视频广播标准DVBS2

1、 北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT1 引言：引言：通信系统模型通信系统模型 数字通信系统数字通信系统 信源信源 解码解码 信道信道 解码解码 信信 道道 信道信道 编码编码 信源信源 编码编码 调调 制制 解解 调调 可靠性和效率可靠性和效率 n 传输子系统主要涉及：传输子系统主要涉及： 信道编码信道编码 调制调制 信号帧结构信号帧结构 北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门

2、爱东教授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT2 n 数字视频广播及所用标准数字视频广播及所用标准 引言：引言：广播系统模型广播系统模型 信源编码信源编码 MPEG2 MPEG4 H.263 H.264 AVS 传输层传输层 地面：地面： 8VSB-T ISDB-T DMB-T 有线：有线： DVB-C 卫星：卫星： DVB-S DVB-S2 信源编码信源编码 MPEG2 MPEG4 H.263 H.264 AVS AV流流 216M 1.2G TS 128kb20Mbps TS 透明传输透明传输 216M1.2G AV流流

3、 北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT3 引言：引言：视频广播网络视频广播网络 社区前端社区前端 第一个有线环第一个有线环 Primary Ring 第二个有线环第二个有线环 Secondary Ring 光节点光节点 集线器集线器 主前端主前端 CATV 网网 其它网络的接口其它网络的接口 约约125 -2000 用户用户 分布式分布式 服务平台服务平台 中央交互式中央交互式 服务平台服务平台 数据网络数据网络 (TCP/IP

4、) HFC - Hybrid Fiber Coax 混合光纤同轴网络混合光纤同轴网络 卫星卫星 地面地面 地面地面 地面地面 地面地面 北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT4 引言：引言：卫星视频广播卫星视频广播 n 卫星是视频广播的理想平台卫星是视频广播的理想平台 卫星数字视频广播系统包括卫星、广播中心和地面接卫星数字视频广播系统包括卫星、广播中心和地面接 收机（天线、机顶盒）；收机（天线、机顶盒）； 视频广播最有效的覆盖方式

5、视频广播最有效的覆盖方式一颗卫星和一个频道一颗卫星和一个频道 就可覆盖整个国家；就可覆盖整个国家； 前端设施成本低廉，包括卫星和广播中心；前端设施成本低廉，包括卫星和广播中心； 点波束卫星能够提供本地到本地的业务；点波束卫星能够提供本地到本地的业务； 随着信源压缩和信道传输技术的快速发展，卫星广播随着信源压缩和信道传输技术的快速发展，卫星广播 频道价格越来越低廉，甚至在欧洲出现了频道价格越来越低廉，甚至在欧洲出现了 Free-to-air DBS； DBS 用户数量快速增长。用户数量快速增长。 中国也将发射直播星中国也将发射直播星，和，和 S 波段多媒体广播星。波段多媒体广播星。 北京邮电大学

6、电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT5 引言：引言：比特率和波特率比特率和波特率有效性有效性 n 比特率表示每秒可传输多少个二元比特，单位是比特率表示每秒可传输多少个二元比特，单位是 bit/s。 n 波特率是指三元及三元以上的多元数字码流的信息传输速波特率是指三元及三元以上的多元数字码流的信息传输速 率，率，单位是单位是 baud/s，表示每秒可传输多少个多元码字。，表示每秒可传输多少个多元码字。 比特率与波特率在本质上是一回事比特率与波

7、特率在本质上是一回事，都表示信息传输的速率，都表示信息传输的速率，只只 是在传输系统的不同阶段是在传输系统的不同阶段，信号呈现出不同的形式，因此以不同，信号呈现出不同的形式，因此以不同 的计算方式来衡量其信息的传输速率。的计算方式来衡量其信息的传输速率。 发射端在映射之后以及接收端在反映射之前，信息以多元数字符发射端在映射之后以及接收端在反映射之前，信息以多元数字符 号表示，因此其中各环节传输和处理信息的速率用波特率表示，号表示，因此其中各环节传输和处理信息的速率用波特率表示， 如调制信号的速率等。如调制信号的速率等。 比特率和波特率容易产生混淆，为了避免造成人们的困惑，比特率和波特率容易产生

8、混淆，为了避免造成人们的困惑，许多许多 书上称波特率为符号率书上称波特率为符号率。 n 对通信系统的评估中通常还定义了对通信系统的评估中通常还定义了净荷速率净荷速率，它是指在传，它是指在传 输的符号中扣除由于信道编码和同步字段等一切额外花销输的符号中扣除由于信道编码和同步字段等一切额外花销 后的后的“纯纯”信息速率信息速率，单位通常是，单位通常是 bit/s。 北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT6 引言：引言：频谱效率和滚降系

9、数频谱效率和滚降系数有效性有效性 n 频谱效率定义为频谱效率定义为每赫兹每赫兹(Hz) 带宽的传输频道上每秒可传带宽的传输频道上每秒可传 输比特数输比特数，单位是，单位是 bit/s/Hz， 表示通信系统的有效性。表示通信系统的有效性。 n 对于带通调制信号，那么奈奎斯特带限定理表明，理论对于带通调制信号，那么奈奎斯特带限定理表明，理论 上没有码间串扰的最大频谱效率为上没有码间串扰的最大频谱效率为 1符号符号(码元码元)/s/Hz。 n 频谱效率主要频谱效率主要用于衡量各种数字调制技术的效率用于衡量各种数字调制技术的效率，在数，在数 量上等效于每个调制符号所映射的比特数。量上等效于每个调制符号

10、所映射的比特数。 BPSK 或或 2ASK，理论最高频谱效率为，理论最高频谱效率为 1bit/s/Hz； QPSK 理论最高频谱效率为理论最高频谱效率为 2bit/s/Hz； 8PSK理论最高频谱效率为理论最高频谱效率为 3bit/s/Hz； 16APSK理论最高频谱效率为理论最高频谱效率为 4bit/s/Hz； 32APSK理论最高频谱效率为理论最高频谱效率为 5bit/s/Hz； 32QAM理论最高频谱效率达理论最高频谱效率达 5bit/s/Hz； 64QAM理论最高频谱效率达理论最高频谱效率达 6bit/s/Hz。 北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授北京邮电大学电信工程学院

11、多媒体通信中心门爱东教授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT7 n 数字信号在传输过程中数字信号在传输过程中 产生二种畸变：叠加干产生二种畸变：叠加干 扰与噪声，出现波形失扰与噪声，出现波形失 真。真。 n 瑞典科学家哈利瑞典科学家哈利奈奎斯奈奎斯 特在特在1928年为解决电报传年为解决电报传 输问题提出了数字波形输问题提出了数字波形 在无噪声线性信道上传在无噪声线性信道上传 输时的无失真条件，输时的无失真条件，称称 为奈奎斯特准则为奈奎斯特准则。 n 奈奎斯特第一准则：奈奎斯特第一准则：抽样抽样 点无失真准则，或无码间点

12、无失真准则，或无码间 串扰（串扰（ISI Free)准则准则 n 奈奎斯特第二准则：转换奈奎斯特第二准则：转换 点无失真准则，或无抖动点无失真准则，或无抖动 （Jitter Free）准则）准则 n 奈奎斯特第三准则：波形奈奎斯特第三准则：波形 面积无失真准则。面积无失真准则。 引言：引言：频谱效率和滚降系数频谱效率和滚降系数有效性有效性 北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT8 n 理想低通滤波器频域响应理想低通滤波器频域响应

13、2/, 0 2/, )( 0 2 0 S S ftj S ff ffeTh fH n 理想低通滤波器时域响应理想低通滤波器时域响应 )( )(sin )( 0 0 0 ttf ttf hth S S 第一准则第一准则 引言：引言：频谱效率和滚降系数频谱效率和滚降系数有效性有效性 n 理想脉冲成形滤波器在物理上是不可实现的，只能近似，称为奈奎斯理想脉冲成形滤波器在物理上是不可实现的，只能近似，称为奈奎斯 特滤波器，其特滤波器，其 H(f) 可表示为矩形函数和任意一个实偶对称频率函数的可表示为矩形函数和任意一个实偶对称频率函数的 卷积，即奈奎斯特脉冲函数表示为卷积，即奈奎斯特脉冲函数表示为 sin

14、c(t/T) 函数与另一个时间函数的函数与另一个时间函数的 乘积。因此，乘积。因此，奈奎斯特滤波器以及相应的奈奎斯特脉冲为无穷多个奈奎斯特滤波器以及相应的奈奎斯特脉冲为无穷多个。 北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT9 n 常用的奈奎斯特滤波器是常用的奈奎斯特滤波器是升升 余弦成形滤波器：余弦成形滤波器： 左图为频域响应左图为频域响应 为滚降系数为滚降系数 n 若把升余弦滤波器放置在收若把升余弦滤波器放置在收 发两端，即为发两端

15、，即为平方根升余弦平方根升余弦 函数（函数（SRRC）。 n 时域响应：时域响应： 2 2 2 0 41 cossin )( tf tf tf tf hth S S S S 引言：引言：频谱效率和滚降系数频谱效率和滚降系数有效性有效性 n 滚降系数滚降系数影响着频谱效率，影响着频谱效率，越小，频谱效率就越高，但越小，频谱效率就越高，但过过 小时，升余弦滚降滤波器的设计和实现比较困难，而且当传输小时，升余弦滚降滤波器的设计和实现比较困难，而且当传输 过程中发生线性失真时产生的符号间干扰也比较严重。过程中发生线性失真时产生的符号间干扰也比较严重。在实际在实际 工程中，工程中，的范围一般定在的范围一

16、般定在 0.150.5 之间。之间。 北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT10 引言：引言：误码率和误符号率误码率和误符号率可靠性可靠性 n 用于衡量系统用于衡量系统可靠性可靠性 n 误码率误码率或误比特率或误比特率(BER) 是指在经过系统传输后，是指在经过系统传输后， 送给用户的接收码流中发生错误的比特数占信源送给用户的接收码流中发生错误的比特数占信源 发送的原始码流总比特数的比例。发送的原始码流总比特数的比例。 n 对于多

17、元调制信号，由于接收机的判决是基于符对于多元调制信号，由于接收机的判决是基于符 号的，所以更常采用号的，所以更常采用误符号率误符号率或误字率，即接收或误字率，即接收 端发生符号错误的比例。端发生符号错误的比例。 线性调制系统的误符号率与其星座图中星座点间的欧线性调制系统的误符号率与其星座图中星座点间的欧 几里德距离有确切的函数关系。几里德距离有确切的函数关系。 一般地说，一般地说，星座点越密集，接收端符号判决错误的概星座点越密集，接收端符号判决错误的概 率越大率越大。 北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授 Men Aidong, Mu

18、ltimedia Telecommunication Centre, BUPT11 引言：引言：信噪比、载噪比与信噪比、载噪比与 Eb/N0 可靠性可靠性 n 定义定义 信噪比信噪比 (S/N) 是指传输信号的平均功率与加性噪声的平均功率之比；是指传输信号的平均功率与加性噪声的平均功率之比； 载噪比载噪比(C/N) 指已经调制的信号的平均功率与加性噪声的平均功率指已经调制的信号的平均功率与加性噪声的平均功率 之比；之比； 它们都以对数的方式来计算，单位为它们都以对数的方式来计算，单位为 dB。 n 信噪比与载噪比区别在于，载噪比中的已调信号的功率包括了传输信信噪比与载噪比区别在于，载噪比中的已

19、调信号的功率包括了传输信 号的功率和调制载波的功率，而信噪比中仅包括传输信号的功率。号的功率和调制载波的功率，而信噪比中仅包括传输信号的功率。 对同一个传输系统而言，载噪比要比信噪比大，对同一个传输系统而言，载噪比要比信噪比大， 两者之间相差一个载波两者之间相差一个载波 功率。当然载波功率与传输信号功率相比通常都是很小的，因而载噪比与功率。当然载波功率与传输信号功率相比通常都是很小的，因而载噪比与 信噪比在数值上十分接近。信噪比在数值上十分接近。 在调制传输系统中，一般采用载噪比指标；而在基带传输系统中，一般采在调制传输系统中，一般采用载噪比指标；而在基带传输系统中，一般采 用信噪比指标。用信

20、噪比指标。 n 实际数字通信系统的实际数字通信系统的可靠性可靠性性能常以一个载噪比对误码率的关系曲线性能常以一个载噪比对误码率的关系曲线 来描述的，曲线的横坐标为来描述的，曲线的横坐标为 C/N，纵坐标为，纵坐标为 BER。对某个。对某个 C/N，BER 越小，则说明该通信系统的可靠性越高。越小，则说明该通信系统的可靠性越高。 北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT12 n C/N (SNR) BER曲线曲线 对于对于 C/NBE

21、R曲线，曲线，只能比较系统的抗干扰能力（可靠性）只能比较系统的抗干扰能力（可靠性），无无 法比较系统的效率法比较系统的效率。从上图可以看出系统。从上图可以看出系统 b 抗干扰能力优于抗干扰能力优于 a。 此时系统此时系统a，b的效率无法进行比较，有可能的效率无法进行比较，有可能 a 优于优于 b，也可能，也可能 b 优优 于于 a。若。若 b 优于优于 a，则系统，则系统 b 的整体性能优于的整体性能优于 a。若。若 a 优于优于 b，说，说 明系统明系统 b 通过牺牲效率达到增强抗干扰能力。通过牺牲效率达到增强抗干扰能力。 引言：引言：信噪比、载噪比与信噪比、载噪比与 Eb/N0 可靠性可靠

22、性 a b a b 北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT13 n Eb/n0BER 曲线曲线 Eb: 每比特能量每比特能量 n0: 单边带高斯白噪声功率谱密度单边带高斯白噪声功率谱密度 Eb/n0 与与 SNR 关系关系 S：信号功率：信号功率 N：噪声功率：噪声功率 E：信号能量：信号能量 Rb：比特速率：比特速率 B：信道带宽：信道带宽 可以看出可以看出 Eb/n0 中已经考虑了效率这一因素。中已经考虑了效率这一因素。 Bn

23、 RE N tE N S SNR bb 0 / 0 / b b ESNR RBn 引言：引言：信噪比、载噪比与信噪比、载噪比与 Eb/n0 可靠性可靠性 北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT14 n 对于对于 Eb/n0BER 曲线，可以比较系统的综合性能曲线，可以比较系统的综合性能 左图：对相同的左图：对相同的 BER，在相同，在相同 SNR 条件下，条件下，Eb/n0 越小，频谱效率越高。越小，频谱效率越高。 在相同抗干扰能

24、力情况下，系统在相同抗干扰能力情况下，系统b效率优于系统效率优于系统a。所以系统。所以系统 b 综合性能综合性能 优于优于a。 右图：对相同的右图：对相同的 Eb/n0，在相同，在相同 SNR 条件下，条件下，BER 越小，系统性能越优。越小，系统性能越优。 所以系统所以系统 b 性能优于性能优于 a。 n Eb/n0 可以可以综合反映系统的性能，但不直观综合反映系统的性能，但不直观，因为因为 Eb 和和n0 不是系统中不是系统中 可以直接测得的参数，必须通过计算得出可以直接测得的参数，必须通过计算得出；而；而 C/N 可以通过测量直接可以通过测量直接 得到，但较为片面。得到，但较为片面。因此

25、当需要直接了解系统的可靠性时，一般使用因此当需要直接了解系统的可靠性时，一般使用 C/N；而当需要横向比较不同系统的性能时，一般使用；而当需要横向比较不同系统的性能时，一般使用 Eb/n0 。 a b a b 引言：引言：信噪比、载噪比与信噪比、载噪比与 Eb/N0 可靠性可靠性 北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT15 n Shannon 公式：可靠性与有效性是可以互换的：公式：可靠性与有效性是可以互换的： 提高提高 S/N，

26、能增加信道容量，能增加信道容量 C 当当 N 趋向趋向 0，C 趋向无穷大。无干扰信道容量为无穷大趋向无穷大。无干扰信道容量为无穷大 增加增加 B 能提高能提高 C，极限条件下，极限条件下，B 趋向无穷大，趋向无穷大，C = 1.44S/N 当当 C 一定时，一定时，B 与与 S/N 可以互换可以互换 Shannon 定理为信道编码奠定了理论基础，虽然定理本身定理为信道编码奠定了理论基础，虽然定理本身 并没有给出具体的编码方法和结构，但它从理论上为信道并没有给出具体的编码方法和结构，但它从理论上为信道 编码的发展指出了方向编码的发展指出了方向进行高效而可靠的通信途径可以进行高效而可靠的通信途径

27、可以 通过编码来实现。通过编码来实现。 )/()1 (log2sb N S BC 引言：引言：Shannon 定理可靠和效率互换定理可靠和效率互换 北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT16 n Shannon 定理理论曲线定理理论曲线 根据仙农定理根据仙农定理 ，为了保证可靠传输为了保证可靠传输，必须，必须 ， 经推导可以得到经推导可以得到： CRb )1 (log)1 (log 0 22 Bn RE B N S BR bb b

28、 )1 (log2 N S BC ) 12( 1 / 0 BR B R b b b n E 仙农理论曲线说明：仙农理论曲线说明：噪声只是噪声只是 限制了可以得到的信息传输速限制了可以得到的信息传输速 率，但不能限制可以获得的精率，但不能限制可以获得的精 确度。只要信息传输速率低于确度。只要信息传输速率低于 信道容量信道容量 C，理论上可以找到，理论上可以找到 一种编码方式可以获得误码率一种编码方式可以获得误码率 为任意小的信息传输。（为任意小的信息传输。（无误无误 码理论曲线码理论曲线） 引言：引言：Shannon 定理可靠和效率互换定理可靠和效率互换 北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门

29、爱东教授北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT17 引言：引言：Shannon 定理可靠和效率互换定理可靠和效率互换 北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT18 主题概述主题概述 n引言引言 nDVB-S 回顾回顾 系统框图系统框图 信号复接和传输结构信号复接和传输结构 能量扩散能量扩散 FEC 成形滤波和调制成形

30、滤波和调制 性能性能 nDVB-S2 是什么？是什么？ n DVB-S2 物理层技术元素物理层技术元素 n DVB-S2 应用举例应用举例 n参考资料参考资料 北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT19 DVB-S 回顾：回顾：系统框图系统框图 n DVB-S 是通信史上最成功的标准之一是通信史上最成功的标准之一： 这意味着新的标准需要很好地处理与这意味着新的标准需要很好地处理与 DVB-S 的关系；的关系； 业务如何平稳转移、频

31、谱规划、用户业务如何平稳转移、频谱规划、用户 STB 和用户流失等问题；和用户流失等问题； n DVB-S 技术方案技术方案 基于基于 RS 码和卷积码构成的级联码，是上世纪六七十年代提出的码和卷积码构成的级联码，是上世纪六七十年代提出的 纠错编码技术，非常成熟；纠错编码技术，非常成熟； QPSK 是唯一的调制方案，这限制了总的数据吞吐量。是唯一的调制方案，这限制了总的数据吞吐量。 北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT20 DV

32、B-S 回顾：回顾：信号复接和传输结构信号复接和传输结构 TS 流流 能量扩散能量扩散 RS码码 交织交织 北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT21 DVB-S 回顾：回顾：能量扩散能量扩散 1415 : 1PRBSxx nPRBS：周期很长周期很长 2N-1；1 和和 0 大致等概率出现。大致等概率出现。 n目的：破连目的：破连“0” 连连“1”，便于时钟恢复；破周期，便于时钟恢复；破周期 性，降低对其它信道的干扰。性，降低对

33、其它信道的干扰。 n方式：自同步；外同步方式：自同步；外同步 n问题：误码扩散问题：误码扩散 北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT22 DVB-S 回顾：回顾：FEC 前向纠错编码前向纠错编码 n 信道编码的基本思想是在被传送的信息中附加一些监督码信道编码的基本思想是在被传送的信息中附加一些监督码 元，在两者之间建立某种校验关系，当这种校验关系因传元，在两者之间建立某种校验关系，当这种校验关系因传 输错误而受到破坏时，可以被发现

34、并予以纠正。输错误而受到破坏时，可以被发现并予以纠正。这种检错这种检错 和纠错能力是用信息量的冗余度来换取的。和纠错能力是用信息量的冗余度来换取的。 例：对于三位二进制码组例：对于三位二进制码组 若采用若采用 000、001、010、011、100、101、110、111， 没有冗余信息，不具有纠错功能。没有冗余信息，不具有纠错功能。 若只选用四种，若只选用四种，000、011、101、110。当出现。当出现 111 时，时， 表示出现了差错，但此时不具有纠错功能，只有检错功能。表示出现了差错，但此时不具有纠错功能，只有检错功能。 若只采用若只采用 000、111，可以用来纠正一位错误。，可以

35、用来纠正一位错误。 北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT23 DVB-S 回顾：回顾：线性分组码线性分组码 FEC k kk k k kk k k kk kk kk k n n n 线性分组（线性分组（n，k）码。）码。 码字长度码字长度 = n 校验位长度校验位长度 = n-k 信息位长度信息位长度 = k 码率码率 R = k/n (编码效率）编码效率） n 在一般情况下，对线性分组码有以下结论：在一般情况下，对线性分组码有

36、以下结论： 在一个码组内检测在一个码组内检测 e 个误码，要求最小码距：个误码，要求最小码距：dmine+1 在一个码组内纠正在一个码组内纠正 t 个误码，要求最小码距：个误码，要求最小码距： dmin2t+1 在一个码组内纠正在一个码组内纠正 t 个误码，同时检测个误码，同时检测 e (et ) 个误码，个误码， 要求最小码要求最小码 距：距： dmin t+e+1 北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT24 n校验方程是基础校

37、验方程是基础 n线性分组码既可以用生成矩阵线性分组码既可以用生成矩阵 G，也可以用校验矩阵，也可以用校验矩阵 H 来描述，两者有：来描述，两者有： G HT=0 或或 H GT=0T n码字码字 c 如下生成：如下生成： c = m G n例如例如 000110 000011 0 0 1. 000111 00 1 1 1 0 0101 1 01010 1 1 n 线性分组码的码字线性分组码的码字 c 满足：满足： c HT=0 或或 H cT=0T DVB-S 回顾：回顾：线性分组码线性分组码 FEC 北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东

38、教授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT25 n 系统码系统码 信息组以不变的形式在码组的任意信息组以不变的形式在码组的任意 k 位（通常在左边：位（通常在左边：cn-1, cn- 2, ., cn-k）中出现的码，称为系统码 ）中出现的码，称为系统码，否则为非系统码。系统码，否则为非系统码。系统码 既可以是分组码，也可以是后面要讲的卷积码。既可以是分组码，也可以是后面要讲的卷积码。 n 系统码码字的前系统码码字的前 k 位是原来的信息组，因此，生成矩阵位是原来的信息组，因此，生成矩阵 G 的左边的左边 k 列必是单位方阵

39、列必是单位方阵 Ik，则，则 G = IkP 其中，其中，P 是是 k(n-k) 阶矩阵阶矩阵 n H 矩阵为矩阵为 H = -PTIn-k 其中，其中，“-” 表示表示 - PT 阵中的每一个元素是阵中的每一个元素是 P 矩阵中对应元素的加法逆矩阵中对应元素的加法逆 元，在二进制时，仍是该元素自己。元，在二进制时，仍是该元素自己。 n G 和和 H 满足：满足： G HT= IkP -PTIn-kT = 0 k 位信息位位信息位n-k 位校验位位校验位 系统码的系统码的 一种形式一种形式 DVB-S 回顾：回顾：系统码系统码 FEC 北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授北京邮电大

40、学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT26 DVB-S 回顾：回顾：缩短码（截短码）缩短码（截短码） FEC n 在在 n,k 码的码字集合中，挑选前码的码字集合中，挑选前 i 个信息位数字均为个信息位数字均为 0 的的 所有码字，组成一个新的子集，则分组码所有码字，组成一个新的子集，则分组码 n-i, k-i 为为 n, k 码的缩短码或截短码。码的缩短码或截短码。 由于该子集的前由于该子集的前 i 为均取为均取 0，故传输时可以不传送它们，故传输时可以不传送它们， 仅传后面的仅传后面

41、的 k-i 位即可。位即可。 该子集是该子集是 n-i 维线性空间中一个维线性空间中一个 k-i 维子群，构成一个维子群，构成一个 n,k-i 分组缩短码。分组缩短码。该缩短码的最小距离至少与原码相该缩短码的最小距离至少与原码相 同同。 缩短码的缩短码的 G 矩阵只是在原矩阵只是在原 n, k 码的码的 G 阵中去掉左边阵中去掉左边 i 列和上面列和上面 i 行即可。行即可。 缩短码或截短码的缩短码或截短码的 H 矩阵，只要在原码矩阵，只要在原码 H 矩阵中去掉矩阵中去掉 若干列即可得到。若干列即可得到。 缩短码的码率缩短码的码率 R 比原码要小。比原码要小。 北京邮电大学电信工程学院多媒体通

42、信中心门爱东教授北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT27 DVB-S 回顾：回顾： FEC 外码外码 (RS 码码) FEC n 1960 1960 年年 MIT Lincoln Lab MIT Lincoln Lab 的的 Reed Reed 和和 Solomon Solomon 在发表了论文在发表了论文 “Polynomial Codes over Certain Finite FieldsPolynomial Codes over Certain Finite Fiel

43、ds”。 n RS 码是效率很高的分组码，码是效率很高的分组码，RS 码是一类非二进制码是一类非二进制 BCH 码码, 每个符号由每个符号由 m 比特组成。比特组成。既适用于纠随机误码，也特既适用于纠随机误码，也特 别适用于纠突发误码。别适用于纠突发误码。 n 去掉去掉 RS 码的某些信息码元后码的某些信息码元后, 分组长度缩短分组长度缩短, 只要监督码只要监督码 元数不变元数不变, 码的最小距离就不会减少码的最小距离就不会减少, 即即任何一种缩短的任何一种缩短的 RS 码仍是一个最大码码仍是一个最大码。 n 在（在（n，k）RS 码中，输入信息被分成码中，输入信息被分成 km 比特一组，每比

44、特一组，每 组包括组包括 k 个符号，每个符号由个符号，每个符号由 m 比特组成。比特组成。 纠正纠正 t 个符号错误的个符号错误的 RS 码参数如下：码参数如下： 码长码长 n = 2m-1 符号，符号，或或 m(2m-1) 比特比特 信息段信息段 k 符号，符号，或或 km 比特比特 监督段监督段 n-k=2t 符号，符号，或或 m(n-k) 比特比特 最小码距最小码距 d=2t+1 符号，符号，或或 m(2t+1) 比特比特 北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授 Men Aidong, Multimedia Telecommun

45、ication Centre, BUPT28 n DVB-S 采用了采用了 RS（204,188） RS（204,188）是由）是由 RS（255,239）截短得到。）截短得到。 RS（204,188）监督段长）监督段长 16 字节，可以纠正一个字节，可以纠正一个 RS 包中包中 8 个字个字 节的错误。节的错误。 RS(204,188) 编码器的码字生成多项式：编码器的码字生成多项式： 0115 Hex ()()()() =02g DDDD 输入输入 . 输出输出 0 g 1 g 2 g 15 g RS（204,188）编码器结构）编码器结构 域生成多项式域生成多项式 : p(x) = x8

46、 + x4 + x3 + x2 + 1 DVB-S 回顾：回顾： FEC 外码外码 (RS 码码) FEC 北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT29 上图为上图为 64QAM 调制系统中采用调制系统中采用 RS(204,188) 编码前后系统误码率编码前后系统误码率 DVB-S 回顾：回顾： FEC 外码外码 (RS 码码) FEC 北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授

47、 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT30 DVB-S 回顾：回顾：有突发误码的信道有突发误码的信道 FEC n 干扰、衰落、噪声和多普勒频移等都会引入突发误码。干扰、衰落、噪声和多普勒频移等都会引入突发误码。 n 经过信道编译码后，经过信道编译码后，FEC 码译码码译码输出的误码也将呈现突输出的误码也将呈现突 发性发性，无论是分组码，还是卷积码都是如此。无论是分组码，还是卷积码都是如此。 信道编译码的门限效应信道编译码的门限效应 n 卷积码抗突发错能力很差卷积码抗突发错能力很差 卷积码是靠相邻符号间的相关性提供保护的，而此

48、相关性的保持卷积码是靠相邻符号间的相关性提供保护的，而此相关性的保持 时间一般较短。时间一般较短。 n 分组码对突发误码和随机误码的纠错能力基本相当，分组码对突发误码和随机误码的纠错能力基本相当，但码但码 长较短，稍长一些的突发也无能为力。长较短，稍长一些的突发也无能为力。 n 也有专门针对突发误码设计的分组码，但纠随机误码的能也有专门针对突发误码设计的分组码，但纠随机误码的能 力相应降低。力相应降低。 北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre

49、, BUPT31 DVB-S 回顾：回顾：交织交织抗突发误码的有效手段抗突发误码的有效手段 n 交织（交织（interleaving）就是一种将数据的顺序进行变换的）就是一种将数据的顺序进行变换的 处理方法。处理方法。又可称为置换（又可称为置换（permutation）。）。 n 交织器的参数交织器的参数 交织前相邻的符号在交织后的最小距离交织前相邻的符号在交织后的最小距离称为称为交织深度交织深度，交织深度，交织深度 应不小于信道上可能的突发错长度，否则解交织后仍可能存在一应不小于信道上可能的突发错长度，否则解交织后仍可能存在一 定的突发错误。定的突发错误。 交织后相邻的符号在交织前的最小距离

50、交织后相邻的符号在交织前的最小距离称为称为交织宽度交织宽度，交织宽度，交织宽度 应不小于编码的约束长度，或相应的参数，否则突发误码仍不能应不小于编码的约束长度，或相应的参数，否则突发误码仍不能 彻底打散。彻底打散。 n 合理的选择交织参数合理的选择交织参数 抗突发误码的性能：抗突发误码的性能：交织越长越好！交织越长越好！ 交织延迟性能：交织延迟性能：交织越长，信号时延越大，那么中断恢复时间，交织越长，信号时延越大，那么中断恢复时间， 或信道切换时间就越长。或信道切换时间就越长。 北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授 Men Aidon

51、g, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT32 DVB-S 回顾：回顾：交织方式交织方式1 n 块交织（块交织（block interleaver） 将数据流分成长度为将数据流分成长度为 WL 的块，将数据逐行写入一个的块，将数据逐行写入一个 L 行行 W 列列 的矩阵形缓冲区，写满后再逐列读出。的矩阵形缓冲区，写满后再逐列读出。 深度为深度为 L，宽度为，宽度为 W，延时为，延时为 WL。交织和解交织延时总和为。交织和解交织延时总和为 2WL。 x11 x12 x13 x1W x21 x22 x23 x2W . xL1 xL2 xL3 xLW x

52、11 x21 x31 xL1 x12 x22 x32 xLW . x1W x2W x3W xLW 写写 读读 突发错误突发错误 北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT33 n 卷积交织卷积交织（convolutional interleaver） DVB-S 就采用了这种卷积交织方式就采用了这种卷积交织方式 DVB-S 回顾：回顾：交织方式交织方式2 交织器交织器 解交织器解交织器 北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授

53、北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT34 n 随机交织（随机交织（random interleaver) 随机交织随机交织 在每一次使用交织器时，使用完全不同的交织器，每次的交在每一次使用交织器时，使用完全不同的交织器，每次的交 织图案完全随机。织图案完全随机。 一般在不知哪一种确知交织方法最好的情况下，为了分析系一般在不知哪一种确知交织方法最好的情况下，为了分析系 统性能而作的一种平均交织的假设统性能而作的一种平均交织的假设 可以得到一个平均性能，事实上说明至少有一种交织方

54、法可可以得到一个平均性能，事实上说明至少有一种交织方法可 以获得比随机交织更好的性能。以获得比随机交织更好的性能。 理想交织理想交织 交织后的序列完全打散，即原有的突发误码可以变成彻底的交织后的序列完全打散，即原有的突发误码可以变成彻底的 随机误码。随机误码。 理想交织是不可能实现的，但有时为了分析方便，可以做此理想交织是不可能实现的，但有时为了分析方便，可以做此 假设。假设。 DVB-S 回顾：回顾：交织方式交织方式3 北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授 Men Aidong, Multimedia Telecommunicati

55、on Centre, BUPT35 DVB-S 回顾：回顾： FEC 内码内码 (卷积码卷积码) nDVB-S 纠错内码采用了卷积码纠错内码采用了卷积码 卷积码由编码卷积码由编码码率码率 R=k/n 和和约束长度约束长度 N 描述，记做描述，记做 (n, k, N)。 卷积码也是把卷积码也是把 k 个信息比特编成个信息比特编成 n 个比特，但个比特，但 k 和和 n 通常很小，通常很小，特别适用特别适用 于以串行形式传输的信息，延时小于以串行形式传输的信息，延时小。 n-bit 输出是当前输入块与以前输出是当前输入块与以前 (N-1) 个输入块的加权求和，个输入块的加权求和，N一般小于一般小于

56、 9。 卷积码没有固定的码字长度。卷积码没有固定的码字长度。 译码采用译码采用 Viterbi Algorithm 最优的最大似然（最优的最大似然（Maximum Likelihood， ML）译码。）译码。 n 分组码有严格的代数结构，但卷积码至今尚未找到严密的数学手段，把纠错性能与码的构成十分规律分组码有严格的代数结构，但卷积码至今尚未找到严密的数学手段，把纠错性能与码的构成十分规律 的联系起来，目前大都采用计算机来搜索好码。的联系起来，目前大都采用计算机来搜索好码。 n 卷积码可以设想为模卷积码可以设想为模 2 算术的数字滤波器，编码器的记忆可以是有限的，也可以是无限的。算术的数字滤波器

57、，编码器的记忆可以是有限的，也可以是无限的。 Y Output 632 1)( 1xxxxxG Data Input 1-Bit Delay 1-Bit Delay 1-Bit Delay 1-Bit Delay 1-Bit Delay 1-Bit Delay X Output 6532 1)(2xxxxxG 133otc 171otc n 工业标准工业标准 DVB IEEE802.11 IEEE802.16 etc. 北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授 Men Aidong, Multimedia Telecommunicatio

58、n Centre, BUPT36 n 凿孔码凿孔码 Puncturing Codes 按凿孔（按凿孔（Puncturing）图从母码（例如前面的）图从母码（例如前面的1/2 码率卷积码编码）码率卷积码编码） 产生的输出产生的输出 X 和和 Y 中选择最终的码字，达到中选择最终的码字，达到删余增信删余增信的目的，提的目的，提 高编码效率，但这样降低了凿孔码的纠错能力。高编码效率，但这样降低了凿孔码的纠错能力。 1保留 0 删除 DVB-S 回顾：回顾： FEC 内码内码 (卷积码卷积码) 北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授 Men A

59、idong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT37 DVB-S 回顾：回顾： FEC 内码内码 (卷积码卷积码) 译码译码 n 卷积码的译码方法不仅基于码的代数结构基础之上，而卷积码的译码方法不仅基于码的代数结构基础之上，而 且且还利用了信道的统计特性，还利用了信道的统计特性，因而能充分发挥卷积码的因而能充分发挥卷积码的 特点，使译码错误概率达到很小，特点，使译码错误概率达到很小，这种译码称为概率译这种译码称为概率译 码码，即结合信道符号统计特性的译码方法，即结合信道符号统计特性的译码方法。 1961年乌曾格来夫（年乌曾格来夫（Wozencra

60、ft）提出了序列译码，）提出了序列译码， 第一个卷积码的概率译码方法第一个卷积码的概率译码方法 1963年费诺（年费诺（Fano）对序列译码进行了改进，提出了）对序列译码进行了改进，提出了 Fano 算法，推动了序列译码的实用。算法，推动了序列译码的实用。 1967 年维特比（年维特比（Viterbi）提出了另一种概率译码算）提出了另一种概率译码算 法法 Viterbi 算法算法。 Viterbi 译码算法是一种最大似然译码算法。它比序列译码算法译码算法是一种最大似然译码算法。它比序列译码算法 效率更高，速度更快，译码器也简单，因而得到了广泛应用。效率更高，速度更快，译码器也简单，因而得到了广