìn)行估計(jì)，得到估計(jì)值 通過線性插值，將采樣信號{rf(kTs)}轉(zhuǎn)換成與發(fā)送符號率1/T一致的同步數(shù)據(jù)。同時(shí)由于采樣時(shí)鐘有漂移，STR采用二階反饋環(huán)路來控制誤差信號，完成對采樣時(shí)鐘的跟蹤。
同時(shí)，PN碼捕獲后，就可以從數(shù)字基帶流中把PN碼(幀頭)部分和數(shù)據(jù)部分(幀體)分離開來，然后送給不同的處理模塊。
(5)DFT在接收機(jī)端，假定正確的定時(shí)同步，通過將N個(gè)校正后的時(shí)域復(fù)采樣點(diǎn)進(jìn)行DFT完成OFDM的解調(diào)。
(6)信道估計(jì)和均衡接收機(jī)信道估計(jì)(Channel Estimation)部分主要為每一個(gè)OFDM塊提供信道響應(yīng)的估計(jì)，以便校正每一個(gè)接收到的數(shù)據(jù)采樣(相干檢測)。完成頻率估計(jì)后，信號還殘留了一個(gè)固定相位誤差，信道估計(jì)中也包含了該誤差。得到信道估計(jì)后，信道均衡部分在頻域通過簡單的除法運(yùn)算實(shí)現(xiàn)信道均衡(Channel Equalization)。
(7)相位噪聲去除使用基于傳輸參數(shù)信令(Transmission Parameter Signals，TPS)的去除相位噪聲(PhaseNoise Correction)方法，它從DFT后的TPS信號獲得相位噪聲的頻域基帶信號，然后經(jīng)過IDFT將獲得的頻域信號轉(zhuǎn)化為時(shí)域相位噪聲估計(jì)，接著使用得到時(shí)域相位噪聲估計(jì)對DFT以前的數(shù)據(jù)進(jìn)行相位補(bǔ)償。
(8)幀群中控制幀的捕獲和分析在TDS-OFDM系統(tǒng)的傳輸幀結(jié)構(gòu)的幀群中，包含著一個(gè)幀群頭(控制幀)，接收機(jī)從控制幀中可以獲得發(fā)送端所規(guī)定的TFM矩陣的信息，從而得到一個(gè)節(jié)目在信道中時(shí)域-頻域的分配信息，得到信號幀幀號和OFDM子載波位置等系統(tǒng)參數(shù)，這些參數(shù)可以每幀群/或多個(gè)幀群檢測一次。由這些參數(shù)可以獲得業(yè)務(wù)(節(jié)目)的構(gòu)成，根據(jù)用戶選擇的業(yè)務(wù)在傳輸幀所處的位置，給出一個(gè)激活/休眠狀態(tài)指示信號，去激活信道解調(diào)和糾錯(cuò)等部分的工作，接收突發(fā)碼流，存到緩存器中。而兩個(gè)突發(fā)之間，則停止工作，節(jié)省功耗，同時(shí)從緩存器中讀出數(shù)據(jù)送給信源解碼和顯示等。
因此，從圖10看出，采用本發(fā)明的實(shí)施例接收端的信號處理順序如下一個(gè)高頻模擬信號經(jīng)過調(diào)諧器和AD變換后成為數(shù)字信號，通過希爾伯特濾波器后變分解為I路(同相分量)和Q路(正交分量)數(shù)據(jù)信號。
IQ信號分為兩路一路送給AGC控制模塊，在AGC中IQ信號和后面捕獲的幀同步PN序列一起產(chǎn)生一個(gè)AGC控制電壓，去控制高頻調(diào)諧器的放大增益；另一路IQ信號送給下變頻器，與恢復(fù)的本地載波相乘，然后經(jīng)過樣值內(nèi)插和SRRC低通濾波器后得到數(shù)字基帶信號。
一路數(shù)字基帶信號經(jīng)過頻率估計(jì)后的到AFC信號用于控制載波恢復(fù)，得到一個(gè)相對精確的本地載波用于上述的下變頻器；另一路數(shù)字基帶信號經(jīng)過PN碼捕獲模塊后使得接收機(jī)獲得接收的信號幀中PN碼，PN碼捕獲后，經(jīng)過時(shí)鐘恢復(fù)模塊得到更精確的定時(shí)同步，用于上述的樣值內(nèi)插處理，同時(shí)PN碼捕獲后，就可以把接收的信號幀分解成為PN碼(幀頭)和DFT數(shù)據(jù)信號(幀體)兩部分。
PN信號部分送給信道估計(jì)模塊，得到每一個(gè)OFDM塊的信道響應(yīng)估計(jì)，然后對相位校正后的數(shù)據(jù)進(jìn)行信道均衡處理，以便校正每一個(gè)接收到的數(shù)據(jù)采樣(相干檢測)，然后均衡后的數(shù)據(jù)再反饋給信道估計(jì)，以便下一幀信道估計(jì)更精確。同時(shí)，PN信號部分還送給上述的AGC控制電路。
數(shù)據(jù)部分經(jīng)過幀群頭(幀群控制幀)捕獲電路后，獲得幀群頭，經(jīng)過分析幀群頭，得到發(fā)送端規(guī)定的TFM矩陣參數(shù)，如矩陣大小M×N、節(jié)目(業(yè)務(wù))數(shù)量、糾錯(cuò)方式、節(jié)目長度、有無加密等，從而獲得用戶所需的節(jié)目數(shù)據(jù)，以及給出電路激活/休眠狀態(tài)指示信號。
電路激活/休眠狀態(tài)指示信號送給調(diào)制和糾錯(cuò)解碼等電路，控制這些電路的工作與否，到達(dá)省電目的。同時(shí)，此信號還送給數(shù)據(jù)緩存器，指示緩存器的讀寫工作。
幀片數(shù)據(jù)部分經(jīng)過相位噪聲校正模塊，相位校正后的數(shù)據(jù)經(jīng)過DFT變換和上述的信道估計(jì)和均衡后，送給前向糾錯(cuò)編碼FEC模塊，把FEC解碼后的存到緩存器中，把從緩存器中讀出數(shù)據(jù)送給信源解碼，最終恢復(fù)發(fā)送序列。
采用本發(fā)明的時(shí)頻矩陣TFM二維信道動態(tài)分配方法的系統(tǒng)具有明顯的性能優(yōu)勢(1)TFM矩陣的稀疏性，降低了接收設(shè)備的功耗，利于短消息和即時(shí)消息的傳送。
一個(gè)節(jié)目(業(yè)務(wù))輸入以后，首先按著TFM矩陣所示的信道分配圖案把節(jié)目許多突發(fā)，分散到幀群中不同信號幀的不同的OFDM子載波上。對一個(gè)節(jié)目來講，這體現(xiàn)了信息的時(shí)分復(fù)用和頻分復(fù)用突發(fā)傳輸模式，接收設(shè)備只有在接收所請求的節(jié)目(業(yè)務(wù))時(shí)才激活信道解調(diào)和糾錯(cuò)等部分，進(jìn)行工作，接收突發(fā)碼流，存到緩存器中，而兩個(gè)突發(fā)之間，設(shè)備停止上述電路的工作，節(jié)省功耗，同時(shí)從緩存器中讀出數(shù)據(jù)送給信源解碼和顯示等。為了獲得適當(dāng)?shù)墓?jié)能效果，突發(fā)帶寬(碼率)應(yīng)該是恒定帶寬(碼率)的一定倍數(shù)。例如，只要突發(fā)碼率是恒定碼率的2倍，那么就可以節(jié)約50％的能量。
由于TFM矩陣是一個(gè)稀疏矩陣，利用TDS-OFDM系統(tǒng)信號幀短、同步快的特點(diǎn)，本發(fā)明所提方法的突發(fā)長度較短，空閑時(shí)間長，需要的緩存器容量小，實(shí)現(xiàn)成本低，并且利于短信息的傳送，提高短信息的傳輸效率。同時(shí)，節(jié)目(業(yè)務(wù))延遲小，便于即使信息的傳輸。因此，采用本發(fā)明后，能夠顯著降低接收設(shè)備的功耗，并且利于短消息和即時(shí)消息的傳送。
(2)TFM矩陣的隨機(jī)性和不連續(xù)性，增強(qiáng)系統(tǒng)的保密性，抵抗突發(fā)誤碼和多徑干擾。
TFM矩陣的隨機(jī)性和不連續(xù)性表現(xiàn)為信道動態(tài)分配圖案在時(shí)域信號幀和頻域子載波內(nèi)按某種圖案(序列)進(jìn)行時(shí)分復(fù)用和頻分復(fù)用。
如果沒有其它特殊要求，一般希望TFM矩陣圖案呈現(xiàn)隨機(jī)性。TFM矩陣圖案本身的隨機(jī)性越好，抗干擾能力也越強(qiáng)，要求參加復(fù)用的每個(gè)節(jié)目出現(xiàn)的概率最好相同；TFM矩陣圖案的密鑰量要大，要求圖案的數(shù)目要足夠多，抗破譯的能力強(qiáng)。因此，TFM矩陣抗干擾噪聲和保密特性主要是依賴于偽隨機(jī)序列的性質(zhì)。
常用的偽隨機(jī)序列有m序列、M序列和R-S序列。m序列叫作最大長度線性移位寄存器序列。m序列的優(yōu)點(diǎn)是容易產(chǎn)生，自相關(guān)特性好，且是偽隨機(jī)的。但是可供使用的圖案少，互相關(guān)特性不理想，又因它采用的是線性反饋邏輯，就容易被敵人破譯碼的序列，即保密性、抗截獲性差。M序列是非線性序列，可用的圖案很多，圖案的密鑰量也大，并有較好的自相關(guān)和互相關(guān)特性，所以它是較理想的跳頻指令碼。其缺點(diǎn)是硬件產(chǎn)生時(shí)設(shè)備較復(fù)雜。R-S序列的硬件產(chǎn)生比較簡單，可以產(chǎn)生大量的可用圖案，較適于作TFM矩陣圖案的生成序列。
在本發(fā)明中，TFM矩陣技術(shù)可以提高抗衰落、抗干擾能力。TFM矩陣的隨機(jī)性對于靜態(tài)或慢速移動的移動接收具有很好的抗衰落效果，而對于快速移動的移動接收由于同一信道的兩個(gè)連接的突發(fā)脈沖序列其位置差已足以使它們與瑞利變化不相關(guān)，按著TFM矩陣分配時(shí)時(shí)間和頻率在不停的變化，頻率的干擾是瞬時(shí)的，這就是TFM矩陣具有一定的時(shí)間和頻率分集效果，提高了系統(tǒng)抵抗脈沖和多徑干擾的能力。
(3)靈活性由上述可知，一個(gè)節(jié)目在TDS-OFDM中的信道分配是由TFMp矩陣決定的，并且TFMp矩陣由幀群控制幀攜帶給接收機(jī)。而TFMp矩陣的圖案由運(yùn)營商根據(jù)節(jié)目內(nèi)容、緊迫性、重要性、流量大小、接收復(fù)雜性等因素決定，從而具有很大的靈活性，適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。
(4)兼容性因?yàn)樵谠械腄MB-T電視廣播業(yè)務(wù)中，碼流是連續(xù)的，主要利用了TDS-OFDM信道幀結(jié)構(gòu)的信號幀這一層。本發(fā)明利用時(shí)分復(fù)用和頻分復(fù)用技術(shù)的TFM矩陣是在物理層實(shí)現(xiàn)的，與TDS-OFDM傳輸幀結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合。因此，本發(fā)明提出的方法能夠與現(xiàn)有的DMB-T系統(tǒng)保持兼容。
已經(jīng)用現(xiàn)場可編程器件(FPGA)實(shí)現(xiàn)了采用本實(shí)施例所述方法的功能樣機(jī)。
上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)說明，但本發(fā)明并不限制于上述實(shí)施例，在不脫離本申請的權(quán)利要求的精神和范圍情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可作出各種修改或改型。
權(quán)利要求
1.多媒體信息傳輸中時(shí)頻矩陣二維信道動態(tài)分配方法，其特征在于它是在TDS-OFDM即時(shí)域同步正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中傳輸多媒體信息的條件下，根據(jù)與自然時(shí)間同步的分層幀結(jié)構(gòu)特性而提出的在物理層利用二維時(shí)間頻率矩陣，即TFM，來隨機(jī)地動態(tài)分配信道的方法，它是在發(fā)射端，當(dāng)對輸入碼流依次進(jìn)行信道糾錯(cuò)編碼、調(diào)制符號映射、IDFT變換后，通過利用現(xiàn)場可編程門陣列即FPGA對IDFT的輸出碼流依次進(jìn)行如下處理而實(shí)現(xiàn)的第1步用一個(gè)下述的二維的時(shí)間一頻率矩陣來描述多用戶廣播信道的多媒體信息的分配圖案TFM=SC0,0SC0,1···SC0,N-2SC0,N-1SC1,0SC1,1···SC1,N-2SC1,N-1···············SCM-2,0SCM-2,1···SCM-2,N-2SCM-2,N-1SCM-1,0SCM-1,1···SCM-1,N-2SCM-1,N-1M×N]]>其中TFM矩陣中的元素SCm×n表示TDS-OFDM中第m個(gè)信號幀中的第n個(gè)OFDM子載波；在TFM矩陣中，水平方向代表頻率矢量，用符號 表示，矢量 中的元素代表了某個(gè)多媒體節(jié)目在OFDM子載波上的位置；垂直方向代表時(shí)間矢量，用符號 表示，矢量 中的元素代表某個(gè)多媒體節(jié)目在幀群中信號幀的索引；從而用TFM矩陣中元素的賦值表示一個(gè)多媒體節(jié)目在TDS-OFDM物理傳輸信道的分配；當(dāng)傳輸p個(gè)節(jié)目時(shí)，用一個(gè)由每個(gè)節(jié)目的時(shí)間-頻率矩陣構(gòu)成的三維矩陣來表示該要傳輸?shù)膒個(gè)節(jié)目，所述三維矩陣用一個(gè)節(jié)目矢量表示，用符號 或TFMp代表TFMp＝[TF1，TF2，…TFm，…，TFp]其中的TFm表示第m個(gè)節(jié)目在時(shí)頻二維矩陣TFM中信道分配信息；第2步依據(jù)步驟1所述的TFM矩陣定義的多用戶廣播信道分配方案，把從上述IDFT輸入的多媒體節(jié)目碼流分配到TFM矩陣的相應(yīng)位置，用1表示該元素所代表的子載波傳輸該節(jié)目數(shù)據(jù)，用0表示此子載波不傳輸該節(jié)目數(shù)據(jù)，接收機(jī)處于空閑狀態(tài)，關(guān)閉相應(yīng)的部分接收電路，但發(fā)射機(jī)此時(shí)繼續(xù)發(fā)送其他的電視節(jié)目；第3步用前向糾錯(cuò)碼分別對每個(gè)用戶的廣播信息進(jìn)行保護(hù)處理，前向糾錯(cuò)碼后的數(shù)據(jù)經(jīng)過調(diào)制作符號星座映射；第4步把多用戶的數(shù)據(jù)在頻域進(jìn)行復(fù)接，形成長度在事先確定的數(shù)據(jù)塊，然后采用IDFT即離散傅里葉變換把所形成的頻域數(shù)據(jù)塊變換成為相應(yīng)長度的時(shí)域離散樣值幀體，得到OFDM多載波基帶調(diào)制信號，構(gòu)成TDS-OFDM信號幀的幀體；第5步按TDS-OFDM的信道幀結(jié)構(gòu)，在OFDM保護(hù)間隔內(nèi)插入一定長度的PN序列作為幀頭，把幀頭和幀體組成信號幀；第6步在TDS-OFDM幀群的幀群頭中插入TFM矩陣信息；第7步把幀群進(jìn)一步組成超幀和日幀，構(gòu)成一個(gè)符合TDS-OFDM傳輸幀結(jié)構(gòu)的完整信號；發(fā)射端最后把步驟7形成的完整的TDS-OFDM信號進(jìn)行成形濾波處理，再經(jīng)過頻率上變換和功放，在預(yù)定的頻道帶寬中發(fā)射出去。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的TDS-OFDM系統(tǒng)中時(shí)頻矩陣二維信道動態(tài)分配方法，其具體特征在于所述TFM矩陣是稀疏矩陣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的TDS-OFDM系統(tǒng)中時(shí)頻矩陣二維信道動態(tài)分配方法，其具體特征在于所述TFM矩陣用壓縮方法傳輸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的TDS-OFDM系統(tǒng)中時(shí)頻矩陣二維信道動態(tài)分配方法，其具體特征在于所述TFM矩陣中元素排列圖案是隨機(jī)的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的TDS-OFDM系統(tǒng)中時(shí)頻矩陣二維信道動態(tài)分配方法，其具體特征在于所述TFM矩陣中元素排列圖案是有固定規(guī)則的。
全文摘要
多媒體信息傳輸中時(shí)頻矩陣二維信道動態(tài)分配方法，屬于數(shù)字信息傳輸技術(shù)領(lǐng)域。步驟包括按照某種規(guī)則產(chǎn)生二維的時(shí)域－頻域矩陣TFM信道分配圖案，依照生成的TFM矩陣定義的時(shí)域信道分配圖案，把輸入的多媒體節(jié)目碼流分配到TDS－OFDM相應(yīng)的信號幀和OFDM子載波位置上，在TDS－OFDM幀群的幀群頭中插入TFMp矩陣信息，最后將完整的TDS－OFDM信號發(fā)送出去。由于TFM矩陣具有稀疏性、隨機(jī)性和跳頻性，實(shí)現(xiàn)了突發(fā)傳輸?shù)氖‰娦阅?、時(shí)頻二維聯(lián)合交織的抗突發(fā)誤碼性能，以及系統(tǒng)的保密性、節(jié)目分配的靈活性和即時(shí)性，滿足了傳輸多個(gè)多媒體節(jié)目的需求，而且與現(xiàn)在的TDS－OFDM系統(tǒng)保持兼容。
文檔編號H04L27/26GK1604509SQ20041000972
公開日2005年4月6日 申請日期2004年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月29日
發(fā)明者楊知行, 蘭軍 申請人:清華大學(xué)