专利名称：数字单频广播网广播频率和系统时刻同步的系统及其方法
技术领域：
本发明涉及一种通信技术，尤其涉及一种数字单频广播网广播频率和系统时刻同步的系统及其方法。
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。
如图1所示是主站通过卫星和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主站、卫星、地面增补转发器和终端。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波段发射机发射到卫星上。卫星对接收到的数字广播信号以S波段直接向终端解调器转发信源数据，同时，卫星还以Ku1波段转发信源数据。以Ku2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接收。
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卫星转发的Ku2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，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。
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。
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不足，提供一种数字单频广播网广播频率和系统时刻同步的系统及其方法。
数字单频广播网广播频率和系统时刻同步的系统主站通过卫星转发广播信号到地面增补转发站和S波段终端解调器，地面增补转发站转发广播信号到S波段终端解调器，主站同时接收卫星下行的S波段广播数据，其中，主站的内部模块连接关系为信源编码器与广播数据调制器、Ku波段发射机、天线系统相连，信源编码器与信源数据调制器、Ku1波段发射机、天线系统相连，天线系统与S波段接收机、业务和同步激励器相连，业务和同步激励器与Ku1波段发射机、信源数据调制器相连；地面增补转发器内部模块连接关系为Ku2波段接收机与数据通道模块相连，数据通道模块与扩频通道模块、同步模块、广播数据调制器相连，扩频通道模块与同步模块、广播数据调制器、S波段发射机相连。
所述的业务和同步激励器内部模块连接关系为S波段下变频器与S波段卫星频差提取器、PN码扩频通道卫星频差封装器、Ku1波段上变频器相连，系统时刻产生器与PN码扩频通道系统时刻封装器、Ku1波段上变频器相连，系统时刻产生器与信源数据系统时间戳封装器相连。
同步模块包括信源数据系统时钟同步器、扩频通道系统时刻同步器、S波段卫星频差同步器和信源数据转发时间戳同步器。
无线数字广播转发系统时间和载频同步的方法，其特征在于，包括如下步骤1)主站通过Ku波段发送卫星直接通过S波段转发的数字广播信号；2)主站通过Ku1波段发送用于地面增补转发站发送的信源数据和扩频数据；3)卫星转发主站的Ku波段数字广播信号到S波段，卫星转发主站的Ku1波段信源数据和扩频数据混合信号到Ku2波段用于地面增补转发器的接收；4)地面增补转发站接收Ku2波段的信号从数据通道模块提取的信源数据和时间戳，从扩频通道提取系统时刻，卫星频差信息，采用同步模块保证和卫星直接转发的S波段数字广播信号同频同时转发。
所述步骤2)主站通过Ku1波段的信号发送包括如下步骤1)主站通过接收卫星转发的S波段无线数字广播得到卫星发射频差；2)主站根据系统时钟进行计时，把系统时间戳打入转发站使用的信源数据中；3)主站把系统时间和卫星发射频差通过转发站使用的扩频数据通道发送给转发站。
步骤4)地面增补转发站通过接收Ku2波段信号完成的工作包括如下步骤1)地面增补转发站通过接收转发站使用的信源数据恢复出系统时钟和数据中的系统时间戳；2)地面增补转发站通过接收转发站使用的扩频数据得到系统时刻和卫星频差；3)地面增补转发站通过恢复出的系统时钟与本站时钟相较得到频差，结合上两步接收到的信息与卫星实现同时同频转发无线数字广播。
本发明在主站中加入S波段卫星转发的无线数字广播信号的载频偏移(卫星频偏)提取模块和系统时刻产生器，可以实现在信源数据中加入系统时间戳，在扩频通道数据上承载系统时刻和卫星频偏的功能。地面增补转发站通过同步模块提取和利用主站加入的以上信息实现在数字广播信号转发时与卫星保持频率同步和系统时刻同步。本发明解决了单频网系统全网同步中最关键的频率同步问题和时间同步问题，具有非常高的实用价值。
图1为数字单频广播网广播频率和系统时刻同步的系统示意图；图2为本发明主站的结构示意图；图3为本发明地面增补转发站的结构示意图；图4为本发明主站中的业务与同步激励器的结构示意图；图5为本发明主站Ku1波段发射系统时间和卫星频差功能原理图；图6为本发明地面增补转发站功能原理图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明所述的数字单频广播网中主站通过卫星转发广播信号到地面增补转发站和S波段终端解调器，地面增补转发站转发广播信号到S波段终端解调器，主站同时接收卫星下行的S波段广播数据，本发明的频率和系统时刻同步指的是卫星转发的S波段下行信号和地面增补转发站转发的S波段下行信号之间的同步。
如图2所示，本发明所述的主站的内部模块连接关系为信源编码器与广播数据调制器、Ku波段发射机、天线系统相连，信源编码器与信源数据调制器、Ku1波段发射机、天线系统相连，天线系统与S波段接收机、业务和同步激励器相连，业务和同步激励器与Ku1波段发射机、信源数据调制器相连。
其中天线系统，提供Ku波段发射，Ku1波段发射，S波段发射的天线连接。
Ku波段发射机，提供Ku波段发射的模拟信道模块和功放模块。
Ku1波段发射机，提供Ku1波段发射的模拟信道模块和功放模块。
S波段接收机，提供S波段接收的模拟信道模块。
广播数据调制器，提供向用户广播的数字信号的调制。
信源数据调制器，提供向地面增补转发站发送的数字信号的调制，该数字信号的符号率中隐含了精确的系统时钟。
业务和同步激励器，通过S波段下变频后提取卫星频差，与系统时刻产生器产生的系统时刻一起作为扩频通道的数据通过Ku1波段上变频发送，同时把交由地面增补转发站转发的信源数据按照提前Ku波段广播数据N秒(N可调)的方式通过Ku1波段发送出去，并且在此用于转发的数据中打入实际应该发送的系统时刻的时间戳。
信源编码器，提供广播系统规定的编码信源流。
如图3所示，本发明所述的地面增补转发器内部模块连接关系为Ku2波段接收机与数据通道模块相连，数据通道模块与扩频通道模块、同步模块、广播数据调制器相连，扩频通道模块与同步模块、广播数据调制器、S波段发射机相连。
其中Ku2波段射频接收机，提供Ku2波段接收的模拟信道模块。
数据通道模块，解调信源数据和对应的时间戳信息。
扩频通道模块，解调扩频通道上承载的系统信息，包括系统时刻和卫星频偏。
广播数据调制器，提供向用户广播的数字信号的调制。
S波段发射机，提供S波段发射的模拟信道模块和功放模块。
同步模块，包括信源数据系统时钟同步器，根据信源数据中的定时信息提取地面增补转发站时钟与系统时钟的偏差。扩频通道系统时刻同步器，根据扩频通道中PN码的周期性和PN码扩频的数据信息，提取相对系统时刻。卫星频差同步器，根据在扩频数据信息中提取的卫星频差补偿地面增补转发站射频发送的频率，结合地面增补转发站系统时钟同步，达到和卫星的同频转发。信源数据转发时间戳同步器，根据相对系统时刻和从信源数据中提取的时间戳信息，达到和卫星的同步转发。
同步模块中的功能模块包括信源数据系统时钟同步器，通过信源数据的采样时刻偏差的鉴别和补偿完成采样时钟的精确恢复，同时也恢复出了符号率时钟，即系统时钟。
扩频通道系统时刻同步器，在提取准确的系统时钟的基础上，通过一个全周期或部分周期的PN码的特定相位，或两个及两个以上PN码的组合的特定相位，得到系统时刻的计数基准，然后在解调扩频通道数据后提取系统时刻，将地面增补转发站计数器对准到提取的系统时刻，完成系统时刻的对准。
S波段卫星频差同步器，将提取的系统时钟和地面增补转发站本地的系统时钟相较得到本地时钟与系统时钟的频差f1，在解调扩频通道数据后提取卫星频差f2，由于根据本地时钟生成本地S波段载频后与主站的载频相差f1×α(α＝射频S波段载频/系统时钟)，那么本地S波段载频与卫星的S波段载频之差为f1×α+f2，在数字基带输出是串连一个相位旋转器就可以完成地面增补转发站通过S波段转发的广播信号与卫星在S波段上转发的广播信号的载频对准。
信源数据转发时间戳同步器，地面增补转发站解调Ku2波段卫星转发的信号从信源数据帧中得到该帧信源数据转发对应的系统时刻。先缓存信源数据，在本地恢复的系统时刻达到该系统时刻时，控制广播数据调制器将信源数据按照数字广播的格式发送出去，与卫星转发的数字广播时间同步。该同步器在对准系统时刻时要考虑广播数据调制器的处理延时。
如图4所示本发明主站中的业务与同步激励器功能是通过S波段下变频后提取卫星频差，与系统时刻产生器产生的系统时刻一起作为扩频通道的数据通过Ku1波段上变频发送，同时把交由地面增补转发站转发的信源数据按照提前Ku波段广播数据N秒(N可调)的方式通过Ku1波段发送出去，并且在此用于转发的数据中打入实际应该发送的系统时刻的时间戳。
业务与同步激励器内部模块连接关系为S波段下变频器与S波段卫星频差提取器、PN码扩频通道卫星频差封装器、Ku1波段上变频器相连，系统时刻产生器与PN码扩频通道系统时刻封装器、Ku1波段上变频器相连，系统时刻产生器与信源数据系统时间戳封装器相连。
其中Ku1波段上变频器，提供用于在Ku1波段上传输的扩频通道数据的数字上变频。
S波段下变频器，提供将S波段接收机提供的数字信号进行数字下变频功S波段卫星频差提取使用。
系统时刻产生器，通过一个PN码的全周期或部分周期，或者是两个及两个以上PN码的全周期或部分周期的组合来作为系统时刻计数的单位对系统时钟进行计数，产生系统时刻，系统时刻表示PN码的相位和系统时钟的计数值的组合。
S波段卫星频差提取器，主站接收卫星下行的S波段信号，用系统时钟产生的载频在S波段接收机中下变频信号，用基带的数字信号解调器计算出载波频差。
信源数据系统时间戳封装器，把对应于用于地面增补转发站转发的信源数据的时间戳嵌入信源数据调制器中，可以作为信源数据帧的帧头的一部分发射。
PN码扩频通道系统时刻封装器，把系统时刻产生器产生的系统时刻作为扩频数据帧的一部分封装起来。
PN码扩频通道卫星频差封装器，把卫星频差作为扩频数据帧的一部分封装起来。
如图5所示本发明主站Ku1波段发射系统时间和卫星频差包括如下步骤1)主站通过接收卫星转发的S波段无线数字广播得到卫星发射频差；2)主站根据系统时钟进行计时，把系统时间戳打入转发站使用的信源数据中；3)主站把系统时间和卫星发射频差通过转发站使用的扩频数据通道发送给转发站。
如图6所示本发明地面增补转发站转发广播信号包括如下步骤1)地面增补转发站通过接收转发站使用的信源数据恢复出系统时钟和数据中的系统时间戳；2)地面增补转发站通过接收转发站使用的扩频数据得到系统时刻和卫星频差；3)地面增补转发站通过恢复出的系统时钟与本站时钟相较得到频差，结合上两步接收到的信息与卫星实现同时同频转发无线数字广播。
通过本发明提供的系统和方法可以实现数字单频广播网广播频率和系统时刻同步。
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
1.一种数字单频广播网广播频率和系统时刻同步的系统，其特征在于，主站通过卫星转发广播信号到地面增补转发站和S波段终端解调器，地面增补转发站转发广播信号到S波段终端解调器，主站同时接收卫星下行的S波段广播数据，其中，主站的内部模块连接关系为信源编码器与广播数据调制器、Ku波段发射机、天线系统相连，信源编码器与信源数据调制器、Ku1波段发射机、天线系统相连，天线系统与S波段接收机、业务和同步激励器相连，业务和同步激励器与Ku1波段发射机、信源数据调制器相连；地面增补转发器内部模块连接关系为Ku2波段接收机与数据通道模块相连，数据通道模块与扩频通道模块、同步模块、广播数据调制器相连，扩频通道模块与同步模块、广播数据调制器、S波段发射机相连。
2.根据权利要求1所述的一种数字单频广播网广播频率和系统时刻同步的系统，其特征在于，所述的业务和同步激励器内部模块连接关系为S波段下变频器与S波段卫星频差提取器、PN码扩频通道卫星频差封装器、Ku1波段上变频器相连，系统时刻产生器与PN码扩频通道系统时刻封装器、Ku1波段上变频器相连，系统时刻产生器与信源数据系统时间戳封装器相连。
3.根据权利要求1所述的一种数字单频广播网广播频率和系统时刻同步的系统，其特征在于，所述的同步模块包括信源数据系统时钟同步器、扩频通道系统时刻同步器、S波段卫星频差同步器和信源数据转发时间戳同步器。
4.一种使用如权利要求1所述系统的无线数字广播转发系统时间和载频同步的方法，其特征在于，包括如下步骤1)主站通过Ku波段发送卫星直接通过S波段转发的数字广播信号；2)主站通过Ku1波段发送用于地面增补转发站发送的信源数据和扩频数据；3)卫星转发主站的Ku波段数字广播信号到S波段，卫星转发主站的Ku1波段信源数据和扩频数据混合信号到Ku2波段用于地面增补转发器的接收；4)地面增补转发站接收Ku2波段的信号从数据通道模块提取的信源数据和时间戳，从扩频通道提取系统时刻，卫星频差信息，采用同步模块保证和卫星直接转发的S波段数字广播信号同频同时转发。
5.根据权利要求4所述的一种无线数字广播转发系统时间和载频同步的方法，其特征在于，所述步骤2)主站通过Ku1波段的信号发送包括如下步骤1)主站通过接收卫星转发的S波段无线数字广播得到卫星发射频差；2)主站根据系统时钟进行计时，把系统时间戳打入转发站使用的信源数据中；3)主站把系统时间和卫星发射频差通过转发站使用的扩频数据通道发送给转发站。
6.根据权利要求4所述的一种无线数字广播转发系统时间和载频同步的方法，其特征在于，所述步骤4)地面增补转发站通过接收Ku2波段信号完成的工作包括如下步骤1)地面增补转发站通过接收转发站使用的信源数据恢复出系统时钟和数据中的系统时间戳；2)地面增补转发站通过接收转发站使用的扩频数据得到系统时刻和卫星频差；3)地面增补转发站通过恢复出的系统时钟与本站时钟相较得到频差，结合上两步接收到的信息与卫星实现同时同频转发无线数字广播。
全文摘要
本发明公开了一种数字单频广播网广播频率和系统时刻同步的系统及其方法。所述地面增补转发器增加了恢复系统时钟、系统时刻、载波频率的同步模块。主站增加了卫星频差信息的提取和封装模块。所述方法包括如下步骤主站按照系统时钟调制信源数据和扩频数据，并且把系统时刻调制到扩频信息中；主站按照系统时钟产生载波接收卫星的数字广播信号提取卫星载波频差，并且调制到扩频信息中；地面增补转发站通过从信源数据中恢复出的系统时钟、从扩频信息中得到的系统时刻和卫星频差信息，按照和卫星转发数字广播信号一样的载波和时刻发送相同的数字广播信号。本发明解决了单频网系统全网同步中最关键的频率同步和时间同步问题，具有非常高的实用价值。
文档编号H04B7/185GK101043250SQ200710067550
公开日2007年9月26日 申请日期2007年3月9日 优先权日2007年3月9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