专利名称：地面数字电视广播的单频网系统及其实现方法
技术领域：
本发明属于数字信息传输技术领域，特别涉及一种地面数字电视广播(Digital TV terrestrialbroadcasting，DTTB)的单频网(Single FrequnecyNetwork，SFN)系统。
背景技术：
在传统的模拟电视广播中，为了对一定区域进行覆盖，相邻发射台需使用不同的频率以避免相互干扰，同一频率必须在一定距离以外才能进行重用，此即多频网(Multi-Frequnecy Network，MFN)方式，如图1所示。在多频网方式下，为可靠覆盖一个区域必须使用多个差转台，由于频率复用的原因，覆盖一个区域需要占用多个频率。这样，一路信号需要占用几倍的带宽，消耗了大量的频谱资源。
随着电视广播技术的的飞速发展，电视现在已经进入了一个新时代数字电视时代。数字电视是指全部采用数字方式制作、传输和接收电视节目，能使观看者收看到相当于电视台演播室节目质量的图象、声音，没有重影和“雪花”。它是集数字信号及信息处理技术、数字通信技术、计算机及网络技术、微电子技术等高新技术发展于一体的高科技产物。数字电视广播主要通过卫星、有线电视及地面无线三种传输方式实现。一般认为，卫星广播着重于解决大面积覆盖。有线电视广播着重于解决“信息到户”，特别是在城镇等人口居住稠密地区。而地面无线广播作为电视广播的传统手段，由于其所独具的简单接收和移动接收的能力，能够满足现代信息化社会所要求的“信息到人”的基本需求。所以，地面数字电视广播在未来数十年中将具备极大的商业价值。随着频率资源的日趋紧张，在数字电视地面广播中引入了单频网的概念。所谓单频网(SFN)是指若干个发射台同一时间在同一个频率上发射同样的信号，以实现对一定服务区域的可靠覆盖。一种单频网覆盖示意图如图2所示。采用单频网进行电视广播，是电视技术数字化带来的结果，多载波数字调制和数字信号处理技术，使单频网的应用成为可能。
单频网带来的最直接的一个好处是频谱效率的提高。相对于传统的多频网而言，由于不需要频率重用，在服务区域内传送一路信号只需要一个频段，因此节省了大量的频率资源，对于需要较大带宽的电视广播而言，这一优点更为突出。多个发射台同时工作所带来的分集效果，也使得接收的可靠性得到增强，获得更好的节目覆盖率。此外，通过对发射网络(如发射机的数量、分布、单个发射机的高度、发射功率等)的调整和优化，还可降低总的功耗，减轻对附近其它网络的干扰，甚至根据需要方便灵活的改变覆盖区域的分布。
单频网的提出是与多载波调制方式紧密相联的，比如正交频分复用(OrthogonalFrequency Division Multiplexing，OFDM)。OFDM调制方式的一个特点是符号带有保护间隔(Guard Interval)，落在保护间隔内的多径信号，在经过均衡以后，非但不会产生前后符号间的干扰(ISI)，甚至加强了有效信号的功率。在一个多径情况严重的无线环境，除了反射、散射等造成的自然多径以外，其它发射机在同一频率上所发射的信号也产生大量人工多径，而且可能是强多径。依靠OFDM调制，可以较容易地处理这些复杂的多径，使单频网的应用成为可能。
数字电视地面广播(DTTB)目前在国际上主要有三个标准，即美国高级电视系统委员会(Advanced Television Systems Committee，ATSC)研发的格形编码的八电平残留边带(Trellis-Coded 8-Level Vestigial Side-Band，8-VSB)调制系统；欧洲数字视频地面广播(Digital Video Terrestrial Broadcasting-Terrestrial，DVB-T)标准采用的编码正交频分复用(Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing，COFDM)调制；日本地面综合业务数字广播(Integrated Service Digital Broadcasting-Terrestrial，ISDB-T)采用的频带分段传输(Bandwidth Segmented Transmission，BST)正交频分复用。这三种标准最主要的区别在于调制方式，其中欧洲标准和日本标准都采用了基于OFDM的多载波调制技术，而美国标准则使用了8-VSB的单载波调制方式。调制方式的差别直接影响了单频网在不同标准中的应用。采用多载波技术的欧洲标准和日本标准对于单频网具有天然的良好支持能力。一般而言，美国ATSC的标准不支持同步的单频网。由于采用的是单载波调制技术，处理多径的能力主要来自于自适应均衡器，在有多个发射台同时发射信号的强多径环境中，实现单载波的单频网相当困难。在ATSC标准下，除了使用多频网方案以外，还采用同信道再生器(On-channel repeater)的方式来扩展服务区域。再生器接收发射台的信号，进行简单的处理后将信号转发出去。为了减少人为的多径干扰，再生器和接收器往往使用定向天线。由于不同的再生器发射信号是不同步的，因此严格地说，这种结构不是单频网。当然，同信道再生器在采用多载波调制方式的方案中也可用作扩展服务区域。另外，使用定向天线也同样有助于单频网的实现。
单频网中最关键的技术要求就是各个发射机所广播的信号在频率和时间上都实现同步。频率同步要求每个单频网发射机的工作频率都彼此相同，对于多载波调制而言，还要求每个子载波的绝对频率相等。频率同步可利用一个共同的参考频率(例如，来自GPS卫星的参考频率)控制所有的调制器来实现。
OFDM中保护间隔的长度决定了系统所能处理的多径信号的最大延迟时间，从而限制了单频网发射机之间的最大距离。保护间隔越长，发射机间的距离就可以越大，在DVB-T和ISDB-T标准中，都提供了保护间隔比较大的8k工作模式以实现大尺度的单频网，覆盖一个国家或者一个地区。较小保护间隔的模式则用以提供本地单频网覆盖。在DVB标准中，不同保护间隔下的最大延时扩展与发射机间距离之间的关系见图3。
另一方面，保护间隔越长，系统的传输效率就越低，而超出保护间隔的多径信号对于接收机而言是干扰，将影响系统性能。因此要求发射机在相同的时间发射完全相同的OFDM符号，实现时间同步，从而让有限的保护间隔在处理多径上发挥作用，而不是消耗在补偿发射机之间的同步误差上。
在单频网的实际应用中，还有一类称为“补点器”的发射台，它们主要分布在由于距离远或衰减严重而无法接收信号的较小区域，对这些区域进行“弥补”。出于经济因素的考虑，这些补点器在同步的要求上相比一般的发射机不是那么严格，因此在发射功率上也往往比一般的单频网发射机低得多。
目前，采用DVB-T标准的国家和地区有欧洲各国、澳大利亚、新加坡等。美国、加拿大、韩国等国家采用了ATSC标准。日本则采用了自己提出的ISDB-T标准。在经过一段时间的准备、试验和调整后，各国分别在部分地区，主要是大城市及其周边地区进行了数字电视地面广播。其中使用了单频网的基本是基于DVB-T标准。
我国自1994年起，也开始了高清晰度电视的研究工作。并于1998年研制成功了中国第一代高清晰度电视功能样机。由广播电视主管单位、国家广电总局组织了我国的专家对数字电视及数字高清晰度电视标准进行了制定，清华大学提出的地面数字多媒体广播传输协议是测试方案之一。此方案采用时域同步的TDS-OFDM技术。TDS-OFDM属于多载波调制技术，它利用了扩频通信技术，插入了PN序列在时域进行帧同步、频率同步、定时同步、信道传输特性估计和跟踪相位噪声等。由于使用了扩频码，使得TDS-OFDM系统具有了扩频通信的优越性能，从而使得系统既具有COFDM的优点，又回避了其缺点。
TDS-OFDM传输系统采用了分级帧结构，见图4。它具有周期性，并且可以和绝对时间同步。帧结构的基本单元称为信号帧，如图5所示。一个信号帧包含一个数据帧加一个保护间隔，保护间隔的长度可以为数据帧长的1/9或者1/4。一个信号帧群根据保护间隔的长度不同，帧群是包含M(M为整数)个如图5结构所示的信号帧构成。一个大帧(Megaframe)包含4个帧群，在每一个大帧中包含N(N为整数)个188字节的MPEG-2(Moving Picture Experts Group phase 2)的TS包，TS包结构如图6所示。一个超帧包含480个帧群(或者120大帧)。
由于系统采用OFDM调制以及信号帧与绝对时间同步这两个特点，因此在实现单频网上具有先天的优势。本发明就基于这种帧结构提出了一种简单可靠的单频网实现方法。
发明内容
本发明的目的在于提出一种地面数字电视广播的单频网系统及其实现方法。
本发明提出的低复杂度、可靠的单频网(SFN)系统主要由单频网适配器、全球定位系统(Global Position System，GPS)接收机、支持单频网的地面数字电视广播调制器三部分组成。在中心发射端，SFN适配器在MPEG-2的传输流(Transport Stream，TS)中插入MIP(Megaframe Initialization Packet)包，MIP包中携带与GPS接收机相关的同步时间标签(Synchronization Time Stamp，STS)和到各个中继站的系统最大延时(Max Delay，MD)等信息。在各个中继站，同步系统检测MIP包，从中读出时间标签和最大延时，测量接收信号延时(Measured Delay)，计算出附加延时(Additional Delay)，并按照附加延时适当延迟TS流，使得各个中继站再次发射的信号同步。
本发明提出的地面数字电视广播的单频网系统的基本结构框图如图7所示。SFN适配器的输出是一个合法的MPEG-2传输流，输出的TS包按照一定数量N组成一组，称为一个大帧(Megaframe)。N为一整数，其大小可以视TS码流的传输速率而调整。在中心发射站，用一个SFN适配器每隔一个大帧在MPEG-2传输流中插入一个MIP包，MIP包中携带同步时间标签(STS)和到各个中继站的系统最大延时。STS是GPS接收机的1pps(one pulse per second)信号到大帧开始的时间差，如图8所示。
MIP的结构和MPEG-2的TS流的帧结构完全一致，它包括4字节的包头和184字节的有效载荷，具体组成见图9。各部分的解释如下包头(transport packet heater)符合ISO/IEC 13818-1中有关TS流包头的定义；
同步指示(synchronizatio_id)用于识别所用的同步配置，即是否采用单频网同步配置；块长度(section_length)用于指示紧随其后的这一包中的字节数，包含至CRC_32校验的最后一位，不包含填充字节；指针域(pointer)用2字节的二进制整数指示随后的Megaframe的第一包距离此MIP的TS流包数。指针的范围由地面数字电视广播所用的调制模式而定；时间同步标签(synchronization_time_stamp)第M个Megaframe中的MIP的时间同步标签用于指示第M+1个Megaframe的实际起始时间(从开始传送第一包第一字节开始)与最近的脉冲参考(pps，由GPS得到)之间的差值；最大延时(maximum_delay)第M个Megaframe中的MIP的最大延时用于指示从发射天线发出的数字基带信号中的第M+1个Megaframe的开始和SFN适配器中的第M+1个Megaframe的开始的差值。最大延时的数值应大于主要分布式网络中的最长延时与调制器延时、中继器延时、天线馈线延时的总和。最大处理的延时是1秒；CRC校验(CRC 32)共32比特，计算时不包含填充字节；填充字节(stuffing_yte)每个填充字节的值为0xFF。
MIP的所有参数(例如STS和MD)均对应于相邻的下一个Megaframe，即指针域中的指针所指向的Megaframe。例如，第M个Megaframe中的MIP参数值对应于第M+1个Megaframe。
在每一个接收点，当检测到MIP时，地面数字电视广播调制器中的同步系统就会测出本地相应的大帧的开始时间与从GPS接收机得到的1pps信号的时间差(Measured Delay)，如图10所示。同时从收到的MIP中得到STS时间标签和信道的最大延时MD信息，然后由下式可计算得到传输码流应加的附加延时(Additional Delay)STS+MD＝Measured Delay+Additional Delay每个地面数字电视广播调制器根据计算得到的附加延时就可以将经过不同网络路径传播的传输码流延时对齐，以保证单频网应用中的时间同步要求。
同步系统还可以给出一个复位信号(Reset)，使得各个中继站的调制器能够在同一时刻复位。复位信号信息是由MIP包携带的，中心发射站给出复位信号，各个中继站同时复位各个调制器，使得每个调制器的信号帧保持绝对同步。
本发明提出的地面数字电视广播的单频网系统，含有单频网适配器、GPS接收机、分布式网络和同步系统等，其特征在于，它含有(1)MPEG-2复用器，包括带有视频信号输入端的视频子系统，带有音频信号输入端的音频子系统，复用器，它由单节目复用电路和多节目复用电路串接而成，单节目复用电路的两个输入端分别与视频子系统、音频子系统的基本业务流输出端相连，多节目复用电路的几个输入端分别依次与单节目复用电路的几个传送流输出端相连；(2)单频网适配器即SFN适配器，它含有(2.1)接口格式变换电路，包括同步并行接口即SPI转换到异步串行接口即ASI的芯片，异步串行接口转换到同步并行接口的芯片；根据要求的传输流即TS流的接口格式，在信号输入时，ASI到SPI接口格式变换电路的输入端与MPEG-2复用器中多节目复用电路的TS流输出端相连；(2.2)空包滤除电路，在数字电路中实现，包括三个依次串接的移位寄存器，其中第一个移位寄存器的输入端与接口格式变换电路的TS流输出端相连；空包判断电路，它的三个输入端依次分别与第一、第二、第三个移位寄存器的TS流输入端相连；(2.3)缓存器，在数字电路中实现，它是一个FIFO存储器，它的输入端与空包虑除电路的经空包滤除后的TS流输出端相连；(2.4)大帧初始化包即MIP包的形成电路，在数字电路中实现，其中，MIP包的结构和MPEG-2的TS流的帧结构完全一致，它包括4字节的包头和184字节的有效载荷，具体由以下各部分组成，它们是对各个大帧初始化包都相同且对应的a)包头，b)同步指示，c)块长度，排除填充字节，
d)指针域，它是一个2字节的二进制整数，它表示随后大帧的第一包距离此MIP包的TS流包数，e)同步时间标签即STS，第M个大帧中的MIP包的同步时间标签表示第M+1个大帧的实际起始时间与最近的由发射端GPS得到的参考脉冲即1pps之间的差值，f)最大延迟即MD，它表示从发射天线发出的数字基带信号中的第M+1个大帧开始时间和单频网适配器中的第M+1个大帧的开始时间的差值，最大处理的延时是1秒，g)CRC校验，共32比特，h)填充字节；(2.5)发送端的GPS接收机，它通过RS232接口与MIP包形成电路互连，它的10M信号和参考脉冲即1pps的输出端与MIP包形成电路的相应输入端相连；(2.6)复用及速率适配电路，在数字电路中实现，它含有复用及速率适配子电路，它在数字电路中实现，它有四个信号输入端MIP包指示有效信号、MIP包、缓存器空指示信号和滤除空包后的TS流信号，它的输出信号有三种情况MIP包指示信号有效时，优先传输MIP包；MIP包指示信号无效且缓存器不空时，传输TS流；MIP包指示信号无效且缓存器为空时，传输空包；节目时钟参考即PCR校正电路，它的输入端与复用及速率适配子电路的输出端相连；(3)发送端的传输网络适配器，它的输入端与单频网适配器的符合MPEG-2标准的TS流输出端相连，它是市售产品；(4)分布式网络，它的输入端与传输网络适配器的网络传输信号输出端相连；(5)接收端的多个传输网络适配器，它们的每一个输入都是网络传输信号；(6)接收端的多个GPS接收机，它们的每一个的10MHz信号和参考脉冲即1pps的输出端与同步系统中的MIP检测电路的相应输入端相连，每一个的10MHz信号输出端还与同步系统中的锁相环的相应输入端相连；
(7)接收端的多个同步系统，它们的输入端分别与各传输网络适配器的符合MPEG-2标准的TS流输出端相连，每个同步系统含有(7.1)接口格式变换电路，包括同步并行接口即SPI转换到异步串行接口即ASI的芯片，异步串行接口转换到同步并行接口的芯片；根据要求的传输流即TS流的接口格式，在信号输入时，ASI到SPI接口格式变换电路的输入端与接收端的传输网络适配器的TS流输出端相连；(7.2)寄存器，在数字电路中实现，它的输入端与格式变换电路的TS流输出端相连；(7.3)传输码流包头检测电路，在数字电路中实现，它的输入端与寄存器的输出端相连，它的输出是上述STS和MD值；(7.4)计数器，在数字电路中实现，它的被测信号输入端与传输码流包头检测电路的输出端相连，它的两个计数控制输入信号分别是来自接收端GPS接收机的10MHZ时钟和1pps脉冲，它的输出是本地测量延时信息；(7.5)延时电路，在数字电路中实现，它含有计算附加延时的减法器，它的被减数输入端与传输码流包头检测电路的输出端相连，它的减数输入端与上述计数器的本地测量延时输出端相连；缓存器，它的一个输入端与减法器的输出端相连，另一个输入端与上述寄存器的TS流输出端相连；(7.6)数字锁相环电路，它的输入端与接收端GPS接收机的10MHz时钟信号输出端相连；(8)多个地面数字电视广播调制器，它的第一个输入端与锁相环电路的调制载波输出端相连，第二个输入端与延时电路的全局复位信号即Reset输出端相连，第三个输入端与延时电路的延时输出TS码流信号输出端相连。
本发明提出的地面数字电视广播的单频网系统实现方法，其特征在于，它含有以下步骤(1)设定大帧初始化包即MIP包的结构和MPEG-2的TS流的帧结构完全一致，它包括4字节的包头和184字节的有效载荷，其各部分组成如下a)包头，
b)同步指示，c)块长度，排除填充字节，d)指针域，它是一个2字节的二进制整数，它表示随后大帧的第一包距离此MIP包的TS流包数，e)同步时间标签即STS，第M个大帧中的MIP包的同步时间标签表示第M+1个大帧的实际起始时间与最近的由发射端GPS得到的参考脉冲即1pps之间的差值，f)最大延迟即MD，它表示从发射天线发出的数字基带信号中的第M+1个大帧开始时间和单频网适配器中的第M+1个大帧的开始时间的差值，最大处理的延时是1秒，g)CRC校验，共32比特，h)填充字节；(2)在中心发射端，由单频网适配器即SFN适配器没隔一个大帧在MPEG-2的传输流即TS中插入MIP包，大帧指一组TS流，有N包，N为正整数，其步骤如下(2.1)变换接口格式当输入TS流的接口模式为同步并行接口即SPI模式时，则直接把输入信号接入；当输入TS流的接口模式为异步串行接口即ASI模式时，则要把它转换为SPI模式；(2.2)通过检测空包的包标识，把输入TS流中的空包滤除，把数据存入缓存器中；(2.3)通过接收来自GPS接收机的1pps脉冲和10MHz时钟信号，按下式得出同步时间标签即STS，并和信道最大延时即MD一起按照MIP结构加入到一个符合MPEG-2标准的TS流包中，形成MIP；STS＝1pps信号到大帧初始化包的时间(2.4)按照等间隔插入的原则，分以下三种情况，依次从缓冲器和MIP包形成电路中读取TS流数据，组合成输出的TS数据流a)当MIP包指示信号有效时，优先输出MIP包；b)当MIP包指示信号无效且缓存器不空时，输出TS码流；c)当MIP包指示信号无效且缓存器为空时，输出符合MPEG-2标准的空包；(2.5)对最后输出的TS码流作节目时钟参考即节目参考时钟即PCR抖动校正；
(2.6)若要求输出的TS流的接口模式为ASI，则要变换接口模式为SPI；(2.7)传输网络适配器把收到的TS码流发向分布式网络；(3)在接收端从传输网络适配器中收到经过网络延时的TS流时，按以下步骤进行延时调整(3.1)变换接口格式当输入TS流的接口模式为同步并行接口即SPI模式时，则直接把输入信号接入；当输入TS流的接口模式为异步串行接口即ASI模式时，则要把它转换为SPI模式；(3.2)同步系统从接收到的TS流中检测出MIP包，读出STS和MD信息；(3.3)同步系统通过接收来自GPS接收机的1pps脉冲和10MHz时钟信号，测量出本地延时信息；(3.4)同步系统按照下式计算附加延时附加延时＝STS+MD-本地延时；(3.5)同步系统按照附加延时输出TS码流；(3.6)同步系统按照要求的输出格式输出TS码流，确定是否需要进行接口模式转换；(3.7)GPS接收机输出的10MHz时钟信号作为同步系统中锁相环电路的输入信号，把锁相环的输出作为调制载波信号，把同步系统中的延时电路的Reset输出作为全局复位信号，连同同步系统中延时电路输出的延时TS流一起送往地面数字电视广播调制器。
本发明提出的单频网系统实现方案基于OFDM系统，利用了地面数字电视广播协议中的分级帧结构的周期性，设计出的SFN适配器在MPEG-2的TS流包中有规律地插入MIP，而接收端的同步系统根据计算出的附加延时将TS流延时输出，同时还为调制器提供了全网同步的载波调制，很好地实现了单频网技术中的频率同步与时间同步。实际系统实验表明，本发明提出的地面数字电视广播的单频网实现方法简单可靠。
本发明提出的单频网实现方案已经用FPGA实现，并且应用在清华大学提出的地面数字多媒体广播传输系统中，实际试播和测试取得了良好的效果，图18即为单频网的实地试验示意图。
图1为用于模拟电视广播的多频网规划。
图2为一种单频网覆盖示意图。
图3为DVB-T标准中不同保护间隔下的最大延时扩展与发射机间的距离。
图4为地面数字多媒体广播传输协议的分级帧结构。
图5为地面数字多媒体广播传输协议中基本信号帧的结构。
图6为MPEG-2的TS包结构。
图7为本发明提出的地面数字电视广播单频网系统的基本结构。
图8为本发明提出的单频网实现方法中STS示意图。
图9为本发明提出的单频网实现方法中MIP的结构。
图1O为本发明提出的单频网实现方法中接收端测量延时示意图。
图11为MPEG-2复用器结构示意图。
图12为本发明提出的单频网适配器的结构框图。
图13为本发明提出的接收端同步系统结构框图。
图14为本发明提出的空包滤除电路的结构框图。
图15为本发明提出的复用及速率适配电路的结构框图。
图16为本发明提出的MIP检测电路的结构框图。
图17为本发明提出的延时电路的结构框图。
图18为单频网实地试验示意图。
具体实施例方式
下面将结合附图对本发明的理论分析和具体实施例进行详细描述。
图7显示了本发明提出的地面数字电视广播单频网系统的基本结构。本系统主要由单频网适配器、GPS接收机、支持单频网的地面数字电视广播调制器三部分组成。在中心发射端，SFN适配器在MPEG-2的TS流中定间隔地插入MIP包，MIP包中携带与GPS接收机相关的同步时间标签(STS)和到各个中继站的系统最大延时(MD)等信息。在各个中继站，同步系统检测MIP包，从中读出时间标签和最大延时，测量接收信号延时(MeasuredDelay)，计算出附加延时(Additional Delay)，并按照附加延时适当延迟TS流，使得各个中继站再次发射的信号同步。
本发明提出的地面数字电视广播的单频网系统主要由以下几个部分构成1)MPEG-2复用器。将基本业务流以及辅助数据复用，输出为TS流。结构示意图如图11所示。
2)GPS接收机。主要用于为单频网适配器提供1pps参考脉冲以及10MHz同步时钟，现有的能够提供上述两个信号的GPS接收机都可以适用。
3)单频网适配器。主要用于在MPEG-2的TS流中插入包含STS和MD信息的MIP包，以供接收端接收计算附加延时，插入的MIP包位置可以按照要求自行调整。同时，适配器还可以通过插入空包实现系统输入端的速率适配。SFN适配器的结构框图如图12所示。
4)传输网络适配器。在发射端，输入为同步并行接口(SPI)或异步串行接口(ASI)格式的TS流，输出为适合光纤或电缆等网络传输的信号；在接收端，输入输出相反，完成相反的功能。这已有现成的的产品可以应用。
5)分布式网络。传输媒介可以是电缆或光纤等。
6)同步系统。它一般位于地面数字电视广播调制器中，主要功能是通过本地的测量延时(Measured Delay)以及从接收到的MIP中得到的STS与MD计算得到附加延时，并将TS码流延时相应的时间。同时还要给出全局复位信号和与GPS信号锁定的调制载波。同步系统结构框图如图13所示。
7)地面数字电视广播调制器。用于将经过同步调整后的TS流调制后发射出去，这种调制器已有实际产品。
本发明提出的SFN适配器的结构框图如图12所示。其在TS码流中插入MIP以及进行速率适配的过程分为以下步骤完成1)如果输入TS码流的接口模式为异步串行接口(ASI)，则先将ASI格式的码流转换为同步并行接口(SPI)模式，在本系统中使用Cypress公司的CY7B933为核心芯片实现，也可使用与其功能相当的同类型芯片实现；如果输入TS码流的接口模式为SPI，则直接将输入信号接入。
2)通过检测空包的包标识PID＝0x1FFF，将输入的TS码流中的空包滤除，然后将数据流存入缓存器中。具体电路结构如图14所示。
3)通过接收来自GPS接收机的1pps脉冲和10MHz时钟信号，计算出同步时间标签STS，并和信道最大延时信息MD一起按照图9所示的结构加入到一个符合MPEG-2标准的TS流包中，形成MIP。
4)按照等间隔的插入规则，依次从缓存器和MIP形成电路中读取TS流数据，输出的信号可分为三种情况当MIP包指示信号有效时，优先传输MIP包；当MIP包指示信号无效且缓存器不空时，传输TS码流；当MIP包指示信号无效且缓存器为空时，传输符合MPEG-2标准的空包。另外，还要将最后输出的TS流作PCR抖动校正。此即复用及速率适配电路，具体结构如图15所示。
5)如果要求输出的TS码流的接口模式为ASI，则要将符合SPI模式的TS流转换为符合ASI模式的TS流输出，在本系统中使用Cypress公司的CY7B923为核心芯片实现，也可使用与其功能相当的同类型芯片实现；如果要求输出TS码流的接口模式为SPI，则直接将信号输出。
其中，上述的空包滤除电路、缓存器电路、MIP形成电路和复用及速率适配电路都在FPGA中用硬件编程语言实现。
本发明提出的接收端同步系统结构框图如图13所示。其延时输出TS码流的过程分为以下步骤完成1)如果输入TS码流的接口模式为ASI，则先将ASI格式的码流转换为SPI模式，在本系统中使用Cypress公司的CY7B933为核心芯片实现，也可使用与其功能相当的同类型芯片实现；如果输入TS码流的接口模式为SPI，则直接将输入信号接入。
2)通过检查图9所示的MIP结构，从接收到的TS流中检测到MIP，读出其中的STS和MD信息。MIP检测电路的结构如图16所示。
3)通过接收来自GPS接收机的1pps脉冲和10MHz时钟信号，测量出本地延时信息Measured Delay。
4)根据STS、MD以及本地延时Measured Delay信息按照下式计算出附加延时Additional DelaySTS+MD＝Measured Delay+Additional Delay5)按照Additional Delay延时输出TS码流。上述的延时电路的基本结构如图17所示。
6)如果要求输出的TS码流的接口模式为ASI，则要将符合SPI模式的TS流转换为符合ASI模式的TS流输出，在本系统中使用Cypress公司的CY7B923为核心芯片实现，也可使用与其功能相当的同类型芯片实现；如果要求输出TS码流的接口模式为SPI，则直接将信号输出。
7)将GPS接收机输出的10MHz时钟作为参考源，为地面数字电视广播调制器提供调制载波信号，这可以通过数字通信中常用的锁相环电路实现。
其中，上述的MIP检测电路、延时电路都在FPGA中用硬件编程语言实现。
权利要求
1.地面数字电视广播的单频网系统，含有单频网适配器、GPS接收机、分布式网络和同步系统等，其特征在于，它含有(1)MPEG-2复用器，包括带有视频信号输入端的视频子系统，带有音频信号输入端的音频子系统，复用器，它由单节目复用电路和多节目复用电路串接而成，单节目复用电路的两个输入端分别与视频子系统、音频子系统的基本业务流输出端相连，多节目复用电路的几个输入端分别依次与单节目复用电路的几个传送流输出端相连；(2)单频网适配器即SFN适配器，它含有(2.1)接口格式变换电路，包括同步并行接口即SPI转换到异步串行接口即ASI的芯片，异步串行接口转换到同步并行接口的芯片；根据要求的传输流即TS流的接口格式，在信号输入时，ASI到SPI接口格式变换电路的输入端与MPEG-2复用器中多节目复用电路的TS流输出端相连；(2.2)空包滤除电路，在数字电路中实现，包括三个依次串接的移位寄存器，其中第一个移位寄存器的输入端与接口格式变换电路的TS流输出端相连；空包判断电路，它的三个输入端依次分别与第一、第二、第三个移位寄存器的TS流输入端相连；(2.3)缓存器，在数字电路中实现，它是一个FIFO存储器，它的输入端与空包虑除电路的经空包滤除后的TS流输出端相连；(2.4)大帧初始化包即MIP包的形成电路，在数字电路中实现，其中，MIP包的结构和MPEG-2的TS流的帧结构完全一致，它包括4字节的包头和184字节的有效载荷，具体由以下各部分组成，它们是对各个大帧初始化包都相同且对应的a)包头，b)同步指示，c)块长度，排除填充字节，d)指针域，它是一个2字节的二进制整数，它表示随后大帧的第一包距离此MIP包的TS流包数，e)同步时间标签即STS，第M个大帧中的MIP包的同步时间标签表示第M+1个大帧的实际起始时间与最近的由发射端GPS得到的参考脉冲即1pps之间的差值，f)最大延迟即MD，它表示从发射天线发出的数字基带信号中的第M+1个大帧开始时间和单频网适配器中的第M+1个大帧的开始时间的差值，最大处理的延时是1秒，g)CRC校验，共32比特，h)填充字节；(2.5)发送端的GPS接收机，它通过RS232接口与MIP包形成电路互连，它的10M信号和参考脉冲即1pps的输出端与MIP包形成电路的相应输入端相连；(2.6)复用及速率适配电路，在数字电路中实现，它含有复用及速率适配子电路，它在数字电路中实现，它有四个信号输入端MIP包指示有效信号、MIP包、缓存器空指示信号和滤除空包后的TS流信号，它的输出信号有三种情况MIP包指示信号有效时，优先传输MIP包；MIP包指示信号无效且缓存器不空时，传输TS流；MIP包指示信号无效且缓存器为空时，传输空包；节目时钟参考即PCR校正电路，它的输入端与复用及速率适配子电路的输出端相连；(3)发送端的传输网络适配器，它的输入端与单频网适配器的符合MPEG-2标准的TS流输出端相连，它是市售产品；(4)分布式网络，它的输入端与传输网络适配器的网络传输信号输出端相连；(5)接收端的多个传输网络适配器，它们的每一个输入都是网络传输信号；(6)接收端的多个GPS接收机，它们的每一个的10MHz信号和参考脉冲即1pps的输出端与同步系统中的MIP检测电路的相应输入端相连，每一个的10MHz信号输出端还与同步系统中的锁相环的相应输入端相连；(7)接收端的多个同步系统，它们的输入端分别与各传输网络适配器的符合MPEG-2标准的TS流输出端相连，每个同步系统含有(7.1)接口格式变换电路，包括同步并行接口即SPI转换到异步串行接口即ASI的芯片，异步串行接口转换到同步并行接口的芯片；根据要求的传输流即TS流的接口格式，在信号输入时，ASI到SPI接口格式变换电路的输入端与接收端的传输网络适配器的TS流输出端相连；(7.2)寄存器，在数字电路中实现，它的输入端与格式变换电路的TS流输出端相连；(7.3)传输码流包头检测电路，在数字电路中实现，它的输入端与寄存器的输出端相连，它的输出是上述STS和MD值；(7.4)计数器，在数字电路中实现，它的被测信号输入端与传输码流包头检测电路的输出端相连，它的两个计数控制输入信号分别是来自接收端GPS接收机的10MHZ时钟和1pps脉冲，它的输出是本地测量延时信息；(7.5)延时电路，在数字电路中实现，它含有计算附加延时的减法器，它的被减数输入端与传输码流包头检测电路的输出端相连，它的减数输入端与上述计数器的本地测量延时输出端相连；缓存器，它的一个输入端与减法器的输出端相连，另一个输入端与上述寄存器的TS流输出端相连；(7.6)数字锁相环电路，它的输入端与接收端GPS接收机的10MHz时钟信号输出端相连；(8)多个地面数字电视广播调制器，它的第一个输入端与锁相环电路的调制载波输出端相连，第二个输入端与延时电路的全局复位信号即Reset输出端相连，第三个输入端与延时电路的延时输出TS码流信号输出端相连。
2.地面数字电视广播的单频网系统实现方法，其特征在于，它含有以下步骤(1)设定大帧初始化包即MIP包的结构和MPEG-2的TS流的帧结构完全一致，它包括4字节的包头和184字节的有效载荷，其各部分组成如下a)包头，b)同步指示，c)块长度，排除填充字节，d)指针域，它是一个2字节的二进制整数，它表示随后大帧的第一包距离此MIP包的TS流包数，e)同步时间标签即STS，第M个大帧中的MIP包的同步时间标签表示第M+1个大帧的实际起始时间与最近的由发射端GPS得到的参考脉冲即1pps之间的差值，f)最大延迟即MD，它表示从发射天线发出的数字基带信号中的第M+1个大帧开始时间和单频网适配器中的第M+1个大帧的开始时间的差值，最大处理的延时是1秒，g)CRC校验，共32比特，h)填充字节；(2)在中心发射端，由单频网适配器即SFN适配器没隔一个大帧在MPEG-2的传输流即TS中插入MIP包，大帧指一组TS流，有N包，N为正整数，其步骤如下(2.1)变换接口格式当输入TS流的接口模式为同步并行接口即SPI模式时，则直接把输入信号接入；当输入TS流的接口模式为异步串行接口即ASI模式时，则要把它转换为SPI模式；(2.2)通过检测空包的包标识，把输入TS流中的空包滤除，把数据存入缓存器中；(2.3)通过接收来自GPS接收机的1pps脉冲和10MHz时钟信号，按下式得出同步时间标签即STS，并和信道最大延时即MD一起按照MIP结构加入到一个符合MPEG-2标准的TS流包中，形成MIP；STS＝1pps信号到大帧初始化包的时间(2.4)按照等间隔插入的原则，分以下三种情况，依次从缓冲器和MIP包形成电路中读取TS流数据，组合成输出的TS数据流a)当MIP包指示信号有效时，优先输出MIP包；b)当MIP包指示信号无效且缓存器不空时，输出TS码流；c)当MIP包指示信号无效且缓存器为空时，输出符合MPEG-2标准的空包；(2.5)对最后输出的TS码流作节目时钟参考即PCR抖动校正；(2.6)若要求输出的TS流的接口模式为ASI，则要变换接口模式为SPI；(2.7)传输网络适配器把收到的TS码流发向分布式网络；(3)在接收端从传输网络适配器中收到经过网络延时的TS流时，按以下步骤进行延时调整(3.1)变换接口格式当输入TS流的接口模式为同步并行接口即SPI模式时，则直接把输入信号接入；当输入TS流的接口模式为异步串行接口即ASI模式时，则要把它转换为SPI模式；(3.2)同步系统从接收到的TS流中检测出MIP包，读出STS和MD信息；(3.3)同步系统通过接收来自GPS接收机的1pps脉冲和10MHz时钟信号，测量出本地延时信息；(3.4)同步系统按照下式计算附加延时附加延时＝STS+MD-本地延时；(3.5)同步系统按照附加延时输出TS码流；(3.6)同步系统按照要求的输出格式输出TS码流，确定是否需要进行接口模式转换；(3.7)GPS接收机输出的10MHz时钟信号作为同步系统中锁相环电路的输入信号，把锁相环的输出作为调制载波信号，把同步系统中的延时电路的Reset输出作为全局复位信号，连同同步系统中延时电路输出的延时TS流一起送往地面数字电视广播调制器。
全文摘要
地面数字电视广播的单频网系统及其实现方法属于数字通信技术领域，所述的系统主要由单频网适配器、GPS接收机、支持单频网的地面数字电视广播调制器三部分组成。在中心发射端，单频网适配器在传输码流中插入MIP包，MIP包中携带与GPS接收机相关的同步时间标签和到各个中继站的系统最大延时等信息。在各个中继站，同步系统检测MIP包，从中读出时间标签和最大延时，测量接收信号延时，计算出附加延时，并按照附加延时适当延迟TS流，使得各个中继站再次发射的信号同步。本发明提出的单频网实现方案已经用FPGA实现，并且应用在清华大学提出的地面数字多媒体广播传输系统中，实际试播和测试取得了良好的效果。
文档编号H04J11/00GK1678068SQ20041000349
公开日2005年10月5日 申请日期2004年4月1日 优先权日2004年4月1日
发明者杨知行, 王劲涛, 房海东, 潘长勇, 王军, 韩猛 申请人:清华大学