DVB－RCS2衛(wèi)星交互網(wǎng)的調(diào)制編碼技術(shù)

陳 沛，黃 焱

(信息工程大學(xué)信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450002)

2011年8月，ETSI(European Telecommunications Standards Institute)在DVB－RCS基礎(chǔ)上提出了DVB－RCS2衛(wèi)星交互網(wǎng)新體制。這種新體制采用DVB－S2前向廣播和多頻時(shí)分多址(MF－TDMA)多點(diǎn)回傳的工作方式，在調(diào)制編碼技術(shù)方面較前一代進(jìn)行了大規(guī)模改進(jìn)，配合靈活的幀結(jié)構(gòu)，采用新的工作模式以提供更高的傳輸效率，適用于IP業(yè)務(wù)和多種市場(chǎng)領(lǐng)域，使得這種新型交互式衛(wèi)星系統(tǒng)更加貼近當(dāng)前衛(wèi)星通信服務(wù)的寬帶化和交互化發(fā)展趨勢(shì)［1］。新規(guī)范的提出將促進(jìn)新一代衛(wèi)星通信設(shè)備的研發(fā)，對(duì)于科研人員，面臨的一項(xiàng)重要任務(wù)是全面理解其調(diào)制編碼方式。

1 DVB－RCS2前向鏈路調(diào)制編碼方式

DVB－RCS2前向鏈路傳輸系統(tǒng)基于DVB－S2規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，相對(duì)于DVB－RCS采用的DVB－S規(guī)范，有以下3個(gè)方面的改進(jìn):

1)DVB－S采用 CCM(Constant Coding and Modulation)，調(diào)制方式為單一的QPSK調(diào)制［2］。而DVB－S2在兼容CCM的基礎(chǔ)上，采用ACM(Adaptive Coding and Modulation)，調(diào)制方式可以靈活地選用 QPSK，8PSK，16APSK和32APSK。在信道條件允許的情況下，選用高階調(diào)制方式將大大提高信道利用率，但必須保證合理的接收機(jī)復(fù)雜度。各調(diào)制方式星座圖如圖1所示［3］。

圖1 前向鏈路Q(chēng)PSK，8PSK，16APSK，32APSK星座圖

2)在信道編碼方面，DVB－S采用以RS碼為內(nèi)碼、卷積碼為外碼的級(jí)聯(lián)碼，而DVB－S2則應(yīng)用LDPC(Low Density Parity Check)和BCH編碼技術(shù)，以L(fǎng)DPC為內(nèi)碼，BCH為外碼，配合比特交織，傳輸容量可以提高30%，非常接近香農(nóng)信道容量極限。

3)DVB－RCS2前向鏈路將采用GSE(Generic Stream Encapsulation)替代TS(Transport Stream)流，從而支持不同類(lèi)型的基帶幀，且不要求數(shù)據(jù)連續(xù)，包長(zhǎng)度可變，每個(gè)包的傳輸參數(shù)(調(diào)制方式、編碼速率等)均可調(diào)整［4］。這將有效節(jié)省開(kāi)銷(xiāo)，從而實(shí)現(xiàn)傳輸效率最大化，這項(xiàng)技術(shù)符合了新一代系統(tǒng)對(duì)IP數(shù)據(jù)的傳輸要求。

為實(shí)現(xiàn)上述調(diào)制編碼技術(shù)在新規(guī)范中的應(yīng)用，DVBRCS2在前向鏈路網(wǎng)控信令部分和物理層幀結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計(jì)。其中，網(wǎng)控信令通道中TMST2(Transmission Mode Support Table 2)信令的增加，有效配合了ACM，使其在設(shè)備中的實(shí)現(xiàn)方式得以簡(jiǎn)化。

TMST2信令通過(guò)一個(gè)循環(huán)結(jié)構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)支持的每種傳輸模式的具體參數(shù)進(jìn)行定義，包括幀長(zhǎng)、前導(dǎo)碼有無(wú)、調(diào)制編碼方式及其所需系統(tǒng)裕量、輸入流標(biāo)識(shí)等，語(yǔ)法結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 TMST2語(yǔ)法結(jié)構(gòu)圖

其中MODCOD字段標(biāo)識(shí)了系統(tǒng)支持的傳輸模式，其取值與傳輸模式的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示，子站通過(guò)對(duì)該信令的解析，能夠輕易辨識(shí)前向鏈路所采用的調(diào)制編碼模式。

在TMST2信令的支持下，前向鏈路采用ACM方式時(shí)，只需實(shí)時(shí)得到信道條件以調(diào)整傳輸模式，因此在RCST登錄成功后，NCC(Network Control Centre)主站將定時(shí)向RCST(RCS Terminal)發(fā)出請(qǐng)求，要求RCST測(cè)試當(dāng)前傳輸信道的CNI。隨后RCST根據(jù)TMST2信令中指明的MODCOD對(duì)系統(tǒng)裕量的要求，判斷信道條件是否滿(mǎn)足當(dāng)前采用的MODCOD，并反饋給NCC。NCC解析來(lái)自RCST的反饋信息，若信息顯示信道條件不足以滿(mǎn)足當(dāng)前MODCOD的要求，NCC必須在400 ms內(nèi)停止使用該模式向RCST的傳輸，再根據(jù)信道裕量，選擇當(dāng)前可以使用的MODCOD。從而實(shí)現(xiàn)調(diào)制編碼方式對(duì)信道條件的自適應(yīng)。

此外，靈活的幀結(jié)構(gòu)也可有力協(xié)助ACM方式的實(shí)現(xiàn)。DVB－RCS2前向鏈路的信號(hào)成幀基于DVB－S2的兩級(jí)幀結(jié)構(gòu)，即基帶幀(Baseband Frame)和物理幀(Physical Layer Frame)，物理幀輸出射頻調(diào)制信號(hào)?；鶐С蓭^(guò)程通過(guò)加入用戶(hù)數(shù)據(jù)適配模塊，確定基帶幀頭部中的多項(xiàng)標(biāo)識(shí)，指明輸入流個(gè)數(shù)、GSE流或TS流的選用、CCM或ACM方式的選用等構(gòu)造細(xì)節(jié)，使接收端在確定有效負(fù)載的傳輸模式、定時(shí)同步等方面的處理更加靈活。基帶幀數(shù)據(jù)格式如圖3所示。

圖3 基帶幀結(jié)構(gòu)示意圖

基帶幀再經(jīng)由BCH外碼和LDPC內(nèi)碼編碼得到編碼幀，經(jīng)過(guò)交織器，使用前向鏈路允許選擇的調(diào)制模式進(jìn)行調(diào)制、加擾，得到物理層幀，即可射頻發(fā)送。

2 DVB－RCS2回傳鏈路調(diào)制編碼方式

DVB－RCS2的回傳鏈路保持了DVB－RCS采用的多頻時(shí)分多址(MF－TDMA)接入方式，按照超幀、幀、時(shí)隙的層級(jí)結(jié)構(gòu)組織管理，子站用戶(hù)在指定時(shí)隙中進(jìn)行數(shù)據(jù)突發(fā)［5］。

DVB－RCS回傳鏈路的數(shù)據(jù)突發(fā)采用QPSK調(diào)制方式，編碼方式為卷積碼與RS碼的級(jí)聯(lián)碼或Turbo碼，隨著交互數(shù)據(jù)量的增加，子站間通信需求的加大，其調(diào)制方式單一且信道利用率不高的弊病逐漸顯露出來(lái)。相比之下，DVB－RCS2更加靈活，支持兩種傳輸模式的選擇，一種使用Turbo碼和線(xiàn)性調(diào)制(TC－LM)，另一種使用卷積碼和連續(xù)相位調(diào)制(CC－CPM)，使回傳鏈路信道利用率和糾錯(cuò)能力有了極大提高。傳輸模式的選擇及相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，由網(wǎng)控信令通道中的FCT2(Frame Composition Table version 2)，BCT(Broadcast Configuration Table)，TBTP2(Terminal Burst Time Plan Table version 2)信令共同決定。其中，F(xiàn)CT2和TBTP2中包含突發(fā)模式選擇字段，BCT則具體描述當(dāng)前傳輸模式下諸如傳輸起始終止標(biāo)志、調(diào)制方式、編碼方式、碼率、前同步碼、后同步碼、導(dǎo)碼、負(fù)載大小和負(fù)載類(lèi)型等參數(shù)。下面分別介紹上述兩種模式的具體實(shí)現(xiàn)。

2.1 TC－LM 模式

該模式下，Turbo碼編碼方式使用雙二進(jìn)制循環(huán)遞歸卷積編碼CRSC(Circular Recursive Systematic Convolution-al)，編碼框圖如圖4所示。編碼核心電路如圖5所示。

圖4 Turbo碼編碼器示意圖

圖5 Turbo碼編碼核心電路

其編碼流程為:待編碼數(shù)據(jù)按比特輸入，高位置于A，次位置于B。開(kāi)關(guān)首先置于1，按順序序列輸入，經(jīng)編碼、鑿孔操作后輸出Z1。然后將開(kāi)關(guān)置于2，輸入交織后序列，經(jīng)編碼、鑿孔操作輸出Z2。依此類(lèi)推完成編碼。其中，反饋支路由多項(xiàng)式1+x3+x4給定，第1奇偶校驗(yàn)位Y的計(jì)算由多項(xiàng)式1+x+x2+x4給定，第2奇偶校驗(yàn)位W的計(jì)算由多項(xiàng)式1+x2+x3+x4給定。一次編碼中編碼核運(yùn)行4次以得到Y(jié)，W。交織方式、初始狀態(tài)和鑿孔映射表在DVB－RCS2協(xié)議中都有詳細(xì)說(shuō)明。

該模式下，線(xiàn)性調(diào)制可以選用 QPSK，8PSK或16QAM，回傳鏈路有效負(fù)載部分需根據(jù)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和所選調(diào)制方式的不同對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的補(bǔ)零。選用高階調(diào)制方式將提高回傳鏈路的信道利用率，支持更大數(shù)據(jù)量的傳輸，符合未來(lái)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。各調(diào)制方式的星座圖如圖6所示。

圖6 回傳突發(fā)QPSK，8PSK，16QAM星座圖

為便于子站選擇NCC允許的調(diào)制方式，BCT信令中的modulation_scheme字段表明了調(diào)制方式的選擇，其取值0x01代表QPSK，0x02代表8PSK，0x03代表16QAM。

2.2 CC－CPM 模式

CPM(Continuous Phase Modulation)是近年來(lái)發(fā)展很快的一種高效調(diào)制技術(shù)，有恒定包絡(luò)和連續(xù)相位，能提供更高的頻譜利用率和功率效率［6］。DVB－RCS2增加了對(duì)這種調(diào)制方式的支持，并與卷積編碼相結(jié)合，保證了各種信噪比下對(duì)傳輸速率的需求。

根據(jù)CPM的定義，對(duì)CPM基帶信號(hào)的復(fù)數(shù)形式描述為

q(t)為CPM相位響應(yīng)，是一個(gè)連續(xù)函數(shù)。其表達(dá)式為

式中，L為相位關(guān)聯(lián)長(zhǎng)度。DVB－RCS2中默認(rèn)L=2，是部分響應(yīng)CPM。

DVB－RCS2在該模式下，脈沖成形方式采用加權(quán)平均CPM脈沖成形，即g(t)升余弦成形和矩形成形的線(xiàn)性組合，表達(dá)式為

只需通過(guò)改變參數(shù)αRC的值，即可改變相位響應(yīng)函數(shù)形狀，從而得到不同的CPM信號(hào)，BCT信令中有專(zhuān)門(mén)字段確定αRC的取值。

NCC通過(guò)設(shè)置前向鏈路BCT信令中的相關(guān)字段，調(diào)整不同的調(diào)制指數(shù)h和不同的q(t)形狀，能夠調(diào)整CPM調(diào)制信號(hào)的功率譜密度，從而適應(yīng)不同的帶寬要求，提高了系統(tǒng)靈活性。

該模式下，編碼方式使用二進(jìn)制非系統(tǒng)非遞歸卷積碼，約束長(zhǎng)度 K 為3 或4，支持1/2，2/3，3/4，4/5 和5/6 碼率。在約束長(zhǎng)度為3，碼率為1/2的條件下，子生成多項(xiàng)式為GNS1=1+x2，GNS2=1+x+x2。在約束長(zhǎng)度為4，碼率為1/2的條件下，子生成多項(xiàng)式GNS1=1+x+x3，GNS2=1+x+x2+x3。而2/3，3/4，4/5，5/6 碼率的編碼則以1/2碼率為母碼經(jīng)鑿孔操作實(shí)現(xiàn)，有效降低譯碼復(fù)雜度，方便實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)速率匹配。鑿孔圖案如表2所示。

表2 不同碼率下鑿孔圖案

當(dāng)鑿孔圖案為1時(shí)，對(duì)應(yīng)的編碼比特保留，當(dāng)為0時(shí)，對(duì)應(yīng)比特刪除。例如，約束長(zhǎng)度4情況下的6/7碼率編碼過(guò)程(假設(shè)信息比特長(zhǎng)度為1504)如圖7所示。

圖7 鑿孔卷積碼實(shí)現(xiàn)6/7碼率編碼過(guò)程

3 DVB－RCS2傳輸性能仿真

目前，支持DVB－RCS2的設(shè)備還未全面投入使用，缺少實(shí)際信號(hào)數(shù)據(jù)，這里通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真著重對(duì)其頻帶利用率進(jìn)行研究，并與DVB－RCS進(jìn)行比較。

對(duì)于前向鏈路，DVB－RCS2以高階調(diào)制方式取代QPSK，每個(gè)碼元攜帶更多比特的信息，顯然能夠提高頻帶利用率。同時(shí)，DVB－RCS2頻譜成形中的升余弦滾降系數(shù)α 可在0.35，0.25，0.2 中選擇，而不是 DVB－RCS 中固定的0.35。在AWGN信道環(huán)境下采用QPSK調(diào)制方式進(jìn)行仿真:發(fā)送成形濾波器分別采用滾降系數(shù)為α=0.35和α=0.2的根升余弦濾波器，4倍符號(hào)速率采樣，接收方經(jīng)匹配濾波后得到的信號(hào)頻譜如圖8所示。從圖8看出，α=0.2時(shí)頻帶利用率有了明顯提高。

圖8 前向鏈路頻帶利用率比較

對(duì)于回傳鏈路，當(dāng)采用CC－CPM模式時(shí)，調(diào)制指數(shù)h越小，頻帶利用率越高，相位響應(yīng)函數(shù)形狀越平滑，信號(hào)頻譜占用越少［7］。相位響應(yīng)函數(shù)形狀由αRC決定，當(dāng)αRC=0.98和αRC=0.625時(shí)，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真繪制相位響應(yīng)函數(shù)如圖9所示。圖中直線(xiàn)為矩形成形時(shí)的相位響應(yīng)，由圖可見(jiàn)，αRC=0.625時(shí)，函數(shù)曲線(xiàn)更加平滑，頻帶利用率更高，而實(shí)際信號(hào)中h和αRC的具體值將通過(guò)前向鏈路BCT信令根據(jù)信道情況進(jìn)行調(diào)整。

圖9 回傳鏈路相位響應(yīng)函數(shù)曲線(xiàn)

4 結(jié)束語(yǔ)

DVB－RCS2的發(fā)布是交互式衛(wèi)星通信技術(shù)發(fā)展的重要進(jìn)步，其通過(guò)改進(jìn)傳輸流封裝，采用新的調(diào)制編碼方案，并應(yīng)用ACM技術(shù)，使傳輸效率更高、終端運(yùn)行成本更低。該規(guī)范的設(shè)計(jì)體現(xiàn)了極高的靈活性，不僅能夠滿(mǎn)足高清電視、3D電視等大數(shù)據(jù)量視頻廣播的需要，更能夠應(yīng)用于IP服務(wù)，滿(mǎn)足IP流量高速率傳輸，有利于三網(wǎng)融合等領(lǐng)域的發(fā)展，市場(chǎng)前景十分廣闊，對(duì)該協(xié)議的深入研究具有十分重要的意義。

［1］ETSI EN 301545－2 V1.1.1，Digital video broadcasting(DVB);second generation DVB interactive satellite system(DVB－RCS2);part 2:lower layers for satellite standard［S］.2011.

［2］ ETSI EN 301790 V1.4.1，Digital video broadcasting(DVB);interaction channel for satellite distribution systems［S］.2005.

［3］ ETSI EN 302307 V1.2.1，Digital video broadcasting(DVB);second generation framing structure，channel coding and modulation systems for broadcasting，interactive services，news gathering and other broadband satellite applications(DVB－S2) ［S］.2009.

［4］ ETSI TS 102606 V1.1.1，Digital video broadcasting(DVB);generic stream encapsulation(GSE)protocol［S］.2007.

［5］ 楊華，黃焱.DVB－RCS衛(wèi)星交互網(wǎng)通信體制研究［J］.電視技術(shù)，2010，34(9):10－12.

［6］ 劉春江，吳志躍，郭沛宇，等.數(shù)字衛(wèi)星廣播中CPM與QPSK調(diào)制性能仿真分析［J］.電視技術(shù)，2009，33(S1):4－5.

［7］ PROAKIS J G.數(shù)字通信［M］.4版.北京:電子工業(yè)出版社，2003.