DVB-S與DVB-S2的比較

新華通訊社 劉 崢

一、引言

國(guó)內(nèi)各上星頻道普遍采用DVB-S技術(shù)已有十年，而DVB-S的核心技術(shù)與當(dāng)今相關(guān)領(lǐng)域的前沿技術(shù)水平漸行漸遠(yuǎn)，因此，基于當(dāng)前硬件支持能力和編碼算法的最新成果，開(kāi)發(fā)更適應(yīng)當(dāng)前乃至未來(lái)中長(zhǎng)期業(yè)務(wù)發(fā)展需求的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)就成為當(dāng)務(wù)之急，DVB-S2也因此呼之欲出。

二、DVB系統(tǒng)流程

DVB-S2由JTC（聯(lián)合技術(shù)委員會(huì)）制定，2004年6月公開(kāi)發(fā)布DVB-S2草案（即Draft ETSI EN 302 307 V1.1.1），其設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想是在合理的復(fù)雜程度下達(dá)到最優(yōu)的傳輸性能及可擴(kuò)展性。

DVB系統(tǒng)流程如下：

（1）模式適配（Mode Adaption）是輸入數(shù)據(jù)流的接口，用來(lái)適配DVB-S2種類(lèi)繁多的輸入流格式。對(duì)于固定編碼調(diào)制（CCM）模式來(lái)說(shuō)，模式適配部分包括對(duì)DVBASI流（或DVB并行傳輸流）的透明解包和8位循環(huán)冗余校驗(yàn)。

（2）流適配完成基帶成幀、加擾兩個(gè)功能。為配合后續(xù)糾錯(cuò)編碼，基帶成幀需要將輸入數(shù)據(jù)按固定長(zhǎng)度打包（不同的糾錯(cuò)編碼方案有不同的“固定長(zhǎng)度”），不足處則填充無(wú)用字節(jié)補(bǔ)足。

（3）前向糾錯(cuò)采用LDPC（內(nèi)碼）與BCH（外碼）級(jí)聯(lián)的形式。

（4）映射部分按后續(xù)采用的具體的調(diào)制方式（QPSK，8PSK，16APSK，32APSK），將輸入的經(jīng)過(guò)前向糾錯(cuò)的串行碼流轉(zhuǎn)換成滿(mǎn)足特定星座圖樣式的并行碼流。物理層成幀部分通過(guò)加擾實(shí)現(xiàn)能量擴(kuò)散，以及空幀插入等。

（5）調(diào)制部分完成基帶成形和調(diào)制。

三、DVB-S2主要改進(jìn)方面

1. 多業(yè)務(wù)支持

DVB-S2是服務(wù)于寬帶衛(wèi)星應(yīng)用的新一代DVB系統(tǒng)，服務(wù)范圍包括廣播業(yè)務(wù)（BS）、數(shù)字新聞采集（DSNG）、數(shù)據(jù)分配/中繼，以及Internet接入等交互式業(yè)務(wù)。與DVB-S相比，在相同的傳輸條件下，DVB-S2提高傳輸容量約30%以上，同樣的頻譜效率下可得到更強(qiáng)的接收效果。

在廣播業(yè)務(wù)（BS）方面，DVB-S2提供DTH（直播衛(wèi)星）服務(wù)，也考慮到了地面共用天線系統(tǒng)和有線電視系統(tǒng)的需求。從與以往的兼容角度考慮，有兩種模式供選用，即NBC-BS（不支持后向兼容）和BC-BS（支持后向兼容）。由于目前有大量DVB-S接收機(jī)投入使用，后向兼容模式將滿(mǎn)足今后一定時(shí)期的兼容使用需求，在這種模式下，舊的DVB-S接收機(jī)可以繼續(xù)接收原來(lái)的節(jié)目，新的接收機(jī)則可以接收到比前者更多的信息。當(dāng)將來(lái)DVB-S接收機(jī)逐步淘汰后，采用兼容模式的信號(hào)發(fā)端將改成非兼容模式，從而真正意義上充分利用DVB-S2的信道傳輸優(yōu)勢(shì)。

除廣播業(yè)務(wù)外，DVB-S2還支持交互式服務(wù)（包括Internet接入）、數(shù)字新聞采集及數(shù)據(jù)分配/中繼等其他專(zhuān)業(yè)服務(wù)。在交互式服務(wù)中，回傳通道使用不同的DVB反向方式，如DVB-RCS，DVB-RCP，DVB-RCC。

2. 新的信道編碼方案

DVB-S2最引人注目的革新在于信道編碼方式，包括糾錯(cuò)編碼和調(diào)制。糾錯(cuò)編碼和調(diào)制是在實(shí)際的信道情況下，尋找最佳途徑傳輸信息。編碼和調(diào)制的研究集中于在最充分的利用傳輸資源（即帶寬、功率、復(fù)雜度）的條件下，選擇傳輸和接收方案，以逼近香農(nóng)給出的極限。DVB-S2糾錯(cuò)編碼使用LDPC（低密度奇偶校驗(yàn)碼）與BCH碼級(jí)聯(lián)，調(diào)制則以多種高階調(diào)制方式取代QPSK。

DVB-S2在設(shè)計(jì)中充分考慮了業(yè)務(wù)多樣性需求，具有很好的適應(yīng)性。如DVB-S2支持1/4，1/3，2/5，1/2，3/5，2/3，3/4，4/5，5/6，8/9，9/10等多種內(nèi)碼碼型；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-S固定的0.35，自然α越小，頻譜利用率越高。

新的編碼調(diào)制方案8PSK&LDPC已經(jīng)十分接近香農(nóng)極限，在距離理論上的香農(nóng)極限0.7～1dB的情況下可得到QEF（準(zhǔn)無(wú)誤碼）的接收（DVB-S2的QEF標(biāo)準(zhǔn)為：在解碼器接收5Mb/s的單路電視節(jié)目時(shí)，每傳輸1小時(shí)產(chǎn)生少于一次無(wú)法校正的錯(cuò)誤，近似相當(dāng)于解復(fù)用前TS流PER＜10-7），比DVB-S標(biāo)準(zhǔn)提高了3dB，以致于DVB官員認(rèn)為這已是衛(wèi)星廣播信道的終極標(biāo)準(zhǔn)，不需要再開(kāi)發(fā)DVB-S3了。

（1）LDPC-BC

DVB-S2糾錯(cuò)編碼由包括休斯、菲力浦、意法半導(dǎo)體等七家公司參與角逐，形成四個(gè)候選方案，即Parallel Turbo codes，Serial Turbo codes，Turbo Product codes和LDPC，最初的焦點(diǎn)集中于20世紀(jì)90年代中后期大顯身手的Turbo碼，不少公司已經(jīng)先期投資開(kāi)發(fā)基于Turbo編碼的芯片，然而LDPC碼最終勝出。

LDPC碼是一種有稀疏校驗(yàn)矩陣（校驗(yàn)矩陣中1的個(gè)數(shù)較少）的線性分組碼，具有能夠逼近香農(nóng)極限的優(yōu)良特性，并且由于采用稀疏校驗(yàn)矩陣，譯碼復(fù)雜度只與碼長(zhǎng)成線性關(guān)系，編解碼復(fù)雜度適中，在長(zhǎng)碼長(zhǎng)的情況下，仍然可以有效譯碼。目前該技術(shù)已得到國(guó)際上的廣泛重視，今后將在通信中得到廣泛應(yīng)用，尤其是在質(zhì)量較差的信道環(huán)境如移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域，此前已有在第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)中使用LDPC碼的研究報(bào)告。

（2）調(diào)制

DVB-S2另一個(gè)比較大的革新是其調(diào)制方式，與DVB-S采用單一的QPSK調(diào)制方式相比，DVB-S2有更多的選擇，即QPSK，8PSK，16APSK，32APSK。對(duì)于廣播業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)，QPSK和8PSK均為標(biāo)準(zhǔn)配置，而16APSK，32APSK是可選配置；對(duì)于交互式業(yè)務(wù)、數(shù)字新聞采集及其他專(zhuān)業(yè)服務(wù)，四者則均為標(biāo)準(zhǔn)配置。

APSK是另一種幅度相位調(diào)制方式，與傳統(tǒng)方型星座QAM（如16QAM，64QAM）相比，其分布呈中心向外沿半徑發(fā)散，所以又名星型QAM。與QAM相比，APSK便實(shí)現(xiàn)變速率調(diào)制，因而很適合目前根據(jù)信道及業(yè)務(wù)需要分級(jí)傳輸?shù)那闆r。當(dāng)然，16APSK，32APSK是更高階的調(diào)制方式，可以獲得更高的頻譜利用率。

在衛(wèi)星信道中使用高階調(diào)制方式，顯然也意味著在抗噪聲接收方面的技術(shù)進(jìn)步。DVB-S2特別組的研究表明，采用LDPC與8PSK的編碼-調(diào)制組合，可以獲得更好的傳輸性能，此前8PSK與原糾錯(cuò)編碼方式的組合在誤碼率指標(biāo)測(cè)試方面不太理想。

休斯公司提供的資料表明，LDPC&8PSK的編碼組合距離香農(nóng)極限僅0.6～0.8dB，遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有RS&卷積碼的4dB，也比其余基于Turbo碼的候選方案強(qiáng)0.3dB。

3.VCM與ACM的使用

可變編碼調(diào)制（VCM）與適應(yīng)編碼調(diào)制（ACM）的使用是DVB-S2的另一個(gè)顯著的改進(jìn)。在交互式的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)應(yīng)用中（如IP unicasting，Internet接入等），VCM功能允許使用不同的調(diào)制和糾錯(cuò)方法，并且可以逐幀改變。采用VCM技術(shù)，不同的業(yè)務(wù)類(lèi)型（如SDTV、HDTV、音頻、多媒體等）可以選擇不同的錯(cuò)誤保護(hù)級(jí)別分級(jí)傳輸，因而傳輸效率得以大大提高。

VCM結(jié)合使用回傳信道，還可以實(shí)現(xiàn)ACM，可以針對(duì)每一個(gè)用戶(hù)的路徑條件使傳輸參數(shù)得到優(yōu)化。ACM可根據(jù)具體的傳播條件，針對(duì)具體的接收終端，提供更精準(zhǔn)的信道保護(hù)和動(dòng)態(tài)連接適應(yīng)性。ACM的突出優(yōu)點(diǎn)是可以有效利用所謂“clear sky margin”帶來(lái)的4～8dB的能量浪費(fèi)。原有衛(wèi)星應(yīng)用中，為滿(mǎn)足QEF的傳輸效果，必須有一定的功率冗余，通常冗余是以覆蓋區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的最大雨衰為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，顯然這部分冗余對(duì)于絕大部分地區(qū)是不必要的，即便是雨衰最嚴(yán)重的地區(qū)，天氣較好時(shí)也承受著不必要的能量浪費(fèi)。而在IP unicasting業(yè)務(wù)中，采用ACM可隨時(shí)根據(jù)接收地點(diǎn)的情況變化調(diào)整傳輸參數(shù)，因而對(duì)于功率冗余的計(jì)算可以重新精細(xì)調(diào)整，因此可以使衛(wèi)星的平均吞吐量增加兩倍到三倍，減少服務(wù)成本。

4. 多信源格式支持

DVB-S和DVB-DSNG對(duì)信源的格式有嚴(yán)格的規(guī)定，即MPEG TS流，而DVB-S2則靈活得多，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種數(shù)據(jù)輸入格式的支持，擴(kuò)展性大為增強(qiáng)。DVB-S2支持包括MPEG-2，MPEG-4，MPEG-4AVC(H.264)，WM9在內(nèi)的多格式信源編碼格式及IP，ATM在內(nèi)的多種輸入流格式。作為當(dāng)前信道編碼和信源編碼的最新成果，DVB-S2和MPEG-4AVC(H.264)的結(jié)合頗受業(yè)界矚目。

四、DVB-S2在亞洲四號(hào)衛(wèi)星的應(yīng)用

假設(shè)在亞洲四號(hào)衛(wèi)星Ku波段轉(zhuǎn)發(fā)器上開(kāi)展以MCPC方式傳輸?shù)臄?shù)字電視廣播業(yè)務(wù)，分別采用DV B-S和DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行傳輸。在相同的鏈路傳輸條件下，（即達(dá)到相同C/N時(shí)），采用DVB-S2的傳輸體制時(shí)可以采用更高階的調(diào)制解調(diào)方式和冗余度更小的前向糾錯(cuò)方式。

目前，DVB-S衛(wèi)星數(shù)據(jù)廣播業(yè)務(wù)使用最廣泛的是（QPSK，3/4FEC）的技術(shù)體制，而DVB-S2系統(tǒng)采用（8PSK，2/3FEC）的技術(shù)體制，就可以達(dá)到與之相當(dāng)?shù)慕邮招ЧＳ纱擞?jì)算出在兩種傳輸標(biāo)準(zhǔn)下，一個(gè)推滿(mǎn)整個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器的MCPC載波所能攜帶的信息傳輸速率分別為55.3Mb/s和86.4Mb/s，因此，采用DVB-S2的標(biāo)準(zhǔn)比DVB-S傳輸?shù)男畔⒙侍岣?5.2%，同樣，如果DVB-S采用（QPSK，7/8FEC）的技術(shù)體制，DVB-S2系統(tǒng)采用（8PSK，3/4FEC）可以達(dá)到與之相當(dāng)?shù)慕邮招Ч?，一個(gè)推滿(mǎn)整轉(zhuǎn)發(fā)器的MCPC載波能攜帶的有用信息分別為64.5Mb/s和97.2Mb/s，DVB-S2系統(tǒng)比DVB-S系統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)器容量可提高50.7%。