视频广播标准dvbs2

1、门爱东教授BeijingDVB-S2：第二代卫星数字视频广播Digital Video Broadcasting (DVB):Second generation framing structure, channel coding andmodulation systems for Broadcasting, Interactive Services,News Gathering and other broadband satellite applications主题概述引言DVB-S 回顾 DVB-S2 是什么？ DVB-S2 物理层技术元素 DVB-S2 应用举例参考资料2引言：通信系统模型

2、数字通信系统信源解码信道解码信道信道编码信源编码调制解调可靠性和效率传输子系统主要涉及：信道编码调制信号帧结构3 数字视频广播及所用标准引言：广播系统模型信源编码MPEG2MPEG4H.263H.264AVS传输层地面：8VSB-TISDB-TDMB-T有线：DVB-C卫星：DVB-SDVB-S2信源编码MPEG2MPEG4H.263H.264AVSAV流216M 1.2GTS128kb20MbpsTS透明传输216M1.2GAV流4引言：视频广播网络社区前端第一个有线环Primary Ring第二个有线环Secondary Ring光节点集线器主前端CATV 网其它网络的接口约125 -20

3、00 用户分布式服务平台中央交互式服务平台数据网络(TCP/IP)HFC - Hybrid Fiber Coax混合光纤同轴网络 卫星地面地面地面地面5引言：卫星视频广播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、广播中心和地面接收机（天线、机顶盒）；视频广播最有效的覆盖方式一颗卫星和一个频道就可覆盖整个国家；前端设施成本低廉，包括卫星和广播中心；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。中国也将发射直播星，和 S 波段多媒体广播星。6引言：比特率和

4、波特率有效性比特率表示每秒可传输多少个二元比特，单位是 bit/s。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，单位是 baud/s，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，都表示信息传输的速率，只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。比特率和波特率容易产生混淆，为了避免造成人们的困惑，许多书上称波特率为符号率。对通信系统的评估中通常还定义了净荷速率，它是指在传输的符号中扣除由

5、于信道编码和同步字段等一切额外花销后的“纯”信息速率，单位通常是 bit/s。 7引言：频谱效率和滚降系数有效性频谱效率定义为每赫兹(Hz) 带宽的传输频道上每秒可传输比特数，单位是 bit/s/Hz， 表示通信系统的有效性。 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 1符号(码元)/s/Hz。 频谱效率主要用于衡量各种数字调制技术的效率，在数量上等效于每个调制符号所映射的比特数。BPSK 或 2ASK，理论最高频谱效率为 1bit/s/Hz；QPSK 理论最高频谱效率为 2bit/s/Hz；8PSK理论最高频谱效率为 3bit/s/Hz；16APSK理论

6、最高频谱效率为 4bit/s/Hz；32APSK理论最高频谱效率为 5bit/s/Hz；32QAM理论最高频谱效率达 5bit/s/Hz； 64QAM理论最高频谱效率达 6bit/s/Hz。8数字信号在传输过程中产生二种畸变：叠加干扰与噪声，出现波形失真。瑞典科学家哈利奈奎斯特在1928年为解决电报传输问题提出了数字波形在无噪声线性信道上传输时的无失真条件，称为奈奎斯特准则。奈奎斯特第一准则：抽样点无失真准则，或无码间串扰（ISI Free)准则奈奎斯特第二准则：转换点无失真准则，或无抖动（Jitter Free）准则奈奎斯特第三准则：波形面积无失真准则。引言：频谱效率和滚降系数有效性9理想低

7、通滤波器频域响应理想低通滤波器时域响应第一准则引言：频谱效率和滚降系数有效性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 H(f) 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 sinc(t/T) 函数与另一个时间函数的乘积。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。10常用的奈奎斯特滤波器是升余弦成形滤波器：左图为频域响应 为滚降系数若把升余弦滤波器放置在收发两端，即为平方根升余弦函数（SRRC）。时域响应：引言：频谱效率和滚降系数有效性滚降系数影响着频谱效率，越小，频谱效率就越高，但过小时，升余弦滚降滤波器的设计和实现比

8、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。在实际工程中，的范围一般定在 0.150.5 之间。11引言：误码率和误符号率可靠性用于衡量系统可靠性误码率或误比特率(BER) 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发送的原始码流总比特数的比例。对于多元调制信号，由于接收机的判决是基于符号的，所以更常采用误符号率或误字率，即接收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几里德距离有确切的函数关系。一般地说，星座点越密集，接收端符号判决错误的概率越大。12引言：信噪比、载噪比与 Eb/N0 可靠性定义信噪比 (S/N) 是指传

9、输信号的平均功率与加性噪声的平均功率之比；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之比；它们都以对数的方式来计算，单位为 dB。 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， 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，一般采用信噪比指标。实际数字通信系统的可靠性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 C/N，纵坐

10、标为 BER。对某个 C/N，BER 越小，则说明该通信系统的可靠性越高。 13 C/N (SNR) BER曲线对于 C/NBER曲线，只能比较系统的抗干扰能力（可靠性），无法比较系统的效率。从上图可以看出系统 b 抗干扰能力优于 a。此时系统a，b的效率无法进行比较，有可能 a 优于 b，也可能 b 优于 a。若 b 优于 a，则系统 b 的整体性能优于 a。若 a 优于 b，说明系统 b 通过牺牲效率达到增强抗干扰能力。引言：信噪比、载噪比与 Eb/N0 可靠性abab14Eb/n0BER 曲线Eb: 每比特能量 n0: 单边带高斯白噪声功率谱密度Eb/n0 与 SNR 关系 S：信号功率

11、 N：噪声功率 E：信号能量Rb：比特速率 B：信道带宽 可以看出 Eb/n0 中已经考虑了效率这一因素。引言：信噪比、载噪比与 Eb/n0 可靠性15对于 Eb/n0BER 曲线，可以比较系统的综合性能左图：对相同的 BER，在相同 SNR 条件下，Eb/n0 越小，频谱效率越高。在相同抗干扰能力情况下，系统b效率优于系统a。所以系统 b 综合性能优于a。右图：对相同的 Eb/n0，在相同 SNR 条件下，BER 越小，系统性能越优。所以系统 b 性能优于 a。Eb/n0 可以综合反映系统的性能，但不直观，因为 Eb 和n0 不是系统中可以直接测得的参数，必须通过计算得出；而 C/N 可以通

12、过测量直接得到，但较为片面。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 Eb/n0 。引言：信噪比、载噪比与 Eb/N0 可靠性16Shannon 公式：可靠性与有效性是可以互换的：提高 S/N，能增加信道容量 C当 N 趋向 0，C 趋向无穷大。无干扰信道容量为无穷大增加 B 能提高 C，极限条件下，B 趋向无穷大，C = 1.44S/N当 C 一定时，B 与 S/N 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进行高效而可靠的通信途径可以通过编码来

13、实现。引言：Shannon 定理可靠和效率互换 17 Shannon 定理理论曲线根据仙农定理 ，为了保证可靠传输，必须 ， 经推导可以得到：仙农理论曲线说明：噪声只是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确度。只要信息传输速率低于信道容量 C，理论上可以找到一种编码方式可以获得误码率为任意小的信息传输。（无误码理论曲线）引言：Shannon 定理可靠和效率互换 18引言：Shannon 定理可靠和效率互换 19主题概述引言DVB-S 回顾系统框图信号复接和传输结构能量扩散FEC成形滤波和调制性能DVB-S2 是什么？ DVB-S2 物理层技术元素 DVB-S2 应用举例参考资料

14、20DVB-S 回顾：系统框图DVB-S 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 DVB-S 的关系；业务如何平稳转移、频谱规划、用户 STB 和用户流失等问题；DVB-S 技术方案基于 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。21DVB-S 回顾：信号复接和传输结构TS 流能量扩散RS码交织22DVB-S 回顾：能量扩散PRBS：周期很长 2N-1；1 和 0 大致等概率出现。目的：破连“0” 连“1”，便于时钟恢复；破周期性，降低对其它信道的干扰。方式：自同步；外同步问题：误码

15、扩散23DVB-S 回顾：FEC 前向纠错编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输错误而受到破坏时，可以被发现并予以纠正。这种检错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若采用 000、001、010、011、100、101、110、111， 没有冗余信息，不具有纠错功能。若只选用四种，000、011、101、110。当出现 111 时， 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 000、111，可以用来纠正一位错误。24DVB-S 回顾：线性分组码 FECkkkkkkkkn线性分组（n，

16、k）码。 码字长度 = n 校验位长度 = n-k 信息位长度 = k 码率 R = k/n (编码效率） 在一般情况下，对线性分组码有以下结论： 在一个码组内检测 e 个误码，要求最小码距：dmine+1 在一个码组内纠正 t 个误码，要求最小码距： dmin2t+1 在一个码组内纠正 t 个误码，同时检测 e (et ) 个误码， 要求最小码距： dmin t+e+125校验方程是基础线性分组码既可以用生成矩阵 G，也可以用校验矩阵 H 来描述，两者有： G HT=0 或 H GT=0T 码字 c 如下生成： c = m G例如线性分组码的码字 c 满足： c HT=0 或 H cT=0T

17、DVB-S 回顾：线性分组码 FEC26系统码 信息组以不变的形式在码组的任意 k 位（通常在左边：cn-1, cn-2, ., cn-k）中出现的码，称为系统码，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。系统码码字的前 k 位是原来的信息组，因此，生成矩阵 G 的左边 k 列必是单位方阵 Ik，则 G = IkP 其中，P 是 k(n-k) 阶矩阵 H 矩阵为 H = -PTIn-k 其中，“-” 表示 - PT 阵中的每一个元素是 P 矩阵中对应元素的加法逆元，在二进制时，仍是该元素自己。G 和 H 满足： G HT= IkP -PTIn-kT = 0k 位信息位n-

18、k 位校验位系统码的一种形式DVB-S 回顾：系统码 FEC27DVB-S 回顾：缩短码（截短码） FEC在 n,k 码的码字集合中，挑选前 i 个信息位数字均为 0 的所有码字，组成一个新的子集，则分组码 n-i, k-i 为 n, k 码的缩短码或截短码。由于该子集的前 i 为均取 0，故传输时可以不传送它们，仅传后面的 k-i 位即可。该子集是 n-i 维线性空间中一个 k-i 维子群，构成一个 n,k-i 分组缩短码。该缩短码的最小距离至少与原码相同。缩短码的 G 矩阵只是在原 n, k 码的 G 阵中去掉左边 i 列和上面 i 行即可。缩短码或截短码的 H 矩阵，只要在原码 H 矩阵

19、中去掉若干列即可得到。缩短码的码率 R 比原码要小。28DVB-S 回顾： FEC 外码 (RS 码) FEC1960 年 MIT Lincoln Lab 的 Reed 和 Solomon 在发表了论文“Polynomial Codes over Certain Finite Fields”。 RS 码是效率很高的分组码，RS 码是一类非二进制 BCH 码, 每个符号由 m 比特组成。既适用于纠随机误码，也特别适用于纠突发误码。去掉 RS 码的某些信息码元后, 分组长度缩短, 只要监督码元数不变, 码的最小距离就不会减少, 即任何一种缩短的 RS 码仍是一个最大码。在（n，k）RS 码中，输入

20、信息被分成 km 比特一组，每组包括 k 个符号，每个符号由 m 比特组成。纠正 t 个符号错误的 RS 码参数如下：码长 n = 2m-1 符号，或 m(2m-1) 比特信息段 k 符号，或 km 比特监督段 n-k=2t 符号，或 m(n-k) 比特最小码距 d=2t+1 符号，或 m(2t+1) 比特29DVB-S 采用了 RS（204,188）RS（204,188）是由 RS（255,239）截短得到。RS（204,188）监督段长 16 字节，可以纠正一个 RS 包中 8 个字节的错误。RS(204,188) 编码器的码字生成多项式：输入.输出 RS（204,188）编码器结构域生成

21、多项式 : p(x) = x8 + x4 + x3 + x2 + 1DVB-S 回顾： FEC 外码 (RS 码) FEC30上图为 64QAM 调制系统中采用 RS(204,188) 编码前后系统误码率DVB-S 回顾： FEC 外码 (RS 码) FEC31DVB-S 回顾：有突发误码的信道 FEC干扰、衰落、噪声和多普勒频移等都会引入突发误码。经过信道编译码后，FEC 码译码输出的误码也将呈现突发性，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，而此相关性的保持时间一般较短。分组码对突发误码和随机误码的纠错能力基本相当

22、，但码长较短，稍长一些的突发也无能为力。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。32DVB-S 回顾：交织抗突发误码的有效手段交织（interleaving）就是一种将数据的顺序进行变换的处理方法。又可称为置换（permutation）。交织器的参数交织前相邻的符号在交织后的最小距离称为交织深度，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定的突发错误。交织后相邻的符号在交织前的最小距离称为交织宽度，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彻底打散。合理的选择交织参数抗突发误码的性能：交织越长越好！交织延迟性能：交织越长，信号时

23、延越大，那么中断恢复时间，或信道切换时间就越长。33DVB-S 回顾：交织方式1块交织（block interleaver）将数据流分成长度为 WL 的块，将数据逐行写入一个 L 行 W 列的矩阵形缓冲区，写满后再逐列读出。深度为 L，宽度为 W，延时为 WL。交织和解交织延时总和为 2WL。x11 x12 x13 x1Wx21 x22 x23 x2W .xL1 xL2 xL3 xLWx11 x21 x31 xL1x12 x22 x32 xLW .x1W x2W x3W xLW写读突发错误34卷积交织（convolutional interleaver）DVB-S 就采用了这种卷积交织方式DV

24、B-S 回顾：交织方式2交织器解交织器35随机交织（random interleaver)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法可以获得比随机交织更好的性能。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，可以做此假设。DVB-S 回顾：交织方式336DVB-S 回顾： FEC 内码 (卷积码)DVB-S 纠错内码采用了卷积码卷积码由编码码率 R=k/n 和约束

25、长度 N 描述，记做 (n, k, N)。卷积码也是把 k 个信息比特编成 n 个比特，但 k 和 n 通常很小，特别适用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 (N-1) 个输入块的加权求和，N一般小于 9。卷积码没有固定的码字长度。译码采用 Viterbi Algorithm 最优的最大似然（Maximum Likelihood，ML）译码。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。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。Y Out

26、putDataInput1-BitDelay1-BitDelay1-BitDelay1-BitDelay1-BitDelay1-BitDelayX Output133otc171otc工业标准DVBIEEE802.11IEEE802.16etc.37凿孔码 Puncturing Codes按凿孔（Puncturing）图从母码（例如前面的1/2 码率卷积码编码）产生的输出 X 和 Y 中选择最终的码字，达到删余增信的目的，提高编码效率，但这样降低了凿孔码的纠错能力。1保留 0 删除DVB-S 回顾： FEC 内码 (卷积码)38DVB-S 回顾： FEC 内码 (卷积码) 译码卷积码的译码方法

27、不仅基于码的代数结构基础之上，而且还利用了信道的统计特性，因而能充分发挥卷积码的特点，使译码错误概率达到很小，这种译码称为概率译码，即结合信道符号统计特性的译码方法。1961年乌曾格来夫（Wozencraft）提出了序列译码，第一个卷积码的概率译码方法1963年费诺（Fano）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。1967 年维特比（Viterbi）提出了另一种概率译码算法 Viterbi 算法。 Viterbi 译码算法是一种最大似然译码算法。它比序列译码算法效率更高，速度更快，译码器也简单，因而得到了广泛应用。39上面三图分别为：QPSK-卷积编码、16QAM

28、-卷积编码、64QAM-卷积编码的仿真曲线。卷积编码具有较好的纠错性能。 DVB-S 回顾： FEC 内码 (卷积码)性能40通过随机编码达到信道容量从信息论的角度看，不论是什么信道，只要用随机编码，长度足够长，就可以无限逼近信道容量。而实际的编码长度是很有限的，前面提到的各种编码码都谈不上随机，其码长更不能做得太大，否则根本没法译出来。也可将编码、信道、译码整体看成一个广义的信道。这个广义信道输出还存在错误。因此，对它还可作进一步的纠错编译码。对于有多次编码的系统，对各级编码，看成一个整体编码，就是级联码。级联码的最初想法是为了进一步降低残余误码率（改善渐近性能），但事实上它同样可以提高较低

29、信噪比下的性能。这是由较好的短码进一步构造性能更好的长码（近随机码）的一种途径，即编码的组合，利用短码构造一个低复杂度的长码。DVB-S 回顾：级联码（Concatenated Code)41串行级联码 （Serial Concatenation Code）当由两个编码串联起来构成一个级联码时位于广义信道里面的编码称为内码以广义信道为信道的编码称为外码由于内码译码结果不可避免地会产生突发错误。因此内外码之间一般都要有一层交织器，称为外码交织；而内码与传输信道之间的交织器，称为内码交织器。串行级联码第一个编码器编一个码字，然后第一个的输出作为第二个的输入。R = R1R2 = (k1/n1)(k

30、2 /n2 )。通常 k2 = n1，因此，总的码率 R= k1/n2。例如，串行级联 RS + 卷积码成为普遍使用的标准模式。DVB-S 回顾：级联码（Concatenated Code)Encoder 1Encoder 2Outer codeInner code外码交织器内码交织器42级联码的特点需要指出的是级联虽然大大地提高了纠错能力，但这个能力提高量中的大部分是来源于编码效率的降低。如果从 Eb/n0 的角度看，级联的好处并不太大，但有一个好处是显然的，即在信道质量稍好时（信噪比较大时），误码可以做到非常低，即渐近性能很好。然而在信道质量较差时，新增加的一层编译码反而可能会使误码越纠越

31、多。因此级联存在着明显的门限效应。因此会出现差错的进一步扩展，会出现多级还不如一级的情况，也就是说级联码的门限效应比简单的编码要明显。常见的串行级联方式卷积码为内码，RS 码为外码，即（RS卷积码）。这主要是为了充分利用卷积码可以进行最优的维特比译码，而且可以用软判决译码。而 RS 码又有较好的纠突发错误能力。内码和外码均采用卷积码，特别是当内码译码可以输出软信息时，更为有效。DVB-S 回顾：级联码（Concatenated Code)43DVB-S 回顾：串行级联码 - DVB-T 6 bits 1512 载波6 bits 6048 载波外 码RS(204,188)DataInput交织器

32、交织器内 码FEC(2/3卷积)OFDM调制映 射188Bytes204Bytes204Bytes306Bytes2448BitsQPSK16QAM64 QAM44DVB-S 采用了平方根升余弦滤波器 (SRRC)，滚降系数 为 0.35。基带 SRRC 滤波器具有如下定义的理论函数：输出信号频谱模板DVB-S 回顾： 基带成形滤波45基带成形滤波后的同相分量 I 和正交分量 Q 分别乘以 sin(2f0t) 和 cos(2f0t)，相加后得到正交调制信号 s(t)：DVB-S 回顾： 调制信号in-phase 同相Quadrature 正交46DVB-S 回顾： QPSK 频谱特性QPSK/

33、DQPSKGMSK(MSK)1.01.01.52.02.50.50-120-100-80-60-40-200100.25B3-dBTb = 0.16Normalized Frequency (f-fc)TbPower Spectral Density (dB)47DVB-S 回顾： QSPK 误码特性(AWGN）PbBPSK, QPSKDBPSKDQPSK010-6252525252510-110-310-410-510-22468101214For Pb = 10-3BPSK 6.5 dB QPSK 6.5 dB DBPSK 8 dB DQPSK 9 dBgb, SNR/bit, dB48E

34、b/N0 性能DVB-S 回顾： DVB-S 性能随着发展，DVB-S 已经不适应要求了：新的业务导致了吞吐量的增长HDTV、VOD、交互业务、本地业务等数字信号处理技术的快速发展，特别是上世纪九十年代纠错编码技术的突破（Turbo 码的发明），提供了技术上的强大保证。新的卫星技术能提供更高的 C/N，除了 QPSK 调制，需要新的调制方式，以便更有效地利用更大功率的卫星或点波束的卫星。49主题概述引言DVB-S 回顾DVB-S2 是什么？DVB-S2 物理层技术元素 DVB-S2 应用举例参考资料 50DVB-S2 是指“第二代卫星数字视频广播” 系统，是 DVB-S 的后续发展；欧洲 ET

35、SI 代号为 EM 302 307；DVB-S2 发展历程2002年早期成立 DVB-S2 研究组2002年11月第一、二轮竞争：Comtech、Connexant、European SpaceAgency、HNS、Philips、Spacebridge、ST、Turbo Concept 等 8 家公司参与， “Turbo” 系列方案（并行/串行 Turbo 卷积码 + RS、Turbo 乘积码、LDPC），2003年1月第三、四轮竞争，选择休斯公司 HNS LDPC 系统作为 baseline。2003年 2月征集接收机方案2003年 5月休斯研发成功了 FPGA 版本的 DVB-S2 LD

36、PC 演示2003年 6月休斯提交了 DVB-S2 帧同步和载波相位同步方案2003年 11月发布 DVB-S2 标准草案2004年 1月颁布了 DVB-S2 最终标准。DVB-S2 是什么？Jiang YiminSun FengWenLee LinNanMustafa Eroz51DVB-S2 所处位置DVB-S2IRDsDVB-S2 MODMPEG-TSDVB-S DVB-S2DVB-S DVB-S2高容量下行链路交互信道DVB-RCS52主题概述引言DVB-S 回顾DVB-S2 物理层技术元素模式适配码流适配FEC 编码调制映射物理层成帧SRRC 滤波和正交调制 DVB-S2 应用举例参

37、考资料 53DVB-S2 系统调制端框图BB: BaseBand; PL: Physical layer多个输入码率合并: 定义输入轮询策略BB Header (10bytes)(LDPC-protected)输入适配描述当需要时，填充比特填充虚构帧54DVB-S2 系统解调端框图55DVB-S2 系统配置和应用领域按表1，在传输和接收设备中至少实现标注 “Normative”的子系统和功能，以便符合附录 H 中所给出的模式选择指南。 56DVB-S2 系统开销BCH 外码0.6%DVB-S2 物理层 HeaderQPSK0.3%8PSK0.4%16APSK0.4%同步开销8PSK 2/3 或

38、 3/5 2.2%16APSK 码率2.2%总开销没有同步开销的模式1.0%有同步开销的模式3.2%有用的吞吐：9799%57DVB-S2 模式适配（Mode Adaptation）输入接口；输入码流同步；空包 (Null-packet, NP) 删除；CRC-8 编码器缓存 Buffer合并/分割（Merger/Slicer）基带（BaseBand，BB）信令DVB-S2 模式适配58DVB-S2 可以传输单个或多个码流:MPEG-TS format Generic format (分包的或连续的，例如 IP，.)适用于MPEG-2 DTV 和 HDTV，以及新的编码方案 (例如 H264/

39、AVC, WM9, AVS)每个码流可以采用不同的保护方法DVB-S2 模式适配：透明的输入接口59输入是恒码率的 MPEG TS，传输是变码率的 ACM 调制，但到接收端要恢复 TS 流。MPEG TS 条件 恒定 TS 比特率 但 ACM 是变比特率! 恒定的端到端延时 为了把恒码率（CBR）的 TS 流映射到变码流（VBR）物理层，采取的措施： 空包删除 比特率恒定 输入码率同步 时延恒定 DVB-S2模式适配： 输入码流码率适配60即使业务比特率是可变的（由 ACM 反馈系统控制），但 TS 比特率总是恒定的，因为： 传统的 TS 复用器添加了空包（null-packet，PID=81

40、91D）.DVB-S2模式适配： 输入码流空包删除GTWIPTS 复接器VideoAudioMultimediaTSCBRDVB-S2调制器ACM 物理层空包插入源比特率控制-C/N+I 反馈信道?VBR(ACM)61把 CBR TS 流映射到 VBR 物理层：在调制器端删除 null-packet（NP）.在解调器端在完全相同位置重新插入 null-packetMPEG TS 时间标签 (PCR) 不需要 update!DVB-S2模式适配： 输入码流空包删除62接收机通过 PLL 保持 FIFO 缓存器处于空/满的中间状态，从而恢复 TS 时钟。.因此，按着定义，在稳态时， FIFO 缓存

41、不能吸收时延的变化，MPEG TS 时延恒定的条件不能得到满足。 如果没有输入码流同步处理 .DVB-S2模式适配： 输入码流同步TS 复接器DVB-2 调制器CKTSTS 解复用器卫星信道 延时可变NP空包删除写DVB-2 解调器变速率比特流NP重新生成FIFOBUFFER读TS Clock 再生空/满CKTS63在这种情况下，在稳态和瞬态，FIFO 缓存能够吸收时延和比特码率的变化。MPEG TS 条件得到满足! Rs = 符号率输入码流直接锁定（lock） TX 和 RX 时钟。DVB-S2模式适配： 输入码流同步TS 复用器DVB-2 调制器卫星信道 时延可变空包删除写DVB-2 解调

42、器VBR码流FIFOBUFFER读CKTSRsTS 解复用器空包再生CKTS64在每个 TS 包附加 Input Stream Clock Reference (ISCR)。 接收机产生一个本地时间戳，与 ISCR 比较，锁定接收机 TS 流时钟。DVB-S2模式适配： 输入码流同步ACM 和 MPEG TS 输入码流同步处理计数器计数器NCO比较插入在 TS 包中的时间戳ISCR 接收到的 ISCR本地时间戳RsTS Clock 的”传输链”是符号码率 (Rs)TS 复接器DVB-2 调制器CKTSTS 解复用器卫星信道 延时可变NP空包删除写DVB-2 解调器NP重新生成FIFOBUFFE

43、R读空/满CKTS65接收机 FIFO buffer “吸收” 传输链路中动态时延变化。 输入码流同步在接收端的处理DVB-S2模式适配： 输入码流同步Rs读取 DNPRTS相位差初始化使用的缓存大小 BUFS和缓存状态 BUFSTAT 读取 ISCRMod 222计数器解调时钟恢复装载第一个ISCR15 or 22 MSBFIFOBuffer 写入 TS 包+ ISCR 读取 TS 包空包重新插入比较NCOLPF15 or 22 bit有效包PLL66DVB-S2模式适配： CRC-8 编码器 (只对包码流） 如果 UPL=0D (连续通用码流)，输入码流没有改变，直接跳过 CRC-8 编码

44、器。如果 UPL0D，输入码流是长度为 UPL bit 的序列，UP 有用部分(不包括同步byte)将进行 8bit CRC系统码编码。CRC-8 生成多项式：CRC 编码输出为：其中 u(X) 是输入序列（UPL-8bit)。UPL=User Packet Length， UP=User Packet67CRC 通过移位寄存器实现，在每个序列的第一个比特输入电路之前，所有的寄存器初始化为0。计算得到的 CRC-8 码字将代替随后 UP 的同步字，而此同步字将 Copy 到 BBHeader 的 SYNC 域，用于传输。DVB-S2模式适配： CRC-8 实现框图 68DVB-S2模式适配：合

45、并/分割 Merger/Slicer输入码流是通用连续或打包码流，在 Merger/Slicer 读取它们之前，输入码流应该缓存。Slicer 将从它的输入（单个或多个之一）读取一段数据组成长度为 DFL(Data Field Length) bit的 DataField 域。Kbch (108) DFL 0Kbch 见下表 5，(810) = 80bit 表示 BBHeader，见后描述。Merger 将拼接成单一的一个输出，不同的数据域从它的输入码流中读取和分割数据。对于单个码流，只存在分割 (Slicer) 功能块。DataField 把组织来自单一输入端口的比特，并按着相同的传输模式（

46、FEC 和调制）进行传输。Merger/Slicer 优先原则依赖于应用和遵循 DVB-S2 标准所描述的策略。依赖于应用，Merger/Slicer 分配比特数：输入比特数等于 DataField 最大容量（DFL = Kbch 80 bit)，则分割的 UP 放在随后的 DataField 域；DataField中分配整数个 Ups，则在上述要求的边界内 DFL 是可变的。当 Merger/Slicer 请求，而 DataField 无效时，物理层成帧模块将产生和传输一个虚构物理帧（Dummy PLFrame）。69前述 CRC-8 代替同步字后，必须为接收机提供一个方法来恢复 UP 同步

47、 (当接收机已实现 DataField 域同步时)。Merger/Slicer 计算 DataField 开始到第一个完整 UP 开始 (CRC-8 的第一个比特)的比特数； 存储在 BBHeader 的 SYNCD域 (Sync Distance)。SYNCD=0D，表示第一个 UP 与 DataField 对齐。DVB-S2模式适配：合并/分割 Merger/Slicer70DVB-S2模式适配：BaseBand HeaderBBHeader 位于 DataField 域之前，具有固定长度 80bit = 10byte8。MATYPE-1 描述了输入码流格式，模式适配类型和滚降系数，见表

48、3。MATYPE-2 为多个输入码流的指示，否则保留。其它 BBHeader 比特描述了UPL、DFL、SYNC、SYNCD和 CRC-8等系统信息，见表 4。 滚降空包删除输入同步指示恒定/自适应编码和调制单个/多个输入码流连续/分包码流用户包长度数据域长度同步字同步距离纠错71DVB-S2 码流适配输入是 BBHeader 和随后的 DataField 域，输出码流为 BBFrame。码流适配模块通过填充 (Padding) 构建恒定长度(Kbch bit)的 BBFrame，然后进行扰乱。当传输的有效用户数据不能填满完整的 BBFrame 时，或当整数 UP 分配给了 BBFrame 时

49、，可能需要填充（补 “0”）处理。对于广播业务应用，没有填充。BBHeaderDataFieldBBFrameBBFrame格式72DVB-S2 码流适配：BB 扰乱完整的 BBFrame 进行随机化处理，随机序列应与 BBFrame 同步，从 MSB 开始，Kbch bit 后结束。扰乱序列采用反馈移位寄存器生成：PRBS 生成多项式为：1 X14 X15在每个 BBFrame 起始处，PRBS 寄存器初始化序列为 1000。73此功能块完成：外码（BCH）内码（LDPC）比特交织输入为 Kbch bit的 BBFrame，输出为 nldpc bit 的 FECFrame。BCH 外码的校验

50、位 (BCHFEC) 附加在 BBFrame 后面，而 LDPC 内码的校验位（LDPCFEC）将附加在 BCHFEC 域后面。DVB-S2 FEC 编码BBFrameFECFrame74 正常 FECFrame（nldpc =64800bits)DVB-S2 FEC 编码：编码参数75 短小 FECFrame （nldpc =16200bits）DVB-S2 FEC 编码：编码参数76DVB-S2 FEC 编码：外码 BCH纠 t 个错误的 BCH 编码器的生成多项式是通过把下表中的前 t 个多项式相乘而得到的。 BCH 编码参数如下表所示。77DVB-S2 FEC 编码：外码 BCH78D

51、VB-S2 FEC 编码：外码 BCH信息比特：BCH 码字：BCH 编码过程：消息多项式 m(x) 乘以 除以生成多项式 g(x)。令 d(x）为余项：得码字多项式：79Low Density Parity Check (LDPC) Code1963年 Robert Gallager 在其博士论文中提出了规则 LDPC 码，但没有有效的实现而沉寂了，在九十年代 Turbo 码热潮中获得了新生，1995年 Mackyay 和 Neal 重新介绍了 LDPC，成为热点。LDPC 码是长的线性分组码，其校验矩阵 H 是稀疏矩阵，即 H 有大量的 0 和小量的 1 组成。码组长度 n 通常很大，从几

52、千到几十万比特。列中 1 的个数 J 3行中 1 的个数 K J设计的码率 R = (K-J)/K参考文章Gallager, R. G., Low Density Parity Check Codes, MIT Press, 1963.MacKay DJ, Neal RM. Good codes based on very sparse matrices. Fifth IMA Conference 1995;100111.MacKay DJ, Neal RM. Near Shannon limit performance of low density parity check codes. E

53、lectronics Letters 1997;33(6):457458.Richardson T, Urbanke R. Efficient encoding of low-density parity check codes. IEEE Transactions on Information Theory 2001; 47:638656.Richardson T, Shokrollahi A, Urbanke R. Design of capacity approaching irregular low density parity check codes. IEEE Transactio

54、ns on Information Theory 2001; 47:619637.DVB-S2 FEC 编码：内码 LDPC80规则 LDPC 码：每行中有相同数量的 “1”，每列亦是。规则 LDPC 码的 H 矩阵举例n= 20, J = 3, K = 4, dmin = 6, 设计码率 = 1/4, 实际码率 = 7/20.DVB-S2 FEC 编码：内码 LDPC81无规则的 LDPC 码在行向量中 1 的数目可能不相同，同样，列向量中也是如此。相对于规则的 LDPC 码，如果选择适当，将具有更好的性能。基于图论的强大的迭代译码算法。软判决：Sum-Product 算法硬判决：Bit-f

55、lipping 算法DVB-S2 FEC 编码：内码 LDPCLDPC 长度 N =1024 码率 R 30次 BP 迭代82为什么采用 LDPC 码？有何特点？人们对 Turbo 码系列进行了大量研究，需要标准化；LDPC 用最小的复杂度，提供了最好的性能；较短的码字使复杂度减半，性能损失 0.2dB.这意味着在相同性能时，若LDPC 采用全 BP (Belief Propagation) 译码算法，与 Turbo 码相比，LDPC 复杂度只有 。复杂度和性能之间更灵活的折中：易于并行解码，只包含加法、比较和查表等简单操作。并行度是“可调整的”，可在全并行和全串行之间折中实现量化字长显著影响

56、实现性能除了 BP 译码算法，还有其它众多的次最优译码算法不需要码交织码结构本身就直接构成了随机化处理对于系统码，系统具有短的延迟简单有效的迭代译码本身适于双向图表示LDPC 具有误码平台（Error Floor），DVB-S2 FEC 采用了 BCH + LDPC，二进制码 (比如 BCH) 对所有的调制方式都具有良好的性能。DVB-S2 FEC 编码：内码 LDPC83线性分组码线性分组码既可以用生成矩阵 G，也可以用校验矩阵 H 来描述，两者有： G HT=0 或 H GT=0T 假如规则 LDPC 为 n=8，码率为 ，其校验矩阵为：二进制信息矢量： u = (u1, u2, u3,

57、u4) (长度 k)码矢量（码字）： c = u G = (c1, c2, c3, c4, c5, c6, c7, c8) (长度 n）线性分组码的码字 c 满足： c HT=0 或 H cT=0TDVB-S2 FEC 编码：内码 LDPC84LDPC 双向图和解码图形描述最重要的结果：高效迭代译码(软判决) 消息传递:变量节点和校验节点相互传递可靠性 (对数似然性 log-likelihoods)校验节点决定哪些变量是不可靠的，并“抑制”它们的输入。图中线的数目 = H 的密度稀疏 = 小的复杂度在标准信道中最好性能：长的、随机似的 LDPC 码DVB-S2 FEC 编码：内码 LDPCn1

58、 中非 0 处和 mn 相连求和后为0 则无错85 LDPC 解码结构之一是可采用并行迭代译码结构12PEc1PEv1PEv2.PEv3PEv4Interconnect FabricPEvnPEc2PEkM全并行例如 DVB-S2 卫星接收机:64800 变量节点处理单元 PEv6,000-3,200 校验节点处理单元 PEc高吞吐量，低功耗路由复杂A. Blanksby and C. J. Howland, JSSC 2002DVB-S2 FEC 编码：内码 LDPC变量节点校验节点86 部分并行实现 (Parhi et al, 2002) 结构化的 LDPC codesVNU交换单元信道信

59、息外信息硬判决Address LocatorVNUChannel InfoExtrinsicinfoHard DecisionVNUChannel InfoExtrinsicinfoHard DecisionAddress LocatorAddress LocatorBlocks of variable nodes(say L nodes) per VNU, taking L clock cycles per iterationCNUCNUCNUCNUDVB-S2 FEC 编码：内码 LDPC87小的面积和路由大量的存储需求由于存储器访问，所以吞储量小。存储器Memory软输入校验节点处理变量

60、节点处理下次迭代DVB-S2 FEC 编码：内码 LDPC串行实现88DVB-S2 FEC 编码：BCH + LDPC级联LDPC 与 BCH 构成级联码BCH 外码：主要是抵抗 LDPC 在低 BER（10-？）时出现的误码平台(Error Floor)。LDPC 编码参数见前面表 5：码分组长度 64800 bit (或 16200 bit)有效编码码率: 1/4, 1/3, 2/5, 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6, 8/9, 9/10The receiving chip complexity target : 10 mm2 with today 0.09 m