DVB-S2的信道编码和调制

DVB-S2

DVB-S是目前世界上广泛用于电视信号传输和数据传送的卫星数字电视标准，自从DVB-S卫星传输规范推出以来，它在调制和编码技术上不断有重要的改进。由于广播电视数字化发展，因此带来了节目和其他数据业务在传输流程上的统一，提高现有卫星通道的传输容量和效率一直是业界的普遍追求。同时由于科学技术的发展，数字信号处理技术的不断进步，使以前未能实现的科学设想和一些复杂的处理技术成为可能。

DVB-S2正是得益于近期的频道编码和调制技术的发展，采用了新的信道编码方案和高阶调制组合，比DVB-S 在同样的传输条件下增加了30%的能力，并能在同样的谱效率下提供更强劲的接收能力。DVB-S2能够灵活地处理各种卫星转发器特性、各种谱效率(从0.5到4.5比特/秒每单位带宽)以及相关的载波互调要求(从-2dB 到16dB)。

与DVB-S相比，DVB-S2改进的是：前向纠错系统（FEC）采用了功能更强大BCH和LDPC级联的信道编码方式，有效地降低了系统解调门限，距离理论的香农极限只有0.7～1dB的差距。在调制方面DVB-S2能够提供除QPSK外的多种具有更高频带利用率的调制方式，如8PSK、16APSK、32APSK。与QAM相比,16APSK和32APSK调制技术，减少了幅度变化，更能适应线性特性相对较差的卫星传输信道，使高位调制方式符合卫星信道传输的要求。频谱成形中的升余弦滚降系数α可在0.35、0.25、0.20选择，而不是固定的0.35，可以满足音频、视频（标清/高清）、数据等不同业务需求。α越小，频谱利用率越高。DVB-S2扩展了信号输入模式匹配，可接受含MPEG-2传输复用流在内的各种格式的单输入流或多输入流，输入信号可以是离散的数据包或连续的数据流，大大拓展了应用领域。

DVB-S2引入了基于QPSK、8PSK、16APSK、32APSK的自适应信号调制模式。在单向广播应用中，DVB-S2标准允许发射端根据接收端的不同情况，对发给不同接收端的数据帧的传输参数进行优化，在传输过程中采用可变的编码和调制方式（VCM）。在交互式应用中，可变编码和调制（VCM）功能与回传信道结合运用，形成一种新的应用模式，即自适应的编码和调制（ACM）。

DVB-S2系统工作流程

图1 a、b分别为DVB-S 和DVB-S2信道调制处理框图，DVB-S2对信号的处理大致可以分成以下几个部分，形成三种格式帧（基带帧、纠错帧和物理帧）。由于其良好的扩展性，因而每一部分都包括较多的选件、适配等单元，复杂程度远远超过DVB-S。

1、模式适配（Mode Adaption）是输入数据流的接口，用来适配DVB-S2种类繁多的输入流格式。DVB-S2 设计目的是处理各种多媒体数字信号编解码器，它能够非常灵活地支持任何输入流格式，包括持续的比特流、单或多MPEG 传输流、IP、ATM 等。对于固定编码调制（CCM）模式来说，模式适配部分包括对DVB-ASI流（或DVB并行传输流）的透明解包和8位循环冗余校验。

2、流适配完成基带成帧、加扰两个功能。为配合后续纠错编码，基带成帧需要将输入数据按

固定长度打包（不同的纠错编码方案有不同的“固定长度”），不足处则填充无用字节补足。基带帧的格式如图2a所示，帧长Kbch与所选的编码率和调制方式有关。

3、前向纠错FEC采用LDPC（内码）与BCH（外码）级联的形式,完成信道误码保护纠错编码功能，主要分三阶段：外码保护（BCH码），内码保护（LPDC码），以及除QPSK外的其他调制方式下的位交织。基带帧经过纠错编码后形成了纠错帧（FEC Frame），其格式如图2 b所示，N1dpc、K1dpc及Kbch都是与编码率和调制方式有关的常数。

4、映射部分主要完成每调制符号传输比特的映射工作，根据后面采用的具体的调制方式（QPSK、8PSK、16APSK、32APSK），将输入的经过前向纠错的串行码流转换成满足特定星座图样式的并行码流。

5、物理层成帧部分通过加扰实现能量扩散，以及空帧插入等。

6、调制部分完成基带成形和调制，主要完成基带整形和正交调制两大功能。对于加扰过的物理帧，根据不同的业务需求选用不同的滚降系数α（0.35/0.25/0.20）进行平方根升余弦滤波整形。

DVB-S2核心技术

与DVB-S、DVB-DSNG 标准相比，DVB-S2 标准在带宽利用率方面是一个质的飞跃，这体现在三个方面：1、新的纠错编码方式，LDPC（Low Density Parity Check Code低密度奇偶检测）与BCH（Boss-Chaudhuri-Hocquenghem博斯-乔赫里-霍克文黑姆码）级联；2、新的调制体制, 以多种高阶调制方式（QPSK、8PSK、16APSK 和32APSK）取代QPSK；3、新的工作模式，VCM（Variable Coding and Modulation可变编码及调制方式）和ACM（Adaptive Coding and Modulation自适应编码及调制方式）。

（1）BCH+LDPC纠错编码

纠错编码是用来保证信号在经过恶劣的传输信道之后，微弱的信号码流或者掺杂了干扰信号的码流在接收端能够被正确译码。DVB-S系统采用的是外层Reed Soloman和内层Viterbi编码，DVB-S2纠错编码的技术方案是：外码采用BCH码，内码采用LDPC码。BCH码是一种常规的循环码，是循环码的一个重要子类，它具有纠多个错误的能力，有码字生成简单、检错和纠错能力强等特点。BCH码有严密的代数理论，是目前研究最透彻的一类码。它的生成多项式与最小码距之间有密切的关系，人们可以根据所要求的纠错能力t很容易构造出BCH码，它们的译码器也容易实现，是线性分组码中应用最普遍的一类码。

LDPC码是一类可以用非常稀疏的校验矩阵或二分图定义的线性分组纠错码,最初由麻省理工学院的Gallager 1962年在其博士论文中首次提出，也称Gallager码。局限于当时VLSI（超大规模集成电路技术）发展水平无法实现其复杂程度，后逐渐被人淡忘，到九十年代末，受Turbo码成功的启示，LDPC码的价值被重新挖掘，成为当前编码领域的热点之一。和Turbo码相似，具有逼近仙农（Shannon）极限的性能，几乎适用于所有信道，除性能上优于Turbo码外，LDPC码能够成功的一个重要原因是它在解码算法上的优势。

信道编码的解码算法是决定编码性能和应用前景的一个重要因素。LDPC码由于其奇偶校验矩阵的稀疏性，使它存在高效的译码算法，其译码复杂度与码长成线性关系，克服了分组码在长码长时所面临的巨大译码计算复杂度问题，使长编码分组的应用成为可能。而且由于校验矩阵的稀疏特性，在长的编码分组时，相距很远的信息比特参与统一校验，这使得连续的突发差错对译码的影响不大，编码本身就具有抗突发差错的特性，不需要交织器的引入，进而消除了因交织器的存在而可能带来的时延。

（2）多种高阶调制

DVB-S系统只是采用单一的QPSK，一个调制符号映射2个比特，因而其信号传输能力受到很大限制。DVB-S2将其拓展为多个可以选择（QPSK、8PSK、16APSK、32APSK，图3为这几种调制方式的星座示意图）的方式，因此，相应地每个调制符号映射的比特数分别为2、3、4和5，传输能力大大地提高。这尤其对于直播卫星系统的运营者很有意义，即同样数目的卫星和转发器，可以成倍地增加传输的信号或节目数量。

APSK是另一种幅度相位调制方式，与传统的QAM相比，其分布呈中心向外沿半径发散，所以又称为星形QAM。APSK比QAM更便于实现变速率调制，因而很适合目前根据信道及业务需要分级传输情况。APSK调制方案更易于对转发器的非线性进行补偿，同时16APSK、32APSK可以获得更高的频谱利用率。

对于一般的广播电视业务，QPSK和8PSK为标准配置，16APSK和32APSK为可选配置。对于交互式服务、数字新闻采集及其他专业服务，四种方式都为标准配置。

（3）（VCM、ACM）工作模式

VCM、ACM 的使用是DVB-S2 的另一个显著改革，DVB-S2能够把不同的数据流组合调制在一个载波上，支持可变和自适应编码及调制（VCM、ACM），同时也自生支持非MPEG数据。不同的数据流的组合是对日益增长的在一个载波上全透明地传输不同的需求的回应。在实际使用中，可以代替现在的MPEG复用，又去除了PCR校正和SI-PSI信息更改的麻烦。

DVB-S2 可变编码及调制（VCM）

VCM功能允许使用不同的调制和纠错方法，并可以逐帧改变。采用VCM，不同业务类型（SDTV、HDTV、音频等）可以使用各自的调制方式与编码速率，也就是可以在同一个载波上对每个数据流施加不同的调制方式及纠错级别，因而传输效率得以大大提高。VCM 最强的优势在于不同的服务不需要相同的保护条件的情形，提供不同的服务给处于不同的平均接收条件的不同的远端站。应用VCM，就需针对每个服务端站不同的Co/No（＝Es/No）而在QPSK4/5 与16APSK2/3 之间选择相应的编码与调制（CM）。

自适应编码调制（ACM）

VCM结合回传信道，可以实现适应编码调制ACM，针对具体每一个用户的路径条件实时地优化传输参数。DVB-S2比DVB-S增加了交互信道的信息反馈，ACM是基于交互信道反馈信息工作的，当每个接收站设有通往主站的回传信道时（图4），也就是当接收端加入反馈机制后，DVB-S2 就可提供更为强大的功能：自适应编码及调制（ACM）。

针对每个接收数据帧的信道的实测情况，ACM 可动态调整每个数据帧编码速率与调制方式，这种编码调制方式可以达到帧级（Frame-by-Frame）。也就是说，在它整个传输序列里，每个单帧的编码码率及调制方式都可以不同。这种方式的灵活性表现在，不同的接收环境（晴天、阴天以及雷雨天气）可提供不同的编码码率和调制方式，来让接收终端接收到该环境下最理想最可靠的信号，对移动接收来说，这种方式就显得尤为可贵。当然，每个终端的实现复杂度也有增加，它要充分利用可能的回传通道实时反馈当前接收环境状况参数；另一方面由于帧与帧的码率和调制方式有不同的可能，所以DVB-S2提供了快速帧同步和高效载波恢复技术来实现终端平稳接收。发送端根据回传信道随时报告各接收站的收信状况采用ACM，针对每个接收站不同的Co/No（＝Es/No）而选择相应的编码与调制（CM），这些调制（CM）的范围在8PSK3/4 与16APSK5/6 之间。

简单DVB-S2 实现（CCM）

最简单的DVB-S2 工作模式称作：连续编码及调制（CCM），与DVB-S 类似的是：所有的数据帧采用相同的不变的编码及调制参数。这种传输模式在发送接收上只需一对具有标准接口，比如ASI信号的调制与解调。然而，DVB-S2 采用内层纠错编码LDPC为内层纠错编码，比DVB-S增加近30％的传输能力。

作为DVB-S信道编码和调制技术的升级，DVB-S2充分利用上述新技术，提供了一个灵活性强、卫星业务覆盖广泛的新技术标准。据Newtec公司提供的实验结果，用DVB-S2可使带宽利用率显著增加：使用LDPC,在CCM工作模式下增29％；VCM模式增加66％；ACM模式增加131％，其传输能力的大幅度提高及带来的经济效益是显而易见的。

DVB-S2应用前景

DVB-S2以其更高的频带利用率、更先进的编码方式和接近香农极限的系统性能引起了广泛的关注，其性能的改善能够直接地降低服务提供商的运营支出。与以前的标准相比，在相同的传输条件下，DVB-S2能以相同带宽多传输30%的数据，或者说，传输DVB-S2信号比传输同等的DVB-S信号节省30%带宽，这明显能够减少转发器的租金。从另一方面讲，在原有的通道增加了传输服务容量，从而可以增加相应的业务收入。同时DVB-S2的性能改善也表现在传输功率效率的提高上。平均而言，DVB-S2信号所需的通信余量比具有相同纠错管理消耗的DVB-S信号要少2.5dB，这意味着可以通过节省上行功率、降低租星费用和减小天线尺寸三方面降低服务成本。

DVB-S2不限于MPEG-2视频和音频编码，它的设计能够适用于不同的应用领域，例如为消费者HDTV信息的供应、提供以IP（网际协议）为基础的服务,这些领域能够因 DVB-S2的优势获益。简单一点说，DVB-S2能提供DVB-S的所有服务又能提供DVB-S不能的甚至包括目前通信领域所有的数据传输服务。这并不意味DVB-S2会替代DVB-S，毕竟DVB-S已经生存了十年，每天都有千百万台DVB-S解码器为全球观众服务，而要DVB-S2对DVB-S解调器实现兼容，在目前来说将是一件相当复杂的事情。基于经济效益的考虑，现有DVB-S服务商不会采用兼容方案。即使这样，凭着强大的技术优势和宽广的应用领域，撇开DVB-S现有的业务范围不谈，DVB-S2也能在如互联网交互式服务、数据内容分布/中继等其他服务领域争取到巨大的生存空间。

在我们国家，基于目前的国情，卫星电视广播发展相对较慢，尽管从中央到地方开通了几十套卫星电视节目，但直播卫星这个巨大的市场还未启动，DVB-S 的接收终端数量还不是很多。DVB-S2的出现使我们面临新的选择，其性能优势可以使我们在发展的直播卫星电视的工作中节省卫星带宽、降低服务成本、提供宽广的服务内容，也使我们现有广播电视、数据通信、互联网服务、卫星等资源得到合理整合，能够充分地得以有效使用。这也是当前建设节约型社会所需要的。