衛(wèi)星地球站信道編碼技術(shù)研究

王俊濤 李彬 趙春

本文詳細(xì)介紹了目前衛(wèi)星地球站主流選用的信道編碼技術(shù)的原理、技術(shù)特點(diǎn)和技術(shù)性能指標(biāo)，對(duì)于相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)維護(hù)具有一定的指導(dǎo)和借鑒作用。

目前，國(guó)內(nèi)衛(wèi)星地球站的信道編碼技術(shù)主要選用了DVB-S標(biāo)準(zhǔn)，DVB（Digital Video Broadcast）標(biāo)準(zhǔn)是歐洲數(shù)字電視廣播集團(tuán)陸續(xù)制定的一系列數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)，其中包括適用于衛(wèi)星鏈路的DVB-S標(biāo)準(zhǔn)。歐洲的DVB-S標(biāo)準(zhǔn)在亞洲、澳洲、美國(guó)都得到了響應(yīng)，我國(guó)也采用符合DVB-S標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字電視衛(wèi)星廣播系統(tǒng)。

系統(tǒng)的原理

1、基帶物理接口與同步

基帶物理接口負(fù)責(zé)DVB-S傳輸系統(tǒng)與外部系統(tǒng)間的信號(hào)碼型、數(shù)據(jù)格式和通信協(xié)議等方面的轉(zhuǎn)換。此處的同步指DVB-S傳輸系統(tǒng)的時(shí)鐘與外部系統(tǒng)時(shí)鐘間的同步。

2、同步反轉(zhuǎn)與數(shù)據(jù)擾亂

這里的同步是指MPEG-2的TS包同步。為了保證與MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)的兼容，DVB-S傳輸系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)擾亂和RS編碼都以MPEG-2的TS包為基本單位進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)擾亂以8個(gè)TS包的數(shù)據(jù)為周期進(jìn)行，每8個(gè)TS包數(shù)據(jù)加擾后偽隨機(jī)序列發(fā)生器重新進(jìn)行一次初始化，初始化序列為100101010000000。為了使接收端的解擾器能同步地進(jìn)行初始化，以便正確地對(duì)數(shù)據(jù)解擾，需在每8個(gè)TS包的頭部加入特殊的指示信息以指示解擾器何時(shí)對(duì)其中的偽隨機(jī)序列發(fā)生器進(jìn)行初始化，解擾器的初始化序列同樣為100101010000000。在DVB-S傳輸系統(tǒng)中這個(gè)特殊的指示信息是將第一個(gè)TS包的包頭（即47HEX）按比特取反，變成B8HEX，這過(guò)程稱為同步反轉(zhuǎn)。

由于TS包的頭要用作后面的RS編碼的碼字同步，因此TS包頭不被擾亂。在傳輸?shù)谝粋€(gè)被反轉(zhuǎn)的TS包頭時(shí)，偽隨機(jī)序列發(fā)生器要進(jìn)行初始化，因此沒(méi)有輸出；而傳輸隨后的7個(gè)TS包頭時(shí)，偽隨機(jī)序列發(fā)生器繼續(xù)工作，但產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列不被輸出，因而這7個(gè)TS包頭也不被擾亂。這樣從偽隨機(jī)序列發(fā)生器生成的用于擾亂TS數(shù)據(jù)的偽隨機(jī)二進(jìn)制序列（PRBS）的周期就為188字節(jié)×8-1=1503字節(jié)。

3、糾錯(cuò)編碼與交織

由于衛(wèi)星廣播過(guò)程中的信號(hào)衰減十分嚴(yán)重，由此產(chǎn)生的傳輸誤碼率較高，要求傳輸系統(tǒng)具有較強(qiáng)的差錯(cuò)保護(hù)能力。DVB-S傳輸系統(tǒng)中的糾錯(cuò)編碼采用的是內(nèi)、外兩層級(jí)聯(lián)編碼，中間加一次交織的方案。

外層糾錯(cuò)編碼采用RS（204，188，T=8）碼，它是由RS（255，239，T=8）截短而得到的，編碼效率為188/204≈0.92，可以糾正一個(gè)RS碼字內(nèi)的不超過(guò)8個(gè)字節(jié)的誤碼。選擇這一RS碼字長(zhǎng)度完全是為了與MPEG-2的TS包兼容，即每一個(gè)TS包獨(dú)立進(jìn)行RS編碼保護(hù)，生成一個(gè)RS碼字，RS碼字的同步頭就采用TS包的包頭或取反的TS包頭。這樣設(shè)計(jì)有兩點(diǎn)好處：1）當(dāng)某個(gè)RS碼字在接收端解碼時(shí)出現(xiàn)無(wú)法糾正的錯(cuò)誤時(shí)，誤碼集中在一個(gè)TS包中，不會(huì)影響到其它的TS包，便于分接器進(jìn)行差錯(cuò)指示；2）便于分接器提取TS包的同步，簡(jiǎn)化了TS包同步提取系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。RS（204，188，T=8）編碼。

需要注意的是，16個(gè)字節(jié)的校驗(yàn)數(shù)據(jù)是由包括TS同步或反轉(zhuǎn)同步在內(nèi)的整個(gè)TS包的數(shù)據(jù)生成的，也就是說(shuō)RS編碼保護(hù)的作用范圍也包括TS同步在內(nèi)。

這一RS碼的糾錯(cuò)性能為：當(dāng)交織深度I=12時(shí)，只要輸入誤碼率小于2×10-4，經(jīng)過(guò)RS解碼后的誤碼率可達(dá)10-11，即“準(zhǔn)無(wú)失真”的水平；而當(dāng)采用無(wú)限字節(jié)交織時(shí)，只要輸入誤碼率小于7×10-4，經(jīng)過(guò)RS解碼后的誤碼率即可達(dá)到“準(zhǔn)無(wú)失真”的水平。

數(shù)據(jù)交織采用卷積交織方案，交織深度I=12，即具有12個(gè)分支支路。交織器與反交織器在原理上是一樣的，但在支路延時(shí)上正好相反。

可以看出，如果將交織器與反交織器直接聯(lián)結(jié)起來(lái)，各條支路的時(shí)延就都為一個(gè)恒定值，等于數(shù)據(jù)通過(guò)17×11個(gè)字節(jié)的移位寄存器所需的時(shí)間。因此經(jīng)過(guò)交織與反交織后數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)和順序并沒(méi)有改變，只是延時(shí)了一個(gè)固定的時(shí)間，即通過(guò)17×11個(gè)字節(jié)的移位寄存器所需的時(shí)間，但前提是交織器與反交織器必須同步工作。所謂交織器與反交織器的同步是指它們同時(shí)從第n條支路開(kāi)始，按照相同的順序依次循環(huán)向各支路輸入數(shù)據(jù)和從各支路輸出數(shù)據(jù)。

交織過(guò)程是這樣的：RS編碼碼字向第0 -第11支路依次循環(huán)輸入數(shù)據(jù)，每條支路每次輸入一個(gè)字節(jié)；交織后的數(shù)據(jù)按相同的順序從各支路中輸出，每條支路每次輸出一個(gè)字節(jié)。RS碼字的同步頭永遠(yuǎn)從第0支路，即無(wú)延時(shí)支路傳送。這樣交織后的數(shù)據(jù)流依然保持了RS碼字的同步和長(zhǎng)度，為反交織的同步進(jìn)行打下了基礎(chǔ)。

內(nèi)層糾錯(cuò)編碼采用卷積碼，編碼碼率為n/n+1，意味著卷積編碼器每次輸入n個(gè)比特，編碼后輸出n+1個(gè)編碼比特。在DVB-S系統(tǒng)中規(guī)定可使用碼率為1/2、2/3、3/4、5/6和7/8五種卷積碼。接收機(jī)在進(jìn)入同步工作狀態(tài)之前會(huì)對(duì)五種碼率依次進(jìn)行測(cè)試，直到與發(fā)射機(jī)所采用的碼率相匹配，并鎖定于此工作狀態(tài)。

4、QPSK調(diào)制

DVB-S系統(tǒng)中的QPSK調(diào)制過(guò)程包括三個(gè)環(huán)節(jié)：映射、基帶成形和調(diào)制載波。

映射是將“0”、“1”二進(jìn)制比特轉(zhuǎn)換為“+1”、“-1”QPSK調(diào)制符號(hào)。DVB-S系統(tǒng)中采用傳統(tǒng)的格雷碼（Gray-coded）進(jìn)行絕對(duì)映射，而不是象有些衛(wèi)星通信系統(tǒng)那樣采用差分編碼?；鶐С尚尾捎闷椒礁嘞覞L降濾波器，滾降系數(shù)а=0.35。 載波調(diào)制就是用成形后的基帶信號(hào)去調(diào)制中頻載波。在QPSK中有兩個(gè)相位上互相正交的載波，中頻載波本身稱為“同相載波”，相位旋轉(zhuǎn)了90°的中頻載波稱為“正交載波”。I支路信號(hào)調(diào)制同相載波，Q支路信號(hào)調(diào)制正交載波。

在接收端，QPSK解調(diào)器采用相干解調(diào)方式，向內(nèi)層糾錯(cuò)解碼器提供“軟判決”的I、Q支路信息。所謂“軟判決”是指僅將解調(diào)后的基帶信號(hào)進(jìn)行取樣，不進(jìn)行量化。軟判決可以避免量化帶來(lái)的信息損失。

系統(tǒng)的性能指標(biāo)

DVB-S傳輸系統(tǒng)的性能指標(biāo)是描述DVB-S傳輸系統(tǒng)性能的參數(shù)，也是考核DVB-S傳輸系統(tǒng)和設(shè)備優(yōu)劣的主要依據(jù)，我們有必要討論一下DVB-S傳輸系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)。

1、比特率和波特率

比特率是指二元數(shù)字碼流的信息傳輸速率，單位是bit/s，表示每秒可傳輸多少個(gè)二元比特。波特率是指三元及三元以上的多元數(shù)字碼流的信息傳輸速率，單位是baud/s，表示每秒可傳輸多少個(gè)多元碼字。比特率與波特率在本質(zhì)上是一回事，都表示信息傳輸?shù)乃俾?，只是在傳輸系統(tǒng)的不同階段，信號(hào)呈現(xiàn)出不同的形式，因此以不同的計(jì)算方式來(lái)衡量其信息的傳輸速率。發(fā)射端在映射之前以及接收端在反映射之后，信息都以二元數(shù)字信號(hào)表示，因此其中各環(huán)節(jié)傳輸和處理信息的速率用比特率表示，如糾錯(cuò)編碼器和解碼器的最高處理速率或傳輸系統(tǒng)與復(fù)/分接系統(tǒng)間的接口速率等。需要注意的是，雖然在上述各環(huán)節(jié)中信息從本質(zhì)上講是以比特的形式呈現(xiàn)，但由于數(shù)字運(yùn)算中通常都是以8個(gè)比特的一組數(shù)據(jù)---稱之為字節(jié)（byte）為單位進(jìn)行的，因此在上述各環(huán)節(jié)中信息處理實(shí)際上是以字節(jié)的形式進(jìn)行的；發(fā)射端在映射之后以及接收端在反映射之前，信息以多元數(shù)字符號(hào)表示，因此其中各環(huán)節(jié) 傳輸和處理信息的速率用波特率表示，如調(diào)制信號(hào)的速率等。

2、頻譜效率

通信系統(tǒng)的有效性是以調(diào)制信號(hào)的頻譜效率來(lái)描述的。頻譜效率的單位是bit/s/Hz，代表每赫茲（Hz）帶寬的傳輸頻道上可以傳輸比特率為多高的數(shù)字信息。頻譜效率主要用于衡量各種數(shù)字調(diào)制技術(shù)的效率，在數(shù)量上等效于每個(gè)調(diào)制符號(hào)所映射的比特?cái)?shù)。對(duì)于BPSK或2ASK等低容量調(diào)制技術(shù)，所能夠?qū)崿F(xiàn)的理論最高頻譜效率為1bit/s/Hz；而QPSK所能夠?qū)崿F(xiàn)的理論最高頻譜效率為2bit/s/Hz；對(duì)于32QAM這樣的高容量調(diào)制技術(shù)，所能夠?qū)崿F(xiàn)的理論最高頻譜效率達(dá)5bit/s/Hz；而64QAM所能夠?qū)崿F(xiàn)的理論最高頻譜效率高達(dá)6bit/s/Hz。頻譜效率越高，在相同的帶寬、相同的時(shí)間內(nèi)可以傳輸?shù)臄?shù)字信息就越多?，F(xiàn)代最新的數(shù)字調(diào)制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)的頻譜效率已高達(dá)10-11bit/s/Hz。這里所說(shuō)的“理論最高頻譜效率”是指當(dāng)傳輸信號(hào)的頻譜為理想低通頻譜時(shí)所實(shí)現(xiàn)的頻譜效率，但在實(shí)際應(yīng)用中是達(dá)不到這一理論效率的，因?yàn)楣こ虘?yīng)用中傳輸信號(hào)通常采用升余弦滾降波形，它所實(shí)現(xiàn)的頻譜效率要比理論最高效率下降一個(gè)滾降系數(shù)а倍。

3、滾降系數(shù)

前文說(shuō)過(guò)，如使傳輸信號(hào)的頻譜為理想低通頻譜，可以實(shí)現(xiàn)理論上最高的頻譜效率。但理想低通頻譜在實(shí)際應(yīng)用中是不可能實(shí)現(xiàn)的，而且理想低通信號(hào)在時(shí)間域內(nèi)的波形衰減過(guò)慢，當(dāng)發(fā)生符號(hào)間串?dāng)_時(shí)對(duì)相鄰傳輸符號(hào)的干擾過(guò)大，因此工程應(yīng)用中一般采用的是升余弦滾降信號(hào)波形。升余弦滾降波形符合奈奎斯特第一準(zhǔn)則，可保證采樣點(diǎn)信號(hào)數(shù)值的無(wú)失真。

升余弦滾降信號(hào)的最大帶寬超出對(duì)應(yīng)的理想低通信號(hào)帶寬1/2 T的部分，與對(duì)應(yīng)的理想低通信號(hào)帶寬1/2 T的比例。例如當(dāng)升余弦滾降信號(hào)的最大帶寬為3/4 T時(shí)，其滾降系數(shù)為而當(dāng)升余弦滾降信號(hào)的最大帶寬為1/T時(shí)，其滾降系數(shù)為滾降系數(shù)а影響著頻譜效率，а越小，頻譜效率就越高，但а過(guò)小時(shí)，升余弦滾降濾波器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)比較困難，而且當(dāng)傳輸過(guò)程中發(fā)生線性失真時(shí)產(chǎn)生的符號(hào)間干擾也比較嚴(yán)重。在實(shí)際工程中，а的范圍一般定在0.35～0.5之間，大多數(shù)應(yīng)用中а取為0.35。

4、誤碼率

數(shù)字通信系統(tǒng)的可靠性能是用誤碼率來(lái)表示的。實(shí)際上，用戶對(duì)一個(gè)數(shù)字通信系統(tǒng)性能的最終要求通常遠(yuǎn)比模擬通信系統(tǒng)的簡(jiǎn)單，只有誤碼率，因?yàn)閿?shù)字通信系統(tǒng)只要所傳輸?shù)拇a字不發(fā)生錯(cuò)判就不會(huì)造成信息丟失，其它方面如信號(hào)波形等的失真都是無(wú)所謂的。誤碼率是指在經(jīng)過(guò)通信系統(tǒng)的傳輸后，送給用戶的接收數(shù)字碼流與信源發(fā)送出的原始碼流相比，發(fā)生錯(cuò)誤的碼字?jǐn)?shù)占信源發(fā)送出的總碼字?jǐn)?shù)的比例。對(duì)于二元數(shù)字信號(hào)，由于傳輸?shù)氖嵌忍?，因此誤碼率稱為誤比特率（BER：bit error ratio）；對(duì)于二元以上的多元信號(hào)，誤碼率稱為誤碼字率（CER：code error ratio）。

誤碼率就是指接收端經(jīng)過(guò)解調(diào)和糾錯(cuò)后最終送給分接器的比特流與復(fù)接器發(fā)送給發(fā)射端的原始比特流相比，發(fā)生傳輸錯(cuò)誤的比特?cái)?shù)占復(fù)接器發(fā)送的總信息比特?cái)?shù)的比例。誤碼率通常以10-k的形式表示，如某通信系統(tǒng)的誤碼率達(dá)到了10-6就是指平均每1百萬(wàn)個(gè)傳輸比特或符號(hào)中僅有1個(gè)傳輸誤碼。在DVB-S傳輸系統(tǒng)中，需要注意的一點(diǎn)是，由于DVB-S傳輸系統(tǒng)中的外層糾錯(cuò)編碼采用的是RS碼，發(fā)生傳輸錯(cuò)誤時(shí)是以RS碼字為單位的，因此接收端送給分接器的碼流中的誤碼率是以RS碼字的差錯(cuò)率來(lái)衡量的。如誤碼率為10-6就是指平均每1百萬(wàn)個(gè)RS碼字中有1個(gè)錯(cuò)誤的RS碼字。但對(duì)分接器和解壓縮過(guò)程來(lái)說(shuō)，他們是按比特來(lái)進(jìn)行處理，因此他們關(guān)心的是比特的錯(cuò)誤率。RS碼字的錯(cuò)誤率與比特的錯(cuò)誤率之間是存在著固定的比例關(guān)系的，DVB-S傳輸系統(tǒng)中，一個(gè)RS碼字包含了188個(gè)字節(jié)，即1504個(gè)比特。當(dāng)誤碼率較小時(shí)，錯(cuò)誤的RS碼字中的錯(cuò)誤比特?cái)?shù)是較少的，因此比特錯(cuò)誤率要小于RS碼字錯(cuò)誤率，如RS碼字的錯(cuò)誤率為10-6時(shí)，則對(duì)應(yīng)的比特錯(cuò)誤率一般要小于10-7。

上述為SMG衛(wèi)星地球站團(tuán)隊(duì)對(duì)于衛(wèi)星信道編碼技術(shù)的研究，希望能給廣大電視播出技術(shù)同仁帶來(lái)幫助和借鑒。