衛(wèi)星通信中的信道編碼與調(diào)制技術(shù)

周 珊，沈永言

技術(shù)研究

衛(wèi)星通信中的信道編碼與調(diào)制技術(shù)

周 珊，沈永言

（中國衛(wèi)通集團有限公司，北京 100094）

本文首先研究了衛(wèi)星通信中的信道編碼與調(diào)制技術(shù)，并對廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信的DVB-S系列標(biāo)準(zhǔn)中的信道編碼與調(diào)制技術(shù)進(jìn)行了對比分析，最后提出了衛(wèi)星通信采用更高級信道編碼和調(diào)制技術(shù)的必然性。

衛(wèi)星通信；信道編碼；信道調(diào)制；DVB-S；DVB-S2；DVB-S2X

1 引言

衛(wèi)星通信是通信基礎(chǔ)設(shè)施中不可或缺的組成部分。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展和信息應(yīng)用的日益豐富，人們對于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的質(zhì)量和容量提出越來越高的要求，這直接推動了衛(wèi)星通信信道編碼和調(diào)制技術(shù)的進(jìn)步。先進(jìn)的信道編碼技術(shù)可以有效降低誤碼率和發(fā)射功率，而先進(jìn)的調(diào)制技術(shù)可以顯著提高頻率資源的利用率。因此，衛(wèi)星通信信道編碼與調(diào)制技術(shù)的研究和應(yīng)用具有極大的理論和實際意義。

2 信道編碼技術(shù)

衛(wèi)星通信信道是一種典型的時變信道，其多徑、多普勒和陰影等效應(yīng)會嚴(yán)重影響信號傳輸?shù)目煽啃?。要保證通信質(zhì)量，就需要在一定功率條件下使用相應(yīng)的信道編碼，以達(dá)到檢錯和糾錯的目的。

信道編碼的基本原理是在信息碼元序列中附加一些監(jiān)督碼元，在兩者之間建立某種校驗關(guān)系，當(dāng)這種校驗關(guān)系因傳輸錯誤而受到破壞時，可以被發(fā)現(xiàn)和糾正。信道編碼有編碼增益和編碼效率兩個主要性能指標(biāo)。編碼增益定義為非編碼系統(tǒng)與編碼系統(tǒng)之間所需信噪比的差值，它反應(yīng)了在一定誤碼率要求下特定編碼方法對信噪比的改善程度。編碼增益的獲得要通過增加系統(tǒng)帶寬和系統(tǒng)復(fù)雜度來換取，這就涉及到編碼效率問題。編碼效率定義為信息碼元位數(shù)與編碼序列長度的比值，某編碼方案所需監(jiān)督碼元位數(shù)越少，其編碼效率越高。

根據(jù)信息碼元和監(jiān)督碼元之間的約束方式，信道編碼可分為分組碼和卷積碼。在分組碼中，監(jiān)督碼元僅與本碼組的信息碼元有關(guān)，漢明碼是最早提出的一種分組碼，它只能糾正一個碼字中的單個差錯，后來發(fā)展起來的能糾正多個隨機錯誤的BCH碼以及具有糾正突發(fā)錯誤能力的RS碼（多進(jìn)制BCH碼）也都屬于分組碼，且具有循環(huán)特性。LDPC碼是一類由特定的稀疏校驗矩陣構(gòu)成的分組碼，具有逼近香農(nóng)極限的優(yōu)異性能。在卷積碼中，監(jiān)督碼元與本組信息碼元及前面若干組的信息碼元同時有關(guān)，Turbo碼就是由兩個結(jié)構(gòu)相同的卷積碼編碼器構(gòu)成的碼字。除了分組碼和卷積碼，還有一種組合碼稱為串行級聯(lián)碼，可以將糾正隨機差錯的碼和糾正突發(fā)差錯的碼相結(jié)合，同時加大了碼長，提高了性能。

RS碼、卷積碼、串行級聯(lián)碼、Turbo碼和LDPC碼等都是目前衛(wèi)星通信中常用的信道編碼，它們的性能差異集中體現(xiàn)在圖1中。圖中曲線表示在BPSK調(diào)制方式和10-5誤碼率指標(biāo)要求下，與未采用編碼系統(tǒng)相比，以上各種編碼在Eb/N0方面取得的改進(jìn)。

圖1 BPSK調(diào)制方式不同標(biāo)碼的傳輸誤碼率與Eb/N0關(guān)系曲線

可見，單獨采用分組碼所獲得的編碼增益較低，只有2.7dB；常用的卷積碼在3bit量化軟判決時編碼增益為5dB左右；串行級聯(lián)碼選用R=1/2卷積碼作內(nèi)碼，RS碼作外碼時，編碼增益為可達(dá)7～8dB左右；Turbo碼無論在AWGN信道還是在衰落信道中，都取得了很好的誤碼率性能。當(dāng)采用65535bit的隨機交織器、18次迭代時，1/2碼率的Turbo碼的編碼增益可達(dá)8.9dB；規(guī)則LDPC碼在性能上不如Turbo碼，而當(dāng)碼長超過104后，不規(guī)則LDPC碼的性能開始優(yōu)于Turbo碼。

3 信道調(diào)制技術(shù)

按照調(diào)制器輸入信號的形式，調(diào)制可以分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制。模擬調(diào)制是指利用輸入的模擬信號直接改變載波的振幅、頻率或相位，從而得到AM（調(diào)幅）、FM（調(diào)頻）和PM（調(diào)相）信號。數(shù)字調(diào)制指利用數(shù)字信號來控制載波的振幅、頻率或相位，相應(yīng)調(diào)制方式為ASK（幅移鍵控）、FSK（頻移鍵控）和PSK（相移鍵控）。按照已調(diào)信號包絡(luò)幅度是否變化可分為恒包絡(luò)和非恒包絡(luò)，F(xiàn)SK，PSK，CPM（連續(xù)相位調(diào)制）為恒包絡(luò)調(diào)制，而ASK，QAM（正交幅度調(diào)制）為非恒包絡(luò)調(diào)制。

調(diào)制是為了使信號特性與信道特性相匹配，不同類型的信道特性需要選用不同的調(diào)制技術(shù)。衛(wèi)星通信信道要求已調(diào)信號具有等包絡(luò)、窄帶寬、高頻帶利用率和強抗干擾性能等特點，因此，在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中通常采用PSK和以此為基礎(chǔ)的其他調(diào)制方式，如BPSK，QPSK，8PSK，16QAM，16APSK等，其星座圖如圖2所示。

圖2 BPSK，QPSK，8PSK，16QAM，16APSK星座圖

信道調(diào)制有功率利用率和頻帶利用率兩個主要性能指標(biāo)。功率利用率定義為達(dá)到一定比特差錯率所需要的最低歸一化信噪比及比特能量與噪聲功率譜密度之比，所需歸一化信噪比越低，功率利用率越高，反之則越低。不同調(diào)制方式達(dá)到同一比特差錯率時所需要的信噪比不同，且調(diào)制階數(shù)越高所需的信噪比越高，如圖3所示。

圖3 不同調(diào)制方式下誤碼率與信噪比之間的關(guān)系

頻帶利用率定義為1Hz的系統(tǒng)帶寬所能傳輸?shù)男畔⑺俾?。頻帶利用率與調(diào)制方式、編碼方式以及滾降系數(shù)密切相關(guān)。編碼效率越高、調(diào)制階數(shù)越高、滾降系數(shù)越小，頻帶利用率越高，但所需的信噪比也會越高，這樣功率利用率就會越低。通常，一種調(diào)制技術(shù)不能同時達(dá)到最高的功率和頻帶利用率，需要根據(jù)實際要求進(jìn)行折中。衛(wèi)星通信空間段資源主要由轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬和功率兩部分組成，選擇調(diào)制方式的原則是盡量少地占用轉(zhuǎn)發(fā)器的帶寬/功率，且要達(dá)到功帶平衡。

總的來說，衛(wèi)星通信信道調(diào)制技術(shù)的發(fā)展趨勢為更高的頻帶和功率利用率，并達(dá)到二者的最佳平衡。

4 DVB-S系列信道編碼與調(diào)制技術(shù)

DVB-S是一套成功用于衛(wèi)星數(shù)字視頻廣播的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，包含信源編碼、信道編碼和調(diào)制。DVB-S最初僅用于數(shù)字衛(wèi)星廣播領(lǐng)域，后來隨著衛(wèi)星信道編碼和調(diào)制技術(shù)以及衛(wèi)星通信廣播應(yīng)用的飛速發(fā)展，DVB-S2和DVB-S2X應(yīng)運而生，且其應(yīng)用范圍不再局限于數(shù)字衛(wèi)星廣播領(lǐng)域，而是逐步擴展到整個衛(wèi)星通信領(lǐng)域。DVB-S系列標(biāo)準(zhǔn)集中體現(xiàn)了衛(wèi)星通信信道編碼和調(diào)制技術(shù)的發(fā)展成就和應(yīng)用水平。

4.1 DVB-S

DVB-S 1993年在歐洲興起，由兩部分組成，一部分為信源編碼和復(fù)用，另一部分為信道編碼和調(diào)制，其信道編碼和調(diào)制系統(tǒng)組成如圖4所示。

圖4 DVB-S信道編碼和調(diào)制系統(tǒng)組成

DVB-S信道編碼采用RS碼和卷積碼串行級聯(lián)編碼方式。其中RS碼作為外碼，碼型為RS（204，188），用來糾正與本組（8比特）有關(guān)的誤碼，對糾正突發(fā)性誤碼很有效。卷積編碼作為內(nèi)碼，碼型可選擇1/2，2/3，3/4，5/6，7/8，選擇的標(biāo)準(zhǔn)是在頻帶利用率和抗誤碼性能之間權(quán)衡。卷積碼除糾正本組的誤碼以外，也糾正其他組的誤碼。RS編碼器與卷積編碼器間為一交織器，交織器可將連續(xù)誤碼分散開，使連續(xù)誤碼不會超出糾錯能力。

DVB-S信道調(diào)制采用QPSK方式，其抗誤碼性能較優(yōu)，且包絡(luò)恒定，傳輸信道中的幅度衰減對其性能無影響，非常適合衛(wèi)星信道，但頻帶利用率不高，僅為2b/s/Hz。調(diào)制過程由映射、基帶成型和調(diào)制載波三個環(huán)節(jié)組成。由于編碼器產(chǎn)生的矩形基帶脈沖信號在頻域內(nèi)無限延伸，因此在衛(wèi)星信道帶寬受限的情況下會引起波形失真，從而產(chǎn)生符號間干擾。為實現(xiàn)無符號間干擾傳輸，常常將基帶信號的頻譜設(shè)計為升余弦滾降的形狀，基帶成型就是一個平方根升余弦濾波器，滾降系數(shù)為0.35。

4.2 DVB-S2

DVB-S2于2004年發(fā)布，2005年被正式確定為國際標(biāo)準(zhǔn)。與DVB-S相比，在相同的傳輸條件下，DVB-S2傳輸容量可提高30%以上。DVB-S2信道編碼采用LDPC碼與BCH碼串行級聯(lián)編碼方式，該編碼方案在性能上與香農(nóng)極限只差0.7～1dB，遠(yuǎn)優(yōu)于DVB-S中RS&卷積碼的4dB，比基于Turbo碼的候選方案強0.3dB。

除QPSK之外，DVB-S2增加了8PSK，16APSK，32APSK三種高階調(diào)制方式，對應(yīng)的頻帶利用率分別為3b/s/Hz，4b/s/Hz，5b/s/Hz。DVB-S2基帶成型中的升余弦滾降系數(shù)最小可做到0.2，進(jìn)一步提高了頻帶利用率。

與DVB-S采用CCM（固定編碼調(diào)制）方式不同，DVB-S2采用VCM（可變編碼調(diào)制）方式。VCM允許使用不同編碼和調(diào)制方式，并且可以逐幀改變。VCM技術(shù)允許不同的業(yè)務(wù)類型選擇不同的錯誤保護級別分級傳輸，因而傳輸效率得以大大提高。VCM技術(shù)結(jié)合回傳信道，就構(gòu)成了ACM（自適應(yīng)編碼調(diào)制）。DVB-S鏈路預(yù)算采用統(tǒng)一的編碼調(diào)制方式方案，為了保證惡劣信道條件下的通信，每條鏈路都存在一定的“裕量”，這會浪費寶貴的信道資源。ACM根據(jù)不同用戶的實時信道條件（信噪比）自適應(yīng)改變編碼和調(diào)制方式，為每個用戶配置不同的編碼調(diào)制方案，可將鏈路“裕量”自動轉(zhuǎn)換為鏈路傳輸能力，從而提高衛(wèi)星信道的頻率利用率，大幅提高了系統(tǒng)性能。采用了ACM之后，在交互式點對點應(yīng)用時，衛(wèi)星通信容量可以增加100%～200%。

4.3 DVB-S2X

DVB-S2X于2014年正式發(fā)布， DVB-S2X相比DVB-S2具有更高頻譜效率，更大接入速率，更好移動性能以及更強健的服務(wù)能力。DVB-S2X的目標(biāo)主要有兩個：一是進(jìn)一步提高現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的頻帶利用率；二是適應(yīng)移動接收、Ka波段通信平臺或?qū)拵мD(zhuǎn)發(fā)器等衛(wèi)星通信行業(yè)的新應(yīng)用。

DVB-S2X信道編碼仍采用性能較優(yōu)的LDPC碼與BCH碼串行級聯(lián)編碼方式，信道調(diào)制方式除了朝更高階發(fā)展外，還增加了適用于極低信噪比條件下的BPSK調(diào)制方式，DVB-S2X新增64APSK，128APSK，256APSK三種高階調(diào)制方式，它們對應(yīng)的頻帶利用率分別為6b/s/Hz，7b/s/Hz，8b/s/Hz。DVBS2 X基帶成型中的升余弦滾降系數(shù)最小可做到0.05，并采用了高級濾波技術(shù)，以有效提高頻帶利用率，如圖5所示。

DVB-S2的MODCOD分辨力粒度為28，而DVB-S2X可達(dá)112。這樣，在某種特定的接收信噪比條件下，就可以選擇最貼合該接收條件的編碼和調(diào)制方式，從而獲得最高的頻帶利用率。

DVB-S2X的一個應(yīng)用場景是陸地、海洋、航空中的低速及高速移動環(huán)境。為保證在這些環(huán)境中以更小的接收天線來更穩(wěn)定地使用DVB-S2X鏈路所提供的服務(wù)，DVB-S2X采用了VLSNR（極低信噪比）技術(shù)，在BPSK與QPSK調(diào)制中增加了9個額外的MODCOD。此外，BPSK的MODCOD采用了頻譜擴展技術(shù)，信號的功率/頻譜被擴展到很寬的頻帶，頻譜密度得以降低，抗外部干擾能力得以提高，整個衛(wèi)星鏈路的可用性及安全性能也得到提高。

圖5 DVB-S2高級濾波技術(shù)

5 三者對比

從DVB-S到DVB-S2再到DVB-S2X，編碼技術(shù)越來越先進(jìn)，調(diào)制系數(shù)越來越高階，滾降系數(shù)越來越小，MODCOD分辨力粒度越來越精細(xì)，其應(yīng)用范圍也越來越廣，三者對比情況如表1所示。

表1 DVB-S系列標(biāo)準(zhǔn)對比

從DVB-S到DVB-S2，再到DVB-S2X，通過增加調(diào)制方案的顆粒度，選擇更好的信道編碼方式，以及采用更小的滾降因子和更高階的調(diào)制方式，實現(xiàn)了越來越高的頻帶利用率。

6 結(jié)束語

當(dāng)今世界已進(jìn)入大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和云計算時代，信息應(yīng)用正呈現(xiàn)出爆炸式的發(fā)展。相關(guān)統(tǒng)計表明，近3年來，全世界產(chǎn)生的數(shù)據(jù)已超過人類有史以來的總量。未來5年，互聯(lián)網(wǎng)、移動設(shè)備、高清/超高清電視等數(shù)據(jù)內(nèi)容的爆發(fā)將使得全球IP流量增至3倍。這必然要求衛(wèi)星通信采用更高級的信道編碼和調(diào)制技術(shù)，提供更高的傳輸容量和質(zhì)量。

Channel Coding and Modulation Technology for Satellite Communication

Zhou Shan，Shen Yongyan
(China Satellite Communications Co.,Ltd.,Beijing,100094)

This paper studies the channel coding and modulation technology for satellite communication firstly.Then the comparative analyses of channel coding and modulation technology in DVB-S Series standard which is widely used in satellite communications are made.Finally the inevitability of using more advanced channel coding and modulation technology in satellite communication is indicated.

Satellite Communication;Channel Coding;Channel Modulation;DVB-S;DVB-S2;DVB-S2X

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.05.001

TN927+.2 文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1672-7274（2016）05-0001-04