DVB-S.2的改进

广播电视数字化带来了节目和数据业务传输过程的统一,新的数字卫星广播标准不再局限于广播电视领域,而是面向更广泛的业务领域。准确地说,DVB- S2是服务于宽带卫星应用的新一代DVB系统,其服务范围包括交互式服务,如广播服务(BS)、数字新闻采集(DSNG)、数据分发/中继和互联网接入。与DVB-S相比,在相同的传输条件下,DVB-S2提高了30%以上的传输容量,在相同的频谱效率下可以获得更强的接收效果。

在广播服务(BS)方面,DVB-S2提供DTH(直播卫星)服务,同时兼顾地面天线系统和有线电视系统的要求。从与过去的兼容性来看,有两种模式可供选择,分别是NBC-BS(不支持向后兼容)和BC-BS(支持向后兼容)。随着目前大量DVB-S接收机的投入使用,后向兼容模式将在未来一定时期内满足兼容使用的要求。在这种模式下,旧的DVB-S接收器可以继续接收原始节目,而新的接收器可以接收比前者更多的信息。未来DVB-S接收机淘汰时,使用兼容模式的信号发射机将改为不兼容模式,从而充分利用DVB-S.2的信道传输优势

除了广播服务,DVB-S.2还支持交互式服务(包括互联网接入)、数字新闻采集、数据分发/中继和其他专业服务。在交互业务中,返回信道使用不同的DVB反向模式,例如DVB-RCS、DVB-RCP和DVB-RCC。DVB-S2最显著的创新在于信道编码方法,包括纠错编码和调制。纠错编码和调制是为了找到在实际信道条件下传输信息的最佳方式。香农编码理论给出了最佳编码方案所能达到的信道容量,但没有给出具体的编码方案,也没有描述实现的复杂度。因此,对编码和调制的研究侧重于在充分利用传输资源(即带宽、功率和复杂度)的条件下选择发送和接收方案,以接近香农给出的极限。DVB-S.2的纠错编码级联使用LDPC(低密度奇偶校验码)和BCH码,调制用各种高阶调制方式代替QPSK。

DVB-S2在设计中充分考虑了业务多样性的要求,具有良好的适应性。比如DVB-S.2支持1/4,1/3,2/5,1/2,3/5,2/3,3/4,4/5,5/6,8/9,9/65438+。在频谱整形中,升余弦滚降系数α可以从0.35、0.25、0.2中选择,而不是DVB-S固定的0.35,自然α越小,频谱利用率越高。

一种新的编码调制方案8 PSK & amp;LDPC非常接近香农极限,在距离理论香农极限0.7 ~ 1dB时可以获得QEF(准无误码)接收(DVB-S2的QEF标准是:解码器接收一个5Mbps的单通道电视节目时,每1小时产生不到一个不可纠正的错误,大约相当于TS流per

(1)LDPC-BCH

Hughes、Philip、stmicroelectronics等7家公司竞争DVB-S2纠错编码,形成了并行Turbo码、串行Turbo码、Turbo乘积码、LDPC 4种候选方案。最初的焦点是在90年代中后期大显身手的Turbo码。许多公司已经提前投资开发基于Turbo码的芯片,但LDPC码最终胜出。LDPC电码的发展相当传奇。麻省理工学院的Gallager 1962在博士论文中首次提出了LDPC。但由于当时VLSI(超大规模集成电路)的不成熟,因其难以克服的复杂性而被搁置,逐渐被遗忘。20世纪90年代末,受Turbo码成功的启发,LDPC技术的价值被重新发现,成为当前编码领域的热点之一。

LDPC码是一种校验矩阵稀疏(校验矩阵中1的个数较少)的线性分组码,具有逼近香农极限的优良特性。由于校验矩阵稀疏,译码复杂度仅与码长成线性关系,编译码复杂度适中,在长码长条件下仍能有效译码。目前,该技术在国际上受到广泛关注,未来将广泛应用于通信领域,尤其是移动通信、卫星通信等信道环境较差的领域。已经有关于在第四代移动通信系统中使用LDPC码的研究报告。

(2)调制

DVB-S.2的另一大创新是调制方式。与DVB-S采用的单一QPSK调制方式相比,DVB-S.2有更多的选择,即QPSK、8PSK、16APSK和32APSK。对于广播服务,QPSK和8PSK是标准配置,而16APSK和32APSK是可选配置。对于互动服务、数字新闻采集和其他专业服务,这四种都是标准配置。

APSK是另一种幅度和相位调制方法。与传统的方形星座QAM(如16QAM、64QAM)相比,其分布沿半径由中心向外发散,故又称为星形QAM。与QAM相比,APSK易于实现可变速率调制,因此非常适合根据信道和业务需求进行分层传输。当然,16APSK和32APSK是更高阶的调制方式,可以获得更高的频谱利用率。16APSK的星座如图2所示。

卫星信道使用高阶调制,显然意味着抗噪声接收的技术进步。DVB-S2专题组的研究表明,采用LDPC和8PSK的编码调制组合可以获得更好的传输性能,但8PSK与原有纠错编码方法的组合在误码率指标测试中并不理想。

图2

根据休斯提供的信息,LDPC &;8PSK的编码组合距离香农限只有0.6 ~ 0.8 db,远远优于现有的RS&:卷积码的4dB也比其他基于Turbo码的候选方案强0.3dB。(VCM)和自适应编码和调制(ACM)。

VCM和ACM的使用是DVB-S2的另一个显著改进。在交互式对等应用中,例如IP单播和互联网接入,可变编码调制(VCM)的功能允许使用不同的调制和纠错方法,并且可以逐帧改变。利用VCM技术,不同的服务类型(如SDTV、HDTV、音频、多媒体等。)可以选择不同级别的差错保护进行分级传输,因此传输效率大大提高。

VCM结合回程信道还可以实现自适应编码调制(ACM),可以根据每个用户的路径条件优化传输参数。

ACM可以根据特定的传播条件,为特定的接收终端提供更精确的信道保护和动态连接适应性。ACM的突出优点是可以有效利用所谓“晴空余量”带来的4 ~ 8 dB的能量浪费。在最初的卫星应用中,为了满足QEF的传输效果,必须有一定的功率冗余。通常,冗余是根据覆盖区域内的最大降雨衰减来计算的。显然,这种冗余对于大部分地区来说是不必要的,即使是在雨水衰减最严重的地区,天气好的时候也会受到不必要的能量浪费。在IP单播业务中,ACM可以根据接收位置的变化随时调整传输参数,因此可以精细调整功率冗余的计算,因此可以将卫星的平均吞吐量提高2到3倍,降低业务成本。DVB-S2的所有改进都是通过与DVB-S不兼容的技术实现的,但考虑到业界仍在使用大量的DVB-S接收机,它也通过可选的配置模式提供了向后兼容。通过采用向后兼容模式,原来的DVB-S接收机可以接收一些DVB-S2信号。

后向兼容模式的本质是在一个卫星信道上传输两个ts流,分别是HP(高优先级)TS流和LP(低优先级)TS流,每个TS流采用不同的纠错编码方式,然后通过特殊的映射方式在星座图中定位比特,接收端现有的解调设备可以将这两个TS流分开。HP流与DVB-S接收机兼容,即DVB-S接收机可以解码DVB-S2中的HP TS流信号,而LP流只能由DVB-S2接收机接收。

图3

后向兼容模式的信道编码过程如图3所示,实现兼容的核心是采用非均匀分布的8PSK星座映射结构(图4)。在图4中,8PSK的星座点不是像往常一样等距离分布在圆周上,而是以θ角分散在QPSK的四个星座点周围。θ值的合理选择是兼容性的关键。θ值越小,QPSK解调器的输出越大,DVB-S接收机的接收效果越好。但DVB-S.2接收机的抗噪声性能会降低,影响正常接收。所以θ值的选取需要权衡两种不同情况后再考虑。

图4 DVB-S和DVB-DSNG对信源即MPEG TS流的格式有严格的规定,而DVB-S2则灵活得多,实现了对各种数据输入格式的支持,并大大增强了其可扩展性。

DVB-S2支持包括MPEG-2、MPEG-4、MPEG-4AVC(H.264)和WM9在内的多格式信源编码格式,以及包括IP和ATM在内的各种输入流格式。作为当前信道编码和信源编码的最新成果,DVB-S2和MPEG-4AVC(H.264)的结合引起了业界的关注,可谓强强联合,将会有更好的表现。