高 剑，陈为刚，杨晋生

(天津大学微电子学院,天津 300072)

1 引言

地面数字广播主要用于承载音视频传输，凭借其较低的成本与接收机复杂度，具有非常广大的用户群；地面数字广播也承担着在应急情况下信息发布的作用[1 - 4]，具有重要的社会效益。但是，在一些特殊情况下，例如地面广播设施遭到损坏，应急情况下的信息发布由于发射功率的限制，难于支持广大用户的可靠接收[5]。基于此，本文以欧洲地面数字电视广播标准DVB-T(Digital Video Broadcasting-Terrestrial)为例，研究基于地面数字广播系统的高可靠应急信息传输的方法，根据DVB-T系统传输参数信令信号的特点，提出了一种基于数字广播信令聚合的高可靠应急传输方法，实现利用较小功率传输高可靠的短消息数据。DVB-T是目前世界上应用广泛的地面数字电视信号传输标准之一，获得了巨大的成功[6]。该标准利用开路地面传输媒介进行MPEG-2数字电视传输，采用了编码正交频分复用COFDM(Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术作为调制方式，并结合高可靠的纠错编码技术实现具有较高频谱利用率与较强抗多径干扰能力的传输。DVB-T信号按功能进行划分，除包含需要传输的数字电视信号外，还包括3种类型的辅助信号，分别为离散导频信号、连续导频信号和传输参数信令TPS(Transmission Parameter Signalling)[7]。

DVB-T系统传输短消息数据，通常所采用的方法是将短消息数据插入到由MPEG-2信源编码复用器输出的传输流TS(Transport Stream)中，利用TS流传输实现短消息的广播服务，但是该传输方式仍然受限于TS流的可靠接收。为提高短消息传输的可靠性，本文选择预先设定的固定广播模式，利用DVB-T标准中用于传输参数信令(TPS)的子载波承载短消息数据，采用重复编码和多进制低密度奇偶校验码LDPC(Low Density Parity Check Codes)编码作为信道编码方案，以二进制相移键控BPSK(Binary Phase Shift Keying)作为调制方式，设计了一种高可靠性的应急短消息传输方案。进一步，在软件无线电平台上实现DVB-T系统，将DVB-T标准中的传输信令(TPS)子载波用于承载短消息数据，并且完成了数据的收发与性能测试。实际测试情况表明，本文提出的基于数字广播信令聚合的应急传输方法能实现短消息数据的高可靠传输。

2 DVB-T系统中的传输参数信令(TPS)

DVB-T系统采用COFDM多载波调制方式进行信号传输，具有两种传输模式，分别是2K模式和8K模式，本文以2K模式作为传输模式。在2K模式下，总载波数目为1 705个，其中传输参数信令(TPS)占用17个子载波，剩余的载波为数据载波和导频载波。TPS子载波映射采用查找表的方式将TPS调制符号映射到17个TPS子载波上实现TPS信号多载波映射。传输参数信令(TPS)所传输的信息包括：调制方式、等级调制信息、保护间隔、纠错保护码、传输模式、超帧中的帧序号以及发射机所覆盖的蜂窝标识等系统信息。

在DVB-T系统中，传输参数信令(TPS)块定义在连续传输的68个COFDM符号中，即一个COFDM帧中。其中，每个COFDM符号中承载一个TPS调制符号。每帧第一个COFDM符号承载的传输参数信令(TPS)比特为差分二进制相移键控DBPSK(Differential Binary Phase Shift Keying)调制的参考位，用于DBPSK调制的初始化。之后每个COFDM符号对应一个传输参数信令(TPS)比特，每个传输参数信令(TPS)块包含68个传输参数信令(TPS)比特。传输参数信令(TPS)块比特分配如下：1个初始化比特、16个同步字比特、37个系统参数比特和14个BCH码差错校验比特。相比于16进制正交幅度调制16QAM(Quadrature Amplitude Modulation)、64进制正交幅度调制64QAM和正交相移键控QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)调制，DBPSK调制方式具有更好的抗干扰能力，可以保证收端接收TPS信号的门限比QPSK还要低，因此TPS块信号采用DBPSK调制。DBPSK调制方式如下：

l=0:Re{cm,l,k}=1-2ωk,

lm{cm,l,k}=0

l>0:sl=0→ Re{cm,l,k}=Re{cm,l-1,k},

lm{cm,l,k}=0

sl=1→Re{cm,l,k}=-Re{cm,l-1,k},

lm{cm,l,k}=0

(1)

其中，m为帧序号，k为TPS对应的子载波序号，l为COFDM符号序号，ωk为DVB-T标准定义的伪随机比特序列。

DBPSK解调方式如下：

i=suml×suml-1

(2)

3 基于数字广播信令字段聚合的传输方案

本文采用DVB-T标准中用于传输参数信令(TPS)的子载波承载应急短消息数据，采用重复编码和多进制LDPC编码作为信道编码方案，实现高可靠短消息数据的传输。DVB-T系统采用固定收发模式，传输模式选择2K模式，采用非等级调制，内码选择码率为1/2的卷积码，以QPSK作为星座映射方式，并且保护间隔长度为COFDM符号长度的1/4。因此，传输参数信令(TPS)不再需要包含与传输模式相关的系统参数。

相对于采用TS流传输的DVB-T系统，本文所提出的传输方法使用BPSK调制方式替代原标准中TPS的DBPSK调制方式，并将原标准中的信道编码方式由BCH编码替换为多进制LDPC编码。因此，在系统实现过程中，需要对DVB-T系统中的TPS生成模块、TPS包构成、TPS解调模块和超帧同步模块进行修改，并在接收端增加信道噪声估计、多进制LDPC译码模块和应用层同步模块。TPS生成模块主要在发送端实现短消息数据的多进制LDPC码编码、数据成帧和BPSK调制；TPS解调模块在接收端实现对所有TPS子载波的BPSK解调并获取TPS解调序列；超帧同步模块根据超帧中分段插入的同步字序列实现超帧起始位置捕获；信道噪声估计对加性高斯白噪声AWGN(Additive White Gaussian Noise)信道噪声进行估计，供BPSK软解调使用；多进制LDPC译码模块实现TPS载波解调数据的截取和多进制LDPC译码，恢复TPS包；应用层同步模块用于捕获TPS包的起始位置并提取出短消息数据。

3.1 TPS生成模块

TPS生成模块实现对短消息数据的多进制LDPC编码、数据成帧和BPSK调制，生成长度为2 720的复数域符号的BPSK调制序列。

多进制LDPC码采用基于图论的优化设计方法，在中短码长下具有优越的性能，因此在本文中用于短消息数据的编码传输[8,9]。对短消息数据进行编码过程中，首先将连续的1 040比特分成10组长度为104比特的序列作为信息序列；其次，对每组信息序列在GF(16)域上进行多进制LDPC编码，编码码率为1/2；最后，将10组编码码字序列合并成长度为2 048比特的编码序列。

本文中每帧短消息数据帧，由连续的10组长度为104比特的信息序列经过多进制LDPC编码得到的长度为208比特的编码码字序列组成，帧长度为2 080比特。其中，连续的10组长度为104比特的信息序列构成应用层数据包。短消息数据帧由10帧超帧组成，每一超帧包括4个COFDM帧，每一COFDM帧包含16比特同步字序列和52比特编码序列。其中，超帧中分散插入的4段16比特同步字序列组成64比特的超帧同步序列，供接收端实现超帧同步。同步序列选用的是CCSDS标准中长度为64比特的同步字。超帧中的编码序列长度为208比特，是由104比特信源序列经1/2码率、GF(16)域上多进制LDPC编码得到，并且平均分成4段，分散插入至16比特同步字序列之后。

在完成数据成帧之后，对每个子载波所承载的数据采用BPSK调制。由于每个COFDM符号中包含17个TPS子载波，每个TPS子载波传输相同的编码序列，因此短消息数据在完成一次多进制LDPC编码后又经过17次重复传输，进一步提高信息传输的可靠性。

DVB-T系统的信道带宽为7 MHz，采用固定收发模式进行传输，COFDM符号周期Tcofdm=320 μs，因此，10个连续超帧的周期为：

Tm=68×4×10×Tcofdm=870.4 ms

(3)

由此可得，信源数据的传输比特速率为:

R=1040/Tm=1.195 Kbps

(4)

3.2 信道噪声方差估计

本文中TPS解调模块采用BPSK软解调，因此需要对信道噪声方差进行估计。本方法采用一种低复杂度的基于经验特征函数ECF(Empirical Characteristic Function)的信道噪声方差估计算法[10]对信道噪声方差进行估计。该方法适用于多进制相移键控MPSK(Multiple Phase Shift Keying)和多进制正交幅度调制MQAM(Multiple Quadrature Amplitude Modulation)，且无需预知调制方式。基于ECF的信道噪声方差估计算法的实现步骤为：

(1)假设接收端接收序列是长度为N的复数域序列R={r1,r2,…,rN}。其中，rk为接收序列R中的第k个元素，可表示为rk=rk,I+rk,Qj的形式，rk,I为同相分量，rk,Q为正交分量。则经验特征方程定义为:

(5)

(6)

(3)计算噪声方差估计值，公式如下:

(7)

其中，当参数t→0时，噪声方差的估计值与实际噪声方差的吻合度越大。参数t→0时，据欧拉公式可得ejtrk,I和ejtrk,Q趋向于1，因此可用常数1代替公式(6)中的ejtrk,I和ejtrk,Q，则噪声方差的估计值计算公式可简化为:

σ2(RI,RQ)=

(8)

3.3 TPS解调模块

TPS解调模块实现对单个接收COFDM符号中全部17个TPS子载波的BPSK软解调。TPS解调模块的输入数据为均衡后的频域COFDM符号，输出为当前COFDM符号对应的TPS比特。解调的具体过程为：

(1)对每个COFDM符号对应的17个TPS子载波进行解调，对每个TPS子载波分别计算接收的比特为1和0的概率:

(9)

其中,σ2为信道噪声方差的估计值，yi为17个TPS子载波中第i个子载波承载的TPS比特经过信道加噪后的信道信息。

(2)根据计算所得的17个子载波接收比特为0和1的概率Pi(0)和Pi(1)，得到比特级对应0和1的概率，并将其作为LDPC译码器的概率信息输入进行LDPC译码，计算公式为:

(10)

(3)比特判决。当P(1)>P(0)时，该比特解调输出为1；否则，解调输出0。

3.4 超帧同步

TPS信号经过BPSK软解调后输出二进制比特信息，超帧同步模块借助移位寄存器采用滑动相关的方法实现对超帧起始位置的捕获。相比于DVB-T标准的超帧同步，由于本方法中TPS块采用BPSK调制代替原标准中的DBPSK调制，因此，DVB-T标准中COFDM帧中起始位置的TPS初始比特被删除，同步字起始位置即为超帧起始位置。超帧同步模块的结构如图1所示。

Figure 1 TPS super-frame synchronization图1 TPS超帧同步

超帧同步实现步骤如下：

(1)将解调输出的TPS比特序列按位输入容量为272比特的寄存器，并按上文所述的TPS超帧结构分四段提取64比特同步字序列。

(2)将提取的64比特同步字序列与本地存储的64比特同步字序列进行相关运算。若经过相关运算后输出为“1”的个数大于设定阈值，则表示超帧同步，并标记超帧的起始位置；否则进行下一步。

(3)若经过相关运算，未获取超帧的同步位置，则将272比特的移位寄存器中数据进行更新，并返回(1)，直到满足判决条件。寄存器数据更新是指将寄存器末位移出寄存器，新输入的1比特TPS比特作为寄存器的首位，寄存器中其余位依次进行移位。

超帧中具有64比特同步序列，本文定义相关运算阈值为56，即64比特同步序列滑动相关时允许出错的最大比特数为8。

3.5 多进制LDPC译码模块

在完成超帧同步之后，多进制LDPC译码模块对定义在GF(16)域上，码率为1/2的多进制LDPC编码序列进行译码，恢复发送的原始短消息数据。

本文采用基于快速傅里叶变换FFT(Fast Fourier Transformation)的多进制LDPC译码算法，实现步骤如下：

(1)初始化。将TPS解调模块输出的208比特编码序列对应的软信息作为多进制LDPC译码器的输入，计算每个变量节点的先验信息，并利用所得的先验信息初始化变量节点传递给与之关联的校验节点的信息。

(2)校验节点更新。对于每个校验节点与其相关联的变量节点，引入16×16的Hadamard矩阵，采用基于FFT的校验节点更新方法计算校验节点传递给变量节点的信息。

(3)变量节点更新。对于每个变量节点与其相关联的校验节点，计算变量节点传递给校验节点的信息。

(4)计算后验判决信息，生成译码码字向量X。如果译码码字向量满足校验方程H×X=0,则结束译码，其中，H为校验矩阵;否则,返回校验节点更新步骤继续迭代，直到达到最大迭代次数。多进制LDPC码译码后得到二进制译码序列。按每10组译码序列组合的方式得到发送的TPS包数据。

3.6 应用层同步

在完成多进制LDPC译码之后，应用层同步模块采用相关的方法实现应用层同步，从而获取1 040比特的应用层数据包起始位置。

待传输的应用层数据包在编码前，固定TPS包的前22比特作为应用层同步字。接收端接收并译码10帧超帧数据后，将得到的1 040比特数据包按各自对应的超帧分为10部分。将每部分数据的前22比特与本地存储的22比特应用层同步字进行相关运算。若进行相关运算后正确比特数目大于设定阈值，则对该段进行标记，所标记的位置为应用层同步位置，即应用层数据包的起始位置；否则，对下一超帧进行相关运算。最后根据标记的TPS包起始位置提取出连续的1 040比特，则该1 040比特即为所发送的应急短消息数据。

4 系统测试与结果分析

4.1 系统测试

本文采用通用软件无线电平台USRP对用于短消息数据传输的基于数字广播参数信令聚合的应急传输方法性能进行测试，测试平台如图2所示。该测试平台由发射端和接收端组成，图2左图为发送端，右图为接收端。在实际测试过程中，发射端在传输由摄像头采集的实时信息的同时，采用TPS子载波传输应急短消息数据；接收端接收由发送端发送的TS包和TPS短消息数据包，并且分别统计在不同发射功率下接收的TS包的误包率和采用TPS子载波传输的短消息数据的误包率，通过对比在不同发射功率下的TS包和TPS包的误包率确定本文所提方法的性能。

Figure 2 Experimental platform图2 测试平台

实际测试在如图3所示的开放环境下进行。图中“T”表示DVB-T发射机天线的位置，“R”表示DVB-T接收机天线位置，发射机天线和接收机天线之间的距离为2.0 m，且传输过程中不考虑信号的直射路径。DVB-T系统的参数设置如表1所示。

Figure 3 Experimental scenario图3 实际测试场景

测试参数参数值信号带宽7MHz载波模式2K星座映射方式QPSK保护间隔模式1/4内码码率1/2USRP子板WBX宽带子板射频中心频率474MHz

4.2 结果分析

本文在软件无线电平台上实现了基于数字广播信令聚合的应急传输，图4为接收端接收到的由

发送端利用TPS子载波传输的短消息数据在界面中的显示情况。在传输过程中，发送端采用TPS聚合的方法总共发送了三条“TPS short message data!”的应急短消息，接收端接收到由发送端发送的信息，通过前文所述的对接收到的数据进行TPS解调、超帧同步、LDPC译码等操作准确地恢复出TPS短消息数据包，并在界面右栏中显示。由于软件实现过程中，发射端和接收端都采用多线程模式，发射端在利用TPS传输短消息数据的同时仍在不断地采集视频数据并进行发送，而接收端不仅能够接收并播放视频，还能够在同一时间获取应急短消息数据。故本文所提出的基于数字广播信令字段聚合的应急传输方法能够在不影响DVB-T系统正常工作的情况下，实现应急短消息传输。

为测试本文所提方法性能，同时传输1 040比特TPS包和188字节TS包，在完成300个TPS包传输时，统计在不同发射功率下TS包的误包率和TPS包的误包率，测试结果如表2所示。

由表2可以看出，在不同发射功率下，TPS包的误包率均远小于TS包的误包率。其中，当发射功率为-46 dBm时，接收端已无法正确接收TS包，但接收TPS包的误包率为5.667×10-2。由此可以看出，本文所提出的设计方案能够很好地实现短消息数据的高可靠传输。

5 结束语

本文依据地面数字电视广播标准，采用固定收发模式，利用DVB-T标准中用于传输参数信令的TPS子载波，采用重复编码和多进制LDPC编码作为信道编码方案，设计并实现了一种高可靠的应急短消息传输方案。本方案中，由于采用了固定的收发模式，传输信令不再需要包含与传输模式相关的系统参数，借助空闲的TPS载波，通过重新设计TPS帧结构传输短消息数据。实际测试表明，本文所提出的设计方案能够很好地实现应急短消息数据的高可靠传输。本文方法借助已有地面数字广播收发设备进行简单改造，支持在应急情况下使用较低发射功率的可靠信息发布。

Table 2 Experimental results of TS packets and TPS packets

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