专利名称：数字广播系统和方法
技术领域：
本发明涉及数字广播系统和方法，它借助于单个前向纠错码(FEC)的分解来得到多信道码分集。
背景技术：
引言通过质量变化的通信信道可靠地发送数字数据的一般策略是发送冗余信息，以致可以在接收机处无差错地恢复所发送的源位的流，即使通信信道可能是不稳定的。这对于必需以低差错率的实时接收的音频和多媒体的一路广播特别重要。在这种情况下，通过前向纠错(FEC)码的使用部分地得到低差错率。
移动卫星广播是一个如此不稳定的信道，特别在较低仰角处，由于在移动交通工具和卫星之间的视线(LOS)经常被树木、建作物、信号、公用事业柱子和导线等挡住。这种阻挡物使通信波形衰减和畸变，从而导致对于短暂的和较长的时间周期的高差错率。可靠的卫星广播的普通方法是通过从在两个不同轨道位置处的卫星来的广播复制信号执行空间分集。
此外，通过对一个信号延迟固定的时间量还可以使用瞬时分集。实际上，某些卫星系统还依靠卫星信号的地面中继，所述卫星信号是再另一个分集源。
图1示出卫星广播系统，它具有来自2个卫星(101和102)的双分集，并通过地面中继(104)增大，从而提供3重叠分集。卫星广播的始发点是枢纽站(103)。卫星和地面中继器两者广播相同的源数据，但是数据行进的信道是不同的，从而提供了分集。在交通工具(104)中的分集无线电通常接收所有的信号(卫星和地面的)，并且根据来自多个源的接收尽可能忠实地重组源数据。
分集技术的现状图2示出使用两个信道A和B的分集(diversity)的一般实施。虽然这里的讨论限于两个信道(A和B)，但是提出的所有原理都可以用于3个或多个分集信道。对于广播卫星应用，将由两个不同的卫星发送信号A和B，而用于这些信号的信道也表示为A和B。起先，每个个别的信道具有一些分集，由于这样的事实，即编码(201)把冗余加到单个数据流以致可以无差错地恢复源位，即使在信道上可能丢失有限数目的经编码的位。还有，使用附加的分集(空间的)，它包括在独立信道A和B上的调制(Mod 204)复制数据流。最后，如在图2中所示，还通过在发射机处的信号B上执行固定时间延迟(203)而使用时间分集，并用在接收机处的可比较的时间延迟(253)对其进行补偿。分集接收机具有两个解调器(Demod-254)以同时接收在信道A和B上的信号。最后，分集接收机对在信道A和B上接收到的位执行组合(252)和对经恢复的码位进行解码(251)。
注意，在图2中示出的分集的实施中，对数据流进行编码并在A和B两个信道上放置相同的经编码的数据流。既然是这样，分集接收机从每个信道捕获相同的经编码的位，然后执行组合方案，以对每个接收到的码位提供“最佳的”估计。这种组合可能包括对于在信道A和B上的数据的质量量度的事务(ongoing)计算，并选择在时间的任何点处在最佳信道上携带的经编码的位。另一方面，组合可能更为复杂，其中，使用质量量度来产生到达信道A和B上的码位的权，从而建立经总和的估计，所述经总和的估计使信号对噪声组合信号最大。把这种方法称为最大比组合(MRC)。广泛使用的编码器的实施是卷积码。在图3中示出卷积码的典型结构。使源位从左侧输入数字移位寄存器，并通过当前和6个最近的输入源位的总和建立经编码的位，作为在伽罗瓦域上通过生成程序多项式加权。这个实施产生速率1/2码，因为对于每个输入源位它输入2个码位(x和y)。
习惯上通过在特定图案中穿插(删除)输出码位而从这种码建立较少的冗余码。表1示出从速率1/2码构造速率3/4码。输入三种源位，而输出是6个码位{x(i)，y(i)，i＝1，3}。删除x(2)和y(1)两个码位，对3个输入码位留下4个输出码位，因此构成速率3/4码。
表1由穿插速率1/2码构成速率3/4码
表2示出在标准实施中所述速率3/4码的应用，在所述标准实施中，对于A和B两个信道的穿插是相同的。因此，在信道A和B两个信道上的码位也是相同的。
表2在各种信道上单个速率3/4码的标准实施
在图4中示出在具有双信道的空间和瞬时分集的情况下实施的经穿插的卷积码的标准实施。在发射机处，卷积编码器(401)从输入源位产生码位。在通过调制器单元(404)调制之前，穿插单元(402)删除某些码位。再次，分集接收机有两个解调器(解调器454)，以同时在信道A和B两个信道上接收广播。把从A和B两个信道取得的码位输入到组合单元(452b)，它对于在两个信道上的一个接收到的位进行对冗余信息的调整、加权和组合。大多数组合算法的意图是使经组合的信号的信噪比最大。在组合之后，把经重组的码位流输入到去穿插单元(452a)，该单元把删除插入到码位的时间片中，在发射机的穿插单元(402)中删除所述码位。
本发明本发明的一个目的是提供经改进的数字信息广播系统和方法。本发明的另一个目的是提供在数字广播系统最大码分集。本发明的还有一个目的是在多个数字广播信号的接收中提供获得分集的装置和方法。
简言之，根据本发明，从一个或多个数据位的源产生完整的码位集的流。对于第一信道挑选或选择码位的第一临界子集(例如，把特定的穿插图案施加到码集的完整的集的流)。对于第二信道挑选或选择码位的第二或另一个临界子集(例如，对第二信道选择第二个或另一个穿插图案)。第一任何另外的信道可以选择又另一个临界子集。所有信道都是发射机，某些可以结合时间延迟来得到瞬时分集。此外，在每个信道上发送码位的程序可以是不同的(例如，交错深度可以不同)。在接收机处，同时接收所有信道的码位的临界子集流，以及完成完整的码位集的重组，并把经重组的码插入解码器。
附图简述从下面结合附图对本发明的实施例的详细描述中，对本发明的上述的和其它的目的、优点和特性将更为明了。
图1是分集广播系统的示意图；图2示出当前技术状况的一般的分集实施；图3示出相位裕度(constraint length)7，速率1/2卷积码的一般结构；图4是具有经穿插的卷积码的分集实施的示意图；图5是本发明通过对信道A和B选择不同的码位子集而在双信道上实施分集的一个实施例的示意图；图6是本发明通过对信道A和B选择单个卷积码的不同的穿插图案而在双信道上实施分集的一个实施例的示意图；图7示出组合接收机的预维特比分集的方框图；图8示出在A和B两个信道上接收到的位x(1)的加权；图9示出在不同信道上接收到的相邻位x(1)和x(2)的加权；图10是平均距离量度对信噪比的仿真结果的曲线图。
本发明的详细描述图5示出本发明的一般例子。在发射机处，把源位输入单个编码器(501)，其中，从输入码位集产生输出码位集。为了说明的目的，将把输出码位的整个集称为完整集。编码器把完整集发送到码位分解(CBD)功能单元(502)。CBD把完整集分解成两个临界子集A和B。把子集称为临界，因为即使接收机忠实地只捕获子集中的一个子集，这也足以使原始源位重组。子集A和B可以完全不连贯(即，不共享完整集的共同的码位)，或可以包含完整集的某些共同单元。注意，在图5中的发射机系统和图2中的发射机系统之间的严格的区别在于在信道A和B上发送的码位是不相同的。
在接收机处，捕获在A和B两个信道上的码位的每个流，并输入到码位再合成和组合(CBRC)单元(552)。通过对所接收到的消息进行加权和组合的处理，CBRC以最大程度的可能性来忠实地组合完整集。然后CBRC把经重组的码位发送到解码单元(551)。在接收机处，所发送的每个码位有3种可能的输出。表3说明每种可能性的原因和接收机特性在图5中示出的本发明的范围包括在发射机处的下述原理从源数据位产生码位的完整集的流选择信道A的码位的临界子集(例如，特定的穿插图案)选择信道B的码位的另外的临界子集(例如，另外的穿插图案)，并对另外的信道进行相似的选择在每个信道上发送码位的次序可以不同(例如，不同的交错深度)。
本发明的范围包括在接收机处的下述原理同时接收在信道A和B以及另外的信道上的码位流，如果一般码位的完整集的重组符合表3和4的逻辑，并使用下述特定的算法，则把经重组的码集插入单个维特比解码器。
表4列出组合/去穿插的一般类型和它们相应于上述表3的输出的加权方案。加权类型是所使用的码分集技术和是否在多个信道上接收到码位的函数。
表3分集接收机的可采用的输出和特性
表4可采用的情况的加权方法
重要的是要注意在表4的可采用的方法2.A和2.B中，即使仅在一个信道上接收到码位，但是它的权由两个信道上的SNR确定。这是本发明的一个重要的特征，并产生显著的性能增益。
本发明使用卷积码的实施例图6示出本发明在发射机处使用卷积码。在发射机处，图6示出单个卷积编码器(601)，它从输入源位产生码位的完整集。在该点处使发送流分开到路径A和B进行不同的处理。在穿插单元(602)中用图案(A)穿插信道A的目的地路径A，通过穿插单元的另一个拷贝用不同的图案(B)穿插路径B。在图6中的系统对于图4中的系统之间的严格的差异是在信道A和B上的穿插图案是不同的。
根据构成在每个信道上的速率3/4码的公共速率1/2码的不同穿插，表5给出信道A和B的合适的子集的例子。注意，在穿插之前，A和B两个信道的码位是相同的。然而，在穿插之后，信道A码位子集是{x(3)，x(1)，y(3)，y(2)}，而信道B子集是{x(3)，x(2)，y(2)，y(1)}。然后注意，在该例子中，两个信道携带码位的1/3，即x(3)和y(2)，而只有单个信道携带码位的2/3，即x(1)，x(2)，y(1)和y(3)。分析已经指出，这类码分集的优点是可以把性能改进到高达2dB。
表5发送为信道A和B选择的码位的不同子集的例子
在发射机产生不同码位子集并在不同信道上发送它们时，接收机捕获这些位并在一个组合过程中对它们进行处理。注意，由于接收机可以接收在A和B两个信道上的x(3)，所以从x(3)A和x(3)B确定它的x(3)的估计。另一方面，它的x(2)的估计只根据x(2)B，因为只在该信道上接收到它。然而，在两种情况下，通过A和B两个信道的SNR量度来确定用于估计的加权系数。将在下面部分中对此进行描述。
表6接收机处理在信道A和B上接收到的码位以得到最佳组合信号
*用从A和B两者的质量量度确定的系数进行加权组合算法的描述一般方法预维特比码分集组合接收机示于图7，用于经卷积编码的QPSK波形。一般，它包括从不同信道(A和B)的解调器(754)取得QPSK码元，计算质量(即MRC)量度，根据该质量量度对码元加权，并对两个信号进行组合。在MRC权计算(MWC)单元(752b)中进行质量量度和加权系数的计算。一般，MWC根据输入取样码位(xA和xB)和对于每个解调器的信号锁定指示符{LA和LB}计算质量量度和权(α和β)。组合器和去穿插(C&D)单元(752a)使用α和β输入并对每个码位建立最佳估计。C&D的功能还包括对于输入到维特比解码器(751)的码位估计的适当的量化。这是一个重要的因素，因为加权系数确定所接收到的码取样在所选择的量化上的分布，接着，所选择的量化确定输入码位在维特比量度上具有的作用，所述维特比量度驱动在维特比解码器输出的源位上的判定。图8和9示出包括量化的分集组合器的更多的详情。图8应用于一种情况，在该情况中，在A和B两个信道上接收单个位。把A和B两者的位流输入计算SNR(它是对每个信道的质量量度)的计算单元(804)。然后从SNR计算加权系数并用于标定当前位。然后把两个结果项进行总加(803)，并把总和输入到量化器(802)。量化器的输出是维特比解码器(801)所要求的一个软判定变量(SDV)。注意，把低权施加到SDV迫使大多数量化器输出值在接近零的存储器(bin)中，这样，可以感觉到在维特比量度上的作用并驱动源位的解码。
图9可应用于一种情况，在该情况中，只在一个信道上接收到单个位。在该例子中，在信道A上接收到x(n)A，在信道B上接收到邻近位x(n+1)B。如在图8中的组合器中一样，计算单元(904)根据输入位流计算每个信道的SNR。再从SNR计算加权系数，并用于对当前位定标。与图8中的情况相反，在加权之后，使位串行地输入量化器(902)。注意，低权的作用是把量化器驱动到接近0的电平，以致在维特比解码器(901)上的影响最小。这样，即使把加权施加到不同的(邻近的和接近的)位而不是施加到如在图8的系统中的同一位，在经解码的源位上还是有加权的影响。
可以以数个不同的方式来执行所说明的加权算法(和它的计算)。下面说明的给定方法是基于最大比组合(MRC)算法的。让SNRA和SNRB分别表示信道A和B的信噪比。假定QPSK码元经过归一化，则早期信道的MRC权α如下α=SNRASNRA+SNRB=11+SNRB/SNRA]]>在这种情况中，最后信道的权可以简单地表示为β＝1-α算法背景软判定变量QPSK解调器使用2的补码的格式或与大多数计算等效。可以把QPSK解调器的输出量化成4位软判定变量(SDV)以使存储器要求最小。量化的最佳方法(对于维特比解码器)是围绕零值对称地表示它，以致表示“1”和“0”的电平数相等。SDV的一般表示是奇整数，如在表7中所示。还有，最佳的是在AGC电平处对维特比解码器输入信号箝位。然而，应该在MRC加权之后才对SDV适当地加权和箝位。因此，应该在AGC电平处对QPSK解调器的输出进行两次箝位。
距离量度距离量度d是从“硬判定”(即，+/-AGC电平)的距离测量。表7示出距离量度对于SDV的关系，假定在AGC电平对它进行两次箝位
还测定了在相似条件下引入IFNγ的效果，并列于下表2中。细胞因子产量如上文所述测量。比较表1和2，显然在成熟因子(如BCG)存在的情况下添加IFNγ增加IL-12 p70的产生。特别地，在成熟期间添加IFNγ连同BCG增加IL-12 p35产量，并降低IL-10的产量。结果，IL-12 p70与IL-10的比例在添加IFNγ连同BCG时总是大于1。在有些供体中，以及在某些条件下，IL-12 p70与IL-10产量的比例可通过添加IFNγ连同BCG被提高到大于大约100∶1。因此，这些结果令人惊讶地证明添加IFNγ连同成熟因子BCG能够显著地增加IL-12p70的产量。
表2用BCG和IFNγ成熟的DC产生的IL-10和IL-12况。方法2相似于方法1，除了它总是对SNR最高的信道用系数1来进行加权。这方法最适合于仅在单个信道(即，只有信道A或B)上存在码位的那些情况。方法3只根据给定信道的SNR对该信道的码位加权。为了简化计算，使用任意的上限(SNRmax)来限制加权系数值。一般，把SNRmax设置在不需要分集的电平处(即，解码器对于来自单个信道的码位实际上是无差错的)。该方法具有立即应用加权的优点，因此如果使用时间分集也不需要存储器(见图6)。
表8(列4)还示出有效的公式，用于从每种方法的SNR变量(gA和gB)计算MCR加权系数(α和β)。每个公式是基于gA和gB之间的差的。再次，可以使用简单的查找表来代替直接计算。
表8可采用的加权系数 交错分集信道(例如，卷积的)编码的性能增益一般有赖于无存储器信道。在得到最大编码增益中，交错的使用是使具有存储器的信道转换为无存储器信道的有力的技术。然而，还有这种情况，其中，根据信道(存储器)，一种方式的交错比另一种的好。为了对系统增加另外的耐用度，在不同信道上可以任意地使用不同的交错器。最简单的例子是具有待不同交错器深度和/或宽度的不同块交错器(在信道A和B上)(见图5和6)。
熟悉本领域技术的人员将从详细描述和图纸明了，所示出的和所描述的只是本发明的较佳实施例以及实现本发明的设想的最佳模式。因此，本发明可能有其它和不同的实施例，它的几个说明可能是在各种明显方面的修改而都不偏离本发明。相应地，认为图纸和说明实质上是作为示意而不是限制。
权利要求
1.一种数字无线电广播系统，具有发射机在多个信道上广播一串经编码的信息位，其特征在于，包括将实施经编码的信息位的码的完整集分解成两个或多个不同的码位的临界子集，并在所述信道的不同信道上发送所述码位临界子集的装置。
2.如权利要求1所述的数字无线电广播系统，其特征在于，包括用于在不同信道上接收一个或多个所述临界子集，并在解码操作之前组合和重组完整码集的装置的接收机。
3.一种在多个信道上数字发送来自一个或多个源的信息位的方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤(a)从所述一个或多个源产生码位完整集的流；(b)把所述码位完整集分解成至少一对码位的临界子集，而且每个临界子集与所有其它临界子集不同；(c)分别在所述多个信道的不同信道上把每个码位的临界子集发送到至少一个接收机。
4.如权利要求3所述的在多个信道上数字发送来自一个或多个源的信息位的方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤在所述至少一个接收机处同时接收所述至少一对临界子集码位的每一个，重组所述码位完整集。
5.如权利要求3所述的在多个信道上数字发送来自一个或多个源的信息位的方法，其特征在于，所述步骤(a)包括所述码位完整集的卷积编码。
6.如权利要求3所述的在多个信道上数字发送来自一个或多个源的信息位的方法，其特征在于，使用加权系数在所述至少一个接收机处重组所述码位完整集，所述加权系数与在信道上接收位的信道的信号质量量度有关。
7.如权利要求3所述的在多个信道上数字发送来自一个或多个源的信息位的方法，其特征在于，使用加权系数在所述至少一个接收机处重组所述码位完整集，所述加权系数与在信道中接收位的信道的信号质量量度有关。
8.如权利要求4所述的在多个信道上数字发送来自一个或多个源的信息位的方法，其特征在于，使用加权系数在所述至少一个接收机处重组所述码位完整集，所述加权系数与在信道中接收位的信道的信号质量量度有关。
9.如权利要求3所述的在多个信道上数字发送来自一个或多个源的信息位的方法，其特征在于，分解所述码位完整集的所述步骤(b)包括分别把错开的穿插码放置在所述临界子集码位上。
10.如权利要求3所述的在多个信道上数字发送来自一个或多个源的信息位的方法，其特征在于，每个信道包括一个块交错器，并且每个块交错器交错到不同的深度。
11.如权利要求4所述的在多个信道上数字发送来自一个或多个源的信息位的方法，其特征在于，所述接收机使用加权系数重组所述完整码集，所述加权系数与在其上接收到位的信道的信号质量量度有关，并且在所述信道上的接收位遵循下表中的算法表3分集接收机的可采用的输出和特性
12.如权利要求4所述的在多个信道上数字发送来自一个或多个源的信息位的方法，其特征在于，使用加权系数在所述接收机处重组所述码位完整集，所述加权系数与信道的信号质量量度有关，并且在所述信道上的接收位遵循下表中的算法表4可采用的情况的加权方法
13.如权利要求5所述的在多个信道上数字发送来自一个或多个源的信息位的方法，其特征在于，卷积码和具有在相应的仓(chamber)上放置的经错开的穿插图案，所述经错开的穿插图案具有在下表中表示的特征表5发送为信道A和B选择的码位的不同子集的例子
14.如权利要求4所述的在多个信道上数字发送来自一个或多个源的信息位的方法，其特征在于，所述重组的步骤包括把加权系数施加到在每个信道上的信号，并根据在下述表中的2和3中表示的算法得到加权系数表8可采用的加权系数
15.如权利要求4所述的在多个信道上数字发送来自一个或多个源的信息位的方法，其特征在于，所述重组的步骤包括使用在下述表中表示的一个或多个计算公式以得到加权函数表8可采用的加权系数
16.一种数字无线电接收机，用于接收数字无线电广播的多个信道，其特征在于，每个信道包括一个经数字编码的信息集，所述信息集已经把所述信息分解成多个码位的临界子集，并分别在每个信道中发送不同的码位的临界子集；所述数字无线电接收机具有用于同时接收所有信道的临界子集流的装置，以及用于从所接收到的重组码位的完整集的装置。
17.如权利要求16所述的数字无线电接收机，其特征在于，所述接收机包括维特比解码器。
18.如权利要求16所述的数字无线电接收机，其特征在于，用于重组完整码集的装置使用加权系数，所述加权系数与在其上接收到位的信道的信号质量量度有关，并且在所述信道上的接收位遵循下表中的算法表3分集接收机的可采用的输出和特性
18.如权利要求16所述的数字无线电接收机，其特征在于，用于重组完整码集的装置使用加权系数，所述加权系数与在其上接收到位的信道的信号质量量度有关，并且在所述信道上的接收位遵循下表中的算法表4可采用的情况的加权方法
19.如权利要求16所述的数字无线电接收机，其特征在于，所述经数字编码的信息集已经卷积编码，而所述数字无线电接收机包括用于对经数字编码的信息去卷积地解码的装置。
20.如权利要求16所述的数字无线电接收机，其特征在于，用于重组码位的完整集的所述装置包括用于把加权系数施加到在每个信道上的信号的装置，以及用于根据在下表中表示的算法得到所述加权系数的装置表8可采用的加权系数
21.一种数字无线电广播系统，把一串经编码的数字信息位共同地施加到多个无线电广播信道，其特征在于，每个信道包括以穿插提供给它的经编码的数据的装置，每个所述穿插装置具有提供给它的不同的穿插图案，以分别通过每个广播信道得到在经编码的数据广播中的码分集。
22.如权利要求21所述的数字无线电广播系统，其特征在于，包括至少一个用于同时接收所述多个广播信道中的至少一对广播信道的无线电接收机，并包括用于对经编码的数据去除穿插的装置。
23.如权利要求21所述的数字无线电广播系统，数字广播无线电接收机用于同时接收所述多个广播信道中的至少一对广播信道，其特征在于，所述无线电接收机具有用于对在所述多个广播信道中的至少一对广播信道中的经编码的数据去除穿插的装置。
24.一种数字无线电广播系统，通过卷积编码器对数字信息位进行编码，并共同提供给多个无线电广播信道，每个广播信道具有穿插提供给它的经卷积编码的数据的装置，其特征在于，每个所述穿插装置具有提供给它的不同的穿插图案，以分别通过每个广播信道得到在经编码的数据广播中的码分集。
25.如权利要求24所述的数字无线电广播系统，其特征在于，包括至少一个无线电接收机，用于同时接收所述多个无线电广播信道中的至少两个无线电广播信道，以及包括一种穿插经编码的数据的装置。
26.一种数字广播无线电接收机，用于同时接收所述多个无线电广播信道中的至少两个无线电广播信道，其特征在于，对接收到的数据去卷积和去穿插，并把经编码的数据的单个集输出到应用装置。
全文摘要
在接收多个数字广播信号中得到分集的装置和方法。从一个或多个数据位的源产生码位完整集的流。对第一信道挑选或选择码位的第一临界子集(例如，把特定的穿插图案施加到码集完整集的流)。对第二信道挑选或选择码位的第二(例如，另一个)临界子集(例如，对第二信道选择第二或另一个穿插图案)。进一步得到瞬时分集。此外，在每个信道上发送码位的次序可以是不同的(例如，交错深度可以是不同的)。在接收机处，同时接收到所有信道的码位临界子集的流，并完成码位的完整集的重组，而且可以把重组的码插入单个维特比解码器。揭示各种加权函数和重组算法。
文档编号H04B7/185GK1636338SQ99813788
公开日2005年7月6日 申请日期1999年11月30日 优先权日1998年11月30日
发明者J·斯莫科姆 申请人:Itt制造企业股份有限公司