视频广播标准DVBS

门爱东教授

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BeijingDVB-S2：第二代卫星数字视频广播DigitalVideoBroadcasting(DVB):Secondgenerationframingstructure,channelcodingandmodulationsystemsforBroadcasting,InteractiveServices,NewsGatheringandotherbroadbandsatelliteapplications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~1.2GTS128kb~20MbpsTS透明传输216M~1.2GAV流4引言：视频广播网络社区前端第一个有线环PrimaryRing第二个有线环SecondaryRing光节点集线器主前端CATV网其它网络的接口约125-2000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-HybridFiberCoax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-airDBS；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（ISIFree)准则奈奎斯特第二准则：转换点无失真准则，或无抖动（JitterFree）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常用用的的奈奈奎奎斯斯特特滤滤波波器器是是升余余弦弦成成形形滤滤波波器器：：左图图为为频频域域响响应应为为滚滚降降系系数数若把把升升余余弦弦滤滤波波器器放放置置在在收收发发两两端端，，即即为为平方方根根升升余余弦弦函函数数（（SRRC））。时域域响响应应：：引言言：：频谱谱效效率率和和滚滚降降系系数数——有有效效性性滚降降系系数数аа影影响响着着频频谱谱效效率率，，аа越越小小，，频频谱谱效效率率就就越越高高，，但但аа过过小小时时，，升升余余弦弦滚滚降降滤滤波波器器的的设设计计和和实实现现比比较较困困难难，，而而且且当当传传输输过过程程中中发发生生线线性性失失真真时时产产生生的的符符号号间间干干扰扰也也比比较较严严重重。。在实实际际工工程程中中，，аа的的范范围围一一般般定定在在0.15～～0.5之间间。。11引言言：：误码码率率和和误误符符号号率率——可可靠靠性性用于于衡衡量量系系统统可靠靠性性误码码率率或误误比比特特率率(BER)是是指指在在经经过过系系统统传传输输后后，，送送给给用用户户的的接接收收码码流流中中发发生生错错误误的的比比特特数数占占信信源源发发送送的的原原始始码码流流总总比比特特数数的的比比例例。。对于于多多元元调调制制信信号号，，由由于于接接收收机机的的判判决决是是基基于于符符号号的的，，所所以以更更常常采采用用误符符号号率率或误误字字率率，，即即接接收收端端发发生生符符号号错错误误的的比比例例。。线性性调调制制系系统统的的误误符符号号率率与与其其星星座座图图中中星星座座点点间间的的欧欧几几里里德德距距离离有有确确切切的的函函数数关关系系。。一般般地地说说，，星座座点点越越密密集集，，接接收收端端符符号号判判决决错错误误的的概概率率越越大大。12引言言：：信噪噪比比、、载载噪噪比比与与Eb/N0—可可靠靠性性定义义信噪噪比比(S/N)是指指传传输输信信号号的的平平均均功功率率与与加加性性噪噪声声的的平平均均功功率率之之比比；；载噪噪比比(C/N)指已已经经调调制制的的信信号号的的平平均均功功率率与与加加性性噪噪声声的的平平均均功功率率之之比比；；它们们都都以以对对数数的的方方式式来来计计算算，，单单位位为为dB。。信噪噪比比与与载载噪噪比比区区别别在在于于，，载载噪噪比比中中的的已已调调信信号号的的功功率率包包括括了了传传输输信信号号的的功功率率和和调调制制载载波波的的功功率率，，而而信信噪噪比比中中仅仅包包括括传传输输信信号号的的功功率率。。对同一一个传传输系系统而而言，，载噪噪比要要比信信噪比比大，，两两者之之间相相差一一个载载波功功率。。当然然载波波功率率与传传输信信号功功率相相比通通常都都是很很小的的，因因而载载噪比比与信信噪比比在数数值上上十分分接近近。在调制制传输输系统统中，，一般般采用用载噪噪比指指标；；而在在基带带传输输系统统中，，一般般采用用信噪噪比指指标。。实际数数字通通信系系统的的可靠性性性能常常以一一个载载噪比比对误误码率率的关关系曲曲线来来描述述的，，曲线线的横横坐标标为C/N，，纵坐坐标为为BER。对对某个个C/N，BER越越小，，则说说明该该通信信系统统的可可靠性性越高高。13C/N(SNR)~BER曲线线对于C/N~BER曲曲线，，只能比比较系系统的的抗干干扰能能力（（可靠靠性）），无法比比较系系统的的效率率。从上上图可可以看看出系系统b抗抗干干扰能能力优优于a。。此时系系统a，b的效率率无法法进行行比较较，有有可能能a优于b，也也可能能b优优于a。。若b优优于于a，则则系统统b的的整体体性能能优于于a。若若a优优于b，，说明明系统统b通通过牺牺牲效效率达达到增增强抗抗干扰扰能力力。引言：：信噪比比、载载噪比比与Eb/N0—可靠靠性abab14Eb/n0~BER曲曲线线Eb:每每比特特能量量n0:单单边带带高斯斯白噪噪声功功率谱谱密度度Eb/n0与SNR关关系S：信信号功功率N：：噪声声功率率E：：信号号能量量Rb：比特特速率率B：：信道道带宽宽可以看看出Eb/n0中已经经考虑了效率率这一一因素素。引言：：信噪比比、载载噪比比与Eb/n0—可靠靠性15对于Eb/n0~BER曲曲线线，可可以比比较系系统的的综合合性能能左图：：对相相同的的BER，在在相同同SNR条条件下下，Eb/n0越小，，频谱谱效率率越高高。在在相同同抗干干扰能能力情情况下下，系系统b效率率优于于系统统a。。所以以系统统b综综合性性能优优于a。右图：：对相相同的的Eb/n0，在相相同SNR条条件件下，，BER越小，，系统统性能能越优优。所所以系系统b性能优优于a。Eb/n0可以综合反反映系系统的的性能能，但但不直直观，因为Eb和n0不是系系统中中可以以直接接测得得的参参数，，必须须通过过计算算得出出；而C/N可可以以通过过测量量直接接得到到，但但较为为片面面。因此当当需要要直接接了解解系统统的可可靠性性时，，一般般使用用C/N；而而当需需要横横向比比较不不同系系统的的性能能时，，一般般使用用Eb/n0。引言：：信噪比比、载载噪比比与Eb/N0—可靠靠性16Shannon公公式：：可靠靠性与与有效效性是是可以以互换换的：：提高S/N，，能增增加信信道容容量C当N趋趋向0，，C趋趋向向无穷穷大。。无干干扰信信道容容量为为无穷穷大增加B能能提提高C，，极限限条件件下，，B趋趋向向无穷穷大，，C=1.44S/N当C一一定时时，B与与S/N可可以互互换Shannon定定理为为信道道编码码奠定定了理理论基基础，，虽然然定理理本身身并没没有给给出具具体的的编码码方法法和结结构，，但它它从理理论上上为信信道编编码的的发展展指出出了方方向——进行高高效而而可靠靠的通通信途途径可可以通通过编编码来来实现现。引言：：Shannon定定理－－可靠靠和效效率互互换17Shannon定定理理理论曲曲线根据仙仙农定定理，，为了保保证可可靠传传输，必须须，，经推导导可以以得到到：仙农理理论曲曲线说说明：：噪声只只是限限制了了可以以得到到的信信息传传输速速率，，但不不能限限制可可以获获得的的精确确度。。只要要信息息传输输速率率低于于信道道容量量C，理理论上上可以以找到到一种种编码码方式式可以以获得得误码码率为为任意意小的的信息息传输输。（（无误码码理论论曲线线）引言：：Shannon定定理－－可靠靠和效效率互互换18引言：：Shannon定定理－－可靠靠和效效率互互换19主题概概述引言DVB-S回顾系统框框图信号复复接和和传输输结构构能量扩扩散FEC成形滤滤波和和调制制性能DVB-S2是什么么？DVB-S2物理层层技术术元素素DVB-S2应用举举例参考资资料20DVB-S回回顾：：系统框框图DVB-S是是通信信史上上最成成功的的标准准之一一：这意味着新新的标准需需要很好地地处理与DVB-S的关关系；业务如何平平稳转移、、频谱规划划、用户STB和和用户流流失等问题题；DVB-S技术方方案基于RS码和卷卷积码构成成的级联码码，是上世世纪六七十十年代提出出的纠错编编码技术，，非常成熟熟；QPSK是是唯一的的调制方案案，这限制制了总的数数据吞吐量量。21DVB-S回顾：：信号复接和和传输结构构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和和0大大致等概概率出现。。目的：破连连“0”连“1”，便于时钟钟恢复；破破周期性，，降低对其其它信道的的干扰。方式：自同同步；外同同步问题：误码码扩散23DVB-S回顾：：FEC前前向纠错编编码信道编码的的基本思想想是在被传传送的信息息中附加一一些监督码码元，在两两者之间建建立某种校校验关系，，当这种校校验关系因因传输错误误而受到破破坏时，可可以被发现现并予以纠纠正。这种检错和和纠错能力力是用信息息量的冗余余度来换取取的。例：对于三三位二进制制码组若采用000、001、010、011、100、101、110、111，没有冗余信信息，不具具有纠错功功能。若只选用四四种，000、011、101、110。当出出现111时，，表示出现了了差错，但但此时不具具有纠错功功能，只有有检错功能能。若只采用000、、111，，可以用来来纠正一位位错误。24DVB-S回顾：：线性分组码码—FECkkkkkkkkn线性分组（n，k））码。码字长度=n校验位长度度=n-k信息位长度度=k码率R=k/n(编码效率率）在一般情况况下，对线线性分组码码有以下结结论：在一个码组组内检测e个误误码，要求求最小码距距：dmin≥e+1在一个码组组内纠正t个误误码，要求求最小码距距：dmin≥2t+1在一个码组组内纠正t个误误码，同时时检测e(e≥≥t)个个误码，，要求最最小码距：：dmin≥t+e+125校验方程是基础线性分组码码既可以用用生成矩阵阵G，也也可以用校校验矩阵H来描描述，两者者有：G·HT=0或或H·GT=0T码字c如下生成：：c=m·G例如线性分组码码的码字c满足：c·HT=0或或H·cT=0TDVB-S回顾：：线性分组码码—FEC26系统码信息组以不不变的形式式在码组的的任意k位（通通常在左边边：cn-1,cn-2,…..,cn-k）中出现的的码，称为为系统码，否则为非非系统码。。系统码既既可以是分分组码，也也可以是后后面要讲的的卷积码。。系统码码字字的前k位是原原来的信息息组，因此此，生成矩矩阵G的左边k列必是是单位方阵阵Ik，则G=[IkP]其中，P是是k××(n-k)阶矩矩阵H矩阵为H=[-PTIn-k]其中，“-”表示示-PT阵中的每一一个元素是是P矩矩阵中对应应元素的加加法逆元，，在二进制制时，仍是是该元素自自己。G和H满足：G·HT=[IkP][-PTIn-k]T=0k位信息位n-k位校验位系统码的一一种形式DVB-S回顾：：系统码——FEC27DVB-S回顾：：缩短码（截截短码）——FEC在[n,k]码码的码字集集合中，挑挑选前i个信息息位数字均均为0的的所有码码字，组成成一个新的的子集，则则分组码[n-i,k-i]为为[n,k}码码的缩短短码或截短短码。由于该子集集的前i为均取取0，故故传输时可可以不传送送它们，仅仅传后面的的k-i位即可可。该子集是n-i维维线性空空间中一个个k-i维子群群，构成一一个[n,k-i]分组组缩短码。。该缩短码的的最小距离离至少与原原码相同。缩短码的G矩阵只是在在原[n,k]码的G阵中去掉左左边i列列和上面面i行行即可。缩短码或截截短码的H矩阵，只要要在原码H矩阵阵中去掉若若干列即可可得到。缩短码的码码率R比比原码要要小。28DVB-S回顾：：FEC外外码(RS码)—FEC1960年年MITLincolnLab的Reed和Solomon在在发表了论论文“PolynomialCodesoverCertainFiniteFields”。RS码是是效率很高高的分组码码，RS码是是一类非二二进制BCH码码,每个符符号由m比特组组成。既适用于纠纠随机误码码，也特别别适用于纠纠突发误码码。去掉RS码的某某些信息码码元后,分分组长度度缩短,只只要监督督码元数不不变,码码的最小距距离就不会会减少,即即任何一种缩缩短的RS码仍仍是一个最最大码。在（n，k）RS码中，输入入信息被分分成km比特特一组，每每组包括k个符符号，每个个符号由m比特特组成。纠正t个个符号错错误的RS码参数如下下：码长n=2m-1符号，或或m(2m-1)比比特信息段k符符号，或或km比特监督段n-k=2t符符号，或或m(n-k)比特特最小码距d=2t+1符号号，或或m(2t+1)比特29DVB-S采用了了RS（（204,188））RS（204,188）是由由RS（（255,239））截短得到到。RS（204,188）监督督段长16字节节，可以纠纠正一个RS包包中8个个字节的的错误。RS(204,188)编编码器的码码字生成多多项式：输入......输出RS（204,188）编码器结构域生成多项项式:p(x)=x8+x4+x3+x2+1DVB-S回顾：：FEC外外码(RS码)—FEC30上图为64QAM调制系系统中采用用RS(204,188)编码前前后系统误误码率DVB-S回顾：：FEC外外码(RS码)—FEC31DVB-S回顾：：有突发误码码的信道——FEC干扰、衰落落、噪声和和多普勒频频移等都会会引入突发发误码。经过信道编编译码后，，FEC码码译码输出的误码码也将呈现现突发性，无论是分组组码，还是是卷积码都都是如此。。信道编译码码的门限效效应卷积码抗突突发错能力力很差卷积码是靠靠相邻符号号间的相关关性提供保保护的，而而此相关性性的保持时时间一般较较短。分组码对突发发误码和随机机误码的纠错错能力基本相相当，但码长较短，，稍长一些的的突发也无能能为力。也有专门针对对突发误码设设计的分组码码，但纠随机机误码的能力力相应降低。。32DVB-S回回顾：交织—抗突发发误码的有效效手段交织（interleaving））就是一种将将数据的顺序序进行变换的的处理方法。。又可称为置换换（permutation）。交织器的参数数交织前相邻的的符号在交织织后的最小距距离称为交织深度，交织深度应应不小于信道道上可能的突突发错长度，，否则解交织织后仍可能存存在一定的突突发错误。交织后相邻的的符号在交织织前的最小距距离称为交织宽度，交织宽度应应不小于编码码的约束长度度，或相应的的参数，否则则突发误码仍仍不能彻底打打散。合理的选择交交织参数抗突发误码的的性能：交织越长越好好！！！交织延迟性能能：交织越长，信信号时延越大大，那么中断断恢复时间，，或信道切换换时间就越长长。33DVB-S回回顾：交织方式1块交织（blockinterleaver）将数据流分成成长度为W×L的块块，将数据逐逐行写入一个个L行W列的矩矩阵形缓冲区区，写满后再再逐列读出。。深度为L，，宽度为W，延时为WL。交织织和解交织延延时总和为2WL。x11x12x13……x1Wx21x22x23……x2W…………………………..xL1xL2xL3……xLWx11x21x31……xL1x12x22x32……xLW…………………………..x1Wx2Wx3W……xLW写读突发错误34卷积交织（convolutionalinterleaver）DVB-S就就采用了这这种卷积交织织方式DVB-S回回顾：交织方式2交织器解交织器35随机交织（randominterleaver)随机交织在每一次使用用交织器时，，使用完全不不同的交织器器，每次的交交织图案完全全随机。一般在不知哪哪一种确知交交织方法最好好的情况下，，为了分析系系统性能而作作的一种平均均交织的假设设可以得到一个个平均性能，，事实上说明明至少有一种种交织方法可可以获得比随随机交织更好好的性能。理想交织交织后的序列列完全打散，，即原有的突突发误码可以以变成彻底的的随机误码。。理想交织是不不可能实现的的，但有时为为了分析方便便，可以做此此假设。DVB-S回回顾：交织方式336DVB-S回回顾：FEC内码码(卷积码码)DVB-S纠纠错内码采采用了卷积码码卷积码由编码码码率R=k/n和约束长度N描述，记做(n,k,N)。。卷积码也是把把k个信信息比特编成成n个比比特，但k和n通通常很小，，特别适用于以以串行形式传传输的信息，，延时小。n-bit输输出是当前前输入块与以以前(N-1)个输输入块的加权权求和，N一般小于9。卷积码没有固固定的码字长长度。译码采用ViterbiAlgorithm——最优的的最大似然（（MaximumLikelihood，ML）译码。。分组码有严格格的代数结构构，但卷积码码至今尚未找找到严密的数数学手段，把把纠错性能与与码的构成十十分规律的联联系起来，目目前大都采用用计算机来搜搜索好码。卷积码可以设设想为模2算术的数数字滤波器，，编码器的记记忆可以是有有限的，也可可以是无限的的。YOutputDataInput1-BitDelay1-BitDelay1-BitDelay1-BitDelay1-BitDelay1-BitDelayXOutput133otc171otc工业标准DVBIEEE802.11IEEE802.16etc.37凿孔码PuncturingCodes按凿孔（Puncturing）图图从母码（例例如前面的1/2码率率卷积码编码码）产生的输输出X和和Y中选选择最终的码码字，达到删余增信的目的，提高高编码效率，，但这样降低低了凿孔码的的纠错能力。。1—保留0——删除DVB-S回回顾：FEC内码码(卷积码码)38DVB-S回回顾：FEC内码码(卷积码码)译码卷积码的译码码方法不仅基基于码的代数数结构基础之之上，而且还利用了信道道的统计特性性，因而能充分发发挥卷积码的的特点，使译译码错误概率率达到很小，，这种译码称为为概率译码，即结合信道道符号统计特特性的译码方方法。1961年乌乌曾格来夫（（Wozencraft）提出了序序列译码，第第一个卷积码码的概率译码码方法1963年费费诺（Fano）对序列列译码进行了了改进，提出出了Fano算法，，推动了序列列译码的实用用。1967年年维特比（Viterbi）提出了了另一种概率率译码算法——Viterbi算算法。Viterbi译码算算法是一种最最大似然译码码算法。它比比序列译码算算法效率更高高，速度更快快，译码器也也简单，因而而得到了广泛泛应用。39上面三图分别别为：QPSK-卷积编编码、16QAM-卷积积编码、64QAM-卷卷积编码的仿仿真曲线。卷积编码具有有较好的纠错错性能。DVB-S回回顾：FEC内码码(卷积码码)性能40通过随机编码码达到信道容容量从信息论的角角度看，不论论是什么信道道，只要用随随机编码，长长度足够长，，就可以无限限逼近信道容容量。而实际的编码码长度是很有有限的，前面面提到的各种种编码码都谈谈不上随机，，其码长更不不能做得太大大，否则根本本没法译出来来。也可将编码、信道道、译码整体体看成一个广广义的信道。这个广义信道道输出还存在在错误。因此，对它还还可作进一步步的纠错编译译码。对于有多次编编码的系统，，对各级编码码，看成一个个整体编码，，就是级联码码。级联码的最初初想法是为了了进一步降低低残余误码率率（改善渐近近性能），但但事实上它同同样可以提高高较低信噪比比下的性能。。这是由较好的的短码进一步步构造性能更更好的长码（（近随机码））的一种途径径，即编码的组合合，利用短码构造造一个低复杂杂度的长码。。DVB-S回回顾：级联码（ConcatenatedCode)41串行级联码（SerialConcatenationCode）当由两个编码码串联起来构构成一个级联联码时位于广义信道道里面的编码码称为内码以广义信道为为信道的编码码称为外码由于内码译码码结果不可避避免地会产生生突发错误。。因此内外码码之间一般都都要有一层交织器，称为为外码交织；；而内码与传输输信道之间的的交织器，称为内码交织织器。串行级联码第一个编码器器编一个码字字，然后第一一个的输出作作为第二个的的输入。R=R1×R2=(k1/n1)×(k2/n2)。通常k2=n1，因此，总的的码率R=k1/n2。例如，串行级联RS+卷卷积码成为普普遍使用的标标准模式。DVB-S回回顾：级联码（ConcatenatedCode)Encoder1Encoder2OutercodeInnercode外码交织器内码交织器42级联码的特点点需要指出的是是级联虽然大大大地提高了了纠错能力，，但这个能力力提高量中的的大部分是来来源于编码效率的降降低。如果从Eb/n0的角度看，级级联的好处并并不太大，但但有一个好处处是显然的，，即在信道质量量稍好时（信信噪比较大时时），误码可可以做到非常常低，即渐近近性能很好。然而在信道质量较较差时，新增增加的一层编编译码反而可可能会使误码码越纠越多。。因此级联存在在着明显的门限效应。因此会出现现差错的进一一步扩展，会会出现多级还还不如一级的的情况，也就就是说级联码的门限限效应比简单单的编码要明明显。常见的串行级级联方式卷积码为内码码，RS码码为外码，即即（RS＋卷积积码）。这主要是为为了充分利用用卷积码可以以进行最优的的维特比译码码，而且可以以用软判决译译码。而RS码又有有较好的纠突突发错误能力力。内码和外码均均采用卷积码码，特别是当内内码译码可以以输出软信息息时，更为有有效。DVB-S回回顾：级联码（ConcatenatedCode)43DVB-S回回顾：串行级联码-DVB-T6bits××1512载波

6bits××6048载波外码RS(204,188)DataInput交织器交织器内码FEC(2/3卷积)OFDM调制映射188Bytes204Bytes204Bytes306Bytes2448BitsQPSK16QAM64QAM44DVB-S采用了了平方根升升余弦滤波波器(SRRC)，滚降系系数α为为0.35。基带SRRC滤滤波器具有有如下定义义的理论函函数：输出信号频谱模板DVB-S回顾：：基带成形滤滤波45基带成形滤滤波后的同同相分量I和正正交分量Q分别别乘以sin(2πf0t)和cos(2πf0t)，相加加后得到正正交调制信信号s(t)：DVB-S回顾：：调制信号in-phase同相Quadrature正交46DVB-S回顾：：QPSK频频谱特性性QPSK/DQPSKGMSK(MSK)1.01.01.52.02.50.50-120-100-80-60-40-200100.25B3-dBTb=0.16NormalizedFrequency(f-fc)TbPowerSpectralDensity(dB)47DVB-S回顾：：QSPK误误码特性性(AWGN）PbBPSK,QPSKDBPSKDQPSK010-6252525252510-110-310-410-510-22468101214ForPb=10-3BPSK6.5dBQPSK6.5dBDBPSK~8dBDQPSK~9dBgb,SNR/bit,dB48Eb/N0性能DVB-S回顾：：DVB-S性能随着发展，，DVB-S已经经不适应要要求了：新的业务导导致了吞吐吐量的增长长HDTV、、VOD、、交互业务务、本地业业务等数字信号处处理技术的的快速发展展，特别是是上世纪九九十年代纠纠错编码技技术的突破破（Turbo码码的发明）），提供了了技术上的的强大保证证。新的卫星技技术能提供供更高的C/N，，除了QPSK调调制，需需要新的调调制方式，，以便更有有效地利用用更大功率率的卫星或或点波束的的卫星。49主题概述引言DVB-S回顾DVB-S2是什么？DVB-S2物理层技术术元素DVB-S2应用举例参考资料50DVB-S2是指“第二二代卫星数数字视频广广播”系系统，是DVB-S的后后续发展；；欧洲ETSI代代号为EM302307；DVB-S2发展展历程2002年年早期成立立DVB-S2研研究组2002年年11月第第一、二轮轮竞争：Comtech、Connexant、EuropeanSpaceAgency、HNS、Philips、、Spacebridge、、ST、TurboConcept等8家公司司参与，““Turbo”系系列方案案（并行/串行Turbo卷积码码+RS、Turbo乘乘积码、、LDPC），2003年年1月第三三、四轮竞竞争，选择择休斯公司司HNSLDPC系统统作为baseline。。2003年年2月征征集接收机机方案2003年年5月休休斯研发成成功了FPGA版版本的DVB-S2LDPC演演示2003年年6月休休斯提交了了DVB-S2帧帧同步和和载波相位位同步方案案2003年年11月月发布DVB-S2标准准草案2004年年1月颁颁布了DVB-S2最终终标准。DVB-S2是什么？JiangYiminSunFengWenLeeLinNanMustafaEroz51DVB-S2所处位置DVB-S2IRDsDVB-S2MODMPEG-TSDVB-SDVB-S2DVB-SDVB-S2高容量下行行链路交互信道DVB-RCS52主题概述引言DVB-S回顾DVB-S2物理层技术术元素模式适配码流适配FEC编码调制映射物理层成帧帧SRRC滤波和正交交调制DVB-S2应用举例参考资料53DVB-S2系统统调制端框框图BB:BaseBand;PL:Physicallayer多个输入码码率合并:定义输入轮轮询策略BBHeader(10bytes)(LDPC-protected)输入适配描描述当需要时，，填充比特特填充虚构帧帧54DVB-S2系统统解调端框框图55DVB-S2系统统配置和应应用领域按表1，在在传输和接接收设备中中至少实现现标注““Normative”的的子系统和和功能，以以便符合附附录H中中所给出出的模式选选择指南。。56DVB-S2系统统开销BCH外外码0.6%DVB-S2物理理层HeaderQPSK0.3%8PSK0.4%16APSK0.4%同步开销8PSK2/3或或3/52.2%16APSK¾码码率2.2%总开销没有同步开开销的模式式1.0%有同步开销销的模式3.2%有用的吞吐吐：97~99%57DVB-S2模式式适配（ModeAdaptation）输入接口；；输入码流同同步；空包(Null-packet,NP)删删除；CRC-8编码器器缓存Buffer合并/分割割（Merger/Slicer）基带（BaseBand，BB）信令令DVB-S2模式式适配58DVB-S2可以传输单个或多个个码流:MPEG-TSformatGenericformat(分包的或连连续的，例例如IP，..)适用于MPEG-2DTV和HDTV，以及新的的编码方案案(例如H264/AVC,WM9,AVS)每个码流可可以采用不不同的保护护方法DVB-S2模式式适配：透明的输入入接口59输入是恒码码率的MPEGTS，传输是变变码率的ACM调制，但到到接收端要要恢复TS流。MPEGTS条件恒定TS比特率→但ACM是变比特率率!!恒定的端到到端延时为了把恒码码率（CBR）的TS流映射到变变码流（VBR）物理层，，采取的措措施：空包删除→比特率恒定定输入码率同同步→时延恒定DVB-S2模式适适配：输入码流码码率适配60即使业务比比特率是可可变的（由由ACM反馈系统控控制），但但TS比特率总是是恒定的，，因为：传统的TS复用器添加加了空包（（null-packet，PID=8191D）…..DVB-S2模式适适配：输入码流空空包删除GTW

IP

TS复接器Video

Audio

Multimedia

TSCBRDVB-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CBRTS流映射到VBR物理层：在调制器端端删除null-packet（NP）…..在解调器端端在完全相相同位置重重新插入null-packet………MPEGTS时间标签(PCR)不需要update!DVB-S2模式适适配：输入码流空空包删除62接收机通过过PLL保持FIFO缓存器处于于空/满的中间状状态，从而而恢复TS时钟。...因此，按着着定义，在在稳态时，，FIFO缓存不能吸吸收时延的的变化，MPEGTS时延恒定的条件不能能得到满足足。如果没有输输入码流同同步处理...DVB-S2模式适适配：输入码流同同步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

TSClock再生空/满CKTS63在这种情况况下，在稳稳态和瞬态态，FIFO缓存能够吸吸收时延和和比特码率率的变化。。MPEGTS条件得到满满足!Rs=符号率输入码流直直接锁定（（lock）TX和RX时钟。DVB-S2模式适适配：输入码流同同步TS复用器DVB-2调制器

卫星信道

时延可变空包删除写DVB-2解调器VBR码流FIFOBUFFER读CK’TSRsTS解复用器空包再生CKTS64在每个TS包附加InputStreamClockReference(ISCR)。接收机产生生一个本地地时间戳，，与ISCR比较，锁定定接收机TS流时钟。DVB-S2模式适适配：输入码流同同步ACM和MPEGTS输入码流同同步处理计数器

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

RsTSClock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

FIFOBUFFER读

空/满CK‘TS65接收机FIFObuffer““吸收”传传输链路中中动态时延延变化。输入码流同同步在接收收端的处理理DVB-S2模式适适配：输入码流同同步Rs读取DNPR’TS

相位差初始化使用的缓存大小BUFS和缓存状态BUFSTAT读取ISCRMod222计数器解调时钟恢复装载第一个ISCR15or22MSBFIFOBuffer写入TS包+ISCR读取TS包空包重新插入比较NCOLPF

15or22bit有效包PLL66DVB-S2模式适适配：CRC-8编码器器(只对包码码流）如果果UPL=0D(连续续通用用码码流流)，，输输入入码码流流没没有有改改变变，，直直接接跳跳过过CRC-8编编码码器器。。如果果UPL≠≠0D，输输入入码码流流是是长长度度为为UPLbit的的序序列列，，UP有有用用部部分分(不不包包括括同同步步byte)将将进进行行8bitCRC系系统统码码编编码码。。CRC-8生生成成多多项项式式：：CRC编编码码输输出出为为：：其中中u(X)是是输输入入序序列列（（UPL-8bit)。。UPL=UserPacketLength，，UP=UserPacket67CRC通通过过移移位位寄寄存存器器实实现现，，在在每每个个序序列列的的第第一一个个比比特特输输入入电电路路之之前前，，所所有有的的寄存存器器初初始始化化为为0。计算算得得到到的的CRC-8码码字字将将代代替替随随后后UP的的同同步步字字，，而而此此同同步步字字将将Copy到到BBHeader的的SYNC域域，，用用于于传传输输。。DVB-S2模模式式适适配配：：CRC-8实实现现框框图图68DVB-S2模模式式适适配配：：合并并/分分割割Merger/Slicer输入入码码流流是是通通用用连连续续或或打打包包码码流流，，在在Merger/Slicer读读取取它它们们之之前前，，输输入入码码流流应应该该缓缓存存。。Slicer将将从从它它的的输输入入（（单单个个或或多多个个之之一一））读读取取一一段段数数据据组组成成长长度度为为DFL(DataFieldLength)bit的的DataField域域。。Kbch–(10××8)≥≥DFL≥≥0Kbch见下下表表5，，(8××10)=80bit表表示示BBHeader，，见见后后描描述述。。Merger将将拼拼接接成成单单一一的的一一个个输输出出，，不不同同的的数数据据域域从从它它的的输输入入码码流流中中读读取取和和分分割割数数据据。。对对于于单单个个码码流流，，只只存存在在分分割割(Slicer)功功能能块块。。DataField把把组组织织来来自自单单一一输输入入端端口口的的比比特特，，并并按按着着相相同同的的传传输输模模式式（（FEC和和调调制制））进进行行传传输输。。Merger/Slicer优优先先原原则则依依赖赖于于应应用用和和遵遵循循DVB-S2标标准准所所描描述述的的策策略略。。依赖赖于于应应用用，，Merger/Slicer分分配配比比特特数数：：输入比特特数等于于DataField最最大容量量（DFL=Kbch––80bit)，则分分割的UP放放在随随后的DataField域；；DataField中中分配整整数个Ups，则在在上述要要求的边边界内DFL是可可变的。。当Merger/Slicer请请求，，而DataField无无效时时，物理理层成帧帧模块将将产生和和传输一一个虚构构物理帧帧（DummyPLFrame））。69前述CRC-8代代替同步步字后，，必须为为接收机机提供一一个方法法来恢复复UP同步步(当当接收机机已实现现DataField域域同步时时)。Merger/Slicer计算算DataField开开始到第第一个完完整UP开开始(CRC-8的的第一一个比特特)的比比特数；；存储在BBHeader的的SYNCD域(SyncDistance)。SYNCD=0D，表示第第一个UP与与DataField对对齐。。DVB-S2模模式适配配：合并/分分割Merger/Slicer70DVB-S2模模式适配配：BaseBandHeaderBBHeader位位于DataField域域之前前，具有有固定长长度80bit=10byte×8。MATYPE-1描描述了输输入码流流格式，，模式适适配类型型和滚降降系数，，见表3。MATYPE-2为为多个输输入码流流的指示示，否则则保留。。其它BBHeader比比特描述述了UPL、DFL、、SYNC、SYNCD和CRC-8等等系统信信息，见见表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码码流适适配输入是是BBHeader和和随随后的的DataField域域，输输出码码流为为BBFrame。码流适适配模模块通通过填填充(Padding)构构建建恒定定长度度(Kbchbit)的的BBFrame，然然后进进行扰扰乱。。当传输输的有有效用用户数数据不不能填填满完完整的的BBFrame时时，或或当整整数UP分分配给给了BBFrame时时，，可能能需要要填充（（补““0”））处理。。对于广广播业业务应应用，，没有有填充充。BBHeaderDataFieldBBFrameBBFrame格式72DVB-S2码码流流适配配：BB扰扰乱乱完整的的BBFrame进进行随随机化化处理理，随随机序序列应应与BBFrame同同步步，从从MSB开开始，，Kbchbit后后结束束。扰乱序序列采采用反反馈移移位寄寄存器器生成成：PRBS生生成成多项项式为为：1＋＋X14＋X15在每个个BBFrame起起始处处，PRBS寄寄存存器初始化化序列73此功能能块完完成：：外码（（BCH））内码（（LDPC）比特交交织输入为为Kbchbit的BBFrame，，输出出为nldpcbit的的FECFrame。。BCH外外码的的校验验位(BCHFEC)附附加在在BBFrame后后面，，而LDPC内内码的的校验验位（（LDPCFEC））将附附加在在BCHFEC域域后后面。。DVB-S2FEC编编码BBFrameFECFrame74正常FECFrame（nldpc=64800bits)DVB-S2FEC编编码：：编码参参数75短小FECFrame（（nldpc=16200bits））DVB-S2FEC编编码：：编码参参数76DVB-S2FEC编编码：：外码BCH纠t个个错误误的BCH编编码码器的的生成多多项式式是通过过把下下表中中的前t个个多项项式相相乘而得到到的。。BCH编编码参参数如如下表表所示示。77DVB-S2FEC编编码：外码BCH78DVB-S2FEC编编码：外码BCH信息比特：：BCH码码字：BCH编编码过程程：消息多项式式m(x)乘以以除以生成多多项式g(x)。。令d(x）为余项项：得码字多项项式：79LowDensityParityCheck(LDPC)Code1963年年RobertGallager在其博博士论文中中提出了规规则LDPC码码，但没有有有效的实实现而沉寂寂了，在九九十年代Turbo码热热潮中获得得了新生，，1995年Mackyay和Neal重新介介绍了LDPC，，成为热点点。LDPC码码是长的的线性分组组码，其校验矩阵H是稀稀疏矩阵，，即H有有大量的0和小小量的1组成。。码组长度n通常常很大，从从几千到几几十万比特特。列中1的的个数J≥3行中1的的个数K>J设计的码率率R=(K-J)/K参考文章Gallager,R.G.,LowDensityParityCheckCodes,MITPress,1963.MacKayDJ,NealRM.Goodcodesbasedonverysparsematrices.FifthIMAConference1995;100–111.MacKayDJ,NealRM.NearShannonlimitperformanceoflowdensityparitycheckcodes.ElectronicsLetters1997;33(6):457––458.RichardsonT,UrbankeR.Efficientencodingoflow-densityparitycheckcodes.IEEETransactionsonInformationTheory2001;47:638–656.RichardsonT,ShokrollahiA,UrbankeR.Designofcapacityapproachingirregularlowdensityparitycheckcodes.IEEETransactionsonInformationTheory2001;47:619–637.DVB-S2FEC编编码：内码LDPC80规则LDPC码码：每行中有有相同数量量的“1”，每列列亦是。规则LDPC码码的H矩矩阵举例例n=20,J=3,K=4,dmin=6,设计码率=1/4,实实际码率=7/20.DVB-S2FEC编编码：内码LDPC81无规则的LDPC码在行向量中中1的的数目可能能不相同，，同样，列列向量中也也是如此。。相对于规则则的LDPC码码，如果选选择适当，，将具有更更好的性能能。基于图论的的强大的迭迭代译码算算法。软判决：Sum-Product算算法硬判决：Bit-flipping算算法DVB-S2FEC编编码：内码LDPCLDPC长长度N=1024码率R＝＝½30次BP迭代代82为什么采用用LDPC码？？有何特点点？人们对Turbo码系列列进行了大量量研究，需需要标准化化；LDPC用用最小的的复杂度，，提供了最最好的性能能；较短短的的码码字字使使复复杂杂度度减减半半，，性性能能损损失失0.2dB.这意意味味着着在在相相同同性性能能时时，，若若LDPC采采用用全全BP(BeliefPropagation)译译码码算算法法，，与与Turbo码码相相比比，，LDPC复复杂杂度度只只有有¼¼。。复杂杂度度和和性性能能之之间间更更灵灵活活的的折折中中：：易于于并并行行解解码码，，只只包包含含加加法法、、比比较较和和查查表表等等简简单单操操作作。。并行行度度是是““可可调调整整的的””，，可可在在全全并并行行和和全全串串行行之之间间折折中中实实现现量化化字字长长显显著著影影响响实实现现性性能能除了了BP译译码码算算法法，，还还有有其其它它众众多多的的次次最最优优译译码码算算法法不需需要要码码交交织织码结结构构本本身身就就直直接接构构成成了了随随机机化化处处理理对于于系系统统码码，，系系统统具具有有短短的的延延迟迟简单单有有效效的的迭迭代代译译码码本身身适适于于双双向向图图表表示示LDPC具具有有误误码码平平台台（（ErrorFloor）），，DVB-S2FEC采采用用了了BCH+LDPC，，二二进进制制码码(比比如如BCH)对对所所有有的的调调制制方方式式都都具具有有良良好好的的性性能能。。DVB-S2FEC编编码码：：内码码LDPC83线性性分分组组码码线性性分分组组码码既既可可以以用用生生成成矩矩阵阵G，，也也可可以以用用校校验验矩矩阵阵H来来描描述述，，两两者者有有：：G·HT=0或或H·GT=0T假如规则LDPC为为n=8，码码率为为½½，其其校验验矩阵阵为：：二进制制信息息矢量量：u=(u1,u2,u3,u4)(长度度k)码矢量量（码码字））：c=u·G=(c1,c2,c3,c4,c5,c6,c7,c8)(长度度n）线性分分组码码的码码字c满足：：c·HT=0或或H·cT=0TDVB-S2FEC编编码：：内码LDPC84LDPC双双向向图和和解码码图形描描述最最重要要的结结果：：高效效迭代代译码码(软判判决)消消息传传递:变量节节点和和校验验节点点相互互传递递可靠靠性(对数数似然然性log-likelihoods)校验节节点决决定哪哪些变变量是是不可可靠的的，并并“抑抑制””它们们的输输入。。图中线线的数数目=H的的密密度稀疏=小小的的复杂杂度在标准准信道道中最最好性性能：：长的的、随随机似似的LDPC码码DVB-S2FEC编编码：：内码LDPCn1中非0处和mn相连求和后为0则无错85LDPC解解码码结构构之一一是可可采用用并行迭迭代译译码结结构12PEc1PEv1PEv2…...PEv3PEv4InterconnectFabricPEvnPEc2PEkM…全并行例如DVB-S2卫星接收机:64800变量节点处理单元PEv6,000-