专利名称：用于数字广播和交互式业务的成帧结构的制作方法
技术领域：
本发明与通信系统有关，特别是与数字通信系统有关。
背景技术：
广播系统已接受采用数字技术使传输高质量的要求。数字革命改变了对包括音频和视频节目以及数据传输在内的宽带业务的传输方式。卫星通信系统呈现为一个支持这样的宽带业务的可行解决途径。因而，非常希望调制和编码在功率和带宽上都是高效率的，以使卫星通信系统可以在通信信道有较大噪声的情况下提供可靠的通信。在由这种系统支持的广播应用中，为了避免对用户的感觉有负面影响以及高效地利用系统资源，需要采用在低信噪比(SNR)环境内的快速帧同步。
对于使用卷积码的普通广播和/或连续传输系统，帧同步历来不是一个受到重视的领域，这主要是因为可以在帧同步前执行解码。这样，解码后帧同步可以享用纠错码所提供的编码增益的好处。例如，已在世界范围内普遍采用卫星数字视频广播(DVB-S)标准来提供例如数字卫星电视节目。遵从传统的DVB的系统采用固定不变的调制和编码方案。目前，这种遵从DVB的系统采用四相移相键控(QPSK)调制和并置卷积码以及Reed-Solomon信道编码。在调制和编码方案是固定不变的情况下，由于广播或单向播送的连续传输性质，对于这些应用可以采用简单的成帧结构。实际上，唯一的成帧开销是为一个MPEG 2(活动图像专家组2)帧附加一个同步(SYNC)字节。SYNC字节与其他数据一样由卷积码和Reed-Solomon编码器处理。在接收端，首先用卷积码恢复受到通信媒体污染的数据。卷积码可以不用知道帧结构进行工作。卷积码的输出具有高保真性，通常误码率低于1×10-5。在输出的保真度这样高的情况下，简单地将数据与SYNC字节进行匹配就能确定MPEG帧的起始点。因此，可以正确地将发送的数据重新组装后传送给下一层。
然而，对于块编码系统来说，帧同步通常在解码前进行。在接收机必须在大量的可能调制和编码方案的组合中确定所用的是哪一种调制和编码时特别需要这样。诸如低密度奇偶校验(LDPC)码之类的调制解调器纠错编码在极低的信噪比情况下操作。这意味着这种帧同步必须在同样低的信噪比(S/N或SNR)的情况下实现。此外，这种系统内的帧同步不单单要确定帧的开始点和结束点，还要确定帧内所用的调制和编码方案。
鉴于上述情况，传统的帧同步途径在例如不再能保证高保真度输出要求的情况下是不适宜的。
因此，业已开发了一些其他途径，但是这些途径会导致开销显著增大(即吞吐率降低)和接收机颇为复杂。例如，一个途径建议采用诸如Bose Chaudhuri Hocquenghem(BCH)码之类的前向纠错编码来保护帧结构内的成帧信息。在接收端，接收机首先用相关来搜索唯一字。检测到唯一字，就用最大似然相关解码对BCH编码的成帧信息进行相干解码。这种技术的缺点是唯一字必需很长(即开销大)。另一个缺点是对BCH码真正最大似然解码是相当复杂的。
因此，需要有一种帧同步机制可以提供快速捕获而不会耗费大的开销。还需要有一种实现简单的帧同步途径。也需要有一种灵活的同步技术以便提供编码和调制的独立性。
发明内容
本发明考虑了这些及其他一些需要，提供了一个途径支持采用低密度奇偶校验(LDPC)码的数字广播系统内的帧同步。成帧模块包括一个按照一个信号星座映射确定帧的成帧信息的码字(例如由Reed-Muller编码器产生的)的星座映射器，以输出一个数据流。这个数据流被分成两个数据流。对其中一个数据流进行修改以发送一个附加比特(将这个数据流的每个比特乘以一个取决于这个要发送的信息比特，在二进制域内，这意味这个数据流包括原来的数据流的副本或原来的数据流经二进制求补得到的副本)。然后将这两个数据流合并成物理层信令码添加给一个LDPC编码帧。这个途径嵌入了一个可以有助于同步的成帧结构。在接收侧，可以用一个比较简单的帧检测器根据嵌入的物理层信令码的成帧结构来确定唯一字和物理层信令码的位置。然后，这信息提供给一个峰值搜索检测过程，由峰值搜索检测过程搜索在一个搜索窗内的峰值，将这个峰值标为一个候选对象。搜索窗的长度在知道所用的调制方案的情况下可以按照调制方案设置；否则就设置为一个默认长度。峰值搜索可以对多个搜索窗进行，从而得到其他一些候选对象。每次搜索后，通过从这个特定的候选对象得出下一个峰值的位置来对这个候选对象进行验证。以上配置有利地提供了快速和可靠的帧捕获而没有附加的开销。
按照本发明的一个实施例的一个方面，揭示了一种支持一个数字通信系统内的帧同步的方法。这种方法包括按照一个信号星座映射一个确定一个帧的成帧信息的码字，输出一个数据流。此外，这种方法还包括将这个数据流复制和分解成一个第一数据流和一个第二数据流。这种方法还包括按照一个预定操作修改第一数据流；以及将经修改的第一数据流与第二数据流复用。此外，这种方法包括根据复用的数据流输出一个与这个帧相应的物理层头标。
按照本发明的另一个实施例的另一个方面，揭示了一种支持一个数字通信系统内的帧同步的设备。这种设备包括一个星座映射器，配置成按照一个信号星座映射一个确定一个帧的成帧信息的码字，输出一个数据流，其中所述数据流被分解成一个第一数据流和一个第二数据流。这种设备还包括一个与星座映射器连接的乘法器，配置成对第一数据流进行修改。此外，这种设备还包括一个复用器，配置成将经修改的第一数据流与第二数据流合并，根据复用的数据流输出一个与这个帧相应的物理层头标。
按照本发明的一个实施例的另一个方面，揭示了一种支持一个数字广播系统内的帧同步的方法。这种方法包括用前向纠错码对一个帧的成帧信息进行编码，输出一些编码比特。这种方法还包括重复每个编码比特。这种方法还包括按照一个预定操作修改所重复的比特，以发送附加的成帧信息。
按照本发明的一个实施例的另一个方面，揭示了一种检测一个帧的开始的方法。这种方法包括接收一个与广播信号相应的数据流。这个数据流包括一个唯一字和一个确定广播信号的调制和编码信息的物理层头标。这种方法还包括；对数据流求差分；将经差分的数据流乘以一个预定乘数；对乘法的输出求和；将求和的输出相加，得到多个相加值；以及将求和后的输出相减、得到多个相减值。这种方法还包括确定一个在相加值和相减值的绝对值中最大的值。
按照本发明的一个实施例的另一个方面，揭示了一种检测一个帧的开始的设备。这种设备包括接收一个与广播信号相应的数据流的装置。这个数据流包括一个唯一字和一个确定广播信号的调制和编码信息的物理层头标。这种设备还包括对所接收的数据流求差分的装置；将经差分的数据流乘以一个预定乘数的装置；对乘法的输出求和的装置；将求和的输出相加、得到多个相加值的装置；将求和后的输出相减、得到多个相减值的装置；以及确定一个在相加值和相减值的绝对值中最大的值的装置。
按照本发明的一个实施例的另一个方面，揭示了一种恢复一个数字通信系统内发送的一个帧的成帧信息的方法。这种方法包括对这个帧的一个物理层信令码解扰。这个物理层信令码是按照一阶Reed-Muller码编码后交织的。这种方法还包括对物理层信令码解码，得出这个帧的编码速率、调制格式和导引结构。
按照本发明的一个实施例的又一个方面，揭示了一种支持一个数字通信系统内的帧同步的方法。这种方法包括设置一个搜索窗长度；以及确定在整个搜索窗长度上一个峰值在一个帧内的位置。这个帧包括一个唯一字、一个码字和一个编码段，其中所述码字确定了编码段的成帧信息。这种方法还包括将峰值位置标为一个候选对象；以及对这个候选对象进行验证。此外，这种方法还包括如果候选对象得到验证就宣告捕获了这个帧。
按照本发明的一个实施例的又一个方面，揭示了一种发射机，这种发射机包括一个编码器，配置成输出一个低密度奇偶校验(LDPC)码字。这种发射机还包括一个成帧模块，配置成根据LDPC码字产生一个LDPC编码帧和为LDPC码字添加一个确定与LDPC编码帧关联的调制和编码信息的物理层信令段。这个物理层信令段用前向纠错(FEC)码编码，而且具有一个有助于帧同步的嵌入成帧结构。
从以下对例示本发明的一些具体实施例和实现方式包括实现本发明的最佳方式的详细说明中很容易看出本发明的其他一些方面、特色和优点。本发明还可以有其他各种实施方式，本发明的一些具体细节可以在各种显而易见的方面加以修改，这并不背离本发明的精神实质和专利保护范围。因此，应将这些附图和说明认为本质上是例示性的，而不是限制性的。
本发明将以举例方式而不是限制性方式进行说明，在这些附图中同样的标号所标的是类似的组成部分，其中图1为按照本发明的一个实施例设计的采用低密度奇偶校验(LDPC)码的数字广播系统的配置图；图2为图1所示系统的数字发射设备中所用的典型发射机的配置图；图3为图1所示系统中的典型数字调制解调器的配置图；图4为按照本发明的一个实施例设计的典型帧结构的示意图；图5为按照本发明的一个实施例设计的采用二进制相移键控(BPSK)的物理层信令信息段产生器的配置图；图6为按照本发明的一个实施例设计的物理层信令信息段产生器的操作流程图；图7为按照本发明的一个实施例设计的帧检测过程的流程图；
图8为按照本发明的一个实施例设计的利用物理层信令信息的检测器的配置图；图9为按照本发明的一个实施例设计的差分检测器的配置图；图10为按照本发明的一个实施例设计的峰值搜索检测方案的示意图。
图11为按照本发明的一个实施例设计的峰值搜索过程的流程图；图12为按照本发明的一个实施例设计的图8所示检测器修改成添加了缓存和累加的配置图；以及图13为按照本发明的实施例设计的可以执行与帧同步关联的各个过程的计算机系统的配置图。
具体实施例方式
下面将对高效提供数字广播系统内的帧同步的设备、方法和软件进行说明。在以下说明中，为了明了起见，给出了许多具体细节，以提供对本发明的深入理解。然而，对于熟悉该技术领域的人员来说，本发明可以在没有这些具体细节的情况下或者用一个等效的配置来实现是显而易见的。在其他情况下，以方框图形式示出了一些众所周知的结构和设备，以免不必要地使本发明本身反而模糊不清。
图1为按照本发明的一个实施例设计的采用低密度奇偶校验(LDPC)码的数字广播系统的配置图。数字通信系统100包括一个数字发射设备101，用来产生信号波形通过通信信道103向一个或多个数字调制解调器105广播。按照本发明的一个实施例，通信系统100是一个卫星通信系统，支持例如音频和视频广播业务和交互式业务。交互式业务包括例如电子节目指南(EPG)、高速互联网接入、交互式广告、电话和电子邮件业务。这些交互式业务还可以包括如付费观看那样的电视业务、TV商务、视频点播、近视频点播和音频点播业务。在这种环境中，调制解调器105是卫星调制解调器。
这些调制解调器105通过检查嵌入广播数据帧结构(见图4)的前同步码和/或唯一字(UW)实现载波同步，从而避免了专门用于训练的额外开销。数字调制解调器105将在下面结合图3详细说明。
在这个离散通信系统100内，发射设备101产生一个离散的表示媒体内容(例如音频，视频，文本信息，数据，等)的可能消息组，每个可能消息具有一个相应的信号波形。这个信号波形受到通信信道103的衰减或侵扰。为了对抗有噪声干扰的信道103，发射设备101采用了LDPC码。
发射设备101产生的LDPC码可以高速实现而不会导致任何性能损失。这些从发射设备101输出的LDPC码避免了为易受由于调制方案(例如，8PSK)引起的信道误差影响的比特节点指定少量的校验节点。这种LDPC码具有一个可并行化的解码过程(不同于turbo码)，有益地只涉及一些诸如加法、比较和查表之类的简单操作。而且，经细致设计的LDPC码不会呈现有误码传播的任何症候。
按照本发明的一个实施例，发射设备101用一种如下面结合图2所说明的比较简单的编码技术根据奇偶校验矩阵(便于在解码期间的高效存储器访问)产生与卫星调制解调器105通信的LDPC码。
图2为图1所示系统的数字发射设备中所用的典型发射机的配置图。设备101内用发射机200支持例如数字广播和交互式业务。信息源201为LDPC编码器203提供信息比特，编码器203输出经编码的具有高冗余度的适合在接收机105进行纠错处理的数据流。经编码的数据流提供给成帧模块204，以产生一个传输帧，它可以包括一个唯一字(UW)和一个确定LDPC编码帧的成帧信息的物理层信令头标。
LDPC码通常需要确定生成矩阵。LDPC编码器203采用通过将结构施加于奇偶校验矩阵而只使用奇偶校验矩阵的简单编码技术。具体地说，对奇偶校验矩阵加一个限制，使这个矩阵的一定部分为三角形。这种限制导致微不足道的性能损失，因此构成了有吸引力的折衷方案。
调制器205将来自成帧模块204的传输帧映射成信号波形，发送给发射天线207，由发射天线207将这些波形发射到通信信道103上。因此，这些经编码的消息调制后配给发射天线207。发射天线207发送的波形传送给如下面所说明的数字调制解调器。在卫星通信系统的情况下，天线207发射的信号通过卫星转播。
图3为图1所示系统中的典型数字调制解调器的配置图。数字调制解调器300，作为一个调制器/解调器，支持发送和接收来自发射机200的信号。按照本发明的一个实施例，调制解调器300具有一个帧同步模块301，用来对从天线303接收到的LDPC编码信号进行帧捕获。解调器305对载波同步模块301输出的接收信号进行解调。解调后，信号提供给LDPC解码器307，由LDPC解码器307试图重构原来的源消息(即，信息比特)。
在发送侧，调制解调器305用LDPC编码器309对输入信号编码。经编码的信号于是由调制器311用例如BPSK(二进制相移键控)、QPSK、8PSK、16APSK(振幅相移键控)或其他高阶调制方案调制。
或者，在一个严格的广播应用中，可以不需要调制器311，因为最终用户并不需要向广播网回发信息。作为发射机200的一部分，调制器205可以驻留在一个广播中心内，而解调器305可以部署在最终用户的家里。在这种配置的情况下，最终用户的终端将是一个只接收终端。
图4示出了按照本发明的一个实施例设计的典型帧结构的示意图。举例来说，帧结构400设计成支持图1所示的数字广播系统。系统100如所提到的那样可以部署成一个卫星通信系统。因而，帧结构400遵从支持例如卫星广播和交互式业务的数字视频广播(DVB)-S2标准。
随着性能的改进，一些卫星系统可以支持高效率动态编码和调制方案，诸如LDPC编码方案和高阶调制之类。通过动态地确定编码和调制方案，可以使传输适应环境(例如，多雨、晴天等)，得到最优的吞吐率。然而，动态编码和调制方案对帧结构有显著的限制和要求。因为调制方案是动态的，因此接收机并不知道在传输中所用的具体调制方案。此外，作为块码的LDPC码，只有在清楚地识别了编码帧的情况下才能予以解码，即必需在解码前确定帧的开始点和结束点。因此，任何插入传输数据流的成帧信息将不能得到强大的LDPC编码方案的保护。此外，由于LDPC的功率效率，系统100可以在极低的SNR下工作；例如，对于速率为1/2的BPSK，LDPC只需要-2dB的Es/No。在有许多可能的LDPC码和调制方案的情况下，成帧信息需要为在成帧信息后的LDPC编码帧确定所用的具体编码和调制方案。
因此，可以理解，成帧信息必需正确地嵌入，使得在得不到LDPC解码器307保护的情况下信噪比这样低而仍可恢复。成帧信息，如从以上讨论中可看到的那样，必须高效地传送诸如调制、编码和导引结构之类的信息而不只是帧的开始和结束。
如图4所示，成帧结构400包括一个唯一字(UW)401和一个标为MODCODE(调制码)段的物理层信令信息段403。UW 401含有一个协助帧同步的比特模式。UW 401是固定的，对于接收机来说是已知的。MODCODE段403，在一个示范性实施例中，是一个前向纠错(FEC)编码的块(例如，Reed-Muller编码)，传送使解调器305和LDPC解码器307可以正确工作、对接收信号解码所必需的信息。例如，MODCODF段403确定了成帧信息，包括LDPC码的速率、调制方案以及诸如LDPC码的长度和导引形态之类的其他信息。帧400支持的调制方案可以包括BPSK、QPSK、8PSK、16元、32元调制。基于它所提供的是这样的信息，MODECODE段也称为“物理层信令”段。
显然，需通过有噪声的信道(而不是纯协议)发送的任何信息都需要得到适当保护。因此，接在MODCODE段403后的是一个LDPC编码帧405。为了支持广播和交互式业务，LDPC编码帧405的长度可以是64800比特，而UW 401和MODCODE段403合在一起长度是90比特。
历来认为，由于MODCODE段401b随承载的信息而改变，因此这样的物理层信令信息段403不能供帧检测使用。按照本发明的一个实施例，提供了一种机制，将一个结构嵌入MODCODE段403，可以很容易对检测起杠杆作用，而不会牺牲MODCODE段403的纠错能力。
帧结构400有利地只需要很低的开销，而能提供可靠的捕获。快速捕获的捕获方式将在下面结合图7和11详细说明。要指出的是，快速捕获是数字视频广播应用的关健，在观看者切换信道时影响观看感受。
因此，为了保护成帧信息以使成帧码内的嵌入结构还可以用于检测和捕获这样一种方式来产生MODCODE 403，情况如下。
图5为按照本发明的一个实施例设计的采用二进制相移键控(BPSK)星座的物理层信令信息段产生器的配置图。就帧同步来说，帧400开始处的UW 401是已知的，可以是任何相关特性好的序列。因此，本发明专注于物理层信令信息段403的产生。在这个例子中，MODCODE产生器500可以配置在发射机204的成帧模块204内。产生器500包括一个Reed-Muller(RM)编码器501，它向BPSK星座映射器503输出一个比特流。下面结合图6对产生器500的操作进行说明。
图6示出了按照本发明的一个实施例设计的物理层信令信息段产生器的操作流程图。正如前面提到的那样，MODCODE 403传送有关例如调制、FEC码率、帧长和导引配置(例如是否有导引存在)的信息。概念上，产生器500输出一个MODCODE 403，是一个块码与它的加扰版本的交织。
具体地说，在步骤601，产生一个块码，例如用Reed-Muller编码器501，产生一个承载6比特信息的码[32，6，16]。以下给出一个示范性的生成矩阵0101010101010101010101010101010100110011001100110011001100110011000011110000111100001111000011110000000011111111000000001111111100000000000000001111111111111111接着，通过BPSK星座映射器503将编码数据映射为BPSK调制，如步骤603所示。可以想象，也可以采用与不同的调制方案(例如QPSK)相应的其他信号星座。这个向BPSK信号星座的映射与用户数据的调制方案无关。在步骤605，将所得到的这32个BPSK码元复制后分成两个编码数据块。要指出的是，通过在步骤607用乘法器505将未加扰的编码数据块乘以{a，-a}(a可以是任何常数，而这个常数的符号(即，正、负)分别表示逻辑0和逻辑1)可以承载一个附加比特的信息。注意，在整个复制的32比特的块上符号不变。
在步骤609，由复用器507将两个数据流复用成一个数据流，产生具有64个码元的MODCODE 403(步骤611)。这实际上是对两个数据流进行交织。要指出的是，这根本上不同于只是重复编码码元，那会产生一个下等的纠错码，即参数[64，6，32]的线性码，很容易验证这不是最佳的。相反，产生器500输出的MODCODE 403相当于一个重排列的[64，7，32]一阶Reed-Muller码，它是一个对于给定的大小和信息率的最佳码。因此，纠错能力和数据率都没有牺牲。采用重排列的一阶Reed-Muller码的一个优点是这样一个码可以用众所周知的快速Hadamard变换以最大似然方式解码。而且，MODCODE 403可以用来加快帧捕获。
在步骤613，MODCODE 403由加扰器509用例如以下二进制序列加扰0111000110011101100000111100100101010011010000100010110111111010这个加扰序列改善了交织的一阶Reed-Muller码的频谱/相关特性。相关特性的这种改善对于检测和捕获来说是关键性的。
从以上讨论可以看出，如果MODCODE 403分解成32对相邻码元，每个对相差可大到比例常数1或-1。这个性质允许在不知道MODCODE 403传送的成帧信息时用MODCODE 403来获取。也就是说，MODCODE 403可以完全在二进制域内而不在调制域内描述。在这种情况下，RM[32，6，16]编码器501的输出可以标为(y1y2...y32)。如果需发送的附加比特等于逻辑0，于是在加扰器前的输出为(y1y1y2y2...y32y32)。即每个比特都重复一下。然而，如果需发送的附加比特等于逻辑1，于是在加扰器509前的输出等于(y1y1y2y2...y32y32)；即重复的码元是经二进制求补的。经二进制加扰的序列可以映射为任何预定的调制方案，诸如BPSK、QPSK之类。
就其他系统考虑来说，可以用不同的格式对原来的码元和重复的码元(或重复再经二进制求补的码元)进行调制。例如，按照本发明的另一个实施例，原来的码元和重复的码元都调制为BPSK，然而，可以将重复的码元(或重复再经二进制求补的码元)旋转90度。这样，可以降低峰值与均值之比，从而提高发射机200的功率放大器(未示出)的效率。
图7为按照本发明的一个实施例设计的帧检测过程的流程图。这个检测过程将结合图8所示的检测器800予以说明。检测涉及确定唯一字401和MODCODE段403。这个过程采用差分检测，可以适应比较大的频率偏移(例如，码元率的百分之10-20)。假设，在图8所示的这个系统内，每个码元有一个样值。如熟悉该技术领域的人员所理解的那样，这个过程可以很容易用于每个码元有多个样值的情况。在检测过程中考虑MODCODE传送的成帧信息是未知的和成帧信息是已知的两种情况。
检测器800和检测器900(图9)的操作分别考虑成帧信息未知和已知这两种情况。如图8所示，首先在步骤701通过将进入的信号送入移位寄存器801得出信号的差分。也就是说，由乘法器803将进入的码元乘以延迟了一个码元周期的信号的共轭。然后，输出由移位寄存器801缓存。假设，用的是图5的产生器500，在步骤703，用乘法器807将移位寄存器801的例如最右边的25级(或者说25个单元)的内容乘以经差分的唯一字的共轭。
乘法器805、807的值可以很容易得出和加以校验，情况如下。移位寄存器801初始化成都为零。唯一字401和MODCODE码字403(包括加扰序列的影响和/或不同调制方案对重复(再经求补的)码元可能的相对旋转的影响)馈入检测电路800，使得在移位寄存器801的最右边的单元的内容首次成为非零时，这些单元的内容的共轭就是与特定单元连接的乘法器805、807的相应值。显然，乘法器805、807完全由唯一字、MODCODE、加扰序列和物理层信令段的调制方案确定，可以离线得出。在步骤705，乘法器805、807的输出由加法器809、811加在一起。在这个例子中，在任何给定的时间，只用移位寄存器801的最左边的64个单元中的32个。这32个单元是均匀隔开的，即从左至右单元序号为1，3，...63的这32个单元。
加法器809、811的输出分别由加法器813相加和由减法器815相减，如步骤707所示，产生给电路817的两个输入，由电路817确定这两个输入的绝对值的最大值(步骤709)。这个最大值然后输出给峰值搜索检测器819(步骤711)。峰值搜索检测器819的操作将在下面结合图10和11详细说明。
上面图7这个过程和所关联的检测器800所针对的是MODCODE信息未知的情况。如果MODCODE信息已知，检测器800可以是流水线式的，如图9所示。
图9为按照本发明的一个实施例设计的差分检测器的配置图。检测器900支持的检测方式用于MODCODE承载的信息在捕获前是已知的。可以例如通过建立一个向接收机传送配置信息的专用信道而使这信息成为已知的，这种配置特别适合广播系统100。冷启动后，接收机(即数字调制解调器105)可以调谐到这个预定频道，接收配置信息。在这种情况下，可以从配置信息推断MODCODE承载的信息，因此可以很容易部署检测器900的捕获策略。
正如图8的检测器800那样，用乘法器901将输入信号乘以它的共轭。检测器800与检测器900之间的差别是对移位寄存器901在乘以相应的经差分的UW 401和MODCODE 403后求和。正如检测器800那样，乘法器905的这些值这样确定将移位寄存器903全都初始化为零再将唯一字401和MODCODF 403馈入电路900，在移位寄存器的最右边这个单元的内容首次成为非零时，这些单元的内容的共轭给出了与特定单元连接的乘法器905的相应值。所有这些乘法器905的输出馈给一个共同的加法器907。
图10为按照本发明的一个实施例设计的峰值搜索检测方式的示意图。图8中的峰值搜索检测器819实质上是用来搜索一个搜索窗1001内的峰值，将这个峰值标为一个候选对象，例如候选对象1，存储在缓存器1003。这搜索可以对多个搜索窗1001进行，得到其他一些候选对象(例如，候选对象2和候选对象3)。每次搜索后，通过从这个特定的候选对象得出下一个峰值的位置来对这个候选对象进行验证。如果这预测正确，就宣告捕获。
与传统的峰值搜索过程相比，上面这个过程有利地提供了快速的捕获。传统的峰值搜索过程建立一个门限，一旦有一个相关性高于这个门限就得到一个候选对象。此后，这个过程验证它是否为一个有效唯一字。这种传统途径很慢，因为这样的门限处理可以产生许多候选对象，从而要为每个候选对象执行验证过程。
图11示出了按照本发明的一个实施例设计的峰值搜索过程的详细情况。这个峰值搜索过程的设计基于认识到系统100可以采用不同的码率和不同的调制方案(例如BPSK，QPSK，8PSK，16APSK等)。即使事前可能不知道调制方案，但知道唯一字401之间的最大距离。峰值搜索过程就利用了这知识，情况如下。
在步骤1101，过程确定调制方案是否已知。这样的信息可用来规定搜索窗长度(L)。例如，如果LDPC的码长固定为64800比特，对于BPSK来说，两个唯一字之间的距离为64800比特。对于QPSK来说，长度为32400比特，而对于8PSK来说，长度为21600比特。这样，对于所考虑的调制方案，最大长度将取决于LDPC帧的长度。因此，在预先不知道调制方案的情况下，在步骤1103，可以将搜索窗长度L设置为LDPC帧的长度加上UW 401和MODCODE 403的长度(例如为64800+90)。然而，如果知道调制方案的话，就将搜索窗长度设置为与特定的调制方案的帧的长度相匹配，如步骤1105所示。在步骤1107，峰值搜索检测器用所规定的搜索窗找出一个峰值。用一个搜索窗对这个窗内的峰值进行搜索，即使可能有多个唯一字401和MODCODE403。设置搜索窗的方式保证在搜索窗内存在至少一个唯一字401(如图10所示)。
接着，在步骤1109，将搜索窗内的峰值位置指定为一个候选对象。如果调制和编码信息还不可得到的，就每个候选对象，对MQDCODE403解码(步骤1111)。根据调制和编码方案，得出下一个唯一字的位置，如步骤1113所示。此后，在步骤1115，过程进行验证，所预测的位置是否确实为UW 401和MODCODE 403。如果接着有连续一些预测位置(例如两个)验证为是UW 401和MODCODE 403，过程就宣告获得帧同步。
以上过程可以对这些候选对象串行或并行执行，直到其中之一得到成功验证。
图12为按照本发明的一个实施例设计的图8所示检测器修改成添加了缓存器和累加器的配置图。检测器800可以修改成包括一个存储器1201和一个累加器1203。在第一差分乘法器803后，长度为L的数据缓存在存储器1201内，而累加器1203将下一个长度为L的数据块与所缓存的数据加在一起。这种修改提高了检测器800的捕获速度。在LDPC系统中，LDPC解码器307通常具有可用于解码过程的存储器，因此，可用这样的存储器为检测器800进行缓存。也就是说，可以与解码器307共享存储器1201，从而避免了额外的费用。
图13例示了一个可以实现本发明的实施例的计算机系统。计算机系统1300包括一个总线1301或其他传送信息的通信机制和一个接到总线1301上的处理信息的处理器1303。计算机系统1300还包括诸如随机存取存储器(RAM)或其他动态存储器件之类的主存储器1305，它接到总线1301上，用来存储信息和需由处理器1303执行的指令。主存储器1305还可以用来存储在处理器1303执行需执行的指令期间的临时性变量或其他中间信息。计算机系统1300还包括一个接到总线1301上的只读存储器(ROM)1307或其他静态存储器件，用来存储处理器1303的静态信息和指令。诸如磁盘或光盘之类的存储装置1309也接到总线1301上，用来存储信息和指令。
计算机系统1300可以通过总线1301与一个为计算机用户显示信息的诸如阴极射线管(CRT)、液晶显示器、有源矩阵显示器或等离子显示器之类的显示器1311连接。诸如包括字母、数字及其他键的键盘之类的输入装置1313接到总线1301上，用来向处理器1303传送信息和命令选择。另一种用户输入装置是诸如鼠标、跟踪球或光标引导键之类的光标控制器1315，用来向处理器1303传送方向信息和命令选择，以及控制光标在显示器1311上的移动。
按照本发明的一个实施例，计算机系统1300可以通过处理器1303执行主存储器1305内合有的指令，提供不同的帧同步过程。这样的指令可以从诸如存储装置1309之类的另一个计算机可读媒体读入主存储器1305。执行主存储器1305内的这一系列指令使处理器1303执行在这里所说明的这些处理步骤。也可以用一个多处理配置内的一个或多个处理器执行包含在主存储器1305内的这些指令。在另一个实施例中，可以用硬线连接的模块来代替或配合软件指令来实现本发明的实施例。因此，本发明的实施方式不局限于硬件模块和软件的任何具体组合。
计算机系统1300还包括一个接到总线1301上的通信接口1317。通信接口1317提供与接到本地网络1321上的网络链路1319连接的双向数据通信。例如，通信接口1317可以是一个数字用户线路(DSL)卡或调制解调器、综合业务数字网(ISDN)卡、电缆调制解调器，或者一个提供与相应类型的电话线路的数据通信连接的电话调制器。作为另一个例子，通信接口1317可以是一个提供与一个可兼容局域网(LAN)的数据通信连接的LAN卡(例如用于EthernetTM或异步传送模式(ATM)网络)。还可以实现无线链接。在任何这样的实现中，通信接口1317发送和接收承载表示各种信息的数字数据流的电信号、电磁信号或光信号。此外，通信接口1317可以包括一些外围接口器件，诸如通用串行总线(USB)接口、PCMCIA(个人计算机存储卡国际协会)接口之类。
网络链路1319通常提供通过一个或多个网络与其他数据设备的数据通信。例如，网络链路1319可以提供通过本地网1321与一个可以接到一个网络1325(例如为广域网(WAN)或现在通常称为“互联网”的全球分组数据通信网)或服务供应商运营的数据设备上的主计算机的连接。本地网1321和网络1325都用电信号、电磁信号或光信号来传送信息和指令。这些通过各种网络的信号和通过通信接口1317加到网络链路1319上的信号用来与计算机系统1300交换数字数据，这些信号典型的是承载信息和指令的载波。
计算机系统1300可以通过网络、网络链路1319和通信接口1317发送消息和接收数据，包括程序代码。在互联网的例子中，一个服务器(未示出)可以通过网络1325、本地网1321和通信接口1317发送所请求的属于一个实现本发明的一个实施例的应用程序的码。处理器1303可以在接收的同时执行所发送的码和/或将码存储在存储装置139或其他非易失性存储器内以后执行。这样，计算机系统1300可以得到呈现为载波的应用码。
在这里所谓“计算机可读媒体”是指参与提供处理器1303执行的指令的任何媒体。这种媒体可以有许多形式，包括但并不局限于非易失性媒体、易失性媒体和传输媒体。非易失性媒体包括例如光盘或磁盘，诸如存储装置1309。易失性媒体包括动态存储器，诸如主存储器1305。传输媒体包括同轴电缆、铜线和光纤，其中包括组成总线1301的那些线。传输媒体还可以呈现为声波、光波或电磁波，诸如在射频(RF)和红外(IR)数据通信期间所产生的那些。计算机可读媒体的常见形式包括例如软盘、硬盘、磁带和任何其他磁媒体，CD-ROM、CDRW、DVD和任何其他光媒体，穿孔卡、纸带、光标记纸和任何其他具有穿孔图案或其他光可识别标记的物理媒体，RAM、PROM和EPROM、FLASH-EPROM和任何其他存储器芯片或芯片盒，载波或任何其他计算机可读媒体。
各形式的计算机可读媒体可以用来提供处理器执行的指令。例如，实现至少本发明的一部分的指令可以最初是载在一个远程计算机的磁盘上。在这种情况下，远程计算机将指令装入主存储器后用调制解调器发送到电话线路上。本地计算机系统的调制解调器接收到加在电话线路上的数据后，用红外发射机将数据变换为红外信号发送给诸如个人数字助理(PDA)和膝上型计算机之类的便携式计算设备。便携式计算设备上的红外检测器接收到红外信号承载的信息和指令后，将这数据送到总线上。总线将数据传送给主存储器，处理器从主存储器提取指令予以执行。主存储器接收到的指令可以按需要在处理器予以执行前或后存储在存储装置上。
因此，本发明的各个实施例提供了一个途径获得采用低密度奇偶校验(LDPC)码的数字广播系统内的帧同步。成帧模块包括一个按照一个信号星座映射确定帧的成帧信息的码字(例如由Reed-Muller编码器产生的)的星座映射器，以输出一个数据流。这个数据流被分成两个数据流。其中一个数据流修改成与一些附加比特(每个比特或者是一个复制比特或者是一个二进制补比特)交织。然后将这两个数据流组合成物理层头标添加给一个LDPC编码帧。这个途径嵌入了一个可以有助于同步的成帧结构。在接收侧，可以用一个比较简单的帧检测器根据嵌入的物理层头标的帧结构来确定唯一字和物理层头标的位置。然后，这信息提供给一个峰值搜索检测过程，由峰值搜索检测过程搜索在一个搜索窗内的峰值，将这个峰值标为一个候选对象。搜索窗的长度在知道所用的调制方案的情况下可以按照调制方案设置，否则就设置为一个默认长度。峰值搜索可以对多个搜索窗进行，从而得到其他一些候选对象。每次搜索后，通过从这个特定的候选对象得出下一个峰值的位置来对这个候选对象进行验证。以上配置有利地提供了快速和可靠的帧捕获而没有附加的开销。
虽然以上结合若干实施例和实现方式对本发明作了说明，但本发明并不局限于这些实施例和实现方式，而是涵盖了所附权利要求书所给出的范围内的所有显而易见的修改和等效配置。
权利要求
1.一种支持一个数字通信系统内的帧同步的方法，所述方法包括下列步骤按照一个信号星座映射一个表示一个帧的成帧信息的码字，以输出一个数据流；复制这个数据流并将其分解成一个第一数据流和一个第二数据流；按照一个预定的操作修改第一数据流；将经修改的第一数据流与第二数据流复用；以及根据复用的数据流输出一个与这个帧相应的物理层信令头标。
2.一种按照权利要求1所述的方法，其中所述信号星座与帧的调制方案无关。
3.一种按照权利要求1所述的方法，其中所述帧是一个低密度奇偶校验(LDPC)编码帧。
4.一种按照权利要求1所述的方法，其中所述预定操作包括将第一数据流乘以{-a}或{a}，a是一个预定的常数。
5.一种按照权利要求4所述的方法，其中所述乘法器(505)的符号表示成帧信息的一个部分。
6.一种按照权利要求1所述的方法，其中所述乘法产生第一数据流的一些与各自的附加比特交织的比特，这些附加比特在调制期间相位相对第一数据流的比特被旋转。
7.一种按照权利要求1所述的方法，所述方法还包括下列步骤按照一阶Reed-Muller码产生码字。
8.一种按照权利要求1所述的方法，其中所述成帧信息确定了调制方案和编码方案。
9.一种按照权利要求1所述的方法，所述方法还包括下列步骤对复用的数据流进行加扰。
10.一种按照权利要求1所述的方法，其中所述信号星座与二进制相移键控(BPSK)方案相应。
11.一种承载支持一个数字通信系统内的帧同步的指令的计算机可读媒体，所述指令配置成在得到执行时使一个或多个处理器执行权利要求1的所述的方法。
12.一种支持一个数字通信系统内的帧同步的设备，所述设备包括一个星座映射器(503)，配置成按照一个信号星座映射一个确定一个帧的成帧信息的码字，以输出一个数据流，其中所述数据流被分解成一个第一数据流和一个第二数据流；一个与星座映射器(503)连接的乘法器(505)，配置成对第一数据流进行修改；以及一个复用器(507)，配置成将经修改的第一数据流与第二数据流合并，其中根据复用的数据流输出一个与这个帧相应的物理层信令头标。
13.一种按照权利要求12所述的设备，其中所述信号星座与帧的调制方案无关。
14.一种按照权利要求12所述的设备，其中所述帧是一个低密度奇偶校验(LDPC)编码帧。
15.一种按照权利要求12所述的设备，其中所述乘法器(505)将第一数据流乘以{-a}或{a}，a是一个预定的常数。
16.一种按照权利要求15所述的设备，其中所述乘法器(505)的符号表示成帧信息的一个部分。
17.一种按照权利要求12所述的设备，其中所述乘法产生第一数据流的一些与各自的附加比特交织的比特，这些附加比特在调制期间相位相对第一数据流的比特被旋转。
18.一种按照权利要求12所述的设备，所述设备还包括一个与星座映射器(503)连接的代码产生器(500)，配置成按照一阶Reed-Muller码产生码字。
19.一种按照权利要求12所述的设备，其中所述成帧信息确定了调制方案和编码方案。
20.一种按照权利要求12所述的设备，所述设备还包括一个加扰器(509)，配置成对复用的数据流进行加扰。
21.一种按照权利要求12所述的设备，其中所述信号星座与二进制相移键控(BPSK)方案相应。
22.一种支持一个数字广播系统内的帧同步的方法，所述方法包括下列步骤用前向纠错码对一个帧的成帧信息进行编码，以输出一些编码比特；重复每个编码比特；以及按照一个预定操作修改所重复的比特，以发送附加的成帧信息。
23.一种按照权利要求22所述的方法，其中所述预定操作包括对重复的比特求补。
24.一种按照权利要求22所述的方法，其中所述前向纠错码是一阶Reed-Muller码。
25.一种按照权利要求22所述的方法，其中所述帧是一个低密度奇偶校验(LDPC)编码帧。
26.一种承载支持一个数字广播系统内的帧同步的指令的计算机可读媒体，所述指令配置成在得到执行时使一个或多个处理器执行权利要求22所述的方法。
27.一种检测一个帧的开始的方法，所述方法包括下列步骤接收一个与广播信号相应的数据流，这个数据流包括一个唯一字和一个确定广播信号的调制和编码信息的物理层信令头标；对所接收的数据流求差分；将经差分的数据流乘以一个预定乘数；对乘法的输出求和；将求和的输出相加，得到多个相加值；将求和后的输出相减，得到多个相减值；以及确定在相加值和相减值的绝对值中最大的值。
28.一种按照权利要求27所述的方法，其中所述广播信号包括一个低密度奇偶校验(LDPC)编码帧。
29.一种按照权利要求27所述的方法，所述方法还包括下列步骤接收在一个卫星通信频道上的广播信号。
30.一种按照权利要求27所述的方法，所述方法还包括下列步骤将最大值输出给一个配置成确定唯一字的位置的检测器。
31.一种承载检测一个帧的开始的指令的计算机可读媒体，所述指令配置成在得到执行时使一个或多个处理器执行权利要求27所述的方法。
32.一种检测一个帧的开始的设备，所述设备包括接收一个与广播信号相应的数据流的装置，这个数据流包括一个唯一字和一个确定广播信号的调制和编码信息的物理层信令头标；对所接收的数据流求差分的装置；将经差分的数据流乘以一个预定乘数的装置；对乘法的输出求和的装置；将求和的输出相加、得到多个相加值的装置；将求和后的输出相减、得到多个相减值的装置；以及确定在相加值和相减值的绝对值中最大的值的装置。
33.一种按照权利要求32所述的设备，其中所述广播信号包括一个低密度奇偶校验(LDPC)编码帧。
34.一种按照权利要求32所述的设备，所述设备还包括接收在一个卫星通信频道上的广播信号的装置。
35.一种按照权利要求32所述的设备，所述设备还包括将最大值输出给一个配置成确定唯一字的位置的检测器的装置。
36.一种恢复通过数字通信系统发送的一个帧的成帧信息的方法，所述方法包括下列步骤对这个帧的一个物理层信令码解扰，这个物理层信令码是按照一阶Reed Muller码编码并交织的；以及对物理层信令码解码，得出这个帧的编码速率、调制格式和导引结构。
37.一种按照权利要求36所述的方法，所述方法还包括下列步骤在解码步骤前对物理层信令码去交织。
38.一种按照权利要求36所述的方法，其中所述对物理层信令码解码采用快速Hadamard变换。
39.一种承载恢复一个数字通信系统内发送的一个帧的成帧信息的指令的计算机可读媒体，所述指令配置成在得到执行时使一个或多个处理器执行权利要求36所述的方法。
40.一种支持一个数字通信系统内的帧同步的方法，所述方法包括下列步骤设置一个搜索窗长度；确定在整个搜索窗长度上的一个峰值在一个帧内的位置，这个帧包括一个唯一字、一个码字和一个编码段，其中所述码字确定了编码段的成帧信息；将峰值位置标为一个候选对象；验证这个候选对象；以及如果这个候选对象通过验证，就宣告捕获了这个帧。
41.一种按照权利要求40所述的方法，所述方法还包括下列步骤根据候选对象对码字解码；以及预测下一个峰值的位置。
42.一种按照权利要求40所述的方法，其中所述成帧码字确定了帧的调制方案和编码方案。
43.一种按照权利要求40所述的方法，其中所述帧是一个低密度奇偶校验(LDPC)编码帧。
44.一种按照权利要求40所述的方法，所述方法还包括下列步骤确定与帧关联的调制方案；按照所确定的调制方案设置搜索窗长度；以及如果调制方案不能确定，根据帧的长度将搜索窗长度设置为一个默认值。
45.一种按照权利要求40所述的方法，所述方法还包括下列步骤按照所设置的搜索窗对其他帧重复进行相继峰值搜索，得到多个候选对象，其中在预定个候选对象得到成功验证后宣告捕获。
46.一种按照权利要求40所述的方法，其中所述峰值与帧内的唯一字相应。
47.一种承载支持一个数字广播系统内的帧同步的指令的计算机可读媒体，所述指令配置成在得到执行时使一个或多个处理器执行权利要求40所述的方法。
48.一种发射机(200)，所述发射机包括一个编码器(203，309)，配置成输出一个低密度奇偶校验(LDPC)码字；以及一个成帧模块，配置成根据LDPC码字产生一个LDPC编码帧，并为LDPC码字添加一个确定与LDPC编码帧关联的调制和编码信息的物理层信令段，其中所述物理层信令段用前向纠错(FEC)码编码，而且具有一个有助于帧同步的嵌入成帧结构。
49.一种按照权利要求48所述的发射机(200)，所述发射机还包括在一个卫星通信频道上广播一个信号的装置，这个信号表示物理层信令段和LDPC编码帧。
全文摘要
本发明提供了一个途径支持一个数字广播和交互系统内的帧同步。发射机(200)包括一个输出低密度奇偶校验(LDPC)码字的编码器(203，309)。发射机(200)还包括一个成帧模块，配置成根据LDPC码字产生一个LDPC编码帧和为LDPC码字添加一个确定与LDPC编码帧关联的调制和编码信息的物理层信令段。这个物理层信令段用前向纠错(FEC)码编码，而且具有一个有助于帧同步的嵌入成帧结构。以上配置特别适合于数字卫星广播系统(100)。
文档编号H04L7/04GK1630281SQ20041004908
公开日2005年6月22日 申请日期2004年6月11日 优先权日2003年6月13日
发明者孙凤文, 李琳南 申请人:直视集团公司