視頻廣播標準dvbs2

1、門愛東教授BeijingDVB-S2：第二代衛(wèi)星數(shù)字視頻廣播Digital Video Broadcasting (DVB):Second generation framing structure, channel coding andmodulation systems for Broadcasting, Interactive Services,News Gathering and other broadband satellite applications主題概述引言DVB-S 回顧 DVB-S2 是什么？ DVB-S2 物理層技術元素 DVB-S2 應用舉例參考資料2引言：通信系統(tǒng)模型

2、數(shù)字通信系統(tǒng)信源解碼信道解碼信道信道編碼信源編碼調制解調可靠性和效率傳輸子系統(tǒng)主要涉及：信道編碼調制信號幀結構3 數(shù)字視頻廣播及所用標準引言：廣播系統(tǒng)模型信源編碼MPEG2MPEG4H.263H.264AVS傳輸層地面：8VSB-TISDB-TDMB-T有線：DVB-C衛(wèi)星：DVB-SDVB-S2信源編碼MPEG2MPEG4H.263H.264AVSAV流216M 1.2GTS128kb20MbpsTS透明傳輸216M1.2GAV流4引言：視頻廣播網絡社區(qū)前端第一個有線環(huán)Primary Ring第二個有線環(huán)Secondary Ring光節(jié)點集線器主前端CATV 網其它網絡的接口約125 -20

3、00 用戶分布式服務平臺中央交互式服務平臺數(shù)據(jù)網絡(TCP/IP)HFC - Hybrid Fiber Coax混合光纖同軸網絡 衛(wèi)星地面地面地面地面5引言：衛(wèi)星視頻廣播衛(wèi)星是視頻廣播的理想平臺衛(wèi)星數(shù)字視頻廣播系統(tǒng)包括衛(wèi)星、廣播中心和地面接收機（天線、機頂盒）；視頻廣播最有效的覆蓋方式一顆衛(wèi)星和一個頻道就可覆蓋整個國家；前端設施成本低廉，包括衛(wèi)星和廣播中心；點波束衛(wèi)星能夠提供本地到本地的業(yè)務；隨著信源壓縮和信道傳輸技術的快速發(fā)展，衛(wèi)星廣播頻道價格越來越低廉，甚至在歐洲出現(xiàn)了 Free-to-air DBS；DBS 用戶數(shù)量快速增長。中國也將發(fā)射直播星，和 S 波段多媒體廣播星。6引言：比特率和

4、波特率有效性比特率表示每秒可傳輸多少個二元比特，單位是 bit/s。波特率是指三元及三元以上的多元數(shù)字碼流的信息傳輸速率，單位是 baud/s，表示每秒可傳輸多少個多元碼字。 比特率與波特率在本質上是一回事，都表示信息傳輸?shù)乃俾?，只是在傳輸系統(tǒng)的不同階段，信號呈現(xiàn)出不同的形式，因此以不同的計算方式來衡量其信息的傳輸速率。 發(fā)射端在映射之后以及接收端在反映射之前，信息以多元數(shù)字符號表示，因此其中各環(huán)節(jié)傳輸和處理信息的速率用波特率表示，如調制信號的速率等。比特率和波特率容易產生混淆，為了避免造成人們的困惑，許多書上稱波特率為符號率。對通信系統(tǒng)的評估中通常還定義了凈荷速率，它是指在傳輸?shù)姆栔锌鄢?/p>

5、于信道編碼和同步字段等一切額外花銷后的“純”信息速率，單位通常是 bit/s。 7引言：頻譜效率和滾降系數(shù)有效性頻譜效率定義為每赫茲(Hz) 帶寬的傳輸頻道上每秒可傳輸比特數(shù)，單位是 bit/s/Hz， 表示通信系統(tǒng)的有效性。 對于帶通調制信號，那么奈奎斯特帶限定理表明，理論上沒有碼間串擾的最大頻譜效率為 1符號(碼元)/s/Hz。 頻譜效率主要用于衡量各種數(shù)字調制技術的效率，在數(shù)量上等效于每個調制符號所映射的比特數(shù)。BPSK 或 2ASK，理論最高頻譜效率為 1bit/s/Hz；QPSK 理論最高頻譜效率為 2bit/s/Hz；8PSK理論最高頻譜效率為 3bit/s/Hz；16APSK理論

6、最高頻譜效率為 4bit/s/Hz；32APSK理論最高頻譜效率為 5bit/s/Hz；32QAM理論最高頻譜效率達 5bit/s/Hz； 64QAM理論最高頻譜效率達 6bit/s/Hz。8數(shù)字信號在傳輸過程中產生二種畸變：疊加干擾與噪聲，出現(xiàn)波形失真。瑞典科學家哈利奈奎斯特在1928年為解決電報傳輸問題提出了數(shù)字波形在無噪聲線性信道上傳輸時的無失真條件，稱為奈奎斯特準則。奈奎斯特第一準則：抽樣點無失真準則，或無碼間串擾（ISI Free)準則奈奎斯特第二準則：轉換點無失真準則，或無抖動（Jitter Free）準則奈奎斯特第三準則：波形面積無失真準則。引言：頻譜效率和滾降系數(shù)有效性9理想低

7、通濾波器頻域響應理想低通濾波器時域響應第一準則引言：頻譜效率和滾降系數(shù)有效性理想脈沖成形濾波器在物理上是不可實現(xiàn)的，只能近似，稱為奈奎斯特濾波器，其 H(f) 可表示為矩形函數(shù)和任意一個實偶對稱頻率函數(shù)的卷積，即奈奎斯特脈沖函數(shù)表示為 sinc(t/T) 函數(shù)與另一個時間函數(shù)的乘積。因此，奈奎斯特濾波器以及相應的奈奎斯特脈沖為無窮多個。10常用的奈奎斯特濾波器是升余弦成形濾波器：左圖為頻域響應 為滾降系數(shù)若把升余弦濾波器放置在收發(fā)兩端，即為平方根升余弦函數(shù)（SRRC）。時域響應：引言：頻譜效率和滾降系數(shù)有效性滾降系數(shù)影響著頻譜效率，越小，頻譜效率就越高，但過小時，升余弦滾降濾波器的設計和實現(xiàn)比

8、較困難，而且當傳輸過程中發(fā)生線性失真時產生的符號間干擾也比較嚴重。在實際工程中，的范圍一般定在 0.150.5 之間。11引言：誤碼率和誤符號率可靠性用于衡量系統(tǒng)可靠性誤碼率或誤比特率(BER) 是指在經過系統(tǒng)傳輸后，送給用戶的接收碼流中發(fā)生錯誤的比特數(shù)占信源發(fā)送的原始碼流總比特數(shù)的比例。對于多元調制信號，由于接收機的判決是基于符號的，所以更常采用誤符號率或誤字率，即接收端發(fā)生符號錯誤的比例。線性調制系統(tǒng)的誤符號率與其星座圖中星座點間的歐幾里德距離有確切的函數(shù)關系。一般地說，星座點越密集，接收端符號判決錯誤的概率越大。12引言：信噪比、載噪比與 Eb/N0 可靠性定義信噪比 (S/N) 是指傳

9、輸信號的平均功率與加性噪聲的平均功率之比；載噪比(C/N) 指已經調制的信號的平均功率與加性噪聲的平均功率之比；它們都以對數(shù)的方式來計算，單位為 dB。 信噪比與載噪比區(qū)別在于，載噪比中的已調信號的功率包括了傳輸信號的功率和調制載波的功率，而信噪比中僅包括傳輸信號的功率。對同一個傳輸系統(tǒng)而言，載噪比要比信噪比大， 兩者之間相差一個載波功率。當然載波功率與傳輸信號功率相比通常都是很小的，因而載噪比與信噪比在數(shù)值上十分接近。在調制傳輸系統(tǒng)中，一般采用載噪比指標；而在基帶傳輸系統(tǒng)中，一般采用信噪比指標。實際數(shù)字通信系統(tǒng)的可靠性性能常以一個載噪比對誤碼率的關系曲線來描述的，曲線的橫坐標為 C/N，縱坐

10、標為 BER。對某個 C/N，BER 越小，則說明該通信系統(tǒng)的可靠性越高。 13 C/N (SNR) BER曲線對于 C/NBER曲線，只能比較系統(tǒng)的抗干擾能力（可靠性），無法比較系統(tǒng)的效率。從上圖可以看出系統(tǒng) b 抗干擾能力優(yōu)于 a。此時系統(tǒng)a，b的效率無法進行比較，有可能 a 優(yōu)于 b，也可能 b 優(yōu)于 a。若 b 優(yōu)于 a，則系統(tǒng) b 的整體性能優(yōu)于 a。若 a 優(yōu)于 b，說明系統(tǒng) b 通過犧牲效率達到增強抗干擾能力。引言：信噪比、載噪比與 Eb/N0 可靠性abab14Eb/n0BER 曲線Eb: 每比特能量 n0: 單邊帶高斯白噪聲功率譜密度Eb/n0 與 SNR 關系 S：信號功率

11、 N：噪聲功率 E：信號能量Rb：比特速率 B：信道帶寬 可以看出 Eb/n0 中已經考慮了效率這一因素。引言：信噪比、載噪比與 Eb/n0 可靠性15對于 Eb/n0BER 曲線，可以比較系統(tǒng)的綜合性能左圖：對相同的 BER，在相同 SNR 條件下，Eb/n0 越小，頻譜效率越高。在相同抗干擾能力情況下，系統(tǒng)b效率優(yōu)于系統(tǒng)a。所以系統(tǒng) b 綜合性能優(yōu)于a。右圖：對相同的 Eb/n0，在相同 SNR 條件下，BER 越小，系統(tǒng)性能越優(yōu)。所以系統(tǒng) b 性能優(yōu)于 a。Eb/n0 可以綜合反映系統(tǒng)的性能，但不直觀，因為 Eb 和n0 不是系統(tǒng)中可以直接測得的參數(shù)，必須通過計算得出；而 C/N 可以通

12、過測量直接得到，但較為片面。因此當需要直接了解系統(tǒng)的可靠性時，一般使用 C/N；而當需要橫向比較不同系統(tǒng)的性能時，一般使用 Eb/n0 。引言：信噪比、載噪比與 Eb/N0 可靠性16Shannon 公式：可靠性與有效性是可以互換的：提高 S/N，能增加信道容量 C當 N 趨向 0，C 趨向無窮大。無干擾信道容量為無窮大增加 B 能提高 C，極限條件下，B 趨向無窮大，C = 1.44S/N當 C 一定時，B 與 S/N 可以互換Shannon 定理為信道編碼奠定了理論基礎，雖然定理本身并沒有給出具體的編碼方法和結構，但它從理論上為信道編碼的發(fā)展指出了方向進行高效而可靠的通信途徑可以通過編碼來

13、實現(xiàn)。引言：Shannon 定理可靠和效率互換 17 Shannon 定理理論曲線根據(jù)仙農定理 ，為了保證可靠傳輸，必須 ， 經推導可以得到：仙農理論曲線說明：噪聲只是限制了可以得到的信息傳輸速率，但不能限制可以獲得的精確度。只要信息傳輸速率低于信道容量 C，理論上可以找到一種編碼方式可以獲得誤碼率為任意小的信息傳輸。（無誤碼理論曲線）引言：Shannon 定理可靠和效率互換 18引言：Shannon 定理可靠和效率互換 19主題概述引言DVB-S 回顧系統(tǒng)框圖信號復接和傳輸結構能量擴散FEC成形濾波和調制性能DVB-S2 是什么？ DVB-S2 物理層技術元素 DVB-S2 應用舉例參考資料

14、20DVB-S 回顧：系統(tǒng)框圖DVB-S 是通信史上最成功的標準之一： 這意味著新的標準需要很好地處理與 DVB-S 的關系；業(yè)務如何平穩(wěn)轉移、頻譜規(guī)劃、用戶 STB 和用戶流失等問題；DVB-S 技術方案基于 RS 碼和卷積碼構成的級聯(lián)碼，是上世紀六七十年代提出的糾錯編碼技術，非常成熟；QPSK 是唯一的調制方案，這限制了總的數(shù)據(jù)吞吐量。21DVB-S 回顧：信號復接和傳輸結構TS 流能量擴散RS碼交織22DVB-S 回顧：能量擴散PRBS：周期很長 2N-1；1 和 0 大致等概率出現(xiàn)。目的：破連“0” 連“1”，便于時鐘恢復；破周期性，降低對其它信道的干擾。方式：自同步；外同步問題：誤碼

15、擴散23DVB-S 回顧：FEC 前向糾錯編碼信道編碼的基本思想是在被傳送的信息中附加一些監(jiān)督碼元，在兩者之間建立某種校驗關系，當這種校驗關系因傳輸錯誤而受到破壞時，可以被發(fā)現(xiàn)并予以糾正。這種檢錯和糾錯能力是用信息量的冗余度來換取的。例：對于三位二進制碼組若采用 000、001、010、011、100、101、110、111， 沒有冗余信息，不具有糾錯功能。若只選用四種，000、011、101、110。當出現(xiàn) 111 時， 表示出現(xiàn)了差錯，但此時不具有糾錯功能，只有檢錯功能。若只采用 000、111，可以用來糾正一位錯誤。24DVB-S 回顧：線性分組碼 FECkkkkkkkkn線性分組（n，

16、k）碼。 碼字長度 = n 校驗位長度 = n-k 信息位長度 = k 碼率 R = k/n (編碼效率） 在一般情況下，對線性分組碼有以下結論： 在一個碼組內檢測 e 個誤碼，要求最小碼距：dmine+1 在一個碼組內糾正 t 個誤碼，要求最小碼距： dmin2t+1 在一個碼組內糾正 t 個誤碼，同時檢測 e (et ) 個誤碼， 要求最小碼距： dmin t+e+125校驗方程是基礎線性分組碼既可以用生成矩陣 G，也可以用校驗矩陣 H 來描述，兩者有： G HT=0 或 H GT=0T 碼字 c 如下生成： c = m G例如線性分組碼的碼字 c 滿足： c HT=0 或 H cT=0T

17、DVB-S 回顧：線性分組碼 FEC26系統(tǒng)碼 信息組以不變的形式在碼組的任意 k 位（通常在左邊：cn-1, cn-2, ., cn-k）中出現(xiàn)的碼，稱為系統(tǒng)碼，否則為非系統(tǒng)碼。系統(tǒng)碼既可以是分組碼，也可以是后面要講的卷積碼。系統(tǒng)碼碼字的前 k 位是原來的信息組，因此，生成矩陣 G 的左邊 k 列必是單位方陣 Ik，則 G = IkP 其中，P 是 k(n-k) 階矩陣 H 矩陣為 H = -PTIn-k 其中，“-” 表示 - PT 陣中的每一個元素是 P 矩陣中對應元素的加法逆元，在二進制時，仍是該元素自己。G 和 H 滿足： G HT= IkP -PTIn-kT = 0k 位信息位n-

18、k 位校驗位系統(tǒng)碼的一種形式DVB-S 回顧：系統(tǒng)碼 FEC27DVB-S 回顧：縮短碼（截短碼） FEC在 n,k 碼的碼字集合中，挑選前 i 個信息位數(shù)字均為 0 的所有碼字，組成一個新的子集，則分組碼 n-i, k-i 為 n, k 碼的縮短碼或截短碼。由于該子集的前 i 為均取 0，故傳輸時可以不傳送它們，僅傳后面的 k-i 位即可。該子集是 n-i 維線性空間中一個 k-i 維子群，構成一個 n,k-i 分組縮短碼。該縮短碼的最小距離至少與原碼相同?？s短碼的 G 矩陣只是在原 n, k 碼的 G 陣中去掉左邊 i 列和上面 i 行即可?？s短碼或截短碼的 H 矩陣，只要在原碼 H 矩陣

19、中去掉若干列即可得到?？s短碼的碼率 R 比原碼要小。28DVB-S 回顧： FEC 外碼 (RS 碼) FEC1960 年 MIT Lincoln Lab 的 Reed 和 Solomon 在發(fā)表了論文“Polynomial Codes over Certain Finite Fields”。 RS 碼是效率很高的分組碼，RS 碼是一類非二進制 BCH 碼, 每個符號由 m 比特組成。既適用于糾隨機誤碼，也特別適用于糾突發(fā)誤碼。去掉 RS 碼的某些信息碼元后, 分組長度縮短, 只要監(jiān)督碼元數(shù)不變, 碼的最小距離就不會減少, 即任何一種縮短的 RS 碼仍是一個最大碼。在（n，k）RS 碼中，輸入

20、信息被分成 km 比特一組，每組包括 k 個符號，每個符號由 m 比特組成。糾正 t 個符號錯誤的 RS 碼參數(shù)如下：碼長 n = 2m-1 符號，或 m(2m-1) 比特信息段 k 符號，或 km 比特監(jiān)督段 n-k=2t 符號，或 m(n-k) 比特最小碼距 d=2t+1 符號，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）監(jiān)督段長 16 字節(jié)，可以糾正一個 RS 包中 8 個字節(jié)的錯誤。RS(204,188) 編碼器的碼字生成多項式：輸入.輸出 RS（204,188）編碼器結構域生成

21、多項式 : p(x) = x8 + x4 + x3 + x2 + 1DVB-S 回顧： FEC 外碼 (RS 碼) FEC30上圖為 64QAM 調制系統(tǒng)中采用 RS(204,188) 編碼前后系統(tǒng)誤碼率DVB-S 回顧： FEC 外碼 (RS 碼) FEC31DVB-S 回顧：有突發(fā)誤碼的信道 FEC干擾、衰落、噪聲和多普勒頻移等都會引入突發(fā)誤碼。經過信道編譯碼后，F(xiàn)EC 碼譯碼輸出的誤碼也將呈現(xiàn)突發(fā)性，無論是分組碼，還是卷積碼都是如此。信道編譯碼的門限效應卷積碼抗突發(fā)錯能力很差卷積碼是靠相鄰符號間的相關性提供保護的，而此相關性的保持時間一般較短。分組碼對突發(fā)誤碼和隨機誤碼的糾錯能力基本相當

22、，但碼長較短，稍長一些的突發(fā)也無能為力。也有專門針對突發(fā)誤碼設計的分組碼，但糾隨機誤碼的能力相應降低。32DVB-S 回顧：交織抗突發(fā)誤碼的有效手段交織（interleaving）就是一種將數(shù)據(jù)的順序進行變換的處理方法。又可稱為置換（permutation）。交織器的參數(shù)交織前相鄰的符號在交織后的最小距離稱為交織深度，交織深度應不小于信道上可能的突發(fā)錯長度，否則解交織后仍可能存在一定的突發(fā)錯誤。交織后相鄰的符號在交織前的最小距離稱為交織寬度，交織寬度應不小于編碼的約束長度，或相應的參數(shù)，否則突發(fā)誤碼仍不能徹底打散。合理的選擇交織參數(shù)抗突發(fā)誤碼的性能：交織越長越好！交織延遲性能：交織越長，信號時

23、延越大，那么中斷恢復時間，或信道切換時間就越長。33DVB-S 回顧：交織方式1塊交織（block interleaver）將數(shù)據(jù)流分成長度為 WL 的塊，將數(shù)據(jù)逐行寫入一個 L 行 W 列的矩陣形緩沖區(qū)，寫滿后再逐列讀出。深度為 L，寬度為 W，延時為 WL。交織和解交織延時總和為 2WL。x11 x12 x13 x1Wx21 x22 x23 x2W .xL1 xL2 xL3 xLWx11 x21 x31 xL1x12 x22 x32 xLW .x1W x2W x3W xLW寫讀突發(fā)錯誤34卷積交織（convolutional interleaver）DVB-S 就采用了這種卷積交織方式DV

24、B-S 回顧：交織方式2交織器解交織器35隨機交織（random interleaver)隨機交織在每一次使用交織器時，使用完全不同的交織器，每次的交織圖案完全隨機。一般在不知哪一種確知交織方法最好的情況下，為了分析系統(tǒng)性能而作的一種平均交織的假設可以得到一個平均性能，事實上說明至少有一種交織方法可以獲得比隨機交織更好的性能。理想交織交織后的序列完全打散，即原有的突發(fā)誤碼可以變成徹底的隨機誤碼。理想交織是不可能實現(xiàn)的，但有時為了分析方便，可以做此假設。DVB-S 回顧：交織方式336DVB-S 回顧： FEC 內碼 (卷積碼)DVB-S 糾錯內碼采用了卷積碼卷積碼由編碼碼率 R=k/n 和約束

25、長度 N 描述，記做 (n, k, N)。卷積碼也是把 k 個信息比特編成 n 個比特，但 k 和 n 通常很小，特別適用于以串行形式傳輸?shù)男畔?，延時小。n-bit 輸出是當前輸入塊與以前 (N-1) 個輸入塊的加權求和，N一般小于 9。卷積碼沒有固定的碼字長度。譯碼采用 Viterbi Algorithm 最優(yōu)的最大似然（Maximum Likelihood，ML）譯碼。分組碼有嚴格的代數(shù)結構，但卷積碼至今尚未找到嚴密的數(shù)學手段，把糾錯性能與碼的構成十分規(guī)律的聯(lián)系起來，目前大都采用計算機來搜索好碼。卷積碼可以設想為模 2 算術的數(shù)字濾波器，編碼器的記憶可以是有限的，也可以是無限的。Y Out

26、putDataInput1-BitDelay1-BitDelay1-BitDelay1-BitDelay1-BitDelay1-BitDelayX Output133otc171otc工業(yè)標準DVBIEEE802.11IEEE802.16etc.37鑿孔碼 Puncturing Codes按鑿孔（Puncturing）圖從母碼（例如前面的1/2 碼率卷積碼編碼）產生的輸出 X 和 Y 中選擇最終的碼字，達到刪余增信的目的，提高編碼效率，但這樣降低了鑿孔碼的糾錯能力。1保留 0 刪除DVB-S 回顧： FEC 內碼 (卷積碼)38DVB-S 回顧： FEC 內碼 (卷積碼) 譯碼卷積碼的譯碼方法

27、不僅基于碼的代數(shù)結構基礎之上，而且還利用了信道的統(tǒng)計特性，因而能充分發(fā)揮卷積碼的特點，使譯碼錯誤概率達到很小，這種譯碼稱為概率譯碼，即結合信道符號統(tǒng)計特性的譯碼方法。1961年烏曾格來夫（Wozencraft）提出了序列譯碼，第一個卷積碼的概率譯碼方法1963年費諾（Fano）對序列譯碼進行了改進，提出了 Fano 算法，推動了序列譯碼的實用。1967 年維特比（Viterbi）提出了另一種概率譯碼算法 Viterbi 算法。 Viterbi 譯碼算法是一種最大似然譯碼算法。它比序列譯碼算法效率更高，速度更快，譯碼器也簡單，因而得到了廣泛應用。39上面三圖分別為：QPSK-卷積編碼、16QAM

28、-卷積編碼、64QAM-卷積編碼的仿真曲線。卷積編碼具有較好的糾錯性能。 DVB-S 回顧： FEC 內碼 (卷積碼)性能40通過隨機編碼達到信道容量從信息論的角度看，不論是什么信道，只要用隨機編碼，長度足夠長，就可以無限逼近信道容量。而實際的編碼長度是很有限的，前面提到的各種編碼碼都談不上隨機，其碼長更不能做得太大，否則根本沒法譯出來。也可將編碼、信道、譯碼整體看成一個廣義的信道。這個廣義信道輸出還存在錯誤。因此，對它還可作進一步的糾錯編譯碼。對于有多次編碼的系統(tǒng)，對各級編碼，看成一個整體編碼，就是級聯(lián)碼。級聯(lián)碼的最初想法是為了進一步降低殘余誤碼率（改善漸近性能），但事實上它同樣可以提高較低

29、信噪比下的性能。這是由較好的短碼進一步構造性能更好的長碼（近隨機碼）的一種途徑，即編碼的組合，利用短碼構造一個低復雜度的長碼。DVB-S 回顧：級聯(lián)碼（Concatenated Code)41串行級聯(lián)碼 （Serial Concatenation Code）當由兩個編碼串聯(lián)起來構成一個級聯(lián)碼時位于廣義信道里面的編碼稱為內碼以廣義信道為信道的編碼稱為外碼由于內碼譯碼結果不可避免地會產生突發(fā)錯誤。因此內外碼之間一般都要有一層交織器，稱為外碼交織；而內碼與傳輸信道之間的交織器，稱為內碼交織器。串行級聯(lián)碼第一個編碼器編一個碼字，然后第一個的輸出作為第二個的輸入。R = R1R2 = (k1/n1)(k

30、2 /n2 )。通常 k2 = n1，因此，總的碼率 R= k1/n2。例如，串行級聯(lián) RS + 卷積碼成為普遍使用的標準模式。DVB-S 回顧：級聯(lián)碼（Concatenated Code)Encoder 1Encoder 2Outer codeInner code外碼交織器內碼交織器42級聯(lián)碼的特點需要指出的是級聯(lián)雖然大大地提高了糾錯能力，但這個能力提高量中的大部分是來源于編碼效率的降低。如果從 Eb/n0 的角度看，級聯(lián)的好處并不太大，但有一個好處是顯然的，即在信道質量稍好時（信噪比較大時），誤碼可以做到非常低，即漸近性能很好。然而在信道質量較差時，新增加的一層編譯碼反而可能會使誤碼越糾越

31、多。因此級聯(lián)存在著明顯的門限效應。因此會出現(xiàn)差錯的進一步擴展，會出現(xiàn)多級還不如一級的情況，也就是說級聯(lián)碼的門限效應比簡單的編碼要明顯。常見的串行級聯(lián)方式卷積碼為內碼，RS 碼為外碼，即（RS卷積碼）。這主要是為了充分利用卷積碼可以進行最優(yōu)的維特比譯碼，而且可以用軟判決譯碼。而 RS 碼又有較好的糾突發(fā)錯誤能力。內碼和外碼均采用卷積碼，特別是當內碼譯碼可以輸出軟信息時，更為有效。DVB-S 回顧：級聯(lián)碼（Concatenated Code)43DVB-S 回顧：串行級聯(lián)碼 - DVB-T 6 bits 1512 載波6 bits 6048 載波外 碼RS(204,188)DataInput交織器

32、交織器內 碼FEC(2/3卷積)OFDM調制映 射188Bytes204Bytes204Bytes306Bytes2448BitsQPSK16QAM64 QAM44DVB-S 采用了平方根升余弦濾波器 (SRRC)，滾降系數(shù) 為 0.35?；鶐?SRRC 濾波器具有如下定義的理論函數(shù)：輸出信號頻譜模板DVB-S 回顧： 基帶成形濾波45基帶成形濾波后的同相分量 I 和正交分量 Q 分別乘以 sin(2f0t) 和 cos(2f0t)，相加后得到正交調制信號 s(t)：DVB-S 回顧： 調制信號in-phase 同相Quadrature 正交46DVB-S 回顧： QPSK 頻譜特性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 回顧： QSPK 誤碼特性(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 回顧： DVB-S 性能隨著發(fā)展，DVB-S 已經不適應要求了：新的業(yè)務導致了吞吐量的增長HDTV、VOD、交互業(yè)務、本地業(yè)務等數(shù)字信號處理技術的快速發(fā)展，特別是上世紀九十年代糾錯編碼技術的突破（Turbo 碼的發(fā)明），提供了技術上的強大保證。新的衛(wèi)星技術能提供更高的 C/N，除了 QPSK 調制，需要新的調制方式，以便更有效地利用更大功率的衛(wèi)星或點波束的衛(wèi)星。49主題概述引言DVB-S 回顧DVB-S2 是什么？DVB-S2 物理層技術元素 DVB-S2 應用舉例參考資料 50DVB-S2 是指“第二代衛(wèi)星數(shù)字視頻廣播” 系統(tǒng)，是 DVB-S 的后續(xù)發(fā)展；歐洲 ET

35、SI 代號為 EM 302 307；DVB-S2 發(fā)展歷程2002年早期成立 DVB-S2 研究組2002年11月第一、二輪競爭：Comtech、Connexant、European SpaceAgency、HNS、Philips、Spacebridge、ST、Turbo Concept 等 8 家公司參與， “Turbo” 系列方案（并行/串行 Turbo 卷積碼 + RS、Turbo 乘積碼、LDPC），2003年1月第三、四輪競爭，選擇休斯公司 HNS LDPC 系統(tǒng)作為 baseline。2003年 2月征集接收機方案2003年 5月休斯研發(fā)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 幀同步和載波相位同步方案2003年 11月發(fā)布 DVB-S2 標準草案2004年 1月頒布了 DVB-S2 最終標準。DVB-S2 是什么？Jiang YiminSun FengWenLee LinNanMustafa Eroz51DVB-S2 所處位置DVB-S2IRDsDVB-S2 MODMPEG-TSDVB-S DVB-S2DVB-S DVB-S2高容量下行鏈路交互信道DVB-RCS52主題概述引言DVB-S 回顧DVB-S2 物理層技術元素模式適配碼流適配FEC 編碼調制映射物理層成幀SRRC 濾波和正交調制 DVB-S2 應用舉例參

37、考資料 53DVB-S2 系統(tǒng)調制端框圖BB: BaseBand; PL: Physical layer多個輸入碼率合并: 定義輸入輪詢策略BB Header (10bytes)(LDPC-protected)輸入適配描述當需要時，填充比特填充虛構幀54DVB-S2 系統(tǒng)解調端框圖55DVB-S2 系統(tǒng)配置和應用領域按表1，在傳輸和接收設備中至少實現(xiàn)標注 “Normative”的子系統(tǒng)和功能，以便符合附錄 H 中所給出的模式選擇指南。 56DVB-S2 系統(tǒng)開銷BCH 外碼0.6%DVB-S2 物理層 HeaderQPSK0.3%8PSK0.4%16APSK0.4%同步開銷8PSK 2/3 或

38、 3/5 2.2%16APSK 碼率2.2%總開銷沒有同步開銷的模式1.0%有同步開銷的模式3.2%有用的吞吐：9799%57DVB-S2 模式適配（Mode Adaptation）輸入接口；輸入碼流同步；空包 (Null-packet, NP) 刪除；CRC-8 編碼器緩存 Buffer合并/分割（Merger/Slicer）基帶（BaseBand，BB）信令DVB-S2 模式適配58DVB-S2 可以傳輸單個或多個碼流:MPEG-TS format Generic format (分包的或連續(xù)的，例如 IP，.)適用于MPEG-2 DTV 和 HDTV，以及新的編碼方案 (例如 H264/

39、AVC, WM9, AVS)每個碼流可以采用不同的保護方法DVB-S2 模式適配：透明的輸入接口59輸入是恒碼率的 MPEG TS，傳輸是變碼率的 ACM 調制，但到接收端要恢復 TS 流。MPEG TS 條件 恒定 TS 比特率 但 ACM 是變比特率! 恒定的端到端延時 為了把恒碼率（CBR）的 TS 流映射到變碼流（VBR）物理層，采取的措施： 空包刪除 比特率恒定 輸入碼率同步 時延恒定 DVB-S2模式適配： 輸入碼流碼率適配60即使業(yè)務比特率是可變的（由 ACM 反饋系統(tǒng)控制），但 TS 比特率總是恒定的，因為： 傳統(tǒng)的 TS 復用器添加了空包（null-packet，PID=81

40、91D）.DVB-S2模式適配： 輸入碼流空包刪除GTWIPTS 復接器VideoAudioMultimediaTSCBRDVB-S2調制器ACM 物理層空包插入源比特率控制-C/N+I 反饋信道?VBR(ACM)61把 CBR TS 流映射到 VBR 物理層：在調制器端刪除 null-packet（NP）.在解調器端在完全相同位置重新插入 null-packetMPEG TS 時間標簽 (PCR) 不需要 update!DVB-S2模式適配： 輸入碼流空包刪除62接收機通過 PLL 保持 FIFO 緩存器處于空/滿的中間狀態(tài)，從而恢復 TS 時鐘。.因此，按著定義，在穩(wěn)態(tài)時， FIFO 緩存

41、不能吸收時延的變化，MPEG TS 時延恒定的條件不能得到滿足。 如果沒有輸入碼流同步處理 .DVB-S2模式適配： 輸入碼流同步TS 復接器DVB-2 調制器CKTSTS 解復用器衛(wèi)星信道 延時可變NP空包刪除寫DVB-2 解調器變速率比特流NP重新生成FIFOBUFFER讀TS Clock 再生空/滿CKTS63在這種情況下，在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)，F(xiàn)IFO 緩存能夠吸收時延和比特碼率的變化。MPEG TS 條件得到滿足! Rs = 符號率輸入碼流直接鎖定（lock） TX 和 RX 時鐘。DVB-S2模式適配： 輸入碼流同步TS 復用器DVB-2 調制器衛(wèi)星信道 時延可變空包刪除寫DVB-2 解調

42、器VBR碼流FIFOBUFFER讀CKTSRsTS 解復用器空包再生CKTS64在每個 TS 包附加 Input Stream Clock Reference (ISCR)。 接收機產生一個本地時間戳，與 ISCR 比較，鎖定接收機 TS 流時鐘。DVB-S2模式適配： 輸入碼流同步ACM 和 MPEG TS 輸入碼流同步處理計數(shù)器計數(shù)器NCO比較插入在 TS 包中的時間戳ISCR 接收到的 ISCR本地時間戳RsTS Clock 的”傳輸鏈”是符號碼率 (Rs)TS 復接器DVB-2 調制器CKTSTS 解復用器衛(wèi)星信道 延時可變NP空包刪除寫DVB-2 解調器NP重新生成FIFOBUFFE

43、R讀空/滿CKTS65接收機 FIFO buffer “吸收” 傳輸鏈路中動態(tài)時延變化。 輸入碼流同步在接收端的處理DVB-S2模式適配： 輸入碼流同步Rs讀取 DNPRTS相位差初始化使用的緩存大小 BUFS和緩存狀態(tài) BUFSTAT 讀取 ISCRMod 222計數(shù)器解調時鐘恢復裝載第一個ISCR15 or 22 MSBFIFOBuffer 寫入 TS 包+ ISCR 讀取 TS 包空包重新插入比較NCOLPF15 or 22 bit有效包PLL66DVB-S2模式適配： CRC-8 編碼器 (只對包碼流） 如果 UPL=0D (連續(xù)通用碼流)，輸入碼流沒有改變，直接跳過 CRC-8 編碼

44、器。如果 UPL0D，輸入碼流是長度為 UPL bit 的序列，UP 有用部分(不包括同步byte)將進行 8bit CRC系統(tǒng)碼編碼。CRC-8 生成多項式：CRC 編碼輸出為：其中 u(X) 是輸入序列（UPL-8bit)。UPL=User Packet Length， UP=User Packet67CRC 通過移位寄存器實現(xiàn)，在每個序列的第一個比特輸入電路之前，所有的寄存器初始化為0。計算得到的 CRC-8 碼字將代替隨后 UP 的同步字，而此同步字將 Copy 到 BBHeader 的 SYNC 域，用于傳輸。DVB-S2模式適配： CRC-8 實現(xiàn)框圖 68DVB-S2模式適配：合

45、并/分割 Merger/Slicer輸入碼流是通用連續(xù)或打包碼流，在 Merger/Slicer 讀取它們之前，輸入碼流應該緩存。Slicer 將從它的輸入（單個或多個之一）讀取一段數(shù)據(jù)組成長度為 DFL(Data Field Length) bit的 DataField 域。Kbch (108) DFL 0Kbch 見下表 5，(810) = 80bit 表示 BBHeader，見后描述。Merger 將拼接成單一的一個輸出，不同的數(shù)據(jù)域從它的輸入碼流中讀取和分割數(shù)據(jù)。對于單個碼流，只存在分割 (Slicer) 功能塊。DataField 把組織來自單一輸入端口的比特，并按著相同的傳輸模式（

46、FEC 和調制）進行傳輸。Merger/Slicer 優(yōu)先原則依賴于應用和遵循 DVB-S2 標準所描述的策略。依賴于應用，Merger/Slicer 分配比特數(shù)：輸入比特數(shù)等于 DataField 最大容量（DFL = Kbch 80 bit)，則分割的 UP 放在隨后的 DataField 域；DataField中分配整數(shù)個 Ups，則在上述要求的邊界內 DFL 是可變的。當 Merger/Slicer 請求，而 DataField 無效時，物理層成幀模塊將產生和傳輸一個虛構物理幀（Dummy PLFrame）。69前述 CRC-8 代替同步字后，必須為接收機提供一個方法來恢復 UP 同步

47、 (當接收機已實現(xiàn) DataField 域同步時)。Merger/Slicer 計算 DataField 開始到第一個完整 UP 開始 (CRC-8 的第一個比特)的比特數(shù)； 存儲在 BBHeader 的 SYNCD域 (Sync Distance)。SYNCD=0D，表示第一個 UP 與 DataField 對齊。DVB-S2模式適配：合并/分割 Merger/Slicer70DVB-S2模式適配：BaseBand HeaderBBHeader 位于 DataField 域之前，具有固定長度 80bit = 10byte8。MATYPE-1 描述了輸入碼流格式，模式適配類型和滾降系數(shù)，見表

48、3。MATYPE-2 為多個輸入碼流的指示，否則保留。其它 BBHeader 比特描述了UPL、DFL、SYNC、SYNCD和 CRC-8等系統(tǒng)信息，見表 4。 滾降空包刪除輸入同步指示恒定/自適應編碼和調制單個/多個輸入碼流連續(xù)/分包碼流用戶包長度數(shù)據(jù)域長度同步字同步距離糾錯71DVB-S2 碼流適配輸入是 BBHeader 和隨后的 DataField 域，輸出碼流為 BBFrame。碼流適配模塊通過填充 (Padding) 構建恒定長度(Kbch bit)的 BBFrame，然后進行擾亂。當傳輸?shù)挠行в脩魯?shù)據(jù)不能填滿完整的 BBFrame 時，或當整數(shù) UP 分配給了 BBFrame 時

49、，可能需要填充（補 “0”）處理。對于廣播業(yè)務應用，沒有填充。BBHeaderDataFieldBBFrameBBFrame格式72DVB-S2 碼流適配：BB 擾亂完整的 BBFrame 進行隨機化處理，隨機序列應與 BBFrame 同步，從 MSB 開始，Kbch bit 后結束。擾亂序列采用反饋移位寄存器生成：PRBS 生成多項式為：1 X14 X15在每個 BBFrame 起始處，PRBS 寄存器初始化序列為 1000。73此功能塊完成：外碼（BCH）內碼（LDPC）比特交織輸入為 Kbch bit的 BBFrame，輸出為 nldpc bit 的 FECFrame。BCH 外碼的校驗

50、位 (BCHFEC) 附加在 BBFrame 后面，而 LDPC 內碼的校驗位（LDPCFEC）將附加在 BCHFEC 域后面。DVB-S2 FEC 編碼BBFrameFECFrame74 正常 FECFrame（nldpc =64800bits)DVB-S2 FEC 編碼：編碼參數(shù)75 短小 FECFrame （nldpc =16200bits）DVB-S2 FEC 編碼：編碼參數(shù)76DVB-S2 FEC 編碼：外碼 BCH糾 t 個錯誤的 BCH 編碼器的生成多項式是通過把下表中的前 t 個多項式相乘而得到的。 BCH 編碼參數(shù)如下表所示。77DVB-S2 FEC 編碼：外碼 BCH78D

51、VB-S2 FEC 編碼：外碼 BCH信息比特：BCH 碼字：BCH 編碼過程：消息多項式 m(x) 乘以 除以生成多項式 g(x)。令 d(x）為余項：得碼字多項式：79Low Density Parity Check (LDPC) Code1963年 Robert Gallager 在其博士論文中提出了規(guī)則 LDPC 碼，但沒有有效的實現(xiàn)而沉寂了，在九十年代 Turbo 碼熱潮中獲得了新生，1995年 Mackyay 和 Neal 重新介紹了 LDPC，成為熱點。LDPC 碼是長的線性分組碼，其校驗矩陣 H 是稀疏矩陣，即 H 有大量的 0 和小量的 1 組成。碼組長度 n 通常很大，從幾

52、千到幾十萬比特。列中 1 的個數(shù) J 3行中 1 的個數(shù) K J設計的碼率 R = (K-J)/K參考文章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 編碼：內碼 LDPC80規(guī)則 LDPC 碼：每行中有相同數(shù)量的 “1”，每列亦是。規(guī)則 LDPC 碼的 H 矩陣舉例n= 20, J = 3, K = 4, dmin = 6, 設計碼率 = 1/4, 實際碼率 = 7/20.DVB-S2 FEC 編碼：內碼 LDPC81無規(guī)則的 LDPC 碼在行向量中 1 的數(shù)目可能不相同，同樣，列向量中也是如此。相對于規(guī)則的 LDPC 碼，如果選擇適當，將具有更好的性能?；趫D論的強大的迭代譯碼算法。軟判決：Sum-Product 算法硬判決：Bit-f

55、lipping 算法DVB-S2 FEC 編碼：內碼 LDPCLDPC 長度 N =1024 碼率 R 30次 BP 迭代82為什么采用 LDPC 碼？有何特點？人們對 Turbo 碼系列進行了大量研究，需要標準化；LDPC 用最小的復雜度，提供了最好的性能；較短的碼字使復雜度減半，性能損失 0.2dB.這意味著在相同性能時，若LDPC 采用全 BP (Belief Propagation) 譯碼算法，與 Turbo 碼相比，LDPC 復雜度只有 。復雜度和性能之間更靈活的折中：易于并行解碼，只包含加法、比較和查表等簡單操作。并行度是“可調整的”，可在全并行和全串行之間折中實現(xiàn)量化字長顯著影響

56、實現(xiàn)性能除了 BP 譯碼算法，還有其它眾多的次最優(yōu)譯碼算法不需要碼交織碼結構本身就直接構成了隨機化處理對于系統(tǒng)碼，系統(tǒng)具有短的延遲簡單有效的迭代譯碼本身適于雙向圖表示LDPC 具有誤碼平臺（Error Floor），DVB-S2 FEC 采用了 BCH + LDPC，二進制碼 (比如 BCH) 對所有的調制方式都具有良好的性能。DVB-S2 FEC 編碼：內碼 LDPC83線性分組碼線性分組碼既可以用生成矩陣 G，也可以用校驗矩陣 H 來描述，兩者有： G HT=0 或 H GT=0T 假如規(guī)則 LDPC 為 n=8，碼率為 ，其校驗矩陣為：二進制信息矢量： u = (u1, u2, u3,

57、u4) (長度 k)碼矢量（碼字）： c = u G = (c1, c2, c3, c4, c5, c6, c7, c8) (長度 n）線性分組碼的碼字 c 滿足： c HT=0 或 H cT=0TDVB-S2 FEC 編碼：內碼 LDPC84LDPC 雙向圖和解碼圖形描述最重要的結果：高效迭代譯碼(軟判決) 消息傳遞:變量節(jié)點和校驗節(jié)點相互傳遞可靠性 (對數(shù)似然性 log-likelihoods)校驗節(jié)點決定哪些變量是不可靠的，并“抑制”它們的輸入。圖中線的數(shù)目 = H 的密度稀疏 = 小的復雜度在標準信道中最好性能：長的、隨機似的 LDPC 碼DVB-S2 FEC 編碼：內碼 LDPCn1

58、 中非 0 處和 mn 相連求和后為0 則無錯85 LDPC 解碼結構之一是可采用并行迭代譯碼結構12PEc1PEv1PEv2.PEv3PEv4Interconnect FabricPEvnPEc2PEkM全并行例如 DVB-S2 衛(wèi)星接收機:64800 變量節(jié)點處理單元 PEv6,000-3,200 校驗節(jié)點處理單元 PEc高吞吐量，低功耗路由復雜A. Blanksby and C. J. Howland, JSSC 2002DVB-S2 FEC 編碼：內碼 LDPC變量節(jié)點校驗節(jié)點86 部分并行實現(xiàn) (Parhi et al, 2002) 結構化的 LDPC codesVNU交換單元信道信

59、息外信息硬判決Address LocatorVNUChannel InfoExtrinsicinfoHard DecisionVNUChannel InfoExtrinsicinfoHard DecisionAddress LocatorAddress LocatorBlocks of variable nodes(say L nodes) per VNU, taking L clock cycles per iterationCNUCNUCNUCNUDVB-S2 FEC 編碼：內碼 LDPC87小的面積和路由大量的存儲需求由于存儲器訪問，所以吞儲量小。存儲器Memory軟輸入校驗節(jié)點處理變量

60、節(jié)點處理下次迭代DVB-S2 FEC 編碼：內碼 LDPC串行實現(xiàn)88DVB-S2 FEC 編碼：BCH + LDPC級聯(lián)LDPC 與 BCH 構成級聯(lián)碼BCH 外碼：主要是抵抗 LDPC 在低 BER（10-？）時出現(xiàn)的誤碼平臺(Error Floor)。LDPC 編碼參數(shù)見前面表 5：碼分組長度 64800 bit (或 16200 bit)有效編碼碼率: 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