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1、新一代数字卫星广播标准DVB-S.2慧聪网 2005 年 2 月 22 日 15 时 17 分 信息来源：央视科技 作者：山东青岛有线电视网络中心 李青龙（总工办工程师）摘要 DVB-S.2 作为新一代数字卫星广播标准即将出台，草案已正式发布，新标准在提升原有信道传输容量的同时，还将大大拓展业务范围，得到了广电、电信、计算机等领域的广泛关注。在与以往标准相比较的基础上，本文阐述了新标准技术上的主要优势，并简要介绍了标准的研发背景、目前的进展及未来应用前景。 关键词 DVB-S.2 信道编码 纠错 调制 交互式应用 一 数字卫星广播标准的发展沿革与 DVB-S.2 数字卫星广播标准发展始于 19
2、90 年代初，应用较多的制式主要有两种，即欧洲的 DVB-S 标准和美国 GI 公司开发的Digicipher 标准，两种方式互不兼容，其差别主要在于数字信号的传输方式即信道编码，而信源编码部分都采用了 MPEG-2。 从欧洲电信标准协会（ETSI）的 ETS 300 421 算起，DVB-S 作为当今广播电视领域的主流卫星传输标准，问世已逾十年，在世界范围内得到广泛应用。1995 年中央电视台通过卫星播出数字压缩加扰电视节目时，我国尚未公布将 DVB-S 作为试行标准，当时采用了美国 GI 的 Digicipher 系统，随着近年来国内模拟卫星传输方式淡出市场，国内各上星频道普遍采用了 DV
3、B-S 技术。 十年的使用期同时意味着 DVB-S 的核心技术与当今相关领域的前沿技术水平渐行渐远，因此，基于当前硬件支持能力和编码算法的最新成果，开发更适应当前乃至未来中长期业务发展需求的技术标准就成为当务之急，DVB-S.2 也因此呼之欲出。 DVB-S.2 由 JTC（联合技术委员会）制定， JTC 最初于 1990年由 EBU（欧广联）、ETSI 联合组建，负责制定广播电视及相关领域的技术标准，1995 年该组织吸纳 CENELEC（欧洲电工标准化委员会）加入，后者负责广播电视接收机方面的标准化工作。DVB-S.2 的制定采用 ETSI 的“两步式” 程序，2004 年 6 月，公开发
4、布DVB-S.2 草案（即 Draft ETSI EN 302 307 V1.1.1），目前进入公开的意见征询阶段（2004.6.22004.10.1）。DVB-S2设计的指导思想是在合理的复杂程度下达到最优的传输性能及可扩展性。 二 DVB-S.2 的系统流程 DVB-S.2 系统流程图如图 1 所示，由于其良好的扩展性，因而每一部分都包括较多的选件、适配等单元，复杂程度远胜 DVB-S。 模式适配（Mode Adaption）是输入数据流的接口，用来适配 DVB-S.2 种类繁多的输入流格式。对于固定编码调制（CCM）模式来说，模式适配部分包括对 DVB-ASI 流（或 DVB 并行传输流
5、）的透明解包和 8 位循环冗余校验。 流适配完成基带成帧、加扰两个功能。为配合后续纠错编码，基带成帧需要将输入数据按固定长度打包（不同的纠错编码方案有不同的“固定长度”），不足处则填充无用字节补足。 前向纠错采用 LDPC（内码）与 BCH（外码）级联的形式。 映射部分按后续采用的具体的调制方式（QPSK、8PSK、16APSK、32APSK），将输入的经过前向纠错的串行码流转换成满足特定星座图样式的并行码流。 物理层成帧部分通过加扰实现能量扩散，以及空帧插入等。 调制部分完成基带成形和调制。三 DVB-S.2 的主要改进方面1. 多业务支持广电数字化带来了节目与数据业务在传输流程上的统一，新
6、的数字卫星广播标准也就不再局限于广电领域，而是面向更广阔的业务领域。准确地说，DVB- S.2 是服务于宽带卫星应用的新一代DVB 系统，服务范围包括广播业务（BS ）、数字新闻采集（ DSNG）、数据分配/中继，以及 Internet 接入等交互式业务。与 DVB-S 相比，在相同的传输条件下，DVB-S.2 提高传输容量约 30%以上，同样的频谱效率下可得到更强的接收效果。在广播业务（BS）方面，DVB-S.2 提供 DTH（直播卫星）服务，也考虑到了地面共用天线系统和有线电视系统的需求。从与以往的兼容角度考虑，有两种模式供选用，即 NBC-BS（不支持后向兼容）和 BC-BS（支持后向兼
7、容）。由于目前有大量 DVB-S 接收机投入使用，后向兼容模式将满足今后一定时期的兼容使用需求，在这种模式下，旧的 DVB-S 接收机可以继续接收原来的节目，新的接收机则可以接收到比前者更多的信息。当将来 DVB-S 接收机逐步淘汰后，采用兼容模式的信号发端将改成非兼容模式，从而真正意义上充分利用 DVB-S.2 的信道传输优势。 除广播业务外，DVB-S.2 还支持交互式服务（包括Internet 接入）、数字新闻采集及数据分配/中继等其它专业服务。在交互式服务中，回传通道使用不同的 DVB 反向方式，如 DVB-RCS、 DVB-RCP、DVB-RCC。2. 新的信道编码方案DVB-S.2
8、 最引人注目的革新在于信道编码方式，包括纠错编码和调制。纠错编码和调制是在实际的信道情况下，寻找最佳途径传输信息。香农的编码理论给出了最佳编码方案可以达到的信道容量，却没有给出具体的编码方案，以及没有描述实现起来的复杂程度，因此，编码和调制的研究集中于在最充分的利用传输资源（即带宽、功率、复杂度）的条件下，选择传输和接收方案，以逼近香农给出的极限。DVB-S.2 纠错编码使用 LDPC（Low Density Parity Check code 低密度奇偶校验码）与 BCH 码级联，调制则以多种高阶调制方式取代 QPSK。DVB-S.2 在设计中充分考虑了业务多样性需求，具有很好的适应性。如
9、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, 9/10 等多种内码码型；频谱成形中的升余弦滚降系数 可在 0.35、0.25、0.2 三种中选择，而不是DVB-S 固定的 0.35，自然 越小，频谱利用率越高。新的编码调制方案 8PSK&LDPC 已经十分接近香农极限，在距离理论上的香农极限 0.7 1dB 的情况下可得到 QEF（准无误码）的接收（DVB-S.2 的 QEF 标准为：在解码器接收 5Mbps 的单路电视节目时，每传输 1 小时产生少于一次无法校正的错误，近似相当于解复用前 TS 流 PER10-7），
10、比 DVB-S 标准提高了 3dB，以致于DVB 官员认为这已是卫星广播信道的终极标准，不需要再开发DVB-S.3 了。（1） LDPC-BCHDVB-S.2 纠错编码由包括休斯、菲力浦、意法半导体等七家公司参与角逐，形成四个候选方案，即 Parallel Turbo codes、Serial Turbo codes、Turbo Product codes 和LDPC，最初的焦点集中于 20 世纪 90 年代中后期大显身手的Turbo 码，不少公司已经先期投资开发基于 Turbo 编码的芯片，然而 LDPC 码最终胜出。 LDPC 码的发展颇具几分传奇色彩，麻省理工学院的 Gallager 1
11、962 年在其博士论文中首次提出 LDPC，但由于当时 VLSI（超大规模集成电路技术）尚未成熟，难以逾越的复杂程度将其束之高阁，逐渐被人淡忘，九十年代末，受 Turbo 码成功的启示，LDPC 技术的的价值被重新挖掘，成为当前编码领域的热点之一。LDPC 码是一种有稀疏校验矩阵（校验矩阵中 1 的个数较少）的线性分组码，具有能够逼近香农极限的优良特性，并且由于采用稀疏校验矩阵，译码复杂度只与码长成线性关系，编解码复杂度适中，在长码长的情况下，仍然可以有效译码。目前该技术已得到国际上的广泛重视，今后将在通信中得到广泛应用，尤其是在质量较差的信道环境如移动通信、卫星通信等领域，此前已有在第四代移
12、动通信系统中使用 LDPC 码的研究报告。（2）调制DVB-S.2 另一个比较大的革新是其调制方式，与 DVB-S 采用单一的 QPSK 调制方式相比， DVB-S.2 有更多的选择，即QPSK、8PSK、16APSK、32APSK。对于广播业务来说，QPSK 和8PSK 均为标准配置，而 16APSK、32APSK 是可选配置；对于交互式业务、数字新闻采集及其它专业服务，四者则均为标准配置。APSK 是另一种幅度相位调制方式，与传统方型星座 QAM（如16QAM、64QAM）相比，其分布呈中心向外沿半径发散，所以又名星型 QAM。与 QAM 相比， APSK 便于实现变速率调制，因而很适合目
13、前根据信道及业务需要分级传输的情况。当然，16APSK、 32APSK 是更高阶的调制方式，可以获得更高的频谱利用率。16APSK 的星座示意见图 2。在卫星信道中使用高阶调制方式，显然也意味着在抗噪声接收方面的技术进步。DVB-S.2 特别组的研究表明，采用 LDPC 与8PSK 的编码 -调制组合，可以获得更好的传输性能，此前 8PSK 与原纠错编码方式的组合在误码率指标测试方面不太理想。休斯公司提供的资料表明，LDPC&8PSK 的编码组合距离香农极限仅 0.60.8dB，远优于现有 RS&卷积码的 4dB，也比其余基于 Turbo 码的候选方案强 0.3dB。3. 可变编码调制（Var
14、iable Coding and Modulation，VCM）与适应编码调制（Adaptive Coding and Modulation，ACM）VCM、ACM 的使用是 DVB-S.2 的另一个显著的改进。在交互式的点对点应用如 IP unicasting、Internet 接入等中，可变编码调制（VCM）功能允许使用不同的调制和纠错方法，并且可以逐帧改变。采用 VCM 技术，不同的业务类型（如 SDTV、HDTV、音频、多媒体等）可以选择不同的错误保护级别分级传输，因而传输效率得以大大提高。 VCM 结合使用回传信道，还可以实现适应编码调制（Adaptive Coding Modula
15、tion，ACM），可以针对每一个用户的路径条件使传输参数得到优化。ACM 可根据具体的传播条件，针对具体的接收终端，提供更精准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“clear sky margin”带来的 48dB 的能量浪费。原有卫星应用中，为满足 QEF 的传输效果，必须有一定的功率冗余，通常冗余是以覆盖区域内产生的最大雨衰为标准计算，显然这部分冗余对于绝大部分地区是不必要的，即便是雨衰最严重的地区，天气较好时也承受着不必要的能量浪费。而在 IP unicasting 业务中，采用 ACM 可随时根据接收地点的情况变化调整传输参数，因而对于功率冗余的计算可以重
16、新精细调整，因此可以使卫星的平均吞吐量增加两倍到三倍，减少服务成本。4. DVB-S2 后向兼容性 DVB-S2 的所有改进是通过与 DVB-S 不兼容的技术方式实现的，但考虑到业内有大量的 DVB-S 接收机尚在使用，它也通过可选配置的模式提供后向兼容，采用后向兼容模式，原 DVB-S 接收机可以接收部分 DVB-S2 的信号。 后向兼容模式的实质是在一个卫星信道上传输两个 TS 流，分别为 HP（High Priority）TS 流和 LP（Low Priority）TS流，二者各自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 bit，在接收端可通过现有解调设备将二者分离。HP 流可兼容 DVB-S 接收机，即使用 DVB-S 接收机可以解出 DVB-S2 中的 HP TS 流信号，而 LP 流只能用 DVB-S2 接收机接收。 后向兼容模式的信道编码过程如图 3 所示，其实现兼容的核心是采用了非均匀分
