北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授电信工程学院多媒体通信中心电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授门爱东教授menadbupt.edu.cnBeijingDVB-S2：第二代卫星数字视频广播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 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT主题概述主题概述n引言引言nDVB-S 回顾回顾 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2 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT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3 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn 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MPEG2MPEG4H.263H.264AVS传输层传输层地面：地面：8VSB-TISDB-TDMB-T有线：有线：DVB-C卫星：卫星：DVB-SDVB-S2信源编码信源编码MPEG2MPEG4H.263H.264AVSAV流流216M 1.2GTS128kb20MbpsTS透明传输透明传输216M1.2GAV流流4 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT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)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5 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT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卫星星数数字字视视频频广广播播系系统统包包括括卫卫星星、广广播播中中心心和和地地面面接接收机（天线、机顶盒）；收机（天线、机顶盒）；视视频频广广播播最最有有效效的的覆覆盖盖方方式式一一颗颗卫卫星星和和一一个个频频道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；随随着着信信源源压压缩缩和和信信道道传传输输技技术术的的快快速速发发展展，卫卫星星广广播播频频道道价价格格越越来来越越低低廉廉，甚甚至至在在欧欧洲洲出出现现了了 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。6 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT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波波特特率率是是指指三三元元及及三三元元以以上上的的多多元元数数字字码码流流的的信信息息传传输输速速率，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。 比比特特率率与与波波特特率率在在本本质质上上是是一一回回事事，都都表表示示信信息息传传输输的的速速率率，只只是是在在传传输输系系统统的的不不同同阶阶段段，信信号号呈呈现现出出不不同同的的形形式式，因因此此以以不不同同的的计计算方式来衡量其信息的传输速率。算方式来衡量其信息的传输速率。 发发射射端端在在映映射射之之后后以以及及接接收收端端在在反反映映射射之之前前，信信息息以以多多元元数数字字符符号号表表示示，因因此此其其中中各各环环节节传传输输和和处处理理信信息息的的速速率率用用波波特特率率表表示示，如如调调制信号的速率等。制信号的速率等。比比特特率率和和波波特特率率容容易易产产生生混混淆淆，为为了了避避免免造造成成人人们们的的困困惑惑，许许多多书书上称波特率为符号率上称波特率为符号率。n对对通通信信系系统统的的评评估估中中通通常常还还定定义义了了净净荷荷速速率率，它它是是指指在在传传输输的的符符号号中中扣扣除除由由于于信信道道编编码码和和同同步步字字段段等等一一切切额额外外花花销销后的后的“纯纯”信息速率信息速率，单位通常是，单位通常是 bit/s。 7 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT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频频谱谱效效率率定定义义为为每每赫赫兹兹(Hz) 带带宽宽的的传传输输频频道道上上每每秒秒可可传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对对于于带带通通调调制制信信号号，那那么么奈奈奎奎斯斯特特带带限限定定理理表表明明，理理论论上上没有码间串扰的最大频谱效率为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频频谱谱效效率率主主要要用用于于衡衡量量各各种种数数字字调调制制技技术术的的效效率率，在在数数量量上等效于每个调制符号所映射的比特数。上等效于每个调制符号所映射的比特数。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。8 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn数数字字信信号号在在传传输输过过程程中中产产生生二二种种畸畸变变：叠叠加加干干扰扰与与噪声，出现波形失真。噪声，出现波形失真。n瑞瑞典典科科学学家家哈哈利利奈奈奎奎斯斯特特在在1928年年为为解解决决电电报报传传输输问问题题提提出出了了数数字字波波形形在在无无噪噪声声线线性性信信道道上上传传输输时时的的无无失失真真条条件件，称称为为奈奈奎奎斯特准则斯特准则。n奈奈奎奎斯斯特特第第一一准准则则：抽抽样样点点无无失失真真准准则则，或或无无码码间间串扰（串扰（ISI Free)准则准则n奈奈奎奎斯斯特特第第二二准准则则：转转换换点点无无失失真真准准则则，或或无无抖抖动动（Jitter Free）准则准则n奈奈奎奎斯斯特特第第三三准准则则：波波形形面积无失真准则。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9 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn理想低通滤波器频域响应理想低通滤波器频域响应n理想低通滤波器时域响应理想低通滤波器时域响应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理理想想脉脉冲冲成成形形滤滤波波器器在在物物理理上上是是不不可可实实现现的的，只只能能近近似似，称称为为奈奈奎奎斯斯特特滤滤波波器器，其其 H(f) 可可表表示示为为矩矩形形函函数数和和任任意意一一个个实实偶偶对对称称频频率率函函数数的的卷卷积积，即即奈奈奎奎斯斯特特脉脉冲冲函函数数表表示示为为 sinc(t/T) 函函数数与与另另一一个个时时间间函函数数的的乘乘积积。因此，。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。10 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn常常用用的的奈奈奎奎斯斯特特滤滤波波器器是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，即即为为平平方方根根升升余余弦弦函数（函数（SRRC）。n时域响应：时域响应：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滚滚降降系系数数影影响响着着频频谱谱效效率率，越越小小，频频谱谱效效率率就就越越高高，但但过过小小时时，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。在在实实际际工程中，工程中，的范围一般定在的范围一般定在 0.150.5 之间。之间。11 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT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误误码码率率或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误符符号号率率或或误误字字率率，即即接接收收端发生符号错误的比例。端发生符号错误的比例。线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。一一般般地地说说，星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越大率越大。12 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT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定义定义信信噪噪比比 (S/N) 是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；载载噪噪比比(C/N) 指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。对对同同一一个个传传输输系系统统而而言言，载载噪噪比比要要比比信信噪噪比比大大， 两两者者之之间间相相差差一一个个载载波波功功率率。当当然然载载波波功功率率与与传传输输信信号号功功率率相相比比通通常常都都是是很很小小的的，因因而而载载噪噪比比与与信噪比在数值上十分接近。信噪比在数值上十分接近。在在调调制制传传输输系系统统中中，一一般般采采用用载载噪噪比比指指标标；而而在在基基带带传传输输系系统统中中，一一般般采采用信噪比指标。用信噪比指标。n实实际际数数字字通通信信系系统统的的可可靠靠性性性性能能常常以以一一个个载载噪噪比比对对误误码码率率的的关关系系曲曲线线来来描描述述的的，曲曲线线的的横横坐坐标标为为 C/N，纵纵坐坐标标为为 BER。对对某某个个 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。 13 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn C/N (SNR) BER曲线曲线对对于于 C/NBER曲曲线线，只只能能比比较较系系统统的的抗抗干干扰扰能能力力（可可靠靠性性），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。此此时时系系统统a，b的的效效率率无无法法进进行行比比较较，有有可可能能 a 优优于于 b，也也可可能能 b 优优于于 a。若若 b 优优于于 a，则则系系统统 b 的的整整体体性性能能优优于于 a。若若 a 优优于于 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 可靠性可靠性abab14 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTnEb/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 中已经中已经考虑考虑了效率这一因素了效率这一因素。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15 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn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左图图：对对相相同同的的 BER，在在相相同同 SNR 条条件件下下，Eb/n0 越越小小，频频谱谱效效率率越越高高。在在相相同同抗抗干干扰扰能能力力情情况况下下，系系统统b效效率率优优于于系系统统a。所所以以系系统统 b 综综合合性性能能优优于于a。右右图图：对对相相同同的的 Eb/n0，在在相相同同 SNR 条条件件下下，BER 越越小小，系系统统性性能能越越优优。所以系统所以系统 b 性能优于性能优于 a。nEb/n0 可可以以综综合合反反映映系系统统的的性性能能，但但不不直直观观，因因为为 Eb 和和n0 不不是是系系统统中中可可以以直直接接测测得得的的参参数数，必必须须通通过过计计算算得得出出；而而 C/N 可可以以通通过过测测量量直直接接得得到到，但但较较为为片片面面。因因此此当当需需要要直直接接了了解解系系统统的的可可靠靠性性时时，一一般般使使用用 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 。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16 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTnShannon 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，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增加加 B 能能提提高高 C，极极限限条条件件下下，B 趋趋向向无无穷穷大大，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 定定理理为为信信道道编编码码奠奠定定了了理理论论基基础础，虽虽然然定定理理本本身身并并没没有有给给出出具具体体的的编编码码方方法法和和结结构构，但但它它从从理理论论上上为为信信道道编编码码的的发发展展指指出出了了方方向向进进行行高高效效而而可可靠靠的的通通信信途途径径可可以以通过编码来实现。通过编码来实现。引言：引言：Shannon 定理可靠和效率互换定理可靠和效率互换 17 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn 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：仙仙农农理理论论曲曲线线说说明明：噪噪声声只只是是限限制制了了可可以以得得到到的的信信息息传传输输速速率率，但但不不能能限限制制可可以以获获得得的的精精确确度度。只只要要信信息息传传输输速速率率低低于于信信道道容容量量 C，理理论论上上可可以以找找到到一一种种编编码码方方式式可可以以获获得得误误码码率率为为任任意意小小的的信信息息传传输输。（无无误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 18 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT引言：引言：Shannon 定理可靠和效率互换定理可靠和效率互换 19 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT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20 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTDVB-S 回顾：回顾：系统框图系统框图nDVB-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；nDVB-S 技术方案技术方案基基于于 RS 码码和和卷卷积积码码构构成成的的级级联联码码，是是上上世世纪纪六六七七十十年年代代提提出出的的纠错编码技术，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。21 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTDVB-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22 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTDVB-S 回顾：回顾：能量扩散能量扩散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目目的的：破破连连“0” 连连“1”，便便于于时时钟钟恢恢复复；破破周周期性，降低对其它信道的干扰。期性，降低对其它信道的干扰。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23 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTDVB-S 回顾：回顾：FEC 前向纠错编码前向纠错编码n信信道道编编码码的的基基本本思思想想是是在在被被传传送送的的信信息息中中附附加加一一些些监监督督码码元元，在在两两者者之之间间建建立立某某种种校校验验关关系系，当当这这种种校校验验关关系系因因传传输输错错误误而而受受到到破破坏坏时时，可可以以被被发发现现并并予予以以纠纠正正。这这种种检检错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。，可以用来纠正一位错误。24 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTDVB-S 回顾：回顾：线性分组码线性分组码 FECk kk kk kk kk kk kk kk kn nn线性线性分组分组（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 在在一一个个码码组组内内纠纠正正 t 个个误误码码，同同时时检检测测 e (et ) 个个误误码码， 要要求求最最小小码码距：距： dmin t+e+125 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn校验方校验方程程是基础是基础n线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 Gn例如例如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=0TDVB-S 回顾：回顾：线性分组码线性分组码 FEC26 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn系统码系统码 信信息息组组以以不不变变的的形形式式在在码码组组的的任任意意 k 位位（通通常常在在左左边边：cn-1, cn-2, ., cn-k）中中出出现现的的码码，称称为为系系统统码码，否否则则为为非非系系统统码码。系系统统码码既可以是分组码，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系系统统码码码码字字的的前前 k 位位是是原原来来的的信信息息组组，因因此此，生生成成矩矩阵阵 G 的左边的左边 k 列必是单位方阵列必是单位方阵 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 其其中中，“-” 表表示示 - PT 阵阵中中的的每每一一个个元元素素是是 P 矩矩阵阵中中对对应应元元素素的的加加法法逆逆元元，在二进制时，仍是该元素自己。在二进制时，仍是该元素自己。nG 和和 H 满足：满足： G HT= IkP -PTIn-kT = 0k 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 FEC27 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTDVB-S 回顾：回顾：缩短码（截短码）缩短码（截短码） FECn在在 n,k 码码的的码码字字集集合合中中，挑挑选选前前 i 个个信信息息位位数数字字均均为为 0 的的所所有有码码字字，组组成成一一个个新新的的子子集集，则则分分组组码码 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。由由于于该该子子集集的的前前 i 为为均均取取 0，故故传传输输时时可可以以不不传传送送它它们们，仅传后面的仅传后面的 k-i 位即可。位即可。该该子子集集是是 n-i 维维线线性性空空间间中中一一个个 k-i 维维子子群群，构构成成一一个个 n,k-i 分分组组缩缩短短码码。该该缩缩短短码码的的最最小小距距离离至至少少与与原原码码相同相同。缩缩短短码码的的 G 矩矩阵阵只只是是在在原原 n, k 码码的的 G 阵阵中中去去掉掉左左边边 i 列和上面列和上面 i 行即可。行即可。缩缩短短码码或或截截短短码码的的 H 矩矩阵阵，只只要要在在原原码码 H 矩矩阵阵中中去去掉掉若干列即可得到。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。28 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTDVB-S 回顾：回顾： FEC 外码外码 (RS 码码) FECn1960 1960 年年 MIT MIT Lincoln Lincoln Lab Lab 的的 Reed Reed 和和 Solomon Solomon 在在发发表表了了论论文文“Polynomial Codes over Certain Finite Fields”Polynomial Codes over Certain Finite Fields”。 nRS 码码是是效效率率很很高高的的分分组组码码，RS 码码是是一一类类非非二二进进制制 BCH 码码, 每每个个符符号号由由 m 比比特特组组成成。既既适适用用于于纠纠随随机机误误码码，也也特特别适用于纠突发误码。别适用于纠突发误码。n去去掉掉 RS 码码的的某某些些信信息息码码元元后后, 分分组组长长度度缩缩短短, 只只要要监监督督码码元元数数不不变变, 码码的的最最小小距距离离就就不不会会减减少少, 即即任任何何一一种种缩缩短短的的 RS 码仍是一个最大码码仍是一个最大码。n在在（n，k）RS 码码中中，输输入入信信息息被被分分成成 km 比比特特一一组组，每每组包括组包括 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29 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTnDVB-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）监监督督段段长长 16 字字节节，可可以以纠纠正正一一个个 RS 包包中中 8 个个字字节节的错误。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：输入输入.输出输出 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 + x4 + x3 + x2 + 1DVB-S 回顾：回顾： FEC 外码外码 (RS 码码) FEC30 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT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) FEC31 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTDVB-S 回顾：回顾：有突发误码的信道有突发误码的信道 FECn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经经过过信信道道编编译译码码后后，FEC 码码译译码码输输出出的的误误码码也也将将呈呈现现突突发性发性，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卷积积码码是是靠靠相相邻邻符符号号间间的的相相关关性性提提供供保保护护的的，而而此此相相关关性性的的保保持持时间一般较短。时间一般较短。n分分组组码码对对突突发发误误码码和和随随机机误误码码的的纠纠错错能能力力基基本本相相当当，但但码码长较短，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也也有有专专门门针针对对突突发发误误码码设设计计的的分分组组码码，但但纠纠随随机机误误码码的的能能力相应降低。力相应降低。32 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTDVB-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交交织织（interleaving）就就是是一一种种将将数数据据的的顺顺序序进进行行变变换换的的处理方法。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交织织前前相相邻邻的的符符号号在在交交织织后后的的最最小小距距离离称称为为交交织织深深度度，交交织织深深度度应应不不小小于于信信道道上上可可能能的的突突发发错错长长度度，否否则则解解交交织织后后仍仍可可能能存存在在一一定的突发错误。定的突发错误。交交织织后后相相邻邻的的符符号号在在交交织织前前的的最最小小距距离离称称为为交交织织宽宽度度，交交织织宽宽度度应应不不小小于于编编码码的的约约束束长长度度，或或相相应应的的参参数数，否否则则突突发发误误码码仍仍不不能能彻底打散。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！交交织织延延迟迟性性能能：交交织织越越长长，信信号号时时延延越越大大，那那么么中中断断恢恢复复时时间间，或信道切换时间就越长。或信道切换时间就越长。33 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTDVB-S 回顾：回顾：交织方式交织方式1n块交织（块交织（block interleaver）将将数数据据流流分分成成长长度度为为 WL 的的块块，将将数数据据逐逐行行写写入入一一个个 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。深深度度为为 L，宽宽度度为为 W，延延时时为为 WL。交交织织和和解解交交织织延延时时总总和和为为 2WL。x11 x12 x13 x1Wx21 x22 x23 x2W .xL1 xL2 xL3 xLWx11 x21 x31 xL1x12 x22 x32 xLW .x1W x2W x3W xLW写写读读突发错误突发错误34 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn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35 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn随机交织（随机交织（random interleaver)随机交织随机交织在在每每一一次次使使用用交交织织器器时时，使使用用完完全全不不同同的的交交织织器器，每每次次的的交交织图案完全随机织图案完全随机。一一般般在在不不知知哪哪一一种种确确知知交交织织方方法法最最好好的的情情况况下下，为为了了分分析析系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可以以得得到到一一个个平平均均性性能能，事事实实上上说说明明至至少少有有一一种种交交织织方方法法可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交织织后后的的序序列列完完全全打打散散，即即原原有有的的突突发发误误码码可可以以变变成成彻彻底底的的随机误码。随机误码。理理想想交交织织是是不不可可能能实实现现的的，但但有有时时为为了了分分析析方方便便，可可以以做做此此假设。假设。DVB-S 回顾：回顾：交织方式交织方式336 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTDVB-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)。卷卷积积码码也也是是把把 k 个个信信息息比比特特编编成成 n 个个比比特特，但但 k 和和 n 通通常常很很小小，特特别别适适用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 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。译译码码采采用用 Viterbi Algorithm 最最优优的的最最大大似似然然（Maximum Likelihood，ML）译码。译码。n分分组组码码有有严严格格的的代代数数结结构构，但但卷卷积积码码至至今今尚尚未未找找到到严严密密的的数数学学手手段段，把把纠纠错错性性能能与与码码的的构构成成十十分分规规律律的联系起来，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，编码器的记忆可以是有限的，也可以是无限的。Y OutputDataInput1-BitDelay1-BitDelay1-BitDelay1-BitDelay1-BitDelay1-BitDelayX Output133otc171otcn工业标准工业标准DVBIEEE802.11IEEE802.16etc.37 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn凿孔码凿孔码 Puncturing Codes按按凿凿孔孔（Puncturing）图图从从母母码码（例例如如前前面面的的1/2 码码率率卷卷积积码码编编码码）产产生生的的输输出出 X 和和 Y 中中选选择择最最终终的的码码字字，达达到到删删余余增增信信的的目目的的，提提高编码效率，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)38 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTDVB-S 回顾：回顾： FEC 内码内码 (卷积码卷积码) 译码译码n卷卷积积码码的的译译码码方方法法不不仅仅基基于于码码的的代代数数结结构构基基础础之之上上，而而且且还还利利用用了了信信道道的的统统计计特特性性，因因而而能能充充分分发发挥挥卷卷积积码码的的特特点点，使使译译码码错错误误概概率率达达到到很很小小，这这种种译译码码称称为为概概率率译译码码，即即结结合信道符号统计特性的译码方法合信道符号统计特性的译码方法。1961年年乌乌曾曾格格来来夫夫（Wozencraft）提提出出了了序序列列译译码码，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年年费费诺诺（Fano）对对序序列列译译码码进进行行了了改改进进，提提出出了了 Fano 算法算法，推动了序列译码的实用。，推动了序列译码的实用。1967 年年维维特特比比（Viterbi）提提出出了了另另一一种种概概率率译译码码算算法法 Viterbi 算法算法。 Viterbi 译译码码算算法法是是一一种种最最大大似似然然译译码码算算法法。它它比比序序列列译译码码算算法法效效率更高，速度更快，译码器也简单，因而得到了广泛应用。率更高，速度更快，译码器也简单，因而得到了广泛应用。39 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn上上面面三三图图分分别别为为：QPSK-卷卷积积编编码码、16QAM-卷卷积积编编码码、64QAM-卷积编码的仿真曲线。卷积编码的仿真曲线。n卷积编码具有较好的纠错性能。卷积编码具有较好的纠错性能。 DVB-S 回顾：回顾： FEC 内码内码 (卷积码卷积码)性能性能40 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn通过随机编码达到信道容量通过随机编码达到信道容量从从信信息息论论的的角角度度看看，不不论论是是什什么么信信道道，只只要要用用随随机机编编码码，长长度度足足够长，就可以无限逼近信道容量。够长，就可以无限逼近信道容量。而而实实际际的的编编码码长长度度是是很很有有限限的的，前前面面提提到到的的各各种种编编码码码码都都谈谈不不上上随机，其码长更不能做得太大，否则根本没法译出来。随机，其码长更不能做得太大，否则根本没法译出来。n也也可可将将编编码码、信信道道、译译码码整整体体看看成成一一个个广广义义的的信信道道。这这个个广广义义信信道道输输出出还还存存在在错错误误。因因此此，对对它它还还可可作作进进一一步步的的纠纠错编译码。错编译码。对对于于有有多多次次编编码码的的系系统统，对对各各级级编编码码，看看成成一一个个整整体体编编码码，就就是是级联码。级联码。级级联联码码的的最最初初想想法法是是为为了了进进一一步步降降低低残残余余误误码码率率（改改善善渐渐近近性性能能），但事实上它同样可以提高较低信噪比下的性能。，但事实上它同样可以提高较低信噪比下的性能。这这是是由由较较好好的的短短码码进进一一步步构构造造性性能能更更好好的的长长码码（近近随随机机码码）的的一一种途径，种途径，即编码的组合，即编码的组合，利用短码构造一个低复杂度的长码。利用短码构造一个低复杂度的长码。DVB-S 回顾：回顾：级联码（级联码（Concatenated Code)41 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn串行级联码串行级联码 （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位于广义信道里面的编码称为内码内码以广义信道为信道的编码称为以广义信道为信道的编码称为外码外码由由于于内内码码译译码码结结果果不不可可避避免免地地会会产产生生突突发发错错误误。因因此此内内外外码码之之间间一一般般都都要要有有一一层层交交织织器器，称称为为外外码码交交织织；而而内内码码与与传传输输信信道道之之间间的的交交织织器器，称为内码交织器。称为内码交织器。串行级联码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。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)(k2 /n2 )。通常通常 k2 = n1，因此，总的码率，因此，总的码率 R= k1/n2。例如，例如，串行级联串行级联 RS + 卷积码成为普遍使用的标准模式卷积码成为普遍使用的标准模式。DVB-S 回顾：回顾：级联码（级联码（Concatenated Code)Encoder 1Encoder 2Outer codeInner code外码交织器外码交织器内码交织器内码交织器42 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn级联码的特点级联码的特点需需要要指指出出的的是是级级联联虽虽然然大大大大地地提提高高了了纠纠错错能能力力，但但这这个个能能力力提提高高量量中中的的大大部部分分是是来来源源于于编编码码效效率率的的降降低低。如如果果从从 Eb/n0 的的角角度度看看，级级联联的的好好处处并并不不太太大大，但但有有一一个个好好处处是是显显然然的的，即即在在信信道道质质量量稍稍好时（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。然然而而在在信信道道质质量量较较差差时时，新新增增加加的的一一层层编编译译码码反反而而可可能能会会使使误误码码越越纠纠越越多多。因因此此级级联联存存在在着着明明显显的的门门限限效效应应。因因此此会会出出现现差差错错的的进进一一步步扩扩展展，会会出出现现多多级级还还不不如如一一级级的的情情况况，也也就就是是说说级级联联码码的的门限效应比简单的编码要明显。门限效应比简单的编码要明显。n常见的串行级联方式常见的串行级联方式卷卷积积码码为为内内码码，RS 码码为为外外码码，即即（RS卷卷积积码码）。这这主主要要是是为为了了充充分分利利用用卷卷积积码码可可以以进进行行最最优优的的维维特特比比译译码码，而而且且可可以以用用软软判判决译码。而决译码。而 RS 码又有较好的纠突发错误能力。码又有较好的纠突发错误能力。内内码码和和外外码码均均采采用用卷卷积积码码，特特别别是是当当内内码码译译码码可可以以输输出出软软信信息息时时，更为有效。更为有效。DVB-S 回顾：回顾：级联码（级联码（Concatenated Code)43 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTDVB-S 回顾：回顾：串行级联码串行级联码 - DVB-T 6 bits 1512 载波载波6 bits 6048 载波载波外外 码码RS(204,188)DataInput交织器交织器交织器交织器内内 码码FEC(2/3卷积卷积)OFDM调制调制映映 射射188Bytes204Bytes204Bytes306Bytes2448BitsQPSKQPSK16QAM16QAM64 QAM64 QAM44 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTnDVB-S 采采用用了了平平方方根根升升余余弦弦滤滤波波器器 (SRRC)，滚滚降降系系数数 为为 0.35。n基带基带 SRRC 滤波器具有如下定义的理论函数：滤波器具有如下定义的理论函数：输出信号输出信号频谱模板频谱模板DVB-S 回顾：回顾： 基带成形滤波基带成形滤波45 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn基基带带成成形形滤滤波波后后的的同同相相分分量量 I 和和正正交交分分量量 Q 分分别别乘乘以以 sin(2f0t) 和和 cos(2f0t)，相加后得到正交调制信号，相加后得到正交调制信号 s(t)：DVB-S 回顾：回顾： 调制信号调制信号in-phase 同相同相Quadrature 正交正交46 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTDVB-S 回顾：回顾： QPSK 频谱特性频谱特性QPSK/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)47 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTDVB-S 回顾：回顾： QSPK 误码特性误码特性(AWGN）PbBPSK, QPSKDBPSKDQPSK010-6252525252510-110-310-410-510-22468101214For Pb = 10-3BPSK 6.5 dB QPSK 6.5 dB DBPSK 8 dB DQPSK 9 dBg gb, SNR/bit, dB48 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTnEb/N0 性能性能DVB-S 回顾：回顾： DVB-S 性能性能n随着发展，随着发展，DVB-S 已经不适应要求了已经不适应要求了：新的业务导致了吞吐量的增长新的业务导致了吞吐量的增长HDTV、VOD、交互业务、本地业务等、交互业务、本地业务等数数字字信信号号处处理理技技术术的的快快速速发发展展，特特别别是是上上世世纪纪九九十十年年代代纠纠错错编编码码技术的突破（技术的突破（Turbo 码的发明），提供了技术上的强大保证。码的发明），提供了技术上的强大保证。新新的的卫卫星星技技术术能能提提供供更更高高的的 C/N，除除了了 QPSK 调调制制，需需要要新新的的调调制方式，以便更有效地利用更大功率的卫星或点波束的卫星。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 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT主题概述主题概述n引言引言nDVB-S 回顾回顾nDVB-S2 是什么？是什么？nDVB-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 50 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTnDVB-S2 是是指指“第第二二代代卫卫星星数数字字视视频频广广播播” 系系统统，是是 DVB-S 的的后后续续发发展展；欧欧洲洲 ETSI 代代号号为为 EM 302 307；nDVB-S2 发展历程发展历程2002年早期成立年早期成立 DVB-S2 研究组研究组2002年年11月月第第一一、二二轮轮竞竞争争：Comtech、Connexant、European SpaceAgency、HNS、Philips、Spacebridge、ST、Turbo Concept 等等 8 家家公公司司参参与与， “Turbo” 系系列列方方案案（并并行行/串串行行 Turbo 卷卷积积码码 + RS、Turbo 乘乘积积码、码、LDPC），），2003年年1月月第第三三、四四轮轮竞竞争争，选选择择休休斯斯公公司司 HNS LDPC 系统作为系统作为 baseline。2003年年 2月征集接收机方案月征集接收机方案2003年年 5月月休休斯斯研研发发成成功功了了 FPGA 版版本本的的 DVB-S2 LDPC 演示演示2003年年 6月月休休斯斯提提交交了了 DVB-S2 帧帧同同步步和和载载波波相相位位同同步方案步方案2003年年 11月发布月发布 DVB-S2 标准草案标准草案2004年年 1月颁布了月颁布了 DVB-S2 最终标准。最终标准。DVB-S2 是什么？是什么？Jiang YiminSun FengWenLee LinNanMustafa Eroz51 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTDVB-S2 所处位置所处位置DVB-S2IRDsDVB-S2 MODMPEG-TSDVB-S DVB-S2DVB-S DVB-S2高容量下行链路高容量下行链路交互信道交互信道DVB-RCS52 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT主题概述主题概述n引言引言nDVB-S 回顾回顾nDVB-S2 物理层技术元素物理层技术元素模式适配模式适配码流适配码流适配FEC 编码编码调制映射调制映射物理层成帧物理层成帧SRRC 滤波和正交调制滤波和正交调制n DVB-S2 应用举例应用举例n参考资料参考资料 53 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTDVB-S2 系统调制端框图系统调制端框图nBB: BaseBand; PL: Physical layer多个输多个输入码率入码率合并合并: 定义输定义输入轮询策略入轮询策略BB Header (10bytes)(LDPC-protected)输入适配描述输入适配描述当需要时，当需要时，填充比特填充比特填充虚构帧填充虚构帧54 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTDVB-S2 系统解调端框图系统解调端框图55 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTDVB-S2 系统配置和应用领域系统配置和应用领域n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。 56 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTDVB-S2 系统开销系统开销nBCH 外码外码0.6%nDVB-S2 物理层物理层 HeaderQPSK0.3%8PSK0.4%16APSK0.4%n同步开销同步开销8PSK 2/3 或或 3/5 2.2%16APSK 码率码率2.2%n总开销总开销没有同步开销的模式没有同步开销的模式1.0%有同步开销的模式有同步开销的模式3.2%n有用的吞吐：有用的吞吐：9799%57 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTnDVB-S2 模式适配（模式适配（Mode Adaptation）输入接口；输入接口；输入码流同步；输入码流同步；空包空包 (Null-packet, NP) 删除；删除；CRC-8 编码器编码器缓存缓存 Buffer合并合并/分割（分割（Merger/Slicer）基带（基带（BaseBand，BB）信令）信令DVB-S2 模式适配模式适配58 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPToDVB-S2 可以传输可以传输单个或多个码流单个或多个码流:oMPEG-TS format oGeneric format (分包的或连续的，例如分包的或连续的，例如 IP，.)o适适用用于于MPEG-2 DTV 和和 HDTV，以以及及新新的的编编码码方方案案 (例如例如 H264/AVC, WM9, AVS)o每个码流可以采用不同的保护方法每个码流可以采用不同的保护方法DVB-S2 模式适配：模式适配：透明的输入接口透明的输入接口59 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn输输入入是是恒恒码码率率的的 MPEG TS，传传输输是是变变码码率率的的 ACM 调调制制，但但到到接接收收端端要要恢恢复复 TS 流。流。nMPEG TS 条件条件 恒定恒定 TS 比特率比特率 但但 ACM 是变比特率是变比特率! 恒定的端到端延时恒定的端到端延时 n为为了了把把恒恒码码率率（CBR）的的 TS 流流映映射射到到变变码流（码流（VBR）物理层，采取的措施：）物理层，采取的措施： 空包删除空包删除 比特率恒定比特率恒定 输入码率同步输入码率同步 时延恒定时延恒定 DVB-S2模式适配：模式适配： 输入码流码率适配输入码流码率适配60 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn即即使使业业务务比比特特率率是是可可变变的的（由由 ACM 反反馈馈系系统统控控制制），但但 TS 比特率总是恒定的，因为：比特率总是恒定的，因为： 传统的传统的 TS 复用器添加了空包（复用器添加了空包（null-packet，PID=8191D）.DVB-S2模式适配：模式适配： 输入码流空包删除输入码流空包删除GTW IP TS 复接器复接器Video Audio Multimedia TSCBRDVB-S2调制器调制器ACM 物理层物理层空包插入空包插入源比特率控制源比特率控制- C/N+I 反馈信道反馈信道?VBR(ACM) 61 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn把把 CBR TS 流映射到流映射到 VBR 物理层：物理层：在调制器端删除在调制器端删除 null-packet（NP）.在解调器端在完全相同位置重新插入在解调器端在完全相同位置重新插入 null-packetMPEG TS 时间标签时间标签 (PCR) 不需要不需要 update!DVB-S2模式适配：模式适配： 输入码流空包删除输入码流空包删除62 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn接收机通过接收机通过 PLL 保持保持 FIFO 缓存器处于空缓存器处于空/满的中间状态，从而恢复满的中间状态，从而恢复 TS 时钟。时钟。n.因因此此，按按着着定定义义，在在稳稳态态时时， FIFO 缓缓存存不不能能吸吸收收时时延延的的变变化化，MPEG TS 时时延恒定延恒定的条件不能得到满足的条件不能得到满足。m 如果没有输入码流同步处理如果没有输入码流同步处理 .DVB-S2模式适配：模式适配： 输入码流同步输入码流同步TS 复接器复接器DVB-2 调制器调制器 CKTSTS 解解复用器复用器 卫星信道卫星信道 延时可变延时可变NP空包空包删除删除写写DVB-2 解调器解调器变速率比特流变速率比特流NP重新重新生成生成 FIFOBUFFER读读 TS Clock 再生再生空空/满满CKTS63 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn在在这这种种情情况况下下，在在稳稳态态和和瞬瞬态态，FIFO 缓缓存存能能够够吸吸收收时时延延和和比比特特码码率的变化。率的变化。nMPEG TS 条件得到满足条件得到满足! Rs = 符号率符号率m输入码流直接锁定（输入码流直接锁定（lock） TX 和和 RX 时钟。时钟。DVB-S2模式适配：模式适配： 输入码流同步输入码流同步TS 复用器复用器DVB-2 调制器调制器 卫星信道卫星信道 时延可变时延可变空包空包删除删除写写DVB-2 解调器解调器VBR码流码流FIFOBUFFER读读CKTSRsTS 解解复用器复用器空包空包再生再生CKTS64 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn在每个在每个 TS 包附加包附加 Input Stream Clock Reference (ISCR)。 n接收机产生一个本地时间戳，与接收机产生一个本地时间戳，与 ISCR 比较，锁定接收机比较，锁定接收机 TS 流时钟。流时钟。DVB-S2模式适配：模式适配： 输入码流同步输入码流同步mACM 和和 MPEG TS 输入码流同步处理输入码流同步处理计数器计数器 计数器计数器 NCO 比较比较 插入在插入在 TS 包包中的时间戳中的时间戳ISCR 接收到的接收到的 ISCR本地时间戳本地时间戳 RsTS Clock 的的”传输链传输链”是符号码率是符号码率 (Rs)TS 复接器复接器DVB-2 调制器调制器 CKTSTS 解解复用器复用器 卫星信道卫星信道 延时可变延时可变NP空包空包删除删除写写DVB-2 解调器解调器NP重新重新生成生成 FIFOBUFFER读读 空空/满满CKTS65 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT接收机接收机 FIFO buffer “吸收吸收” 传输链路中动态时延变化。传输链路中动态时延变化。m 输入码流同步在接收端的处理输入码流同步在接收端的处理DVB-S2模式适配：模式适配： 输入码流同步输入码流同步Rs读取读取 DNPRTS 相位差相位差初始化使用的缓存大小初始化使用的缓存大小 BUFS和缓存状态和缓存状态 BUFSTAT 读取读取 ISCRMod 222计数器计数器解调解调时钟恢复时钟恢复装载第一个装载第一个ISCR15 or 22 MSBFIFOBuffer 写入写入 TS 包包+ ISCR 读取读取 TS 包包空包空包重新插入重新插入比较比较NCOLPF 15 or 22 bit有效包有效包PLL66 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTDVB-S2模式适配：模式适配： CRC-8 编码器编码器 (只对包码流）只对包码流） n如如果果 UPL=0D (连连续续通通用用码码流流)，输输入入码码流流没没有有改改变变，直直接接跳过跳过 CRC-8 编码器。编码器。n如如果果 UPL0D，输输入入码码流流是是长长度度为为 UPL bit 的的序序列列，UP 有用部分有用部分(不包括同步不包括同步byte)将进行将进行 8bit CRC系统码编码。系统码编码。nCRC-8 生成多项式：生成多项式：nCRC 编码输出为：编码输出为：其中其中 u(X) 是输入序列（是输入序列（UPL-8bit)。UPL=User Packet Length， UP=User Packet67 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTnCRC 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，所有的所有的寄存器初始化为寄存器初始化为0。n计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，用于传输。域，用于传输。DVB-S2模式适配：模式适配： CRC-8 实现框图实现框图 68 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTDVB-S2模式适配：模式适配：合并合并/分割分割 Merger/Slicern输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，输入码流应该缓存。输入码流应该缓存。nSlicer 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长度为成长度为 DFL(Data Field Length) bit的的 DataField 域。域。Kbch (108) DFL 0Kbch 见下表见下表 5，(810) = 80bit 表示表示 BBHeader，见后描述。，见后描述。nMerger 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取和分割数据。对于单个码流，只存在分割读取和分割数据。对于单个码流，只存在分割 (Slicer) 功能块。功能块。nDataField 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 标准所描述的策略。标准所描述的策略。n依赖于应用，依赖于应用，Merger/Slicer 分配比特数：分配比特数：输输入入比比特特数数等等于于 DataField 最最大大容容量量（DFL = Kbch 80 bit)，则则分分割割的的 UP 放在随后的放在随后的 DataField 域；域；DataField中分配整数个中分配整数个 Ups，则在上述要求的边界内，则在上述要求的边界内 DFL 是可变的。是可变的。n当当 Merger/Slicer 请请求求，而而 DataField 无无效效时时，物物理理层层成成帧帧模模块块将将产产生和传输一个虚构物理帧（生和传输一个虚构物理帧（Dummy PLFrame）。）。69 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn前前述述 CRC-8 代代替替同同步步字字后后，必必须须为为接接收收机机提提供供一一个个方方法法来来恢恢复复 UP 同步同步 (当接收机已实现当接收机已实现 DataField 域同步时域同步时)。Merger/Slicer 计计算算 DataField 开开始始到到第第一一个个完完整整 UP 开开始始 (CRC-8 的的第第一一个比特个比特)的比特数；的比特数； 存储在存储在 BBHeader 的的 SYNCD域域 (Sync Distance)。SYNCD=0D，表示第一个，表示第一个 UP 与与 DataField 对齐。对齐。DVB-S2模式适配：模式适配：合并合并/分割分割 Merger/Slicer70 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTDVB-S2模式适配：模式适配：BaseBand HeadernBBHeader 位位于于 DataField 域域之之前前，具具有有固固定定长长度度 80bit = 10byte8。MATYPE-1 描描述述了了输输入入码码流流格格式式，模模式式适适配配类类型型和和滚滚降降系系数数，见见表表 3。MATYPE-2 为多个输入码流的指示，否则保留。为多个输入码流的指示，否则保留。其其它它 BBHeader 比比特特描描述述了了UPL、DFL、SYNC、SYNCD和和 CRC-8等系统信息，见表等系统信息，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71 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTDVB-S2 码流适配码流适配n输输入入是是 BBHeader 和和随随后后的的 DataField 域域 ， 输输 出出 码码 流流 为为 BBFrame。n码码 流流 适适 配配 模模 块块 通通 过过 填填 充充 (Padding) 构构建建恒恒定定长长度度(Kbch bit)的的 BBFrame，然后进行扰乱。，然后进行扰乱。n当当传传输输的的有有效效用用户户数数据据不不能能填填满满完完整整的的 BBFrame 时时，或或当当整整数数 UP 分分配配给给了了 BBFrame 时时，可可能需要能需要填充（补填充（补 “0”）处理。处理。n对于广播业务应用，没有填充。对于广播业务应用，没有填充。BBHeaderDataFieldBBFrameBBFrame格式格式72 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTDVB-S2 码流适配：码流适配：BB 扰乱扰乱n完完整整的的 BBFrame 进进行行随随机机化化处处理理，随随机机序序列列应应与与 BBFrame 同步，从同步，从 MSB 开始，开始，Kbch bit 后结束。后结束。n扰乱序列采用反馈移位寄存器生成：扰乱序列采用反馈移位寄存器生成：PRBS 生成多项式为：生成多项式为：1 X14 X15在在 每每 个个 BBFrame 起起 始始 处处 ， PRBS 寄寄 存存 器器 初初 始始 化化 序序 列列 为为 100101010000000。73 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn此功能块完成：此功能块完成：外码（外码（BCH）内码（内码（LDPC）比特交织比特交织n输输入入为为 Kbch bit的的 BBFrame，输出为输出为 nldpc bit 的的 FECFrame。nBCH 外外码码的的校校验验位位 (BCHFEC) 附附加加在在 BBFrame 后后面面，而而 LDPC 内内 码码 的的 校校 验验 位位（ LDPCFEC） 将将 附附 加加 在在 BCHFEC 域后面。域后面。DVB-S2 FEC 编码编码BBFrameFECFrame74 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn 正常正常 FECFrame（nldpc =64800bits)DVB-S2 FEC 编码：编码：编码参数编码参数75 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn 短小短小 FECFrame （nldpc =16200bits）DVB-S2 FEC 编码：编码：编码参数编码参数76 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTDVB-S2 FEC 编码：编码：外码外码 BCHn纠纠 t 个个错错误误的的 BCH 编编码码器器的的生生成成多多项项式式是是通通过过把把下下表表中中的的前前 t 个个多多项式相乘项式相乘而得到的。而得到的。 nBCH 编码参数如下表所示。编码参数如下表所示。77 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTDVB-S2 FEC 编码：编码：外码外码 BCH78 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTDVB-S2 FEC 编码：编码：外码外码 BCHn信息比特：信息比特：nBCH 码字：码字：nBCH 编码过程：编码过程：消息多项式消息多项式 m(x) 乘以乘以 除以生成多项式除以生成多项式 g(x)。令令 d(x）为余项：）为余项：得码字多项式：得码字多项式：79 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTnLow Density Parity Check (LDPC) Code1963年年 Robert Gallager 在在其其博博士士论论文文中中提提出出了了规规则则 LDPC 码码，但但没没有有有有效效的的实实现现而而沉沉寂寂了了，在在九九十十年年代代 Turbo 码码热热潮潮中中获获得得了了新生，新生，1995年年 Mackyay 和和 Neal 重新介绍了重新介绍了 LDPC，成为热点。，成为热点。LDPC 码码是是长长的的线线性性分分组组码码，其其校校验验矩矩阵阵 H 是是稀稀疏疏矩矩阵阵，即即 H 有大量的有大量的 0 和小量的和小量的 1 组成。组成。码组长度码组长度 n 通常很大，从几千到几十万比特。通常很大，从几千到几十万比特。列中列中 1 的个数的个数 J 3行中行中 1 的个数的个数 K J设计的码率设计的码率 R = (K-J)/Kn参考文章参考文章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. Electronics 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 Transactions on Information Theory 2001; 47:619637.DVB-S2 FEC 编码：编码：内码内码 LDPC80 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn规则规则 LDPC 码码：每行中有相同数量的：每行中有相同数量的 “1”，每列亦是。，每列亦是。n规则规则 LDPC 码的码的 H 矩阵举例矩阵举例n= 20, J = 3, K = 4, dmin = 6, 设计码率设计码率 = 1/4, 实际码率实际码率 = 7/20.DVB-S2 FEC 编码：编码：内码内码 LDPC81 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn无规则的无规则的 LDPC 码码在行向量中在行向量中 1 的数目可能不相同，同样，列向量中也是如此。的数目可能不相同，同样，列向量中也是如此。相对于规则的相对于规则的 LDPC 码，如果选择适当，将具有更好的性能。码，如果选择适当，将具有更好的性能。n基于图论的强大的迭代译码算法。基于图论的强大的迭代译码算法。软判决：软判决：Sum-Product 算法算法硬判决：硬判决：Bit-flipping 算法算法DVB-S2 FEC 编码：编码：内码内码 LDPCLDPC 长度长度 N =1024 码率码率 R 30次次 BP 迭代迭代82 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn为什么采用为什么采用 LDPC 码？有何特点？码？有何特点？人们对人们对 Turbo 码系列码系列进行了大量研究，需要标准化；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，性能损失较短的码字使复杂度减半，性能损失 0.2dB.这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 (Belief Propagation) 译译码码算算法法，与与 Turbo 码相比，码相比，LDPC 复杂度只有复杂度只有 。复杂度和性能之间更灵活的折中：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。易于并行解码，只包含加法、比较和查表等简单操作。并行度是并行度是“可调整的可调整的”，可在全并行和全串行之间折中实现，可在全并行和全串行之间折中实现量化字长显著影响实现性能量化字长显著影响实现性能除了除了 BP 译码算法，还有其它众多的次最优译码算法译码算法，还有其它众多的次最优译码算法不需要码交织不需要码交织码结构本身就直接构成了随机化处理码结构本身就直接构成了随机化处理对于系统码，系统具有短的延迟对于系统码，系统具有短的延迟简单有效的迭代译码简单有效的迭代译码本身适于双向图表示本身适于双向图表示LDPC 具具有有误误码码平平台台（Error Floor），DVB-S2 FEC 采采用用了了 BCH + LDPC，二进制码，二进制码 (比如比如 BCH) 对所有的调制方式都具有良好的性能。对所有的调制方式都具有良好的性能。DVB-S2 FEC 编码：编码：内码内码 LDPC83 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn线性分组码线性分组码线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，两者有：两者有： G HT=0 或或 H GT=0T 假如假如规则规则 LDPC 为为 n=8，码率为，码率为 ，其校验矩阵为：，其校验矩阵为：二进制信息矢量：二进制信息矢量： u = (u1, u2, u3, u4) (长度长度 k)码矢量（码字）：码矢量（码字）： c = u G = (c1, c2, c3, c4, c5, c6, c7, c8) (长度长度 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=0TDVB-S2 FEC 编码：编码：内码内码 LDPC84 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTLDPC 双向图和解码双向图和解码图形描述最重要的结果：高效迭图形描述最重要的结果：高效迭代译码代译码(软判决软判决) 消息传递消息传递:变量节点和校验节点相互传递可靠性变量节点和校验节点相互传递可靠性 (对对数似然性数似然性 log-likelihoods)校验节点决定哪些变量是不可靠的，并校验节点决定哪些变量是不可靠的，并“抑制抑制”它们的输入。它们的输入。图中线的数目图中线的数目 = H 的密度的密度稀疏稀疏 = 小的复杂度小的复杂度在标准信道中最好性能：长的、随机似的在标准信道中最好性能：长的、随机似的 LDPC 码码DVB-S2 FEC 编码：编码：内码内码 LDPCn1 中非 0 处和 mn 相连求和后为0 则无错85 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn LDPC 解码结构之一是可采用解码结构之一是可采用并行迭代译码结构并行迭代译码结构12PEc1PEv1PEv2.PEv3PEv4Interconnect FabricPEvnPEc2PEkMn全并行全并行例如例如 DVB-S2 卫星接收机卫星接收机:64800 变量节点处理单元变量节点处理单元 PEv6,000-3,200 校验节点处理单元校验节点处理单元 PEcn高吞吐量，低功耗高吞吐量，低功耗n路由复杂路由复杂A. Blanksby and C. J. Howland, JSSC 2002DVB-S2 FEC 编码：编码：内码内码 LDPC变量节点变量节点校验节点校验节点86 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn 部分并行实现部分并行实现 (Parhi et al, 2002) 结构化的结构化的 LDPC codesVNU交换单元交换单元信道信息信道信息外信息外信息硬判决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：编码：内码内码 LDPC87 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT小的面积和路由小的面积和路由大量的存储需求大量的存储需求由于存储器访问，所以吞储量小。由于存储器访问，所以吞储量小。存储器存储器Memory软输入软输入校验节校验节点处理点处理变量节变量节点处理点处理下下次次迭迭代代DVB-S2 FEC 编码：编码：内码内码 LDPCn串行实现串行实现88 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTDVB-S2 FEC 编码：编码：BCH + LDPC级联级联nLDPC 与与 BCH 构成级联码构成级联码BCH 外码：主要是抵抗外码：主要是抵抗 LDPC 在低在低 BER（10-？）时出现的误）时出现的误码平台码平台(Error Floor)。nLDPC 编码参数见前面表编码参数见前面表 5：码分组长度码分组长度 64800 bit (或或 16200 bit)有效编码码率有效编码码率: 1/4, 1/3, 2/5, 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6, 8/9, 9/10mThe receiving chip complexity target : m 10 mm2 with today 0.09 m technology89 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTnLDPC 存在误码平台（存在误码平台（Error Floor）DVB-S2 FEC 编码：编码：BCH + LDPC级联级联误码平台区误码平台区瀑布区瀑布区非收敛区非收敛区收敛门限收敛门限误码平误码平台门限台门限90 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTnAWGAN 信道下，不同星座图中各种码率信道下，不同星座图中各种码率 BCH+LDPC 的性能的性能DVB-S2 FEC 编码：编码：BCH + LDPC级联级联n数数据据是是 AWGN 信信道道中中 QEF 下下（ PER=10-7) 的的计计算算机机仿仿真真结结果果，50次次 LDPC 定定点点解解码码迭迭代代，理理想想的的载载波波和和同同步步恢恢复复，无无相相位位噪噪声声，AWGN 信信道道，正正常常的的 FECFrame 长长度度，没没有有导导频频。n直直上上直直下下的的“瀑瀑布布”，非非常常接接近近 Shannon 信信道道容容量量91 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTnBCH+LDPC 与与 DVB-S1 和信道容量的比较和信道容量的比较DVB-S2 FEC 编码：编码：BCH + LDPC级联级联n与与 DVB-S RS+卷卷积积级级联联码码相相比比，在在相相同同的的 C/N 下下，DVB-S2 传传输输容容量量提提高高了了 35 以以上上。n在在很很宽宽的的范范围围内内，DVB-S2 的的 LDPC 距距离离 Shannon 极极限限 0.6 0.8dB 之之内内。n在在未未来来十十几几年年内内，估估计计很很难难有有其其它它技技术术替替代代它它。92 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn交交织织（interleaving）就就是是一一种种将将数数据据序序列列的的顺顺序序进进行行变变换换的的一一种种处处理理方方法法。又可称为置换（又可称为置换（permutation）。）。n目的：使突发误码随机化，便于随后的目的：使突发误码随机化，便于随后的 FEC 纠错。纠错。n交织器的一般表示方法交织器的一般表示方法交交织织表表：j =T(i)，表表示示输输出出序序列列的的第第 i 个个符符号号取取自自输输入入序序列列的的第第 j 个个符符号号。即即当当输输入序列为入序列为 x1, x2, ，输出序列为输出序列为 y1, y2, 时，时，yi = xT(i) 。n交织器的三个参数交织器的三个参数交织延迟交织延迟交交织织前前相相邻邻的的符符号号在在交交织织后后的的最最小小距距离离称称为为交交织织深深度度，交交织织深深度度应应不不小小于于信信道道上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。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。交交织织后后相相邻邻的的符符号号在在交交织织前前的的最最小小距距离离称称为为交交织织宽宽度度，交交织织宽宽度度应应不不小小于于编编码码的的约束长度，或相应的参数，否则突发误码仍不能彻底打散。约束长度，或相应的参数，否则突发误码仍不能彻底打散。DVB-S2 FEC 编码：编码：比特交织比特交织n每种调制模式的块交织深度和宽度见表每种调制模式的块交织深度和宽度见表 8 所示。所示。 93 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn此功能块只对此功能块只对 8PSK、16APSK 和和 32APSK调制模式。调制模式。n DVB-S2 FEC 比比特特交交织织采采用用了了传传统统的的块块交交织织，数数据据按按列列方方 向向 串串 行行 写写 入入 交交 织织 器器 ， 然然 后后 按按 行行 方方 向向 串串 行行 读读 出出（BBHeader 的的 MSB 首首先先读读出出，除除了了 8PSK 3/5 码码率率时时 BBHeader 的的 MSB 是第三个读出。）是第三个读出。）DVB-S2 FEC 编码：编码：比特交织比特交织94 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTDVB-S2 调制调制n把把串串行行 FECFrame 转转换换为为并并行行，映映射射为为调调制制星星座座图图的复数矢量的复数矢量 (I, Q) 或等效的极坐标形式或等效的极坐标形式 exp(j）。）。nXFECFrame长度为长度为64800/Mod或或 16200/Mod。n星座图有星座图有 4 种格式种格式 （Mod）：）：oQPSK (2 bit/s/Hz)o8PSK(3 bit/s/Hz)o16APSK (4 bit/s/Hz): 4-12-APSKo32APSK (5 bit/s/Hz): 4-12-16 APSKXFECFrameFECFrameo三种滚降系数三种滚降系数 o0.35o0.25o0.20针对卫星转发器的非线性，针对卫星转发器的非线性，星座图分布进行了优化。星座图分布进行了优化。95 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn对于对于 QPSK，采用传统的，采用传统的 Gray 码绝对映射（没有差分编码）。码绝对映射（没有差分编码）。n每个符号的归一化平均功率等于每个符号的归一化平均功率等于 2 = 1。n两两个个 FECFrame 比比特特映映射射为为 QPSK 符符号号，即即第第 2i 和和 2i+1 比比特特映映射射为为第第 i 个个 QPSK 符符号号，其其中中 i=0,1,2,(N/2)-1，N 为为编编码码 LDPC 分分组组长度。长度。DVB-S2 调制：调制：QPSK 星座图星座图96 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn对于对于 8PSK，采用传统的，采用传统的 Gray 码绝对映射（没有差分编码）。码绝对映射（没有差分编码）。n每个符号的归一化平均功率等于每个符号的归一化平均功率等于 2 = 1。n除除了了 3/5 码码率率 FEC，FECFrame 的的第第 3i、3i+1 和和 3i+2 比比特特映映射射为为第第 i 个个 8PSK 符符号号；而而对对于于 3/5 码码率率，第第 3i+2、3i+1 和和 3i 比比特特映映射射为为第第 i 个个 8PSK 符号，其中符号，其中 i=0,1,(N/3)-1，N为编码为编码 LDPC 分组长度。分组长度。DVB-S2 调制：调制：8PSK 星座图星座图97 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn调调制制信信号号在在高高功功放放（HPA）中中工工作作在在靠靠近近饱饱和和点点，HPA 的的非非线线性性在在信信号号中中引引入了相位和幅度失真。入了相位和幅度失真。卫星广播信道是典型的非线性信道。卫星广播信道是典型的非线性信道。n由由于于 ASPK 的的功功率率和和频频谱谱效效率率，以以及及它它对对非非线线性性失失真真固固有有的的抵抵抗抗性性，使使得得它它在在非非线线性性卫卫星星数数字字传传输输信信道道中中成成为为了了一一个个有有吸吸引引力力的的调调制制方方案案。由由此此，它它成成为为 DVB-S2 标准的一部分。标准的一部分。n卫星非线性信道调制方案的发展历程卫星非线性信道调制方案的发展历程以最小欧式距离最大化（误码性能）为优化准则：以最小欧式距离最大化（误码性能）为优化准则：在此信道中，与在此信道中，与 TC 16QPSK 或未编码的或未编码的 8PSK 相比，相比，16QAM 没有显出优势；没有显出优势；30年年前前人人们们就就提提出出了了圆圆形形 APSK 调调制制的的概概念念，并并分分析析其其非非带带限限 APSK 的的未未编编码码 BER 特特性性，能能清清楚楚了了它它对对非非线线性性信信道道的的适适用用性性，但但得得出出的的接接收收是是对对于于非非线线性性信信道道上上的的单单载载波波调调制，制，APSK 性能不如性能不如 PSK 方案；方案；在在平平均均功功率率约约束束下下，人人们们使使用用未未编编码码误误码码概概率率渐渐近近线线，对对 QAM 星星座座图图进进行行了了优优化化，得得到到了了优优化化的的 16QAM 星星座座图图，它它由由近近似似等等边边三三角角形形的的格格子子组组成成，但但这这个个结结果果没没有有应应用用到到卫星信道卫星信道通过比较线性信道中的方形通过比较线性信道中的方形 QAM 和圆形和圆形 APSK 误码性能，表明误码性能，表明 APSK 稍占优势；稍占优势；以互信息（信道容量）为优化准则：以互信息（信道容量）为优化准则：在在平平均均和和峰峰值值功功率率约约束束下下，人人们们研研究究了了调调制制的的互互信信息息（信信道道容容量量），证证明明了了圆圆形形 APSK 星座图的优势星座图的优势。进进一一步步研研究究了了在在峰峰值值功功率率受受限限的的高高斯斯复复信信道道中中 APSK 的的互互信信息息性性能能损损失失，并并与与经经典典的的 QAM 调调整整进进行行了了比比较较，表表明明：对对于于互互信信息息，APSK 明明显显优优于于 QAM，特特别别是是 16 和和 64星星座图。座图。在线性信道中，在线性信道中，APSK性能也几乎与性能也几乎与 QAM 一样好。一样好。DVB-S2 调制：调制：M-APSK 星座图星座图98 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTnM-APSK 星星座座图图由由 nR 个个同同心心圆圆组组成成，每每个个圆圆上上等等间间隔隔均均匀匀分分布布 PSK 星星座座点点，信信号号星星座座点点 x 是是复复数数，出出自自下下列列表表达式：达式：DVB-S2 调制：调制：M-APSK 星座图星座图nk、rk 和和 k 分别表示第分别表示第 k 个圆的星座点数、半径和相对相移。个圆的星座点数、半径和相对相移。我们我们称这种称这种 APSK 为为 n1+n2+.+nnR APSK。 在在 DVB-S2 中中，采采用用了了 | = 4+12 APSK ， | = 4+12+16 APSK，分分别别有有 nR=2 和和 nR=3 个圆环。个圆环。通通常常调调制制信信号号 是是归归一一化化能能量量，即即 E|x|2=1，意意味味着着半半径径 rk 是是归归一一化化的的，以便以便 。99 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTnM-APSK 星星座座图图设设计计的关键参数：的关键参数：圆上的星座点数圆上的星座点数 nk 圆半径圆半径 rk 星座点相对相移星座点相对相移kn定义定义k = k-1 为为第第 k 个个圆与内圆的相移。圆与内圆的相移。k = rk/r1 为为 k 个个圆圆的相对半径。的相对半径。DVB-S2 调制：调制：M-APSK 星座图星座图4+12 APSK 和和 4+12+16 APSK 星座图星座图100 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTmQAM 星座图星座图816VSB68VSB101024QAM8256QAM7128QAM664QAM532QAM416QAM2QPSKbit/s/Hz调制方式调制方式mQAM、VSB数字多电平调制频谱利用率数字多电平调制频谱利用率可实现的频带利用率可实现的频带利用率101 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn16APSK (n1=4, n2=12）星星座座图图的的传传输输容容量量性性能能优优化化（相相对半径和相移为参量，对半径和相移为参量，Es/N0=12dB）DVB-S2 调制：调制：16APSK 星座图星座图传输容量与相移传输容量与相移无关，因此，最大无关，因此，最大信道容量的二维优信道容量的二维优化简化为只与相对化简化为只与相对半径半径 为参量。为参量。这这个结论对其它星座个结论对其它星座图也成立。图也成立。 102 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn16APSK Eb/N0BER 性性能能优优化化 (不不同同星星座座点点数数、不不同同相相移移)DVB-S2 调制：调制：16APSK 星座图星座图最最小小相相移移 =0 和和最最大大相相移移 =/n2 的的曲曲线线重重合合， 表表明明在在高高 SNR 时时相相移移 没没有有显显著影响。著影响。对星座优化来讲，圆环半径比圆环上星座点数更起作用。对星座优化来讲，圆环半径比圆环上星座点数更起作用。103 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn非线性高功放（非线性传输信道），非线性高功放（非线性传输信道），4+12 APSK 优于优于 6+10APSK。外外圆圆存存在在更更多多星星座座点点，允允许许 HPA DC 功功率率转转换换效效率率最最大大；减减少少内内圆圆星星座座点数更好，因为它在较低功率处发射，这对应着较低的点数更好，因为它在较低功率处发射，这对应着较低的 DC 效率。效率。众众所所周周知知，HPA 的的功功率率转转换换效效率率是是输输入入功功率率驱驱动动的的单单调调函函数数，直直至至饱饱和和点。点。DVB-S2 调制：调制：16APSK 星座图星座图n右右图图显显示示了了在在 DVB-S2 参参数数下下，各各种种 16APSK 的的发发射射信信号号包包络络的的分布。分布。4+12APSK 功功率率包包络络比比 16QAM 和和 6+10PSK 更更集集中中，更更接接近近于于 16PSK；4+12APSK 星星 座座 图图 是是 一一 个个 在在 16QAM 和和 16PSK 之之间间很很好好的的折折中中，其其误误码码性性能能接接近近 16QAM，抗非线性性能接近抗非线性性能接近 16PSK。4+12APSK 星星座座图图比比其其它它形形式式的的 16APSK 具有更好的性能。具有更好的性能。 32APSK 与与 32QAM 相相 比比 ，32APSK 也具有类似的优势。也具有类似的优势。104 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn 最终最终 DVB-S2 标准：标准：16APSK是是由由 2 个个同同心心圆圆构构成成，圆圆上上星星座座点点等等间间隔隔分分布布，各各为为 4 和和12，即，即4+12APSK。外外圆圆和和内内圆圆半半径径之之比比 = R2/R1，见表，见表9。若若 4R12 + 12R22 = 16，则则平均信号功率为平均信号功率为 1。FECFrame 的的第第 4i、4i+1、4i+2 和和 4i+3 比比特特映映射射为为第第 i 个个 16APSK 符符 号号 ， 其其 中中 i=0,1,2,(N/4)-1，N 为为编编码码 LDPC 分组长度。分组长度。DVB-S2 调制：调制：16APSK 星座图星座图105 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTDVB-S2 调制：调制：32APSK 星座图星座图n32APSK是是由由 3个个同同心心圆圆构构成成，圆圆上上星星座座点点等等间间隔隔分分布布，各各为为 4、12 和和 16。n3 个个圆圆半半径径之之比比分分别别为为 1 = R2/R1，2 = R3/R1,见表见表10。n若若 4R12 + 12R22 + 16R32 = 32，则平均信号功率为，则平均信号功率为 1。nFECFrame 的的第第 5i、5i+1、5i+2、5i+3 和和 5i+4 比比特特映映射射为为第第 i 个个 32APSK 符符号号，其其中中 i=0,1,2,(N/4)-1，N 为为编编码码 LDPC 分组长度。分组长度。106 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTnEs 为为每每个个传传输输符符号号平平均均能能量量数数据据是是 AWGN 信信道道中中 QEF 下的指标。下的指标。n理理想想 Es/N0 是是计计算算机机仿仿真真结结果果，50次次 LDPC 定定点点解解码码迭迭代代，理理想想的的载载波波和和同同步步恢恢复复，无无相相位位噪噪声声，AWGN 信信道道，正正常常的的 FECFrame 长长度度，没有导频。没有导频。n对对于于短短时时 FECFrame，需需考考虑虑 0.20.3dB 的额外损耗。的额外损耗。n 对对于于链链路路预预算算，需需考考虑虑相相应应的卫星信道损伤。的卫星信道损伤。nPER 是是 FEC 后后正正确确接接收收的的有用有用 TS 包与错误包与错误 TS 包之比。包之比。DVB-S2 调制：调制：Es/N0 性能性能107 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTDVB-S2 调制：调制：C/N 性能性能30%4.5 0.5 18 dB108 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPToDVB-S2 与与 DVB-S 相比相比:o比特率比特率 bit/s (相同的相同的 C/N 和和 符号率符号率): 25-35% ，取决于模式和应用，取决于模式和应用更大的灵活性，更好地匹配转发器特性：更大的灵活性，更好地匹配转发器特性：频谱效率频谱效率 0.5 4.5 bit/s/HzC/N 范围范围 2 +16 dB (AWGN)距离距离 Shanna 极限极限 0.7 1 dB 意味着：意味着： “在我在我们的一生中，将不再需要的一生中，将不再需要设计另外的另外的卫星广播系星广播系统。”DVB-S2 调制：调制：性能比较性能比较109 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn物理层成帧物理层成帧 (PLFrame) 过程如下：过程如下：当当没没有有 XFECFrame 准准备备好好处处理理和和传传输输时时 ， 产产 生生 虚虚 构构 PLFrame， 它它 由由 PLHeader 和和 36 个个 的的 未未 调调 制制 载载 波波 ( I=Q=1/2）组成；）组成；XFECFrame 分分割割为为整整数数 S 个个固固定定长长度度的的 SLOTs，每每个个 SLOT 长长度度 M=90 符符号号，S 的数值遵循表的数值遵循表 11； 在在 XFECFrame 之之前前位位置置，生生成成和和插插入入 PLHeader， 用用 于于 接接 收收 机机 配配 置置 。PLHeader 将正好占据一个将正好占据一个 SLOT；(对对于于需需要要导导频频的的模模式式) 每每 16 个个 SLOT 插插入入一一次次导导频频块块，以以帮帮助助接接收收机机同同步步。导频块由导频块由 P=36 个导频符号组成；个导频符号组成；在在物物理理层层扰扰乱乱器器中中对对 (I, Q) 调调制制符符号号进进行行随机化处理随机化处理；DVB-S2 物理层成帧物理层成帧XFECFrame PLFramenPLFraming 效率为：效率为： =90S/90(S+1) + P int(S-1)/16 其中，其中，P = 36，S 为为 Slot 数，数，int. 表示取整表示取整.110 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTDVB-S2 物理层成帧物理层成帧111 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTnPLHeader 用用于于接接收收机机同同步步和和物物理理层层信信令令： XFECFrame 的的编编码码和和调调制方案，制方案， PLFrame 长度和结构，导频符号的存在与否等信息。长度和结构，导频符号的存在与否等信息。nPLHeader (90 个符号的一个个符号的一个 SLOT）由下列信息域组成：）由下列信息域组成：SOF（26 符符号号）：指指示示帧帧开开始始（Start of Frame），SOF 序序列列为为 1.8D.2E.82HEX，对对应应的的二二进进制制为为 01-1000-.-0010，最最左左边边比比特特为为 PLHeader 的的 MSB 位；位；PLS 码码（64 符符号号）：PLS（Physical Layer Signalling）码码是是一一个个非非系系统统的的二二进进制制纠纠错错码码（64, 7)，最最小小距距离离 dmin=32，它它等等效效于于排排列列下下的的一一阶阶 Reed-Muller 码，传输的码，传输的 7 个符号由两个域构成：个符号由两个域构成：MODCOD（5 符号）符号）：指示：指示 XFECFRAME 调制和调制和 FEC 码率；码率；TYPE（2 符符号号）：指指示示 FECFrame 长长度度 (64800/16200bits) 和和导导频频是是否否存存在在，TYPE 域域的的 MSB 指指示示 FECFRrame 的的长长度度（0 = 64800，1 = 16200），LSB 位指示导频配置（位指示导频配置（0 = No pilots，1 = pilots）。）。nPLHeader 表表示示为为二二进进制制序序列列(y1, y2,., y90)，调调制制为为 90 个个 /2 BPSK 符号符号： I2i-1=Q2i-1=(1/2)(1-2y2i-1)， I2i=Q2i=(1/2)(1-2y2i)DVB-S2 物理层成帧：物理层成帧：PLHeader 信令信令112 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTnMODCOD 域：域：5 个个 bit 构成，可构成，可表示表示 32 种情况种情况：编码码率编码码率 c = 1/4, 1/3, 2/5, , 3/5, 2/3, , 4/5, 5/6, 8/9, 9/10调制频谱效率调制频谱效率 MOD = 2, 3, 4, 5DVB-S2 物理层成帧：物理层成帧：PLHeader 信令信令113 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTnPLS 纠纠错错编编码码：MODCODE 和和 TYPE 域域采采用用了了 (64,7) 双双正正交交码码，其基于其基于双正交双正交 (32,6)码码，结构如下：，结构如下：DVB-S2 物理层成帧：物理层成帧：PLHeader 信令信令n(32, 6) 码生成的码字表示为码生成的码字表示为 (y1y2.y32)，最终的，最终的 PLS 码输出为：码输出为：当当 TYPE 域域的的 LSB 位位为为 0 (即即 b7 = 0）时时，最最终终的的 PLS 码码输输出出为为 (y1y1y2y2.y32 y32)，即每个输出符号重复。，即每个输出符号重复。当当 TYPE 域域的的 b7 = 1 时时，最最终终的的 PLS 码码输输出出为为 ，即即每个重复的输出符号进一步是二进制补码。每个重复的输出符号进一步是二进制补码。n特特殊殊的的结结构构保保证证了了（64,7) 码码的的每每个个奇奇数数比比特特要要么么与与前前一一个个一一样样，要要么么相相反反，这这取取决决于于比比特特 b7，即即 TYPE 的的 LSB 位位。接接收收机机差差分分相相干干检检测时可以利用此信息。测时可以利用此信息。114 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTnMODCOD 和和 TYPE 域域的的 MSB 采采用用线线性性分分组组码码（32, 6) 码，其生成矩阵为：码，其生成矩阵为：DVB-S2 物理层成帧：物理层成帧：PLHeader 信令信令nMODCOD 的的 MSB 与与矩矩阵阵 G 的的第第一一列列相相乘乘，随随后后的的 bit 与与第第二二列列相相乘，进行下去，最终得到乘，进行下去，最终得到 (y1y2y3.y32)。nPLS 纠错码输出的纠错码输出的 64bit 进一步用下述二进制序列进行进一步用下述二进制序列进行扰乱扰乱： 01110001100111011000001111001001010011010000100010110111111010115 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn除除了了 PLHeader，每每个个 PLFrame 将将进进行行随随机机化化（扰扰乱乱）处处理理，即即将将（I + jQ）样值乘以复数随机序列（）样值乘以复数随机序列（CI + jCQ）：）： IScrambled = I CI Q CQ QScrambled = I CQ + Q CI复复数数随随机机序序列列码码率率与与 IQ PLFrame 符符号号率率一一致致，因因此此，扰扰乱乱处处理理对对信信道道带宽没有影响。随机序列周期要大于带宽没有影响。随机序列周期要大于 PLFrame 最大符号数最大符号数 70000。随随机机序序列列在在每每个个 PLHeader 结结束束时时复复位位，FLFrame 长长度度取取决决于于选选择择的的调制模式，因此，随机序列长度将截断为当前帧的长度。调制模式，因此，随机序列长度将截断为当前帧的长度。DVB-S2 物理层成帧：物理层成帧：物理层扰乱物理层扰乱116 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTDVB-S2 物理层成帧：物理层成帧：物理层扰乱物理层扰乱n复复数数随随机机扰扰乱乱序序列列由由两两个个长长度度为为 18 的的实实数数 m 序序列列构构成成，得到的两个序列组成得到的两个序列组成 Gold 序列集的一段。序列集的一段。n令两个序列分别是令两个序列分别是 x 和和 y，它们，它们 GF2 本原多项式为：本原多项式为：x 序列：序列： 1 + x7 + x18y 序列：序列：1 + y5 + y7 + y10 + y18 n令令 x(i)、y(i) 和和 zn(i) 分分别别表表示示序序列列 x、y 和和 zn 的的第第 i 个个符符号，号，zn 表示表示Gold 序列。序列。nm 序列序列 x 和和 y 如下构建如下构建：初始条件：初始条件：x(0) = 1, x(1) = x(2) = . = x(16) = x(17) = 0y(0) = y(1) = . = y(16) = y(17) =1子序列符号的循环定义：子序列符号的循环定义：x(i+18) = x(i+7) + x(i) 模模 2，i = 0, ., 218-20 y(i+18) = y(i+10) + y(i+7) + y(i+5) + y(i) 模模 2，i = 0, ., 218-20n第第 n 个个 Gold 码序列码序列 zn 定义如下：（定义如下：（n = 0, ., 218-20) zn(i) = x(i+n) 模（模（218-1) + y(i) 模模 2117 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTnGold 序列序列 zn 转换为整数值序列转换为整数值序列 Rn (假设数值为假设数值为 0, 1, 2, 3) ： Rn(i) = 2 zn(i + 131072) 模模 (218-1) + zn(i) i=0,1,.,66419n最后，第最后，第 n 个复数随机扰乱码序列个复数随机扰乱码序列 CI(i) + jCQ(i) 定义为：定义为： CI(i) + jCQ(i) = exp (j Rn(i) /2)DVB-S2 物理层成帧：物理层成帧：物理层扰乱物理层扰乱n注：注：n 取值范围假设为取值范围假设为 0262141，表示了扩频序列数目，表示了扩频序列数目；使用不同的使用不同的 PL 随机扰乱序列将能减少不同业务之间的相关干扰；随机扰乱序列将能减少不同业务之间的相关干扰；同样目的，在不同卫星波束中可能对相同序列的偏移版本进行再用；同样目的，在不同卫星波束中可能对相同序列的偏移版本进行再用；更更进进一一步步，对对每每个个卫卫星星运运营营商商、卫卫星星或或转转发发器器直直接接赋赋予予相相关关的的 n 值值，那么就可以通过那么就可以通过 PL 扰乱扰乱“标志标志”检测而获得干扰信号的辨认；检测而获得干扰信号的辨认；没有明确的信令方法把没有明确的信令方法把 n 传送给接收机。传送给接收机。118 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTDVB-S2 物理层成帧：物理层成帧：物理层扰乱物理层扰乱nn=0 时时 PL 扰乱码生成器的配置框图扰乱码生成器的配置框图n对对于于广广播播业业务务，n=0 用用于于缺缺省省序序列列，以以避避免免接接收收机机手手动动设设置或同步延时。置或同步延时。119 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTDVB-S2 基带成形和正交调制基带成形和正交调制n随随机机化化后后的的信信号号进进行行平平方方根根升升余余弦弦滤滤波波器器 (SRRC)，滚滚降降系数系数 为为 0.35、0.25 和和 0.20，取决于业务需求。，取决于业务需求。n基带基带 SRRC 滤波器具有如下定义的理论函数：滤波器具有如下定义的理论函数：n基基带带成成形形滤滤波波后后的的同同相相分分量量 I 和和正正交交分分量量 Q 分分别别乘乘以以 sin(2f0t) 和和 cos(2f0t)，相加后得到正交调制信号，相加后得到正交调制信号 s(t)：s(t) = A(t) cos f f(t) cos w wct - A(t) sin f f(t) sin w wctin-phase 同相同相Quadrature 正交正交输出信号输出信号频谱模板频谱模板120 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT主题概述主题概述n引言引言nDVB-S 回顾回顾nDVB-S2 物理层技术元素物理层技术元素n DVB-S2 应用举例应用举例工具箱和参数配置工具箱和参数配置数字电视广播数字电视广播DTT 数字电视发射机数字电视发射机 TS 流分配流分配SDTV 和和 HDTV 广播广播DSNG 业务业务IP 业务业务后向兼容业务后向兼容业务n参考资料参考资料121 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn广播广播应用用 (DTV): 非后向兼容模式非后向兼容模式 DVB-S 后向兼容模式后向兼容模式 n交互交互应用用 包括包括码率自适率自适应 ACM个人和集体个人和集体应用用n专业系系统DSNG（Digital Satellite News Gathering)Internet 中中继有有线馈源源 .n后面兼容模式后面兼容模式为为了了保保持持现现有有 DVB-S 接接收收机机能能够够部部分分接接收收 DVB-S2 信号信号DVB-S2 应用领域应用领域122 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTDVB-S2 应用：应用：工具箱工具箱nDVB-S2 针针对对各各种种应应用用情情况况的的单单一一系系统统，因因此此，引引入入了了各各种工具（参数和算法）。种工具（参数和算法）。由于量产由于量产降低成本降低成本DVB-S2Broadcast ProfileInteractive Profile (ACM)Professional Profile (ACM)Back-compatibleprofile123 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTDVB-S2 应用：应用：系统配置系统配置124 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTnCCM = Constant Coding and ModulationnDVB-S2 可用于：可用于：单单载载波波单单转转发发器器（SCPT）：与与转转发发器器带带宽宽匹匹配配，达达到到最最大大传传输输容容量量。采采用群时延均衡器，能增加传输容量或减少失真；用群时延均衡器，能增加传输容量或减少失真；多多载载波波单单转转发发器器（MCPT）：要要考考虑虑相相邻邻载载波波间间的的相相互互干干扰扰，保保持持在在可可接收的水平。接收的水平。n在此应用中，可以在频谱效率和在此应用中，可以在频谱效率和 LDPC 码率之间做出选择，如图。码率之间做出选择，如图。DVB-S2 应用应用 1：CCM 数字电视广播数字电视广播频频谱谱效效率率n仿真参数仿真参数CCM 模式模式Normal FECFrame (64800bits)No Padding 域域No Pilots (导频将减少导频将减少 2.4% 效率效率)滚降系数滚降系数 0.35 and 0.20n在在这这些些参参数数下下，可可以以忽忽略略转转发发器器带带宽宽受受限限而而带带来来的的 Es/n0 失失真真，以以及及线性信道中相邻频道间的干扰。线性信道中相邻频道间的干扰。n需需要要仔仔细细研研究究各各种种情情况况下下的的应应用用参参数数，以以避避免免产产生生不不可可接接受受的的干干扰扰和和失真。失真。125 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTnC/N 性能的计算机仿真如下图性能的计算机仿真如下图（与前面曲线相同）。（与前面曲线相同）。n在调制器在调制器 Nyquist 滤波器之前，调制信号峰均比滤波器之前，调制信号峰均比 PAR 为：为：PAR QPSK 和和 8PSK = 0dB；PAR 16APSK = 1.051.11dB 精确值为精确值为 42/(32 + 1)；PAR 32APSK = 1.972.12dB 精确值为精确值为 822/(422 +312 + 1)；n调制方式调制方式QPSK 和和 8PSK 是是准准恒恒包包络络调调制制，在在单单载载波波单单转转发发器器传传输输时时，可可把把转转发发器推到接近饱和状态，功率效率高。器推到接近饱和状态，功率效率高。16APSK 和和 32APSK 天天生生就就对对非非线线性性失失真真敏敏感感，需需要要准准线线性性转转发发器器，即即需需要要更更大大的的输输出出回回退退（Output-Back-Off, OBO)，可可以以在在上上行行站站中中采采用用非非线性补偿技术。线性补偿技术。n转发器配置转发器配置在在 SCPT 模模式式下下，可可采采用用更更窄窄的的滚滚降降 =0.25 和和 0.20，获获得得更更高高的的传传输输容容量，但更大的非线性失真。量，但更大的非线性失真。在在 MCPT FDM 模模式式下下，卫卫星星转转发发器器必必须须是是准准线线性性，即即更更大大的的输输出出回回退退 OBO，以避免信号间的交调干扰。，以避免信号间的交调干扰。DVB-S2 应用应用 1：CCM 数字电视广播数字电视广播126 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTDVB-S2 应用应用 1：CCM 数字电视广播数字电视广播n考虑卫星信道后，带来的考虑卫星信道后，带来的 C/N 损失。损失。在非线性在非线性 TWTA 模型和各种相位噪声情况下，计算机仿真结果如下表。模型和各种相位噪声情况下，计算机仿真结果如下表。仿仿真真参参数数：Rs =27.5Mbaud，滚滚降降=0.3，动动态态预预失失真真存存储储 M = 5 (QPSK, 8PSK and 16APSK), M = 3 (32APSK)。CSAT 是在是在 HPA 状态下未调制载波功率；状态下未调制载波功率；OBO 是是饱饱和和时时未未调调制制载载波波与与调调制制载载波波（OMUX 之之后后）测测量量的的功功率率之之比比（dB）；）；噪噪声声模模板板是是参参考考低低成成本本消消费费者者 LNB，自自然然的的，对对于于专专业业应应用用，将将会会获获得得更小的失真。更小的失真。 127 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTnDVB-S 和和 DVB-S2 数字电视广播比较数字电视广播比较DVB-S2 应用应用 1：CCM 数字电视广播数字电视广播2128 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn多多个个 TS 复复接接码码流流通通过过 DVB-S2 （CCM）分分发发给给各各个个地地面面数数字字电电视视（DTT）发射机。）发射机。n若若采采用用单单转转发发器器单单载载波波（SCPT），那那么么可可以以通通过过卫卫星星 HPA 饱饱和和，获得更优的功率效率。获得更优的功率效率。n假设转发器假设转发器 BW = 36MHz，滚降，滚降 =0.2，传输符号率为，传输符号率为 30Mbaud。n如如果果需需要要传传输输两两个个 24Mbps DTT Mux，则则频频谱谱效效率率为为 1.6bit/s/Hz，那那么对于么对于 QPSK 5/6 码率，需要码率，需要 C/N = 5.2 + 0.7dB + 实现裕量实现裕量。DVB-S2 应用应用 2：DTT 发射机的发射机的 TS 流分配流分配129 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn采采用用多多 TS 流流 VCM 模模式式（VCM，Multiple TS），为为每每个个 TS 流流提提供供不不同同的的误误码码纠纠错错能能力力。需需要要注注意意的的 DVB-S2 不不能能在在同同一一个个 TS 码码流流中中提供不同的误码保护。提供不同的误码保护。n典型应用是高保护的典型应用是高保护的 SDTV TS 流和低保护的流和低保护的 HDTV TS。2 个个 HDTV 节目：节目：40Mbps；3 个个 SDTV 节目：节目：12Mbps；27.5Mbaud 符号率；符号率；调制纠错：调制纠错：8PSK and QPSK 2/3，C/N 值：相差值：相差 55.5dB。DVB-S2 应用应用 3：SDTV 和和 HDTV 广播广播130 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn在在点点对对点点 ACM 链链路路中中，单单个个 TS 传传送送给给唯唯一一的的接接收收站站（例例如如 DSNG)，这这样样需需要要根根据据接接收收点点的的卫卫星星信信道道 C/N+I 变变化化情情况况，改改变变 TS 包的纠错保护能力。包的纠错保护能力。n当当传传播播条条件件发发生生改改变变时时，PLFrame Fi 将将从从保保护护模模式式 Mj 切切换换到到保保护护模模式式 Mk， 以以保保证证业业务务的的连连续性。续性。DVB-S2 应用应用 4：使用使用ACM 的的DSNG 业务业务131 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn 宽带卫星交互业务的优势和劣势：宽带卫星交互业务的优势和劣势：优势优势:广阔的覆盖和快速网络部署广阔的覆盖和快速网络部署不需要昂贵的地面设施：理想的农村不需要昂贵的地面设施：理想的农村或发展中国家覆盖。或发展中国家覆盖。劣势：劣势：现今卫星容量业务成本现今卫星容量业务成本 30% - 50%地面地面 ADSL 费用快速下降费用快速下降DVB-S2 应用应用 5：IP 业务业务132 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn目前卫星目前卫星DVB IP/Unicast 业务在下行链路上使用业务在下行链路上使用 DVB-S。nDVB-S 是是为为广广播播业业务务研研发发的的，其其物物理理层层保保护护能能力力对对于于每每个个业业务务和和任任何何时时刻刻都都是是恒恒定定不不变变的的（是是对对最最坏坏情情况况、最最坏坏业业务、最坏时刻、最坏位置下的链路优化务、最坏时刻、最坏位置下的链路优化）DVB-S2 应用应用 5：IP 业务业务对于大部分时间，对于大部分时间，需要较大的需要较大的 C/N 裕量裕量(对于对于 Ku 波段，典型值波段，典型值 4-6 dB)133 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTnDVB-S2 ACM 技技术术允允许许按按着着传传播播条条件件 (雨雨天天/晴晴天天、波波束中心束中心/边缘、边缘、.) 自适应地进行自适应地进行 FEC/调制调制。n每每个个用用户户可可能能需需要要很很低低的的 C/N 裕裕量量就就能能运运行行，那那么么将使卫星吞吐量最大化。将使卫星吞吐量最大化。ACM 的的增增益益随随着着频频率率 (C, Ku, Ka) 而增加而增加!DVB-S2 应用应用 5：IP 业务业务134 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT典型网络结构典型网络结构用户用户终端终端高速下行高速下行链路链路DVB-RCSInfoProviderInternet卫星卫星IP业务提供商业务提供商1432路由器路由器ACM 路由器路由器ACM 路路由管理器由管理器回传通道回传通道网关网关DVB-S2 ACM 调制器调制器InfoProvider内容提内容提供商供商DVB-S2 应用应用 5：IP 业务业务n终端通过低速回传信道终端通过低速回传信道 (例如例如 DVB-RCS) 发送请求；发送请求；n卫卫星星 Internet 业业务务提提供供商商为为用用户户请请求求提提供供 Internet 路路由由，并并为为内内容容提提供供商商提供卫星路由。提供卫星路由。nS-ISP 通通过过 ACM 路路由由管管理理器器完完成成 ACM，通通过过回回传传链链路路与与用用户户终终端端协协商商业业务等级务等级/误码保护。误码保护。135 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTnIP over generic streams按着需要的保护、优先级等，把按着需要的保护、优先级等，把 IP 流分到不同的流分到不同的 buffer 中。中。按按着着需需要要的的保保护护，路路由由器器把把用用户户数数据据装装载载到到“车车厢厢”中中，车车厢厢中中可以装载不同用户的数据。可以装载不同用户的数据。按着流量的需要，火车的高低保护数据的比例可以及时改变。按着流量的需要，火车的高低保护数据的比例可以及时改变。DVB-S2 应用应用 5：IP 业务业务缓存缓存.1K users, L QoSBUFF.2BUFF.3BUFF.KxL路由管理器路由管理器C/N+I 信息信息K 用户用户IP 信信息息路路由由器器路路由由器器ACM routerDVB-S2 ACM 调制器调制器MODCOD 信令信令Prot 1Prot 3Prot 8136 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn IP over MPEG TS ( 每个保护等级上一个每个保护等级上一个 TS 流）流）BUFF.1K 用用户户BUFF.2BUFF.3BUFF.MACM 路由管理路由管理C/N+I informationK users路路由由TS MUXTS MUXTS MUXGTWGTWGTWMPE GatewayDVB-S2 ACM 调制器调制器Prot 1Prot 2Prot 8DVB-S2 提供了专门的工具用于在提供了专门的工具用于在 ACM 上传送上传送 TS 流流DVB-S2 应用应用 5：IP 业务业务137 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTDVB-S2 应用应用 5：IP 业务业务n 空间资源空间资源用户速率用户速率峰值时间有效用户百分比：峰值时间有效用户百分比：8%每个用户的峰值比特率：没有限制每个用户的峰值比特率：没有限制 (最高信道容量最高信道容量)每个有效用户保证的比特率每个有效用户保证的比特率: 100 kbps 30% 的有效用户的有效用户: 200 Kbit/s (视频流视频流)70% 的有效用户的有效用户: 58 Kbit/s (WWW 浏览浏览)72 MHz Ka 波段转发器波段转发器，总的容量：，总的容量： 68 Mbit/s，对于，对于DVB-S 177 Mbit/s，对于，对于 DVB-S2 ACM (平均平均)每个转发器的用户数每个转发器的用户数8500 用户用户/转发器转发器 (DVB-S)22000 用户用户/转发器转发器 (DVB-S2)138 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT转发器成本转发器成本 (Ka 点波束点波束): 2.6 M/年年DVB-S2 与与 ADSL 费用比较费用比较2.6 M / year8500 users= 306 /年年 (satellite capacity only)DVB-SADSL (flat) = 350 /year (full service)2.6 M / year22000 users= 118 /年年 (satellite capacity only)DVB-S2. + DVB-RCS 回传信道回传信道 (30 kbit/s): 50-100 /year ?DVB-S2 应用应用 5：IP 业务业务nDVB-S2, 宽带卫星应用的新技术，为交互业务提供了更强大的工具箱。宽带卫星应用的新技术，为交互业务提供了更强大的工具箱。n幅幅员员辽辽阔阔的的国国家家建建立立完完整整的的地地面面 Internet 基基础础设设施施非非常常困困难难，DVB-S2 能能以以适适当当的的费费用用，快快速速构构建建国家信息网络。国家信息网络。n最最近近的的商商业业调调查查预预计计在在 20052009年年 DVB-S2 设设备备的的收收入入将将达达到到 1.3 Billion US$ ( 70% 是是交交互互业业务务)139 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn后后向向兼兼容容模模式式（Backwards Compatible, BC) 是是选选项项，为为了了保保持持现现有有 DVB-S 接接收收机机能能够够部部分分接接收收 DVB-S2 信号。信号。nBC 模模式式采采用用分分级级调调制制方方式式实实现现 DVB-S 和和 DVB-S2 的的兼兼容容，星星座座图图为为非非均均匀匀 8PSK。n高高优优先先级级 (HP) 码码流流传传送送后后向兼容的向兼容的 DVB-S 信号。信号。n低低优优先先级级 (LP) 码码流流传传送送非非兼兼容容的的 DVB-S2 信信号号，编编码码码码率率为为 1/4、1/3、1/2 和和 3/5。DVB-S2 应用应用 6：后向兼容业务后向兼容业务140 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTnDVB-S2 BC 模式功能框图模式功能框图DVB-S2 应用应用 6：后向兼容业务后向兼容业务非均匀非均匀 8PSK 星座图星座图141 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn偏移角偏移角 对对 DVB-S (HP流）和流）和 DVB-S2(LP流流) C/N 性能的影响：性能的影响：非非均均匀匀 8PSK 星星座座图图的的偏偏移移角角 可可以以根根据据用用户户的的需需求求改改变变，但但 受受现现有有 DVB-S 接接收收机机的的限限制制，例例如如载载波波恢恢复复周周期期滑滑动动。大大的的 将将提提高高 LP 抵抵抗抗噪噪声声和和干干扰扰的的能能力力，而而降低降低 HP 的可靠性。的可靠性。DVB-S2 应用应用 6：后向兼容业务后向兼容业务n右右图图给给出出了了 和和 HP/LP 性性能能的的关关系系。HP 和和 LP 曲曲线线的的交交叉叉点点是是 HP 和和 LP 性性能能平平衡衡点点。在在实实际际中中需需要要考考虑虑实实际际信信道道特特性性后后，对对每每个个案案例例优优化化传传输输参参数数 (编编码码码率、偏移角码率、偏移角 等等)。DVB-S HPDVB-S2 LP =0，为，为DVB-S 的的C/N：3.2dB(1/2码率码率)、4.9(2/3)、5.9(3/4)、6.9(5/6)、7.7(7/8)142 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn在在高高 C/N 值值（即即大大于于 9dB，大大功功率率卫卫星星）和和高高的的频频谱谱效效率率（大大于于 1.6，即即 DVB-S 所所能能提提供供的的最最高高 7/8 码码率率）时时，BC 模模式式具具有有最最显显著著的的容容量量增增益益（在在给定的给定的 C/N 下获得额外的码率）。下获得额外的码率）。n例例 如如 C/N =10dB， =12， DVB-S HP 采采 用用 QPSK 7/8（ 频频 谱谱 效效 率率 1.61bit/s/Hz)，DVB-S2 LP 采采用用1/3 LDPC（频频谱谱效效率率 0.33bit/s/Hz)，则则总总的的频频谱谱效效率率为为 1.61(HP) + 0.33(LP) = 1.94bit/s/Hz。此此时时，如如果果只只采采用用 DVB-S， C/N只需要只需要 8.5dB 就够了，将不能充分地利用这么大的就够了，将不能充分地利用这么大的 C/N =10dB。DVB-S2 应用应用 6：后向兼容业务后向兼容业务143 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPTn下表给出了在不同的下表给出了在不同的 FEC 编码码率下编码码率下 LP 流和流和 HP 流的比特率比值。流的比特率比值。DVB-S2 应用应用 6：后向兼容业务后向兼容业务n对对于于 BC 模模式式，将将不不使使用用虚虚构构帧帧和和短短时时Frame，PLHeader 由由 90bit 构构成成，以以指指示示正正在在传传输输的的 LP 码码率率，如如下下所所示示，8进进制制表表示示，MSB(最最左左边比特）先传：边比特）先传：144 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT小结小结nDVB-S2 将将开开创创卫卫星星通通信信和和广广播播新新时时代代，系系统统性性能能逼逼近近了了 Shannon 极限极限；nDVB-S2 为各种不同应用提供了相应的工具箱；为各种不同应用提供了相应的工具箱；DVB-S2 具具有有与与 DVB-S 后后向向兼兼容容的的 BC 模模式式，为为目目前前数数量量众众多多的的 DVB-S 接收机提供一个过渡期。接收机提供一个过渡期。DVB-S2 更专注于以前更专注于以前 DVB-S 没有涉足很深的领域没有涉足很深的领域 HDTV、IP 业务、专业应用等业务、专业应用等DVB-S2 ACM 与与 多多 点点 波波 束束 Ka 波波 段段 卫卫 星星 结结 合合 ， IP业业 务务（Internet）费费用用将将降降低低很很多多，可可以以与与地地面面接接入入（ADSL）展展开开竞竞争，至少在边远地区和发展国家是如此。争，至少在边远地区和发展国家是如此。DVB-S2 与与新新的的音音视视频频编编码码算算法法 (H.264/AVC、WM9 和和 AVS）结结合，一个合，一个 36MHz 转发器将可传送：转发器将可传送：2025 SDTV56 HDTV145 北北京京邮邮电电大大学学电电信信工工程程学学院院多多媒媒体体通通信信中中心心门门爱爱东东教教授授 Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT参考资料参考资料1)ETSI EN 302 307 V1.1.1 (2004-06) Draft (DVB-S2)2)Alberto Morello, “The new genetation DVB system by Satellite: DVB-S2”, www.dvb.org3)Alberto Morello, Cutting down space segment costs for interactive services, FUTURECOM, Florianopolis, 25 October 2004.4)Feng-Wen Sun and Yimin Jiang, “Digital Video Broadcasting via Satellite-Second Generation”, Hughes Network System, March 4, 2004.5)R. 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