多媒體信息傳輸中時頻矩陣二維信道動態分配方法

2023-06-20 10:50:36

專利名稱：多媒體信息傳輸中時頻矩陣二維信道動態分配方法
技術領域：
本發明屬於數字信息傳輸技術領域，特別涉及到在使用正交頻分復用(OFDM)多載波調製技術的多媒體信息傳輸中時頻矩陣(Time-Frequency Matrx，TFM)二維信道動態分配方法。
背景技術：
當今世界己步人資訊時代，社會的信息需求急劇增加和信息社會功能的顯著變化，使多媒體的研究發展成為時代的必然，並得到了越來越廣泛的應用。
多媒體是將數據、文字、聲音、音樂、動畫、視頻、圖象等多種媒體綜合於一體，通過數位化處理，實現人-機交互式信息交流和傳播的新型信息技術。人們在獲取、處理和交流信息時，最自然的形態是以多媒體方式進行的，往往表現為視覺、聽覺、嗅覺等感覺器官的並用。實驗心理學家赤瑞特拉(Treicher)做過一個關於人類獲取信息來源的著名實驗人類獲取的信息83％來自視覺，11％來自聽覺，這兩個加起來就有94％，還有3.5％來自嗅覺，1.5％來自觸覺，1％來自味覺。由此可見，多媒體能與人們的自然交流和處理信息的方式達到最好的匹配。
多媒體是一個涉及多門學科和多種技術領域的系統工程，包括計算機技術、人工智慧技術、電子技術、通信技術、廣播電視技術以及其他若干技術。作為多媒體技術核心的視頻技術、音頻技術、信息壓縮和解壓技術、圖像技術、高密度存儲技術等日臻完善；多媒體硬體系統、作業系統平臺、窗口系統、多媒體創作工具等正日趨成熟。
多媒體應用是隨著多媒體技術的研究開發而發展的，圍繞著多媒體業務類型和針對不同的網絡環境，正在不斷地研究開發各種多媒體應用，從行政辦公、軍事安全、交通環保、教育醫療、金融保險、信息檢索、休閒娛樂、出版印刷到動畫、音視頻製作、特技、虛擬世界、數字藝術創作等社會和經濟的各個方面，都由於多媒體技術的廣泛採用而發生了深刻的變革。
多媒體的主要目標之一是滿足人們對多種信息處理和傳播的需求。沒有信息傳播的多媒體技術也將不會有如此迅速的應用和發展。
人們對傳媒的真實感、現場感、直接參與性提出的高要求，以及應用目的、對象和環境等外部條件的千差萬別，迫切要求信息傳輸系統具有快速、靈活、有效率等特點。但不管是在電視廣播、通信和網絡系統中，多媒體信息的傳播仍有許多特殊問題需要解決，例如不同終端和前端伺服器的動態適應、多媒體信息的實時性要求、可變視頻數據流的處理、網絡頻譜及信道分配、高性能和高可靠性、壓縮性能等。
例如對於視頻的傳輸碼率，不同的應用(高清晰度電視HDTV、標準清晰度電視SDTV和DVD、VCD和掌上電腦PDA、手機等)，有不同的需求。
例如按照ITU-R 601標準，使用422的採樣格式，去掉行場逆程後，SDTV傳輸率為165Mb/s，而HDTV更高達829Mb/s。而對於小屏幕的手持設備(如手機)，CIF和QCIF就用滿足圖像質量要求。CIF是352×288像素，8bit/像素，25幀/s，亮色4:2:0，則未壓縮的圖像信號傳輸碼率是30Mb/s，目前的壓縮技術，如MPEG-2/4、MS WM9、H264等，保守計算可做到壓縮比R＝40倍，則壓縮後的碼率是760kb/s。若為QCIF(166×144)，則傳輸碼率進一步降為190kb/s。因此，對於小屏幕，先進視頻壓縮技術使得視頻流碼率只有幾百kbps量級。而信道的傳輸能力可能大於10Mbps，在地面數位電視廣播中就是如此，這樣的話，如何優化和靈活地利用傳輸資源就成為一個重要問題。
對於短消息，信息量比較小，可能只有幾個比特或幾千個bit，如何高效地在大容量傳輸通道中傳輸如此小的信息量？而對於即時消息，如何快速地響應，如何快速地傳輸出去，也是一個關鍵問題。
上述應用中的不同需求，體現了多媒體信息傳輸的快速、靈活、有效率性要求，對於一個信息傳輸系統來講，可以在物理層、鏈路曾或應用層等不同的ISO協議層滿足多媒體信息傳輸的快速、靈活和高效要求。
本發明主要針對地面數位電視廣播系統中傳播多媒體電視節目，提出了一種在物理層上採用時域-頻域二維矩陣方式的傳輸信道動態分配方法，滿足多媒體信息傳輸的快速、靈活和高效要求。
國內外地面數位電視廣播(Digital TV terrestrial broadcasting，DTTB)正在高速發展。數位電視從80年代末研製到現在只有短短十幾年的時間，但發展速度之快令人驚異。經過這些年堅持不懈的研究和發展，DTTB已經取得了很多的成果，達到了可以實現階段。從1998年11月北美和歐洲已經開播DTTB節目，許多國家宣布了它們的DTTB制式選擇和實現計劃。目前，世界上主要有三種DTTB傳輸標準1)美國高級電視系統委員會(Advanced Television Systems Committee，ATSC)研發的格形編碼的八電平殘留邊帶(Trellis-Coded 8-Level Vestigial Side-Band，8-VSB)調製系統。
ATSC數位電視標準是高級電視系統委員會ATSC開發的。調製方案採用了具有導頻信號的單載波調製，即八電平殘留邊帶調製(8-VSB)，用於單發射機(多頻網Multi-FrequencyNetwork，MFN)實現。美國VSB系統加入了0.3dB的導頻信號，用於輔助載波恢復。傳輸信號採用段、場結構，成幀發送，數據幀結構如圖1所示。加入的段同步信號用於系統同步和時鐘恢復；而長度達511的兩電平場同步信號，用於系統同步和均衡器訓練，通過採用精心設計的自適應判決反饋均衡器來消除多徑衰落引起的回波幹擾。
在美國ATSC數位電視標準中，視頻、音頻和數據等多種媒體構成的傳送流(TransportStream，TS)按上述圖1所示構成數據幀結構，一個TS流是連續放置在固定的數據段位置，不存在信道動態分配問題，但不能滿足多媒體信息傳輸的快速、靈活的要求，並且數據只是在時域放置(分配)的。
2)歐洲數字視頻地面廣播(Digital Video Terrestrial Broadcasting-Terrestrial，DVB-T)標準採用的編碼正交頻分復用(Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing，COFDM)調製。
DVB-T系統是歐洲數字視頻廣播(Digital Video Broadcasting，DVB)組織開發的。在地面傳輸方面，它採用與美國8-VSB不同的調製技術COFDM，OFDM屬於多載波調製技術(在ADSL相似的技術稱為DMT調製)。8MHz信道內傳輸的有效淨比特碼率在4.98～31.67Mbit/s範圍內，取決於信道編碼參數、調製類型和保護間隔的選擇。DVB-T在每個電視頻道內使用了1705(2k模式)或6817(8k模式)個子載波。DVB-T的幀結構如圖2所示。OFDM的基本原理就是將一個較寬頻帶分成一些子信道(Sub Channel or Subcarrier)。如果各子信道所佔帶寬足夠窄，它們將分別經歷平坦衰落。在這種情況下，接收機的均衡器很容易實現。而且，為了提高系統頻譜效率，OFDM系統中各子信道的頻譜是重疊的，但它們之間又是正交的，這就是其正交頻分復用(OFDM)名稱的由來。多徑信道情況下，為了保持其各子信道間的正交性，必須加入保護間隔(Guard Interval，GI)。DVB-T使用循環前綴(Cycle Padding，CP)保護間隔，就是將OFDM碼元最後一部分複製到各碼元前端。
為了輔助完成同步任務，DVB-T在頻域放置了大量導頻信號，穿插在數據子載波之中，並以高於數據3dB的功率發送，如圖3所示，分為信號幀起始位置的連續導頻和位置偏移的分散導頻，四個信號幀構成一個超幀，另外還有有限數目的頻道用於傳輸系統參數信息，稱為傳輸參數信令(Transmission Parameter Signaling，TPS)，目前在DVB-T系統中，TPS只剩下寶貴的幾個比特還空閒著，這樣用於系統指示的功能就收到很大限制。
各導頻數值由PRBS(偽隨機二進位序列)調製計算得出，所以其自相關性較好，大多數的COFDM系統定時、同步等算法都是基於這些導頻信號在頻域進行的。但是，導頻是在離散傅立葉變換(DFT)之前插入的，進行DFT計算又需要首先同步(之後才能進行正確解調)。因此，COFDM系統的同步需要使用迭代逼近算法，這樣就存在收斂誤差和收斂時間問題。同步時間是接收機從開啟、鎖定信號到開始段接收所需要的時間。在當前的DVB-T實現中，這個時間估計在200-250ms量級。這個同步時間就不適合於多媒體信息的應用，不滿足多媒體信息傳輸的快速、靈活和高效要求，例如短消息和即時消息的傳送。
同美國ATSC數位電視標準一樣，歐洲DVB-T也是把一個TS流連續放置如圖3所示的固定數據位置，不存在信道動態分配問題，並且只是在頻域放置的。
3)日本地面綜合業務數字廣播(Integrated Service Digital Broadcasting-Terrestrial，ISDB-T)採用的頻帶分段傳輸(Bandwidth Segmented Transmission，BST)正交頻分復用OFDM。
ISDB-T系統是日本無線電工商業協會(Association of Radio Industries and Businesses，ARIB)開發的。系統採用的調製方法稱為頻帶分段傳輸(BST)OFDM，由一組共同的稱為BST段的基本頻率塊組成。除OFDM特性之外，BST-OFDM對不同的BST段採用不同的載波調製方案和內碼編碼碼率，依此提供了分級傳輸特性。每個數據段有其自己的誤碼保護方案(內碼編碼碼率、時間交織深度)和調製類型(QPSK，DQPSK，16-QAM或者64QAM)，這樣每段能滿足不同的業務需求。該系統衍生於歐洲系統，主要變動是針對多媒體廣播和移動接收的需求，將頻帶進行了分段，並大大加長了交織深度(最長達0.5秒)，以改善移動接收效果。雖然日本系統在移動測試中表現出一定的優越性(也相應證明了歐洲系統需要改進)，但它並沒有解決COFDM中的實質性問題。
自從有了這三個DTTB系統以來，許多國家和地區都在選擇自己的DTTB系統。從上面的背景介紹看，這三個DTTB系統，都是針對傳統的連續碼流傳輸而設計的，主要考慮的問題是傳輸的高效和高可靠，採用了前向糾錯編碼(FEC)和高階正交頻分復用(mQAM-OFDM)多載波調製技術，而且只是在單一的時域或者頻域中實現的，而沒有考慮傳輸多媒體信息時所需要的快速、靈活性。當需要傳輸多媒體信息時，這些DTTB系統在物理層上不能滿足需要，而只能在鏈路層或應用層上採取一定的技術措施，滿足應用需求。例如下面講述的歐洲手持數字視頻廣播(DVB-H)系統。
歐洲地面數位電視廣播(DVB-T)標準為了適應不同的要求，設置了可變的參數，這些參數主要還是針對室內外固定接收和室外接收，但是抗脈衝幹擾能力不強，並且沒有考慮省電功能，對於便攜的手持行動裝置並不適用，還存在網絡規劃不靈活的問題。因此，歐洲DVB組織正在制定針對手持行動裝置的地面數位電視標準，稱之為DVB-H。
為了滿足DVB-H的商業需求，完全的DVB-H系統定義為物理層、鏈路層和業務信息的組合，其中為了增加電池的使用時間，必須降低功耗。因此，DVB-H的節目分配在鏈路層採用了上述的時分復用(TDM)技術，在DVB-H中稱為時間片(Time-Slicing)，把多媒體信息以高碼率(12Mbs左右)的突發形式傳送電視廣播數據，在兩個突發之間，不傳輸本業務碼流數據，這使得接收機只在接收所請求的業務突發時才保持激活狀態。
為了告知接收端下一個突發的時間，，在當前突發中說明到下一個突發開始的時間。在兩個突發之間，沒有傳輸碼流數據，此時可以傳輸其它的節目碼流。時間片使得接收端只在接收到請求的業務突發時，才開始工作。注意，發射機一直在工作(即TS傳送流的傳輸沒有中斷)，如圖4所示。
圖5描述了DVB-H系統的概念性結構，包括DVB-H調製/解調器和DVB-H終端，其中有時間片和MPE-FEC、4K等模塊。
在歐洲DVB-T系統中，同步時間為250ms，突髮長度要和同步時間有可比擬性，不能遠小於系統同步時間，否則同步時間佔的開銷就太大了。因此，根據歐洲地面數位電視廣播標準DVB-T的特性，DVB-H的突髮長度選為200ms，並且突髮帶寬為15Mbps，空閒時間為4s，突發大小為2Mb。歐洲DVB-H需要有一個2Mb的緩存器，以平滑突發碼流為恆定碼率的輸出。由此帶來的問題是系統的傳輸延時增大，而且2Mb容量的存儲器會顯著地增加手持設備的成本。
另外，從通信角度看，傳輸的信息單位越小，開展業務越靈活。在DVB-H系統中，突髮長度最小為200ms，每個突發傳輸的數據量為2Mbits，不利於傳輸小的信息和即時信息，例如短消息、尋呼、告警等。
特別需要說明的的是，DVB-H中的時間片技術必須在鏈路層實現，沒有在任何地方涉及到DVB-T物理層。並且，DVB-H選擇了在已有的多協議封裝(Multi-ProtocolEncapsulation，MPE)上傳輸IP包數據，在鏈路層的MPE上實施時間片。DVB-H的時間片技術一定程度上增加了節目分配的靈活性，到達了省電的目的，但只是在時間域中實現的。
總結以上所述，現有的三個地面數位電視廣播國際標準，這三個DTTB系統，都是針對傳統的連續碼流傳輸而設計的，無法滿足多個多媒體節目所要求的傳輸快速和可靠、節目分配靈活和高效、省電和保密等要求。

發明內容
本發明根據時域同步正交頻分復用(TDS-OFDM)多載波調製採用的與自然時間同步的分層幀結構特性，針對多媒體信息傳輸的需求，提出了一種二維的時間-頻率矩陣(Time-Frequency Matrix，TFM)信道動態分配方法。
本方明的特徵在於多媒體信息傳輸中時頻矩陣二維信道動態分配方法，其特徵在於它是在TDS-OFDM即時域同步正交頻分復用系統中傳輸多媒體信息的條件下，根據與自然時間同步的分層幀結構特性而提出的在物理層利用二維時間頻率矩陣，即TFM，來隨機地動態分配信道的方法，它是在發射端，當對輸入碼流依次進行信道糾錯編碼、調製符號映射、IDFT變換後，通過利用現場可編程門陣列即FPGA對IDFT的輸出碼流依次進行如下處理而實現的第1步用一個下述的二維的時間-頻率矩陣來描述多用戶廣播信道的多媒體信息的分配圖案TFM=SC0,0SC0,1SC0,N-2SC0,N-1SC1,0SC1,1SC1,N-2SC1,N-1SCM-2,0SCM-2,1SCM-2,N-2SCM-2,N-1SCM-1,0SCM-1,1SCM-1,N-2SCM-1,N-1MN]]>其中TFM矩陣中的元素SCm×n表示TDS-OFDM中第m個信號幀中的第n個OFDM子載波；在TFM矩陣中，水平方向代表頻率矢量，用符號 表示，矢量 中的元素代表了某個多媒體節目在OFDM子載波上的位置；垂直方向代表時間矢量，用符號 表示，矢量 中的元素代表某個多媒體節目在幀群中信號幀的索引；從而用TFM矩陣中元素的賦值表示一個多媒體節目在TDS-OFDM物理傳輸信道的分配；當傳輸p個節目時，用一個由每個節目的時間-頻率矩陣構成的三維矩陣來表示該要傳輸的p個節目，所述三維矩陣用一個節目矢量表示，用符號 或TFMp代表TFMp＝[TF1，TF2，…TFm，…，TFp]其中的TFm表示第m個節目在時頻二維矩陣TFM中信道分配信息；第2步依據步驟1所述的TFM矩陣定義的多用戶廣播信道分配方案，把從上述IDFT輸入的多媒體節目碼流分配到TFM矩陣的相應位置，用1表示該元素所代表的子載波傳輸該節目數據，用0表示此子載波不傳輸該節目數據，接收機處於空閒狀態，關閉相應的部分接收電路，但發射機此時繼續發送其他的電視節目；第3步用前向糾錯碼分別對每個用戶的廣播信息進行保護處理，前向糾錯碼後的數據經過調製作符號星座映射；第4步把多用戶的數據在頻域進行復接，形成長度在事先確定的數據塊，然後採用IDFT即離散傅立葉變換把所形成的頻域數據塊變換成為相應長度的時域離散樣值幀體，得到OFDM多載波基帶調製信號，構成TDS-OFDM信號幀的幀體；第5步按TDS-OFDM的信道幀結構，在OFDM保護間隔內插入一定長度的PN序列作為幀頭，把幀頭和幀體組成信號幀；第6步在TDS-OFDM幀群的幀群頭中插入TFM矩陣信息；第7步把幀群進一步組成超幀和日幀，構成一個符合TDS-OFDM傳輸幀結構的完整信號；發射端最後把步驟7形成的完整的TDS-OFDM信號進行成形濾波處理，再經過頻率上變換和功放，在預定的頻道帶寬中發射出去。
根據上述的TDS-OFDM系統中時頻矩陣二維信道動態分配方法，其具體特徵在於所述TFM矩陣是稀疏矩陣。
根據上述的TDS-OFDM系統中時頻矩陣二維信道動態分配方法，其具體特徵在於所述TFM矩陣用壓縮方法傳輸。
根據上述的TDS-OFDM系統中時頻矩陣二維信道動態分配方法，其具體特徵在於所述TFM矩陣中元素排列圖案是隨機的。
根據上述的TDS-OFDM系統中時頻矩陣二維信道動態分配方法，其具體特徵在於所述TFM矩陣中元素排列圖案是有固定規則的。
本發明根據清華所發明的TDS-OFDM與自然時間同步的多層信道幀結構，提出了一種在TDS-OFDM物理層利用二維時間-頻率矩陣(TFM)來隨機地動態分配信道的方法，滿足了傳輸多個多媒體節目的需求。由於TFM矩陣具有稀疏性，體現突發傳輸特性，通過在節目突發之間關閉部分電路，從而到達省電效果；由於TFM矩陣的跳頻、隨機和不連續特性，表徵了時頻二維聯合交織，增強了抵抗突發誤碼的能力，同時增加了保密性；由於TFM矩陣可以事先定義，在專門的信令信道(控制幀)內傳送，實現節目的靈活分配；由於TFM中每個元素所代表的突發間隔很短，所能到達的功耗降低的性能滿足實際需求，所需存儲器大小和突發包的長度遠遠小於現有的其它數位電視傳輸系統，使得接收機的實現成本和信號延遲大大降低，同時利於簡訊息和即時信息的傳送，而且與現在的TDS-OFDM系統保持兼容。


圖1為ATSC幀結構。
圖2為DVB-T幀結構。
圖3為DVB-T導頻信號。
圖4為歐洲DVB-H中節目的分配方法。
圖5為DVB-H系統的概念性結構。
圖6為TDS-OFDM與自然時間同步的分級幀結構。
圖7為採用本發明的一個多媒體節目的物理信道分配圖案的舉例。
圖8為三維TFM示意圖。
圖9為採用本發明所述方法的地面數位電視廣播發射系統信號處理流程框圖。
圖10為採用本發明所述方法的地面數位電視廣播接收系統信號處理流程框圖。
具體實施例方式
本發明提供了一種時頻矩陣(Time-Frequency Matrix，TFM)二維信道動態分配方法，在時域同步正交頻分復用，即TDS-OFDM，系統中採用二維的時域-頻域信道分配方法，以滿足多媒體節目的靈活、高效、低功耗和即時等需求。
下面將結合附圖對本發明的具體實施例進行詳細描述。
我國自1994年起，也開始了高清晰度電視的研究工作。並於1998年研製成功了中國第一代高清晰度電視功能樣機。由廣播電視主管單位、國家廣電總局組織了我國的專家對數位電視及數字高清晰度電視標準進行了制定，清華大學地面數字多媒體廣播(Digital MultimediaBroadcasting for Terrestrial，DMB-T)傳輸協議是測試方案之一。
清華DMB-T中採用的時域同步正交頻分復用(Time Domain Synchronous OFDM，TDS-OFDM)調製屬多載波技術，但與歐洲的COFDM不同，在TDS-OFDM中沒有插入頻域導頻信號，而是插入了PN序列，在時域進行幀同步、頻率同步、定時同步、信道傳輸特性估計和跟蹤相位噪聲等。系統使用更加優化的前向糾錯編碼FEC來抵抗突發誤碼，例如裡德-索羅門(Reed-Solomon，RS)或Turbo碼、卷積碼以及它們的級聯等。
關於DMB-T、TDS-OFDM的相關情況詳見授權號為00123597.4名為「地面數字多媒體電視廣播系統」、授權號為01115520.5名為「時域同步正交頻分復用調製方法」，以及授權號為01124144.6名為「正交頻分復用調製系統中保護間隔的填充方法」等清華大學申請的中國發明專利。
為了實現快速和穩定的同步，DMB-T傳輸系統採用了與自然時間同步的分級幀結構。它具有周期性，並且可以和自然時間同步。幀結構的基本單元稱為信號幀，如圖6所示。DMB-T傳輸系統的幀群是由一個控制幀和隨後的225個信號幀構成。每個幀群的持續時間為125ms。幀群中的第一個信號幀被定義為幀群頭(控制幀)，用於傳輸控制該幀群的信令。幀群中的每一個信號幀有唯一的幀號，它被編碼在幀頭的PN序列中。每個幀群由一個9bit的幀群號標識。幀群號被編碼在信號幀的傳輸參數信令(TPS)中。TPS在幀群中每個信號幀中重複，只在新的幀群開始時才能改變。DMB-T傳輸系統的超幀包含480個幀群。超幀中的每個幀群由其幀群號唯一識別。超幀的第一個幀群編號為O，最後一個幀群編號為479。每個超幀的持續時間為60s。DMB-T傳輸系統的日幀是由1440個超幀組成，並以一個自然日為周期進行周期性重複。在北京時間0:0:0AM或其它選定的參考時間，DMB-T傳輸系統的幀結構被復位並開始一個新的日幀。每個日幀的最後一個超幀是不完整的。
這樣一種與自然時間同步的分層幀結構，信號幀和幀群是唯一可尋址的，並且可以在物理層為單頻網提供與TS流對應的秒同步時鐘，便於單頻組網；也可以與按日曆日為周期的廣播節目表相配合，便於進行定時接收；也有利於未來系統的功能擴展，如雙向交互和定位功能等。對於手持便攜接收機，利於省電控制，這是一個重要的特性。
DMB-T傳輸系統的信號幀使用時域同步的正交頻分復用調製，或者稱為以PN序列為保護間隔的正交頻分復用調製。一個信號幀由幀同步和幀體兩部分組成，它們具有相同的基帶符號率7.56MS/s(1/T)。考慮到信道的時間選擇性(都卜勒分布約為100Hz)，每個信號幀的長度定義為＜600μs。一個信號幀可以作為一個正交頻分復用(OFDM)塊。一個OFDM塊進一步分成一個保護間隔和一個離散傅立葉逆變換(IDFT)塊。對於TDS-OFDM來說，幀同步序列作為OFDM的保護間隔，而幀體作為IDFT塊，信號幀的幀體採用多載波調製方式，幀體的頻率域子載波數為3780，相鄰子載波的間隔為2 kHz，每個子載波符號採用64QAM星座圖。在TDS-OFDM中，幀體的長度為固定的500us，而保護間隔有1/4和1/9兩種模式，即保護間隔長度分別為幀體長度的1/4(625us)或1/9(555.6us)。
信號幀中的幀同步由前同步、8階PN序列和後同步三部分構成。PN前同步和後同步定義為PN序列的循環擴展，8階PN序列定義為特徵多項式x8+x6+x5+x+1的m序列，其初始條件將確定所生成的m序列的相位。每個信號幀的幀號決定其m序列的初始條件。信號幀群中的每個信號幀，分配有唯一的幀同步信號，以作為信號幀的識別特徵。
TDS-OFDM的另外一種解釋是PN序列與IDFT塊的正交時分復用。由於PN序列對於接收端來說是已知序列，PN序列和IDFT塊在接收端是可以被分開的。
PN序列除了作為OFDM塊的保護間隔以外，在接收端還可以被用做信號幀的幀同步、載波恢復與自動頻率跟蹤、符號時鐘恢復、信道估計等用途。
TDS-OFDM是靠PN序列進行同步的，僅在時域進行，理論上TDS-OFDM系統的同步捕獲約為1ms左右，相當於相鄰PN序列的時間間隔。在國家有關部門組織的國家數字地面數位電視廣播實驗室和場地測試中，TDS-OFDM的同步時間為2ms。而歐洲DVB-T的同步技術實現複雜，同步時間約為250ms左右。
如前所述，對於這樣一種與自然時間同步的TDS-OFDM分層幀結構，信號幀和幀群是可尋址的，體現了TDS-OFDM的時間特徵，而信號幀中3780個子載波的每一個也是唯一的，並且是可尋址的，這體現了TDS-OFDM的頻率特徵。由於採用了PN序列的時域同步技術，能夠實現的快速同步，使得系統能夠很快地尋址到所需要的子載波、信號幀和幀群位置。
基於TDS-OFDM與自然時間同步的分層幀結構體現出來的時間和頻率特徵，並且系統能夠快速尋址到子載波、信號幀和幀群，可以把多個多媒體節目分散地分配在不同信號幀、不同子載波上傳輸，我們可以用矩陣來描述這種分配位置，即可以把分配某個多媒體節目的子載波、信號幀或幀群構成一個二維的時間-頻率矩陣(TFM)TFM=SC0,0SC0,1SC0,N-2SC0,N-1SC1,0SC1,1SC1,N-2SC1,N-1SCM-2,0SCM-2,1SCM-2,N-2SCM-2,N-1SCM-1,0SCM-1,1SCM-1,N-2SCM-1,N-1MN]]>其中TFM矩陣中的元素SCm×n表示TDS-OFDM中第m個信號幀中的第n個OFDM子載波(Sub-Carrier)。
在TFM矩陣中，水平方向代表頻率矢量(Frequency Vector)，用符號 表示，在本在本發明中，我們用TFM矩陣中元素的賦值表示一個多媒體節目在TDS-OFDM物理傳輸信道的分配，並且這個分配可以根據應用需求、節目內容、緊迫性和重要性等因素做動態修改。
本發明利用時分復用(TDM)技術在時頻二維域中以突發時隙形式傳輸數據，從而達到省電、加密、可靠和靈活等目的。為了實現數據的突發傳輸，在TDS-OFDM信道幀結構的基礎上，一個多媒體節目的物理信道分配圖案舉例如圖7所示。
圖7也可以用矩陣TFM表示，圖7中的灰色豎條表示矩陣TFM中相應位置的元素為1，此子載波傳輸該節目數據；白色豎條代表0，則此子載波不傳輸該節目數據，接收機處於空閒狀態，就可以關閉部分接收電路，但發射機此時可以繼續發送其它的電視節目。用時域矩陣(TFM)表示上述信道分配為
TFM=000000000100000000010000000001000001000100000010001000001000100010000000001000000000100000000001100000000110000000011000000MN]]>在頻率矢量 中的信道分配圖案可以是原先排列的、固定的有規律，或者隨機產生的分配。
在時間矢量 之間的信道分配圖案可以是相同的，或某種規律，或隨機的。
當傳輸p個節目時，可以進一步由每個節目的時間-頻率矩陣(TFM)構成一個三維矩陣，如圖8所示，該三維矩陣可以用一個節目矢量(Program Vector)表示，用符號 或TFMp表示TFMp＝[TF1，TF2，…TFm，…，TFp]其中的TFm表示了節目m在時頻二維矩陣TFM中信道分配信息。
一般情況下，本發明的TFM矩陣是一個稀疏矩陣。設矩陣TFMM×N中有s個非零元素，若s遠遠小於矩陣元素的總數(即s＜＜M×N)，則稱TFM為稀疏矩陣。
當傳輸節目數量很多時，TFMp矩陣的數據量就會變得很大，那麼如何有效地壓縮這個稀疏的TFMp矩陣呢？對於稀疏矩陣，一般按照某個算法只存貯其非零元素。由於非零元素的分布一般是沒有規律的，因此在存儲非零元素的同時，還必須存儲非零元素所在的行號、列號，才能迅速確定一個非零元素是矩陣中的哪一個元素，即其中每一個非零元素所在的行號、列號和數值組成一個三元組(m，n，V)，並由此三元組惟一確定。稀疏矩陣常用的壓縮方法有兩種順序存儲和鏈式存儲，可參考相關的資料。當然，也可以進一步研究更有效的稀疏矩陣壓縮算法。
由上述可知，TFMp攜帶了節目在信道中的動態分配信息，那麼如何告知接收機這個TFMp信息？在TDS-OFDM幀群中，第1個信號幀是控制幀(幀群頭)，上述的壓縮的或未壓縮的TFMp矩陣信息可以在控制幀中攜帶，並傳送給接收機，接收機就可以根據收到的TFMp矩陣信息來處理用戶所需要的節目。
一個採用本發明所述方法的地面數位電視廣播發射系統原理性組成框圖如圖9所示。在本實施例發送端中，信號處理的步驟如下
(1)按照某種規則產生信道分配圖案，得到一個二維的時域-頻域矩陣TFM多用戶廣播信道；(2)依照上述的TFM矩陣定義的多用戶廣播信道分配圖案，把輸入的視頻、音頻、圖形、文本、數據等多媒體節目碼流分配到二維的時域-頻域矩陣的相應位置；(3)為了抵抗傳輸過程中產生的誤碼，對每個用戶的廣播信息採用了前向糾錯碼(LDPC碼或者RS碼和串行級聯繫統卷積碼作為內外糾錯碼)分別進行保護，前向糾錯碼後的數據經過調製的符號星座映射後。
(4)將多用戶的數據在頻域進行復接，形成確定長度的數據塊，(例如，採用長度為3780的數據塊)，然後採用離散傅立葉反變換(IDFT)將所形成的頻域數據塊變換成為相應長度的時域離散樣值幀體，得到OFDM多載波基帶調製信號，構成TDS-OFDM信號幀的幀體；(5)按時域同步正交頻分復用，即TDS-OFDM，的信道幀結構，在OFDM保護間隔內插入一定長度的PN序列作為幀頭，將幀頭和幀體組成信號幀；(6)在TDS-OFDM幀群的幀群頭(幀群控制幀)中插入TFM矩陣信息，用於傳遞節目的信道分配信息；(7)把幀群進一步組成超幀和日幀，構成一個符合TDS-OFDM傳輸幀結構的完整信號；(8)將上述完整的TDS-OFDM信號進行成形濾波處理，然後經過頻率上變換和功放，在預定的頻道帶寬中發射出去。
一個採用本發明所述方法的地面數位電視廣播接收系統原理性組成框圖如圖10所示，主要包括以下一些部分(1)模擬前端模擬前端即高頻調諧器，它將接收的RF信號放大，完成頻道選擇，並將選擇的信號從RF頻段變換到一個固定的中頻IF1(36.25Mhz)。控制高頻頭自動增益控制AGC的電壓是由中頻部分提供的。頻道選擇通過改變PLL的分頻係數來實現。IF1信號經過8MHz帶寬濾波器濾波。在中頻單元中的一個本振將IF1變換到小中頻IF2(4.5MHz)，此時的信號為一個靠近基帶的帶通信號。
(2)AD變換和希爾伯特濾波器經過模擬前端後，模擬信號經過濾波經四倍採樣Rs(即30.40MHz)成為數字小中頻信號，AD變換器的取樣時鐘沒有經過鎖相，是自由振蕩的。因此，數字小中頻信號要經過後面的載波恢復處理模塊後才能得到精確的載波頻率。數字小中頻信號經過希爾伯特濾波器(Hilbert Filter)後變為複數信號，即被解復用成兩路數據I路(同相分量)和Q路(正交分量)。
(3)載波恢復和下變頻接收機振蕩器的頻率不可能很穩定，所以總會存在一個定量的頻率偏移，數字定時和其他同步算法只有在小頻差的情況下才能正常，所以進行載波恢復是必要的。接收機加電時要有一個範圍較大的粗頻率估計，之後需要更高精度的頻率估計AFC使頻率誤差降低到1Hz以下。對載波頻率偏移進行校正是通過將時域的採樣數據乘上 (一個帶有遞增相位的復指數，其中相位增加量為 變量k為數據序號， 為以Ts歸一化的頻偏估計值)。
得到恢復的載波信號後，數字小中頻信號通過乘法器實現下變頻，得到數字基帶信號。
(4)時鐘恢復TDS-OFDM時鐘恢復包括PN碼捕獲(Code Acquisition，CA)和符號定時恢復(Symbol Timing Recovery，STR)兩部分。開始時，接收機不知道所接收信號幀中PN碼的相位，通過碼捕獲獲得此相位，從而PN序列成為已知信號，可用於其他同步模塊。碼捕獲算法是將接收信號和本地產生的PN序列滑動相關，因為本地產生的PN序列與接收的PN序列僅是有一個時間偏移，所以相關結果中將出現很強的峰值。
碼捕獲後，定時誤差僅在±Ts/2範圍內，我們需要更精確的定時同步，STR對殘餘定時誤差ε0進行估計，得到估計值 通過線性插值，將採樣信號{rf(kTs)}轉換成與發送符號率1/T一致的同步數據。同時由於採樣時鐘有漂移，STR採用二階反饋環路來控制誤差信號，完成對採樣時鐘的跟蹤。
同時，PN碼捕獲後，就可以從數字基帶流中把PN碼(幀頭)部分和數據部分(幀體)分離開來，然後送給不同的處理模塊。
(5)DFT在接收機端，假定正確的定時同步，通過將N個校正後的時域復採樣點進行DFT完成OFDM的解調。
(6)信道估計和均衡接收機信道估計(Channel Estimation)部分主要為每一個OFDM塊提供信道響應的估計，以便校正每一個接收到的數據採樣(相干檢測)。完成頻率估計後，信號還殘留了一個固定相位誤差，信道估計中也包含了該誤差。得到信道估計後，信道均衡部分在頻域通過簡單的除法運算實現信道均衡(Channel Equalization)。
(7)相位噪聲去除使用基於傳輸參數信令(Transmission Parameter Signals，TPS)的去除相位噪聲(PhaseNoise Correction)方法，它從DFT後的TPS信號獲得相位噪聲的頻域基帶信號，然後經過IDFT將獲得的頻域信號轉化為時域相位噪聲估計，接著使用得到時域相位噪聲估計對DFT以前的數據進行相位補償。
(8)幀群中控制幀的捕獲和分析在TDS-OFDM系統的傳輸幀結構的幀群中，包含著一個幀群頭(控制幀)，接收機從控制幀中可以獲得發送端所規定的TFM矩陣的信息，從而得到一個節目在信道中時域-頻域的分配信息，得到信號幀幀號和OFDM子載波位置等系統參數，這些參數可以每幀群/或多個幀群檢測一次。由這些參數可以獲得業務(節目)的構成，根據用戶選擇的業務在傳輸幀所處的位置，給出一個激活/休眠狀態指示信號，去激活信道解調和糾錯等部分的工作，接收突發碼流，存到緩存器中。而兩個突發之間，則停止工作，節省功耗，同時從緩存器中讀出數據送給信源解碼和顯示等。
因此，從圖10看出，採用本發明的實施例接收端的信號處理順序如下一個高頻模擬信號經過調諧器和AD變換後成為數位訊號，通過希爾伯特濾波器後變分解為I路(同相分量)和Q路(正交分量)數據信號。
IQ信號分為兩路一路送給AGC控制模塊，在AGC中IQ信號和後面捕獲的幀同步PN序列一起產生一個AGC控制電壓，去控制高頻調諧器的放大增益；另一路IQ信號送給下變頻器，與恢復的本地載波相乘，然後經過樣值內插和SRRC低通濾波器後得到數字基帶信號。
一路數字基帶信號經過頻率估計後的到AFC信號用於控制載波恢復，得到一個相對精確的本地載波用於上述的下變頻器；另一路數字基帶信號經過PN碼捕獲模塊後使得接收機獲得接收的信號幀中PN碼，PN碼捕獲後，經過時鐘恢復模塊得到更精確的定時同步，用於上述的樣值內插處理，同時PN碼捕獲後，就可以把接收的信號幀分解成為PN碼(幀頭)和DFT數據信號(幀體)兩部分。
PN信號部分送給信道估計模塊，得到每一個OFDM塊的信道響應估計，然後對相位校正後的數據進行信道均衡處理，以便校正每一個接收到的數據採樣(相干檢測)，然後均衡後的數據再反饋給信道估計，以便下一幀信道估計更精確。同時，PN信號部分還送給上述的AGC控制電路。
數據部分經過幀群頭(幀群控制幀)捕獲電路後，獲得幀群頭，經過分析幀群頭，得到發送端規定的TFM矩陣參數，如矩陣大小M×N、節目(業務)數量、糾錯方式、節目長度、有無加密等，從而獲得用戶所需的節目數據，以及給出電路激活/休眠狀態指示信號。
電路激活/休眠狀態指示信號送給調製和糾錯解碼等電路，控制這些電路的工作與否，到達省電目的。同時，此信號還送給數據緩存器，指示緩存器的讀寫工作。
幀片數據部分經過相位噪聲校正模塊，相位校正後的數據經過DFT變換和上述的信道估計和均衡後，送給前向糾錯編碼FEC模塊，把FEC解碼後的存到緩存器中，把從緩存器中讀出數據送給信源解碼，最終恢復發送序列。
採用本發明的時頻矩陣TFM二維信道動態分配方法的系統具有明顯的性能優勢(1)TFM矩陣的稀疏性，降低了接收設備的功耗，利於短消息和即時消息的傳送。
一個節目(業務)輸入以後，首先按著TFM矩陣所示的信道分配圖案把節目許多突發，分散到幀群中不同信號幀的不同的OFDM子載波上。對一個節目來講，這體現了信息的時分復用和頻分復用突發傳輸模式，接收設備只有在接收所請求的節目(業務)時才激活信道解調和糾錯等部分，進行工作，接收突發碼流，存到緩存器中，而兩個突發之間，設備停止上述電路的工作，節省功耗，同時從緩存器中讀出數據送給信源解碼和顯示等。為了獲得適當的節能效果，突髮帶寬(碼率)應該是恆定帶寬(碼率)的一定倍數。例如，只要突發碼率是恆定碼率的2倍，那麼就可以節約50％的能量。
由於TFM矩陣是一個稀疏矩陣，利用TDS-OFDM系統信號幀短、同步快的特點，本發明所提方法的突髮長度較短，空閒時間長，需要的緩存器容量小，實現成本低，並且利於簡訊息的傳送，提高簡訊息的傳輸效率。同時，節目(業務)延遲小，便於即使信息的傳輸。因此，採用本發明後，能夠顯著降低接收設備的功耗，並且利於短消息和即時消息的傳送。
(2)TFM矩陣的隨機性和不連續性，增強系統的保密性，抵抗突發誤碼和多徑幹擾。
TFM矩陣的隨機性和不連續性表現為信道動態分配圖案在時域信號幀和頻域子載波內按某種圖案(序列)進行時分復用和頻分復用。
如果沒有其它特殊要求，一般希望TFM矩陣圖案呈現隨機性。TFM矩陣圖案本身的隨機性越好，抗幹擾能力也越強，要求參加復用的每個節目出現的概率最好相同；TFM矩陣圖案的密鑰量要大，要求圖案的數目要足夠多，抗破譯的能力強。因此，TFM矩陣抗幹擾噪聲和保密特性主要是依賴於偽隨機序列的性質。
常用的偽隨機序列有m序列、M序列和R-S序列。m序列叫作最大長度線性移位寄存器序列。m序列的優點是容易產生，自相關特性好，且是偽隨機的。但是可供使用的圖案少，互相關特性不理想，又因它採用的是線性反饋邏輯，就容易被敵人破解碼的序列，即保密性、抗截獲性差。M序列是非線性序列，可用的圖案很多，圖案的密鑰量也大，並有較好的自相關和互相關特性，所以它是較理想的跳頻指令碼。其缺點是硬體產生時設備較複雜。R-S序列的硬體產生比較簡單，可以產生大量的可用圖案，較適於作TFM矩陣圖案的生成序列。
在本發明中，TFM矩陣技術可以提高抗衰落、抗幹擾能力。TFM矩陣的隨機性對於靜態或慢速移動的移動接收具有很好的抗衰落效果，而對於快速移動的移動接收由於同一信道的兩個連接的突發脈衝序列其位置差已足以使它們與瑞利變化不相關，按著TFM矩陣分配時時間和頻率在不停的變化，頻率的幹擾是瞬時的，這就是TFM矩陣具有一定的時間和頻率分集效果，提高了系統抵抗脈衝和多徑幹擾的能力。
(3)靈活性由上述可知，一個節目在TDS-OFDM中的信道分配是由TFMp矩陣決定的，並且TFMp矩陣由幀群控制幀攜帶給接收機。而TFMp矩陣的圖案由運營商根據節目內容、緊迫性、重要性、流量大小、接收複雜性等因素決定，從而具有很大的靈活性，適應不同的應用需求。
(4)兼容性因為在原有的DMB-T電視廣播業務中，碼流是連續的，主要利用了TDS-OFDM信道幀結構的信號幀這一層。本發明利用時分復用和頻分復用技術的TFM矩陣是在物理層實現的，與TDS-OFDM傳輸幀結構緊密結合。因此，本發明提出的方法能夠與現有的DMB-T系統保持兼容。
已經用現場可編程器件(FPGA)實現了採用本實施例所述方法的功能樣機。
上面結合附圖對本發明的具體實施例進行了詳細說明，但本發明並不限制於上述實施例，在不脫離本申請的權利要求的精神和範圍情況下，本領域的技術人員可作出各種修改或改型。
權利要求
1.多媒體信息傳輸中時頻矩陣二維信道動態分配方法，其特徵在於它是在TDS-OFDM即時域同步正交頻分復用系統中傳輸多媒體信息的條件下，根據與自然時間同步的分層幀結構特性而提出的在物理層利用二維時間頻率矩陣，即TFM，來隨機地動態分配信道的方法，它是在發射端，當對輸入碼流依次進行信道糾錯編碼、調製符號映射、IDFT變換後，通過利用現場可編程門陣列即FPGA對IDFT的輸出碼流依次進行如下處理而實現的第1步用一個下述的二維的時間一頻率矩陣來描述多用戶廣播信道的多媒體信息的分配圖案TFM=SC0,0SC0,1SC0,N-2SC0,N-1SC1,0SC1,1SC1,N-2SC1,N-1SCM-2,0SCM-2,1SCM-2,N-2SCM-2,N-1SCM-1,0SCM-1,1SCM-1,N-2SCM-1,N-1MN]]>其中TFM矩陣中的元素SCm×n表示TDS-OFDM中第m個信號幀中的第n個OFDM子載波；在TFM矩陣中，水平方向代表頻率矢量，用符號 表示，矢量 中的元素代表了某個多媒體節目在OFDM子載波上的位置；垂直方向代表時間矢量，用符號 表示，矢量 中的元素代表某個多媒體節目在幀群中信號幀的索引；從而用TFM矩陣中元素的賦值表示一個多媒體節目在TDS-OFDM物理傳輸信道的分配；當傳輸p個節目時，用一個由每個節目的時間-頻率矩陣構成的三維矩陣來表示該要傳輸的p個節目，所述三維矩陣用一個節目矢量表示，用符號 或TFMp代表TFMp＝[TF1，TF2，…TFm，…，TFp]其中的TFm表示第m個節目在時頻二維矩陣TFM中信道分配信息；第2步依據步驟1所述的TFM矩陣定義的多用戶廣播信道分配方案，把從上述IDFT輸入的多媒體節目碼流分配到TFM矩陣的相應位置，用1表示該元素所代表的子載波傳輸該節目數據，用0表示此子載波不傳輸該節目數據，接收機處於空閒狀態，關閉相應的部分接收電路，但發射機此時繼續發送其他的電視節目；第3步用前向糾錯碼分別對每個用戶的廣播信息進行保護處理，前向糾錯碼後的數據經過調製作符號星座映射；第4步把多用戶的數據在頻域進行復接，形成長度在事先確定的數據塊，然後採用IDFT即離散傅立葉變換把所形成的頻域數據塊變換成為相應長度的時域離散樣值幀體，得到OFDM多載波基帶調製信號，構成TDS-OFDM信號幀的幀體；第5步按TDS-OFDM的信道幀結構，在OFDM保護間隔內插入一定長度的PN序列作為幀頭，把幀頭和幀體組成信號幀；第6步在TDS-OFDM幀群的幀群頭中插入TFM矩陣信息；第7步把幀群進一步組成超幀和日幀，構成一個符合TDS-OFDM傳輸幀結構的完整信號；發射端最後把步驟7形成的完整的TDS-OFDM信號進行成形濾波處理，再經過頻率上變換和功放，在預定的頻道帶寬中發射出去。
2.根據權利要求1所述的TDS-OFDM系統中時頻矩陣二維信道動態分配方法，其具體特徵在於所述TFM矩陣是稀疏矩陣。
3.根據權利要求1所述的TDS-OFDM系統中時頻矩陣二維信道動態分配方法，其具體特徵在於所述TFM矩陣用壓縮方法傳輸。
4.根據權利要求1所述的TDS-OFDM系統中時頻矩陣二維信道動態分配方法，其具體特徵在於所述TFM矩陣中元素排列圖案是隨機的。
5.根據權利要求1所述的TDS-OFDM系統中時頻矩陣二維信道動態分配方法，其具體特徵在於所述TFM矩陣中元素排列圖案是有固定規則的。
全文摘要
多媒體信息傳輸中時頻矩陣二維信道動態分配方法，屬於數字信息傳輸技術領域。步驟包括按照某種規則產生二維的時域－頻域矩陣TFM信道分配圖案，依照生成的TFM矩陣定義的時域信道分配圖案，把輸入的多媒體節目碼流分配到TDS－OFDM相應的信號幀和OFDM子載波位置上，在TDS－OFDM幀群的幀群頭中插入TFMp矩陣信息，最後將完整的TDS－OFDM信號發送出去。由於TFM矩陣具有稀疏性、隨機性和跳頻性，實現了突發傳輸的省電性能、時頻二維聯合交織的抗突發誤碼性能，以及系統的保密性、節目分配的靈活性和即時性，滿足了傳輸多個多媒體節目的需求，而且與現在的TDS－OFDM系統保持兼容。
文檔編號H04L27/26GK1604509SQ20041000972
公開日2005年4月6日 申請日期2004年10月29日 優先權日2004年10月29日
發明者楊知行, 蘭軍 申請人:清華大學