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DVB-S、DVB-S2、ABS-S对比  

2008-08-20 14:56:35|  分类: 卫星、地面 |  标签: |举报 |字号 订阅

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DVB-S:

目前,世界上卫星数字广播信道传输主要采用DVB-S标准。该标准也被确定为我国的国家标准GB/T 17700-1999《卫星数字电视广播信道编码和调制标准》。由于仅设计用于MPEG-2编码的音视频节目广播,DVB-S只支持MPEG-2传输流格式的信号输入,前向纠错编码(FEC)采用里德-所罗门(RS)码+卷积码的级联编码方式。这种信道编码技术在许多通信和广播传输系统中广泛使用,具有较好的性能,且实现成本低,简单、安全。但这种编码方式的缺点也是明显的,首先是编码效率相对较低,其次是其载噪比门限距离理论上的信道极限仍存在较大的差距。同时DVB-S采用单一QPSK信号调制,在相同载噪比(C/N)条件下,每个符号传输的经信道编码的比特数仅为2,在卷积编码率为1/2时,实际有效载荷的传输效率仅为每符号0.92比特,而且在DVB-S的基带成型处理中升余弦滤波滚降因子固定为0.35,这些都限制了系统的信号传输能力,例如在36MHZ的标准转发器带宽内,3/4卷积编码率条件下,DVB-S的有效信息传输容量仅为36.86MBPS。

今天,面临有线数字电视等的强大竞争的卫星直播系统,由于HDTV、VOD、PPV、交互业务等多种业务的开展,对传输总量的需求大大提高。这就要求卫星直播系统必须采用新的技术体制与手段,提供比过去更多的传输能力。此外,在DVB-S出现后的十年里,纠错编码等信号处理技术有了突破性进展,使升级DVB-S在技术上成为可能。特别是,卫星技术本身的进步,例如点波束卫星的出现,使得采用比DVB-S中的QPSK更高效的调制方式成为可能。

DVB-S2相比DVB-S在技术上有很大改进,其特点为:

1、频谱效率(系统容量)大大提高。DVB-S2系统的前向纠错编码为外码采用BCH码,内码采用低密度奇偶校验码(LDPC)的级联码结构,长达64800比特的码字长度使其性能接近理论上的信道传输容量门限,仅相差0.7-1.0dB。同时,DVB-S2系统引入了8PSK等高阶调制方式,在相同载噪比条件下,DVB-S2的传输容量与DVB-S系统相比提高了30~35%。

2、涵盖了更大的载噪比范围。由于卫星平台、转发器和天线的制造技术进步,使得高载噪比条件下的卫星应用成为可能,而相应的应用种类与范围也在不断发展,如互联网接入业务等。DVB-S2提供了从1/4到9/10共11种前向纠错编码比率,与不同的调制方式共有28种可能的组合方式,涵盖的载噪比范围为-3.7dB到15.3Db,广播机构可以根据不同的信道条件和业务需求进行灵活的选择。同时,DVB-S2还提供了可变编码调制(VCM)和自适应编码调制(ACM)工作模式,可以进一步提高系统性能。

3、适应多种业务需求。DVB-S2除提高了系统的传输性能外,还为适应不同业务需求提供了必要的手段。如提供了灵活的数据接口匹配方式,可以接受包括MPEG-2传送流在内的各种格式的单或多数据流,这些数据流可以是离散(异步)的,也可以是连续(同步)的。同时,DVB-S2还是物理层上引入了帧结构,通过同频字、信令、导频等辅助接收机实现快速帧同步和载波恢复,并为不同的业务应用提供了底层接口。

DVB-S2中的采用多项技术代表了数字信号传输技术的发展趋势。例如,在我国的地面数字电视传输标准(GB/T 20060-2006)中同样采用了LDPC+BCH级联码作为前向纠错编码,只是码字长度与生成矩阵的构造方式有所不同。


先进卫星广播系统

2005年初,国家广电总局启动了我国“卫星直播专用信号传输技术体制”的预研与论证工作,由广播科学研究院承担此项研究工作,形成了先进卫星广播系统(ABS-S,Advanced Broadcasting System - Satellite)的技术体制建议。2006年8月,ABS-S专用解调芯片AVL1108一次流片成功,2006年9月,广科院完成了对该芯片及采用该芯片的接收机样机的性能测试。2006年10月到11月,完成了项目验收与标准化工作。

在ABS-S中采用的主要技术包括LDPC信道编码技术、高阶调制技术、高效的帧结构设计等。

1、信道编码技术

前向纠错编码技术一直以来是通信技术研究领域的重点。在香农信息论中已明确指出,在指定的条件下,信道的信息传输能力是受限的,同时存在某种信道编码方式可以达到这一极限,即所谓的香农限。因此信道编码技术研究的主要目标是在可获得的载噪比条件下,寻找一种信道编码方式,使信道传输效率尽可能地接近香农限。

1962年,R.G.Gallager在其博士论文中首先提出了LDPC码的概念,由于当时超大规模集成电路设计与制造技术尚未成熟,难以逾越的复杂程度使其被束之高阁。1995年,受Turbo码成功的启示,MacKay和Neal研究的迭代译码算法使LDPC码的价值被重新挖掘,成为当前编码领域的热点之一。LDPC码是一种具有稀疏校验矩阵(校验矩阵中1的个数比较少)的线性分组码,具有逼近香农限的优良特性,译码复杂度只与码长成线性关系,编码复杂程度适中,在码长较长的情况下,仍然可以保证有效译码。LDPC码被认为是目前最好的FEC编码方式之一,在信道环境较差的移动通信、卫星通信方面得到广泛的应用。

ABS-S中采用了一类高度结构化的LDPC码。该结构的LDPC码,其编解码复杂度低,并可以方便地在相同码长下,实现不同编码比率的LDPC码设计。

在DVB-S2中,采用了内码为LDPC码,外码为BCH码的级联码结构。采用BCH作为外码主要有两个方面的目的,首先是在编码效率损失很小的情况下(小于2%),可以获得0.1-0.15DD左右的编码增益,进一步提高系统性能,DVB-S2中的LDPC码设计上存在一定的缺陷,在某些编码比率时其差错平底(Error Floor)达不到视频应用中QEF误比特率的要求(10-11误比特率或10-7误包率),必须通过外码级联的方式来降低差错平底。同时,在DVB-S2中规定广播应用时必须使用码字长度为64800比特的长码,这大大增加了芯片实现的复杂度与成本。

与DVB-S2相比,ABS-S在信道编码方案的设计上具有两个方面的优势。首先,ABS-S的LDPC的码字长度为15360,且不同编码比率时,码长固定。而DVB-S2的LDPC码分长码与短码,其长度分别是64800和16200。尽管在LDPC编码中,码字长度较长时,具有更好的逼近香农极限特性,可以减小突发差错对译码的影响,然而ABS-S2短码时,仍具有与DVB-S2长码基本相当的性能。同时,较短的码长在硬件设计时具有编解码简单及硬件成本低廉的特点,更易于被市场接受。

其次,ABS-S仅依靠LDPC编码即能够实现低于10-7的误包率要求,这样就不需要额外级联BCH或其它形式的外码。通常,短码字的LDPC码具有较高的差错平底,ABS-S中的LDPC码能够在码字较短的同时提供低于10-7的误包率,充分体现出了在信道编码方案设计上的优势。

与DVB-S2相同,ABS-S提供了从1/2到9/10的多种编码比率,其范围从1.3DB到11.25DB(QPSK与8PSK调制方式下),步进差值大约在1DB左右。这样,结合不同的滤波滚降因子可以为运营商提供相当精细的选择,从而根据系统实际应用条件充分发挥直播卫星的传输能力。

ABS-S中采用的LDPC信道编码方案的纠错性能曲线(QPSK调制方式下):

另外,考虑到卫星载荷制造技术的进步,ABS-S中提供了16APSK和32APSK两种高阶调制方式,这两种方式在符号映射与比特交织上结合LDPC编码的特性进行了专门的设计,从而体现出了整体性能优化的设计理念。

2、帧结构设计

由于在信道编码上采用了LDPC线性分组码,因此在链路层必须提供必要的同步机制,即以帧为单位进行传输,并提供帧起始标识。在DVB-S2中采用了自相关性非常高序列作为帧起始(SOF)标识。ABS-S借鉴了这一思路,其唯一字(UW,Unique Word)长度为64个符号。

在DVB-S2中,一个物理帧中只包含一个LDPC码字,这样在调制方式发生变化时(VCM或ACM方式下),物理帧的符号长度或时间长度将随调制方式不断改变,这就为接收端的同步带来很大的不便。ABS-S在设计上采用了另外一种思路,即固定物理帧长度(不含导频),在一个物理帧内可以传输不同调制方式的多个LDPC码字。同时,在ACM工作方式下,通过特定的数据结构NFCT对下一帧的结构进行描述,如各LDPC码字的调制方式、编码比率等。这样做最大的优势在于物理帧的时间长度固定,即同步字UW以相同的时间间隔出现,便于接收机进行同频搜索。同时,NFCT可以对一帧中多个LDPC码字的参数进行描述,而NFCT被放置在一帧的第一个LDPC码字中,同样通过LDPC进行编码,在信息量相同的条件下,其传效率明显高于DVB-S2中采用的里德-穆勒码(MODCOD字段)。

ABS-S在帧结构设计方面的另一个特点在于其高阶调制方式下导频字的插入。DVB-S2中的导频长度固定为36个符号,这种设计灵活性较差,在特定的符号率范围内性能良好,而在低码率时,其性能不佳。ABS-S中的导频插入可以根据实际系统应用条件,由运营商自行设置,而接收机则进行自适应有判断,大大提高灵活性和系统性能。同时由于ABS-S采用了固定的物理帧符号长度,保证了导频信号的均匀插入。

ABS-S的主要技术参数如下:

(1)输入信号:MPEG-TS比特流或通用数据流(如IP包);

(2)FEC编码方案:LDPC编码;

(3)LDPC帧长度:15360比特;

(4)LDPC编码率:1/4~9/10,与不同调制方案共有28种组合方式可供选择;

(5)载波调制方案:QPSK、8PSK(于用所有业务),16APSK、32APSK(用于除广播业务外的所有其它业务);

(6)脉冲成型滤波滚降因子:0.35、0.25、0.2;

(7)导频:可选,同相QPSK符号;

(8)支持可变编码调制与自适应编码调制的无缝衔接;

(9)提供网络控制信息插入功能。

通过在设计思路与技术实现手段上的创新,ABS-S与DVB-S2技术相比,系统总体性能相当,同时在某些方面具有一定的优势。

(1)ABS-S在信道编码的设计上比DVB-S2更加优化。在ABS-S中,仅使用LDPC作为信道编码,提高了传输效率,同时仍然实现了10-7以下的差错平底。

(2)ABS-S的LDPC码型设计在性能与复杂度之间进行了更好的折中,在性能相当的前提下,ABS-S码长不到DVB-S2的四分之一,这大大降低了ABS-S的实现难度,并缩短了信号传输延时。

(3)ABS-S采用了更为合理、高效的传输帧结构。其传输帧长度不随调制方式的改变而变化,具有统一的符号长度。这使得接收机能够具有更好的同步搜索性能,同时还可以实现不同编码调制方式的无缝衔接,提供了更大的业务配置灵活性,特别是能够更好地适应未来直播卫星或接收机技术的进步。

(4)ABS-S在比特织和符号映射等信号处理环节上同样采用了独特的技术,这些技术能够充分发挥LDPC编码的优势,进一步优化整个系统的性能,体现了合理设计、全局优化的设计理念。

(5)ABS-S明显优于目前普遍使用的DVB-S系统,如在同等信号传输能力条件下,ABS-S载噪比门限要求比DVB-S低1.5到2DB;而在同等信道条件下,ABS-S的信号传输能力高于DVB-S系统20-25%。

(6)ABS-S在性能上与DVB-S2基本相当,载噪比门限相差约0.1-0.3分贝,接近理论极限,而传输能力则略高于DVB-S2。同时ABS-S的复杂度远低于DVB-S2,更加易于实现。

 

 

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