专利名称：基于地面增补转发器的无线数字广播同步系统及其方法
技术领域：
本发明涉及一种通信技术，尤其涉及一种基于地面增补转发器的无线数字广播同步系统及其方法。
背景技术：
无线数字广播技术是通信技术发展的必然结果，应用这项技术，可以提高广播网的覆盖质量，扩大广播网的覆盖范围。
在实际应用中，若直接采用地面覆盖，网络的建设成本和维护成本都很大；若采用直接卫星覆盖，农村和偏远山区可以直接接收，在城市中无遮拦区域也可以直接接收，但对于城市中建筑遮挡比较多的地方，其覆盖效果很不理想，因此，对于这些覆盖质量差的区域，必须采用地面增补转发的模式进行覆盖。
现有技术中采用地面增补转发器进行无线数字广播的系统结构图。该无线数字广播系统包括数字信号发射系统、卫星、以及数字信号接收系统。在数字信号发射系统中，信源数据调制器将信源编码器输出的数据进行调制，再通过Ku波段发射机以Ku波段发射到卫星上。卫星对接收到的Ku波段进行转发。卫星以S波段直接向数字信号接收系统中的终端解调器转发信源数据，同时，卫星还以Ku波段转发信源数据。以Ku波段转发的信源数据由增补转发器的卫星天线接收后，再以S波段转发给终端解调器。终端解调器对接收到的S波段的信源数据进行解调，再由信源解码器进行解码，之后发送给对应的移动终端。
在上述无线数字广播系统中，地面增补转发器是呈网状分布的，各个地面增补转发器接收同一卫星转发的Ku波段的信源数据，并以S波段转发给对应的终端解调器。对于终端解调器来说，其同时接收卫星直接转发的S波段的信源数据和通过增补转发器转发的S波段的信源数据。由于卫星中存在晶体的偏移，或者地面增补转发器的处理延时等多种原因，可能导致卫星直接转发的S波段数据与地面增补转发器转发的S波段数据在到达终端解调器时存在频率，码和时间的偏差，对于终端解调器来说，这些偏差将直接导致其不能正确的解调信源数据。
针对上述缺陷，现有技术中在无线数字广播系统增加单频网适配器和GPS(Global Positioning System，全球定位系统)等关键设备，借助于这些设备实现系统的频率同步、时间同步和码同步。
通过利用GPS设备提供精确的秒脉冲信号，由数字信号发射系统利用单频网适配器对发送的数据流进行巨帧处理，数字信号接收系统接收到转发下来的数据流后，进行解巨帧处理，从而实现系统的时间同步和码同步。
针对频率同步的要求，从GPS设备得到基准频率和秒脉冲信号，用GPS设备的基准频率来驱动每部地面增补转发器内所有的级联振荡器，进而实现载波频率的同步。
可以看出，现有技术中对载波同步、时间同步和码同步都依赖于独立的GPS设备，而在实际应用中，一旦缺失了GPS设备的信息，将导致整个系统由于没有进行同步而处于瘫痪状态。这时，即使是有人工干预也是无济于事的。而且，采用GPS设备进行同步，也导致系统成本的增加，使各地面增补转发器之间的组网联调更加复杂。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺点，提供一种基于地面增补转发器的无线数字广播同步系统及其方法。
基于地面增补转发器的无线数字广播同步系统包括数字信号发射系统、卫星、数字信号接收系统，数字信号发射系统内部模块的连接关系为信源编码器与信源数据调制器、业务同步激励器、Ku波段发射机相接，信源数据调制器与Ku波段发射机相接，数字信号接收系统内部模块的连接关系为卫星天线与地面增补转发器相接，信源解码器与终端解调器相接，卫星分别与卫星天线，终端解调器相接。
所述的业务同步激励器内部模块的连接关系为系统时刻产生器与PN码扩频通道系统时刻封装器、Ku波段上变频器相接，系统时刻产生器与信源数据系统时间戳封装器相接。
地面增补转发器内部模块的连接关系为Ku波段下变频模块与数据通路模块、S波段上变频和功率放大模块相接，数据通路模块与同步模块相接。
数据通路模块内部模块的连接关系为Ku波段数据解调模块与数据S波段编码模块、数据S波段调制模块相接。
同步模块内部模块的连接关系为载波频率和相位同步跟踪模块与PN码同步和跟踪模块、时间同步跟踪模块、同步发送控制模块相接。
基于地面增补转发器的无线数字广播同步的方法包括如下步骤1)数字信号发射系统发射包含信源数据、系统时间的数据包，以及与系统时间对应的PN码；2)数字信号接收系统根据接收到信源数据进行系统载波频率和相位的同步调整和根据PN码进行码的同步调整；3)数字信号接收系统解调接收到的数据包，并根据其中的系统时间信息启动接收系统。
所述的系统时间对应的PN码的对应关系是系统时间对应于PN码周期的整数倍。信源数据与系统时间对应的PN码之间的关系是信源数据与PN码按设定的幅度比叠加发射。
数字信号接收系统根据接收到信源数据进行系统载波频率和相位的同步调整和根据PN码进行码的同步调整方法包括如下步骤1)根据对信源数据定时和相位跟踪完成系统载波频率和相位的同步捕获；2)根据对接收到的PN码进行全相关或部分相关计算进行PN码的同步捕获；3)根据对接收到的信源数据的定时和相位跟踪完成载波频率和相位的跟踪，根据接收到的PN码的完成码相位的跟踪。
本发明中，在数字信号发射系统中增加发射反映系统时间信息的PN码，数字信号接收系统根据其接收到的信源数据进行载波频率和相位的同步调整和根据接收到的PN码进行码的同步调整，从而实现系统的同步。与现有技术相比，在不增加接收系统设备的情况下实现了系统的同步，不仅节省了系统建设的开支，也提高了系统通信的可靠性和方便性。
图1是基于地面增补转发器的无线数字广播同步系统电路框图；图2是本发明的业务同步激励器的电路框图；图3是本发明的地面增补转发器的电路框图；图4是本发明的地面增补转发器中数据通路模块的电路框图；图5是本发明的地面增补转发器中同步模块的电路框图；图6是本发明中无线数字广播同步的方法流程图；图7是本发明中数字信号发射系统叠加发送的数据包与PN码的幅度比示意图；图8是本发明中数字信号接收系统进行载波频率与码的同步调整的方法流程图。
具体实施例方式
本发明中，通过在发射系统的上行信道中同时叠加发射数据包和PN码，接收系统根据信源数据的跟踪完成系统载波频率和相位的恢复和根据PN码相关和跟踪完成码同步，两者结合实现整个无线数字广播系统的时间同步和码同步。
如图1所示，基于地面增补转发器的无线数字广播同步系统包括数字信号发射系统、卫星、数字信号接收系统，数字信号发射系统内部模块的连接关系为信源编码器与信源数据调制器、业务同步激励器、Ku波段发射机相接，信源数据调制器与Ku波段发射机相接，数字信号接收系统内部模块的连接关系为卫星天线与地面增补转发器相接，信源解码器与终端解调器相接，卫星分别与卫星天线，终端解调器相接。
其中，数字信号发射系统包括信源数据调制器，用于将信源编码器输出的编码信号进行调制，并将调制的数据信号输出至Ku波段发射机和业务/同步激励器；信源编码器，用于对信源数据进行编码，并输出至信源数据调制器；业务/同步激励器，用于接收信源数据调制器发送来的信源数据，并将信源数据以及生成的系统时间打包，与生成的PN码叠加发送至Ku波段发射机；Ku波段发射机，用于在上行的业务信道发射接收到业务/同步激励器打包的数据包和信源数据调制器输出的信源数据，在上行的同步信道发射接收到的业务/同步激励器发送来的PN码扩频的系统时间信号或通过PN码的组合表示的系统时间信号。如下面的详细解释中未对PN码做明确说明，那么PN码的表述指的就是PN码扩频的系统时间信号或通过PN码的组合表示的系统时间信号。
所述卫星用于向数字信号接收系统转发接收到的信源数据、数据包、以及PN码。
所述数字信号接收系统包括地面增补转发器，用于接收卫星转发的信源数据、以及PN码，并根据接收到的PN码进行系统载波与码的同步调整，再根据同步后解调数据包确定的系统时间信息发送信源数据信息至终端解调器；终端解调器，用于接收转发的信源数据信息，并对接收到的信源数据信息进行解调输出；信源解码器，用于对终端解调器输出的数据信息进行解码。
上述系统中，数字信号发射系统在发射信源数据信息时，同时叠加发射反映系统时间的PN码，这样，数字信号接收系统就可以根据该PN码进行码的同步调整，并且利用信源数据完成载波频率的调整，在经过上述载波频率与码的同步调整后，解调数据包，从中获得系统时间信息，所有的地面增补转发器根据此系统时间信息向终端解调器转发数据包，从而实现了整个系统的同步。
如图2所示，所述的业务同步激励器内部模块的连接关系为系统时刻产生器与PN码扩频通道系统时刻封装器、Ku波段上变频器相接，系统时刻产生器与信源数据系统时间戳封装器相接。
如图3所示，地面增补转发器内部模块的连接关系为Ku波段下变频模块与数据通路模块、S波段上变频和功率放大模块相接，数据通路模块与同步模块相接。
如图4所示，数据通路模块内部模块的连接关系为Ku波段数据解调模块与数据S波段编码模块、数据S波段调制模块相接。
数据解调模块用于实现从载波中提取数据，并进行解码；数据S波段编码模块用于将解码后的数据按照S波段所要求的数据格式进行编码。例如，按照CDM或者OFDM进行编码。
如图5所示，同步模块内部模块的连接关系为载波频率和相位同步跟踪模块与PN码同步和跟踪模块、时间同步跟踪模块、同步发送控制模块相接。
载波频率和相位同步跟踪模块，用于根据接收到的信源数据进行系统频率和相位的同步和跟踪；PN码同步和跟踪模块，用于根据接收到的PN码进行码的同步捕获及跟踪；时间同步跟踪模块，用于将本地时钟跟踪到的发射源时钟，将不同的地面增补转发器进行时间统一，得到系统时间；同步发送控制模块，用于将接收到的数据根据系统时间进行定时转发。
本发明还提供一种无线数字广播同步的方法，如图6所示，包括如下步骤步骤101，数字信号发射系统发射包含信源数据、系统时间的数据包，以及与系统时间对应的PN码。
本发明中，数字信号发射系统将上行信道分为业务信道和同步信道，在业务信道中发射包含信源数据、系统时间的数据包，在同步信道中发射PN码扩频的系统时间或通过PN码组合所表述的系统时间。
所述系统时间可以通过PN码的周期来表示，即系统时间可以对应于PN码周期的整数倍。例如，当采用12位的PN码时，该PN码的周期为212-1，即4095个码片时间，那么，系统时间可以等于该PN码周期，即4095个码片的时间。
本步骤中，数字信号发射系统在发射数据包及对应的PN码时，将数据包与PN码按设定的幅度比同时叠加发射，其幅度比可根据网络状况设定。例如，图5中所示，数据包的幅度为1，PN码的幅度也为1，那么，数字信号发射系统在叠加发射数据包及PN码时，可取PN码幅度的0.1倍与数据包叠加发射。
步骤102，数字信号接收系统根据接收到的信源数据进行系统载波频率和相位的同步调整和根据PN码进行码的同步调整。
数字信号发射系统将数据包与PN码按设定的幅度比叠加后发射到卫星上，卫星将接收到数据包与PN码转发至数字信号接收系统。
本步骤102中，可具体包括如下步骤步骤201，对数字信号接收系统的载波频率和相位同步捕获。
本步骤中，根据信源数据所提取的定时误差信息和相位误差信息，完成对接收系统频率的同步捕获和相位的同步捕获。
具体为通过对信源数据(数据包)接收中定时误差的提取并且补偿到系统时钟的生成中就可以完成系统频率的同步；通过对信源数据(数据包)接收中相位误差的提取并且补偿到采样得到的信源数据的矢量表示中，就可以得到相位的同步捕获。然后把补偿后的信源数据的矢量结果交由码捕获模块进行同步捕获。
步骤202，对数字信号接收系统的码进行同步捕获。
在整个系统中，码和载波频率一般采用两套晶体来进行，因此，在采用PN码的相关峰进行晶体时钟捕获时，不但会受到载波不同步的影响，同时也会受到PN码不同步的影响。PN码的不同步往往会导致相关峰的峰值不高，并在非相关峰的位置上产生抖动，出现不稳定的情况。为了实现稳定的跟踪和时间系统同步，就必须先调整通信系统的码同步。
本步骤中，根据对接收到的PN码进行全相关或部分相关计算进行PN码的同步粗捕获。
具体为对接收到的PN码进行全相关或部分相关计算，当PN码完全同步时，固定周期的相关峰值会持续保持捕获时的数量级，也即完成了PN码的同步捕获。也可以通过解扩接收的扩频数据帧的帧头检测标识PN码的同步捕获。
PN码在I和Q通道上都有分量，为了得到精确的相关峰，可以采用两个通道相关峰平方和相加的形式，用公式表示为Peakf=Ipeak2+Qpeak2,]]>式中，Peskf为当前的相关峰值，Ipeak为当前I通道的相关峰值，Qpeak为当前Q通道的相关峰值。在某一频率f下的相关峰为I和Q两路相关平方和的最大值Peakf。
在进行相关计算时采用逐点计算的方法，即在每个PN码的周期内都计算一点，这样，完成整个计算过程要进行PN码的整个周期次的PN码周期。同时，考虑的系统不同步的情况下，相关峰的位置会发生前后移动，因此，在进行相关计算时，可以每次计算2个PN码的周期次周期。以采用12位的PN码为例，就需计算2×4095×4095个码元时间。
当码长比较长时，只要用能够得到解调扩频信息所需的码片长度做相关即可，不需要全码片的长度，以采用12位的PN码为例，如果使用512个码片长度做相关就可以达到所要求的扩频增益，那么就只需计算2×512×4095个码元时间。
使用上述的相关峰值检测的方法在上述计算确定的码片时间内就可以完成PN码的捕获。
步骤203，对数字信号接收系统的码及载波频率和相位进行同步跟踪。
经过上述各步骤中对载波频率及码的同步调整后，接收系统中载波频率及码与发射系统的载波频率及码基本同步，但是，由于接收系统存在晶体的漂移，接收系统中得到的PN码相关峰的周期与PN码的理论周期还存在着一定的差异，因此，必须进行码同步跟踪和载波同步跟踪，以实现系统的稳定。
通过步骤201中所描述的载波频率和相位的跟踪方法保持两者的跟踪稳定，并且把跟踪补偿完的结果用于信源数据(数据包)的解调、PN码的跟踪和扩频数据的解扩使用。
对于码跟踪，以码捕获后每次相关产生的IQ路数据通过码偏鉴别器提取误差，送入环路滤波后补偿到码产生器的相位和频率输入上，调整码相位与解扩源数据相对位置保证码相位的同步跟踪状态。
经过对数字信号接收系统的码及载波频率的同步跟踪后，接收系统就可以正确接收及解调其接收到的信源数据。
步骤103，数字信号接收系统解调接收到的数据包，并根据其中的系统时间信息启动接收系统。
在经过步骤102的载波同步和码同步调整后，数字信号接收系统可以接收到卫星转发下来的数据包，并对接收到的数据包进行解调。
解调数据包可得到系统时间信息，数字信号接收系统中的地面增补转发器根据上述系统时间信息设定编码数据的发送时刻，并将编码数据按照设定的发送时刻进行发送，从而实现整个系统的同步。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
权利要求
1.一种基于地面增补转发器的无线数字广播同步系统，其特征在于它包括数字信号发射系统、卫星、数字信号接收系统，数字信号发射系统内部模块的连接关系为信源编码器与信源数据调制器、业务同步激励器、Ku波段发射机相接，信源数据调制器与Ku波段发射机相接，数字信号接收系统内部模块的连接关系为卫星天线与地面增补转发器相接，信源解码器与终端解调器相接，卫星分别与卫星天线，终端解调器相接。
2.如权利要求1所述的一种基于地面增补转发器的无线数字广播同步系统，其特征在于所述的业务同步激励器内部模块的连接关系为系统时刻产生器与PN码扩频通道系统时刻封装器、Ku波段上变频器相接，系统时刻产生器与信源数据系统时间戳封装器相接。
3.如权利要求1所述的一种基于地面增补转发器的无线数字广播同步系统，其特征在于所述的地面增补转发器内部模块的连接关系为Ku波段下变频模块与数据通路模块、S波段上变频和功率放大模块相接，数据通路模块与同步模块相接。
4.如权利要求3所述的一种基于地面增补转发器的无线数字广播同步系统，其特征在于所述的数据通路模块内部模块的连接关系为Ku波段数据解调模块与数据S波段编码模块、数据S波段调制模块相接。
5.如权利要求3所述的一种基于地面增补转发器的无线数字广播同步系统，其特征在于所述的同步模块内部模块的连接关系为载波频率和相位同步跟踪模块与PN码同步和跟踪模块、时间同步跟踪模块、同步发送控制模块相接。
6.一种使用如权利要求所述系统的基于地面增补转发器的无线数字广播同步的方法，其特征在于，包括如下步骤1)数字信号发射系统发射包含信源数据、系统时间的数据包，以及与系统时间对应的PN码；2)数字信号接收系统根据接收到信源数据进行系统载波频率和相位的同步调整和根据PN码进行码的同步调整；3)数字信号接收系统解调接收到的数据包，并根据其中的系统时间信息启动接收系统。
7.如权利要求6所述的一种基于地面增补转发器的无线数字广播同步的方法，其特征在于，所述的系统时间对应的PN码的对应关系是系统时间对应于PN码周期的整数倍。
8.如权利要求6所述的一种基于地面增补转发器的无线数字广播同步的方法，其特征在于，所述的信源数据与系统时间对应的PN码之间的关系是信源数据与PN码按设定的幅度比叠加发射。
9.如权利要求6所述的一种基于地面增补转发器的无线数字广播同步的方法，其特征在于，所述的数字信号接收系统根据接收到信源数据进行系统载波频率和相位的同步调整和根据PN码进行码的同步调整方法包括如下步骤1)根据对信源数据定时和相位跟踪完成系统载波频率和相位的同步捕获；2)根据对接收到的PN码进行全相关或部分相关计算进行PN码的同步捕获；3)根据对接收到的信源数据的定时和相位跟踪完成载波频率和相位的跟踪，根据接收到的PN码的完成码相位的跟踪。
全文摘要
本发明公开了一种基于地面增补转发器的无线数字广播同步系统及其方法。所述地面增补转发器中增加设置了用于根据信源数据进行载波频率和相位锁定和根据PN码进行码同步调整的同步模块。所述方法包括如下步骤数字信号发射系统发射包含信源数据、系统时间的数据包，以及与系统时间对应的PN码；数字信号接收系统根据接收到信源数据进行载波频率和相位的同步调整和根据PN码进行码的同步调整；数字信号接收系统解调接收到的数据包，并根据其中的系统时间信息启动接收系统。本发明在数字信号发射系统中增加发射反映系统时间信息的PN码，数字信号接收系统根据其接收到信源数据进行载波频率和相位的同步调整和根据PN码进行的码同步调整，实现系统的同步。
文档编号H04H1/00GK101030805SQ20071006720
公开日2007年9月5日 申请日期2007年2月7日 优先权日2007年2月7日
发明者钟杰, 海波, 赵民建, 梁小芃 申请人:浙江大学, 北京华信泰机电设备有限公司