专利名称：：基于ldpc码的卫星数字多媒体广播系统的制作方法
技术领域：
：本发明涉及数字电视广播
技术领域：
，更具体地涉及一种卫星数字多媒体广播系统。
背景技术：
：与地面和移动网络传输相比，卫星数字多媒体广播(S-DMB)系统能够提供更广阔的服务覆盖范围和更丰富的节目，因而受到人们广泛关注。通信系统中，信道编码技术可以在不增加功耗的前提下提高系统的通信质量。针对某个通信系统，设计性能优越、编译码复杂度低的纠错码，一直是信道编码领域研究的热点。60年代初Gallager发明了一类线性分组码——低密度奇偶校验(LDPC)码，证明了这类码具有很好的距离特性，并且提出了线性复杂度的后验概率迭代译码算法。1996年MacKay和Neal重新发现了LDPC码，并且证明它是一类渐近好码。高斯信道下，优化设计的LDPC码性能十分接近Shannon限。除了优越的纠错性能，LDPC码消息迭代译码算法内在的并行机制非常适合于硬件实现。欧洲第二代数字卫星广播(DVB-S2)标准中采用了码长分别为16200和64800比特的LDPC码作为纠错码，与同等码长和码率的巻积码相比，可以获得3-4dB的编码增益。
发明内容本发明的目的在于提供一种适用于中国应用环境的卫星数字多媒体广播系统。根据本发明的一种卫星数字多媒体广播系统包括地面站，利用固定卫星服务上行链路将信号发送给广播卫星；广播卫星，对信号进行变频和放大处理，并对处理后的信号进行广播；终端，接收由广播卫星广播的信号；其中，所述广播卫星采用LDPC码与RS码级联的信道编码。根据本发明的系统采用了RS码和LDPC码级联的差错控制方法，提高了通信的可靠性。根据本发明设计的差错控制方法，实现了RS编码，字节交织器，LDPC码编码和比特交织器的信道编码器。采用本发明设计的信道编码器，在不改变带宽的情况下，与基于巻积码的SystemE相比有3dB的增益。图1示出了根据本发明的卫星数字多媒体广播系统的概况示意2示出了根据本发明的卫星数字广播多媒体系统框3示出了基于QPSK的码分复用调制技术(CDM)的示意框4示出了QPSK和BPSK调制星座及映射的示意5示出了伪随机序列产生器的示意6示出了字节交织器的示意7示出了比特交织器的示意8示出了导频信道中的帧和超帧的示意9示出了帧计数器(D2)的示意10示出了控制数据D3-D50的交织器的示意11示出了导频信道中控制数据的结构示意12示出了导频信道中有效载荷的数据结构示意13示出了LDPC码性能比较的曲线图具体实施方式本发明提出了一种基于LDPC码的中国卫星数字多媒体广播系统草案。下文将详细论述该系统的基本组成、信号帧结构、交织方式、信道编码和调制技术等。根据本发明的卫星数字多媒体广播系统，利用卫星和辅助地面信道转发器为固定和移动接收机提供高质量的语音、多媒体和数据广播业务。该系统的主要特点是.采用MPEG-2技术，使该卫星数字多媒体广播系统与多种数字广播系统兼容。.使用了LDPC码与RS码级联的信道编码技术以提供高质量的多媒体服务。.采用基于QPSK的码分复用调制技术(CDM)。.为增加随机性，提高信道编码的纠错能力，卫星数字多媒体广播系统在外码和内码之间使用字节巻积交织器，内码与码分复用调制器之间使用比特巻积交织器。.手持终端在水平方向采用全向单天线技术，车载终端采用双天线分集技术接收卫星广播信号。(1)卫星数字多媒体广播系统整体结构本发明的卫星数字多媒体广播系统包括地面站、广播卫星、两类地面缝隙填充器以及手持、固定和车载终端，如图1所示。首先，地面站利用固定卫星服务上行链路将信号发送给广播卫星；然后，卫星利用转发器对信号进行变频和放大处理；最后，利用卫星上的大型天线将具有一定额定幅度的信号向服务区进行广播。本发明的卫星数字多媒体广播系统主要向用户提供高质量的语音信号、中等质量的视频信号、多媒体以及数据广播等业务。本发明的卫星数字多媒体广播系统的用户采用低方向性小天线接收卫星广播信号。为了给车载终端产生足够的等效全向福射功率(EIRP)，空间站必须装备大型的传输天线和大功率转发器。影响卫星数字多媒体信号传播的主要因素有两个阴影效应和阻塞效应。本发明的卫星数字多媒体广播系统采用两种技术来克服不同的因素造成的阴影和阻塞效应。第一种是在接收机中引入比特解交织技术，将移动接收环境下的阴影和阻塞看作是在接收信号上叠加了的持续时间为1秒左右的固定突发噪声。持续时间为几秒的固定突发噪声通过解交织器之后持续时间落在系统能够纠正的范围之内。第二种方法是在阴影区和阻塞区增加缝隙填充器来抵抗信号的衰减。这些缝隙填充器可以覆盖由大的楼群和建筑物所引起的阻塞区域。系统中有两类缝隙填充器，一类是直接放大缝隙填充器，一类是变频缝隙填充器。直接放大(同频放大)缝隙填充器只放大卫星广播信号。这类缝隙填充器是低增益放大器，主要抵制发送和接收天线信号耦合而引起的振荡。它能覆盖500米视距的狭窄区域。频率转换缝隙填充器能够覆盖半径为3公里的范围。卫星反馈信号的频率不同于卫星信号的频率。在同时接收两个以上卫星信号时，出现多径衰落现象。在卫星数字多媒体广播系统中，采用CDM技术，保证多径信号的稳定接收。在接收端，采用RAKE接收和天线分集技术，来抵抗多径干扰。在CMD技术和RAKE接收技术仍然不能正确译码的环境下，使用盲区缝隙填充器来提高多径环境下的系统性能。盲区缝隙填充器可以采用直接发大器也可以采用变频放大器，以满足不同区域的特定要求。本发明的卫星数字多媒体广播系统包含30多个有效载荷CDM信道和一个导频信道。导频信道为接收机传输导频符号和控制数据。为区分CDM信道，使用64码片的Walsh码对信号进行扩频，然后利用2048码片的伪随机序列对信号进行加扰。系统中，码片速率为16.384MHz，符号速率为256kHz.本发明的卫星数字多媒体广播系统中，不同的广播用户将使用不同的正交码来保证广播信号的独立性。由于CDM信号占有较宽的频带，所以每单位带宽的功率通量密度相对较低。(2)物理层和调制图2和图3分别给出了本发明的卫星数字多媒体广播系统功能模块图和CDM的详细框图。下面各部分详细给出信道编码和调制的描述。2.1波段本发明设计的卫星数字多媒体广播系统可以用于多种不同的波段。但是这里主要针对c波段进行讨论。2.2带宽本发明的卫星数字多媒体广播系统中采用非线性放大器，频带宽度为25MHz。2.3极化虽然卫星数字广播多媒体系统中，地面中继站可以使用圆极化也可以使用线性极化，本发明中使用圆极化。2.4调制本发明的卫星数字广播多媒体系统中，卫星和地面缝隙填充器都采用CDM调制方式。如图3所示，首先一个数据序列经过串并变换成I路和Q路两个序列；然后采用相同的Walsh码和截短M序列分别对I路和Q路序列进行扩频；最后将这些经过扩频的数据调制成QPSK信号。这些由Walsh码区分的调制信号通过CDM器在同一频带上复用。2.4.1载波调制如图3所示，一个导频信道和若干个广播信道组成一个CDM调制的广播系统。广播信道和部分导频信道数据采用QPSK调制。导频信道中同步符号、帧计数器符号采用BPSK调制。2.4.2符号映射对于QPSK调制，每一个纠错编码后的帧(FECFRAME)都经过串并转换映射到星座上。对于BPSK，串行数据将被重复一次，然后进行串并转换。本发明中的卫星数字多媒体广播系统采用格雷QPSK映射，具体映射见图4。每个符号归一化平均能量为p2=1。两个FECFRAMEs比特映射成一个QPSK符号，也就是第2,个比特和2/+1比特确定第，个QPSK符号，这里=0,1,2,..,脏/2-i，是LDPC码的码长。本发明中，卫星数字多媒体广播系统采用相位相关解调QPSK信号。2.5码片速率Walsh码和PN码的码片速率是16.384MHz,是I路和Q路数据速率的64倍。这可以带来64倍的处理增益。2.6Walsh码本发明的卫星数字多媒体广播系统采用64比特长度的Walsh码作为签名序列。在CDM系统中，Walsh码的码片宽度是I路和Q路上数据宽度的1/64。2.7扩频序列本发明的卫星数字多媒体广播系统采用长度为2048比特的截短M序列作为扩频序列。该扩频序列是由12阶反馈移存器所产生的长度为4095的最大长度序列截短而得到。生成多项式为G(x)-;c)2+x"+;c8+x6+l，生成电路和相应的初始值如图5所示。2.8数据扩频图3所示，将Walsh签名序列和M伪随机序列直接与I和Q路上的数据进行模2加得到扩频数据。2.9滚降系数本发明的卫星数字多媒体广播系统中发送信号采用升余弦平方根滤波器进行滤波，其滚降系数伪0.22。2，10DM信道个数由于卫星数字多媒体广播系统采用了长度为64的Walsh码，所以最大容量是64个CDM信道。(3)信道编码3.1纠错码纠错编码单元主要完成RS编码、LDPC码编码、字节交织和比特交织。纠错编码单元的输入为MPEG2帧，输出为纠错码帧。首先，每一个MPEG2帧经过RS(204,188)编码生成一个RS码；然后几个RS码作为LDPC码编码器的输入，进行LDPC码编码，输出一个纠错码帧FECFRAME。表1给出了纠错编码单元的参数示例。表1LDPC码参数<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>3.1.1夕卜码本发明的卫星数字多媒体广播系统采用由RS(255,239)缩短的RS(204，188)作为外码。(RS码码长为204字节，包含188个字节信息位，可以纠正8个随机错误)。RS(255,239)码定义为码生成多项式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>其中，A=02TO,。域生成多项式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>縮短RS编码可以这样实现在信息帧送入RS(255,239)编码器时，在信息帧前面加51个0字节，经过编码之后再将加的0字节删掉，得到N:204的縮短RS码。3丄2内码本发明的卫星数字多媒体广播系统中，内码LDPC码有四种码率1/3、1/2、3/4和5/6，所有码率下LDPC码的码长都是9792比特。系统根据不同的信道环境选择合适的码率来满足系统的吞吐量要求。一个LDPC码编码器将A^个RS码(2Q4x8xW^比特)作为系统信息，编成长度为"，c的LDPC码码字，c《,v..,w—^。,~..~_,)，传输从第0个信息比特/。传输到第肌-1个校验比3.2交织3.2.1字节交织本发明中，卫星数字多媒体广播系统釆用的字节巻积交织器的深度为1=12。该字节巻积交织器以MPEG2帧中同步(SYNC)字节为界限(204字节为一个周期)。交织器包含的12个分支，循环地与输入字节流相连。每条分支都由一个先入先出(FIFO)移位寄存器构成，移位寄存器有jxM个包含1字节的单元，其中M^7^N/I,N-204。字节巻积交织器的输入和输出是同步的。为实现有效同步，同步字节始终和交织器的第0个分支相连。解交织器的原理与交织器的原理相同，只是解交织器中分支的顺序与交织器中分支的顺序相反，也就是第0个分支对应最大的时延。解交织器中，把检测到的同步字节送入第O条分支实现解交织同步。图6给出了字节交织器的组成框图。3.2.2比特交织器图6给出了比特交织器和解交织器的构成框图。比特交织器的时延可以在表2定义中的8个值中任意选择一个。表2比特交织器可选交织长度<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>(4)导频信道本发明的卫星数字多媒体广播系统中，有效载荷是通过广播信道传输的。为了简化接收同步，系统引入了导频信道传输系统控制数据。导频信道主要有以下三个功能a)传输实现帧同步的唯一字和实现超帧同步的帧计数器。b)传输导频符号。C)传输辅助接收的控制数据。4.1帧和超帧结构图8给出了卫星数字多媒体广播系统中导频信道的传输帧和超帧结构。图8中，每250(is秒插入一个导频符号PS，一个传输帧包含51个导频符号插入周期，也就是一个周期为250><51=12750^=12.751115，导频符号后的第一个符号Dl是唯一字。一个超帧包含6个传输帧，周期是12.75x6-76.2ms。符号D2是帧计数器，帮助接收机确定超帧同步。由于超帧的周期是广播信道在任意一个码率下传输帧周期的最小公倍数，所以在一个超帧周期内，使用任何一个码率的广播信道都可以实现同步。表3导频信道数据<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>4.2导频符号本发明的卫星数字多媒体广播系统中，一个导频符号是32个符号周期的全1符号，每250w传输一次，持续时间为125|is。利用这些导频符号，接收机可以分析接收信号谱，帮助RAKE接收机有效接收信号。4.3导频信道中的数据传输在导频信道中传输的数据主要有唯一字Dl和帧计数器D2不经过编码，直接采用BPSK调制。D3D26和D27D50使用码率为1/2巻积码(SystemE)禾tlRS(96,80)码进行编码，D51是保留字。4.3.1唯一字(Dl)Dl是唯一字，共32比特，从左至右依次为011010101011010101011001100010104.3.2帧计数器(D2)如图9所示，帧计数器也为32比特，分为8组，每组为4比特的计数器。在同一时刻，每个计数器有相同的值，在每一个超帧中，计数器的值从0h变到5h。4.3.3D3-D50字节交织器控制数据D3-D50的符号交织器如图10所示。两个RS(96,80)码为192字节。4.3.4控制数据(D3-D22，D27-D46)的数据结构导频信道中，控制数据D3D50的数据结构如图11所示。第一个字节是标识符，从第二个字节开始的77个字节用来传输有效载荷，然后第79和80个字节是循环冗余校验(CRC)。CRC校验的生成多项式为G(X)=X'6+x12+X5+ld4.3.5导频信道中77个有效载荷数据结构图12给出了77个有效载荷的数据结构，它们用来控制卫星数字多媒体广播系统中接收机的物理层、中低网络层。有效载荷给出了每个广播信道中使用的比特交织器延时模式、LDPC码的码率。如果一个数据的速率超过一个CDM广播信道所能提供的带宽，则该数据流可占用几个CDM广播信道。(5)业务复用本发明的卫星数字多媒体广播系统采用了ISO/IEC13818-1(MPEG-2系统)复用方法，考虑到了与DVB-S、DVB-T、ISDB-S和ISDB-T等系统的有效兼容。该系统也可以通过这个接口与其它的广播系统交换数据，并且具有可扩展性。(6)信源编码语音信源编码卫星数字多媒体广播系统采用了MEPG-2AAC(ISO/IEC13818-7)作为语音编码的标准。为使用MPEG-2系统中的ACC，卫星数字多媒体广播系统引入了语音数据传输流(ADTS)。数据编码卫星数字多媒体广播系统中数据有多种形式，包括单一的媒体数据(语音，文本)和多媒体数据(混合音频，视频，文本和数据)，但要求这些数据形式与MPEG2兼容。这里给出Walsh码的一个实例，见表4的第一列表示Walsh的序号，第二列表示相应的二进制值。表4Walsh码<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>W600101010101010101101010101010101001010101010101011010101010101010W61010101010101010101010101010101010101010101001000101010010101W6201010101010101010101010101010101101010101010101010101010I0I01010W630101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101卫星数字多媒体广播系统中，使用的LDPC码具有线性的编码结构和校验矩阵结构。这里给出三个码率LDPC码校验矩阵的实例。在实例的基础之上给出编码过程。LDPC码的编码过程可以用简单比特累加(模2和)完成，其具体步骤是.初始化p。:0o对于第o个信息比特/。，与其累加的校验比特的地址(校验节点索引号)如5—7的第一行所示。对于码率为1/2的LDPC码，有<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula>对于接下来的203个信息比特，，，m-U…,2G3，与其累加的校验比特的地址由公式^+(關。d204)x^TKKK皿,计算，其中x定义成与第0个信息比特/。累加的校验比特地址。q(g=miDre/204)是如表1所示的依赖于码率的参数。对于码率1/2的LDPC码，《=24，于是对于第1个'气菅、比特/,,进行如下操作<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula>对于第204个信息比特，与其累加校验比特的地址由5中的第2行给出。同样，接下来的203个信息比特。^=205,206,..,407对应的校验比特地址由公式(;c+(匪od204)—m。drn皿求出，其中x是第204个信息比特所对应的校验比特的地址。相似的，对任一组204个信息比特，表5有相应的一行与之对应，用来求出该比特累加的校验比特的地址。当所有的信息比特都进行了累加运算之后，可以用以下步骤得到最终的校验比特从/=1开始，串行执行下列运算<formula>formulaseeoriginaldocumentpage17</formula>中最后的内容等于校验节点A的值。表5码率为1/3的LDPC码的参数<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>表6码率为1/2的LDPC码的参数<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table>表7码率为2/3的LDPC码的参数<table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage19</column></row><table>表8码率为3/4的LDPC码的参数<table>tableseeoriginaldocumentpage19</column></row><table>299814253746133641559380594178763161279745012460745253144343226911278图13给出了上述实例中LDPC码的性能曲线。为了比较，图中也给出了SystemE中使用的K二7、长度为39168、码率为1/2巻积码的性能曲线。仿真信道为二元输入加性高斯白噪声(AWGN)信道。仿真结果表明，码长为9792的LDPC码在1.2dB(Eb/N0)是误码率可达到10-5(BER)，与SystemE中使用的K=7、长度为39168、码率为l/2的巻积码相比，有大约3dB的编码增益。并且，其他码率的LDPC码的性能都优于SystemE中使用的KK、长度为39168、码率为1/2的巻积码的性能。所以，在不增加系统带宽的情况下，采用LDPC码给系统带来了3dB左右的编码增益。权利要求1.一种卫星数字多媒体广播的无线通信系统，包括地面站，利用固定卫星服务上行链路将信号发送给广播卫星；广播卫星，对信号进行变频和放大处理，并对处理后的信号进行广播；终端，接收由广播卫星广播的信号；其中，所述广播卫星采用LDPC码与RS码级联的信道编码。2.根据权利要求1所述的无线通信系统，其特征在于所述广播卫星的接收机包括编码器，所述编码器采用基于QPSK的码分复用调制对接收到的信号进行编码。3.根据权利要求2所述的无线通信系统，其特征在于所述广播卫星还包括缝隙填充器，用于覆盖由阻挡物引起的阻塞区域。4.根据权利要求3所述的无线通信系统，其特征在于所述缝隙填充器包括直接缝隙填充器和变频缝隙填充器。5.根据权利要求1所述的无线通信系统，其特征在于所述终端包括车载终端、手持终端和固定终端，其中手持终端在水平方向采用全向单天线来接收卫星广播信号，车载终端采用双天线分集技术来接收卫星广播信号。6.根据权利要求1到5之一所述的无线通信系统，其特征在于所述广播卫星的接收机包括编码器，所述编码器包括外码编码器、内码编码器、字节巻积交织器以及码分复用调制器，其中，字节巻积交织器对于外码编码器的输出进行处理，并将处理结果输出到内码编码器，比特巻积交织器对内码编码器的输出进行处理，并将处理结果输出到码分复用调制器。7.根据权利要求1所述的无线通信系统，其特征在于所使用的LDPC码码率为1/3、1/2、2/3禾卩5/6。8.根据权利要求1所述的无线通信系统，其特征在于所使用的LDPC码的码长为9792比特。9.根据权利要求8所述的无线通信系统，其特征在于一个传输帧包含4个LDPC码码字。10、根据权利要求8所述的无线通信系统，其特征在于当码率为1/3时，所述LDPC码以2个RS码为信息位。11、根据权利要求8所述的无线通信系统，其特征在于当码率为1/2时，所述LDPC码以3个RS码为信息位。12、根据权利要求8所述的无线通信系统，其特征在于当码率为2/3时，所述LDPC码以4个RS码为信息位。13、根据权利要求8所述的无线通信系统，其特征在于当码率为5/6时，所述LDPC码以5个RS码为信息位。全文摘要一种卫星数字多媒体广播的无线通信系统，适用于移动接收和固定接收两种模式。该系统包括地面站，广播卫星和接收端。该系统采用了RS码和LDPC码级联的差错控制方法，提高了通信的可靠性。根据本发明设计的差错控制方法，实现了RS编码，字节交织器，LDPC码编码和比特交织器的信道编码器。采用本发明设计的信道编码器，在不改变带宽的情况下，与基于卷积码的SystemE相比有3dB的增益。文档编号H04H20/65GK101277144SQ20071007946公开日2008年10月1日申请日期2007年3月28日优先权日2007年3月28日发明者朴范镇,单王,魏立军申请人:北京三星通信技术研究有限公司;三星电子株式会社