《視頻廣播標(biāo)準(zhǔn)dvbs》ppt課件

1、門愛東教授menad@bupt.edu.cnBeijing,DVB-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 an

2、d other broadband satellite applications,2,主題概述,引言DVB-S 回顧 DVB-S2 是什么？ DVB-S2 物理層技術(shù)元素 DVB-S2 應(yīng)用舉例參考資料,3,引言：通信系統(tǒng)模型,,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(diào)制,解調(diào),,,,,可靠性和效率,傳輸子系統(tǒng)主要涉及：信道編碼調(diào)制信號幀結(jié)構(gòu),4,數(shù)字視頻廣播及所用標(biāo)準(zhǔn),引言：廣播系

3、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.264AVS,,,,,AV流,216M~ 1.2G,TS,128kb~20Mbps,,,TS,透明傳輸,216M~1.2G,,,AV流,5,引言：視頻廣播網(wǎng)絡(luò),6,引言：衛(wèi)星視頻廣播,衛(wèi)星是視頻廣播的理

4、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(jī)（天線、機(jī)頂盒）；視頻廣播最有效的覆蓋方式——一顆衛(wèi)星和一個(gè)頻道就可覆蓋整個(gè)國家；前端設(shè)施成本低廉，包括衛(wèi)星和廣播中心；點(diǎn)波束衛(wèi)星能夠提供本地到本地的業(yè)務(wù)；隨著信源壓縮和信道傳輸技術(shù)的快速發(fā)展，衛(wèi)星廣播頻道價(jià)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。,7,引言：比特率和波特率

5、—有效性,比特率表示每秒可傳輸多少個(gè)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(gè)多元碼字。 比特率與波特率在本質(zhì)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(jì)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，

6、如調(diào)制信號的速率等。比特率和波特率容易產(chǎn)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捎谛诺谰幋a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。,8,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?cái)?shù)，單位是 bit/s/Hz， 表示通信系統(tǒng)的有效性。 對于帶通調(diào)制信號，那么奈奎斯特帶限定

7、理表明，理論上沒有碼間串?dāng)_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(diào)制技術(shù)的效率，在數(shù)量上等效于每個(gè)調(diào)制符號所映射的比特?cái)?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理論最高頻譜效率為 4bit/s/Hz；32APSK理論最高頻譜效率為 5bit/s/Hz；3

8、2QAM理論最高頻譜效率達(dá) 5bit/s/Hz； 64QAM理論最高頻譜效率達(dá) 6bit/s/Hz。,9,數(shù)字信號在傳輸過程中產(chǎn)生二種畸變：疊加干擾與噪聲，出現(xiàn)波形失真。瑞典科學(xué)家哈利?奈奎斯特在1928年為解決電報(bào)傳輸問題提出了數(shù)字波形在無噪聲線性信道上傳輸時(shí)的無失真條件，稱為奈奎斯特準(zhǔn)則。,奈奎斯特第一準(zhǔn)則：抽樣點(diǎn)無失真準(zhǔn)則，或無碼間串?dāng)_（ISI Free)準(zhǔn)則奈奎斯特第二準(zhǔn)則：轉(zhuǎn)換點(diǎn)無失真準(zhǔn)則，或無抖動（Jitter Fre

9、e）準(zhǔn)則奈奎斯特第三準(zhǔn)則：波形面積無失真準(zhǔn)則。,引言：頻譜效率和滾降系數(shù)—有效性,10,理想低通濾波器頻域響應(yīng),理想低通濾波器時(shí)域響應(yīng),第一準(zhǔn)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(shí)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(gè)實(shí)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(gè)時(shí)間函數(shù)的乘積。因此，奈奎斯特濾波器以及相應(yīng)的奈奎斯特脈沖為無窮多

10、個(gè)。,11,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(yīng)? 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(shí)域響應(yīng)：,引言：頻譜效率和滾降系數(shù)—有效性,滾降系數(shù)а影響著頻譜效率，а越小，頻譜效率就越高，但а過小時(shí)，升余弦滾降濾波器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)比較困難，而且當(dāng)傳輸過程中發(fā)生線性失真時(shí)產(chǎn)生的符號間干擾也比較嚴(yán)重。在實(shí)際工程中，а的范圍一般定在 0.15～0.5 之間。,12,引言：誤碼率和誤符

11、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(jīng)過系統(tǒng)傳輸后，送給用戶的接收碼流中發(fā)生錯(cuò)誤的比特?cái)?shù)占信源發(fā)送的原始碼流總比特?cái)?shù)的比例。對于多元調(diào)制信號，由于接收機(jī)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(cuò)誤的比例。線性調(diào)制系統(tǒng)的誤符號率與其星座圖中星座點(diǎn)間的歐幾里德距離有確切的函數(shù)關(guān)系。一般地說，星座點(diǎn)越密集，接收端符號判決錯(cuò)誤的概率越大。,13,引言：信噪比、載噪比與 Eb/N0

12、—可靠性,定義信噪比 (S/N) 是指傳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(jīng)調(diào)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(jì)算，單位為 dB。 信噪比與載噪比區(qū)別在于，載噪比中的已調(diào)信號的功率包括了傳輸信號的功率和調(diào)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(gè)傳輸系統(tǒng)而言，載噪比要比信噪比大， 兩者之間相差一個(gè)載波功率。當(dāng)然載波功率與傳輸信號功率相比通常都是很小的，因

13、而載噪比與信噪比在數(shù)值上十分接近。在調(diào)制傳輸系統(tǒng)中，一般采用載噪比指標(biāo)；而在基帶傳輸系統(tǒng)中，一般采用信噪比指標(biāo)。實(shí)際數(shù)字通信系統(tǒng)的可靠性性能常以一個(gè)載噪比對誤碼率的關(guān)系曲線來描述的，曲線的橫坐標(biāo)為 C/N，縱坐標(biāo)為 BER。對某個(gè) C/N，BER 越小，則說明該通信系統(tǒng)的可靠性越高。,14,C/N (SNR) ~ BER曲線,對于 C/N~BER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

14、干擾能力優(yōu)于 a。此時(shí)系統(tǒng)a，b的效率無法進(jìn)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(dá)到增強(qiáng)抗干擾能力。,引言：信噪比、載噪比與 Eb/N0 —可靠性,15,Eb/n0~BER 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(guān)系

15、 S：信號功率 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(jīng)考慮了效率這一因素。,引言：信噪比、載噪

16、比與 Eb/n0 —可靠性,,16,對于 Eb/n0~BER 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?yàn)?Eb 和n0 不是系統(tǒng)中可以

17、直接測得的參數(shù)，必須通過計(jì)算得出；而 C/N 可以通過測量直接得到，但較為片面。因此當(dāng)需要直接了解系統(tǒng)的可靠性時(shí)，一般使用 C/N；而當(dāng)需要橫向比較不同系統(tǒng)的性能時(shí)，一般使用 Eb/n0 。,引言：信噪比、載噪比與 Eb/N0 —可靠性,17,Shannon 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(dāng) 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

18、窮大，C = 1.44S/N當(dāng) C 一定時(shí)，B 與 S/N 可以互換Shannon 定理為信道編碼奠定了理論基礎(chǔ)，雖然定理本身并沒有給出具體的編碼方法和結(jié)構(gòu)，但它從理論上為信道編碼的發(fā)展指出了方向—進(jìn)行高效而可靠的通信途徑可以通過編碼來實(shí)現(xiàn)。,引言：Shannon 定理－可靠和效率互換,18,Shannon 定理理論曲線,根據(jù)仙農(nóng)定理 ，為了保證可靠傳輸，必須

19、 ， 經(jīng)推導(dǎo)可以得到：,仙農(nóng)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,,19,引言：Shannon 定理－可靠和效率互換,20,主題概述,引言DVB-S 回顧系統(tǒng)框圖信號復(fù)接和傳輸結(jié)構(gòu)能量擴(kuò)散FEC成形濾波和調(diào)制性能

20、DVB-S2 是什么？ DVB-S2 物理層技術(shù)元素 DVB-S2 應(yīng)用舉例參考資料,21,DVB-S 回顧：系統(tǒng)框圖,DVB-S 是通信史上最成功的標(biāo)準(zhǔn)之一： 這意味著新的標(biāo)準(zhǔn)需要很好地處理與 DVB-S 的關(guān)系；業(yè)務(wù)如何平穩(wěn)轉(zhuǎn)移、頻譜規(guī)劃、用戶 STB 和用戶流失等問題；DVB-S 技術(shù)方案基于 RS 碼和卷積碼構(gòu)成的級聯(lián)碼，是上世紀(jì)六七十年代提出的糾錯(cuò)編碼技術(shù)，非常成熟；QPSK 是唯一的調(diào)制方案，這限制了總的數(shù)據(jù)

21、吞吐量。,22,DVB-S 回顧：信號復(fù)接和傳輸結(jié)構(gòu),23,DVB-S 回顧：能量擴(kuò)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(shí)鐘恢復(fù)；破周期性，降低對其它信道的干擾。方式：自同步；外同步問題：誤碼擴(kuò)散,24,DVB-S 回顧：FEC 前向糾錯(cuò)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(yàn)關(guān)系，當(dāng)這種校驗(yàn)關(guān)系因傳輸錯(cuò)誤而受到破壞時(shí)，可以被發(fā)現(xiàn)并

22、予以糾正。這種檢錯(cuò)和糾錯(cuò)能力是用信息量的冗余度來換取的。例：對于三位二進(jìn)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(cuò)功能。若只選用四種，000、011、101、110。當(dāng)出現(xiàn) 111 時(shí)， 表示出現(xiàn)了差錯(cuò)，但此時(shí)不具有糾錯(cuò)功能，只有檢錯(cuò)功能。若只采用 000、111，可以用來糾正一位錯(cuò)誤。,25,DVB-S 回顧：線性分組碼 — FEC,線

23、性分組（n，k）碼。 碼字長度 = n 校驗(yàn)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(jié)論： 在一個(gè)碼組內(nèi)檢測 e 個(gè)誤碼，要求最小碼距：dmin≥e+1 在一個(gè)碼組內(nèi)糾正 t 個(gè)誤碼，要求最小碼距： dmin≥2t+1 在一個(gè)碼組內(nèi)糾正 t 個(gè)誤碼，同時(shí)檢測 e (e≥t ) 個(gè)誤碼， 要求最小碼距： dmin≥ t+e+1,26,校驗(yàn)方程是基礎(chǔ)線

24、性分組碼既可以用生成矩陣 G，也可以用校驗(yàn)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

25、 H · cT=0T,DVB-S 回顧：線性分組碼 — FEC,27,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]

26、 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(gè)元素是 P 矩陣中對應(yīng)元素的加法逆元，在二進(jìn)制時(shí)，仍是該元素自己。G 和 H 滿足： G · HT= [IkP] [-PTIn-k]T = 0,系統(tǒng)碼的一種形式,DVB-S 回顧：系統(tǒng)碼 — FEC,28,DV

27、B-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(gè)信息位數(shù)字均為 0 的所有碼字，組成一個(gè)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(shí)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(gè) k-i 維子群，構(gòu)成一個(gè) [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

28、只是在原 [n, k] 碼的 G 陣中去掉左邊 i 列和上面 i 行即可。縮短碼或截短碼的 H 矩陣，只要在原碼 H 矩陣中去掉若干列即可得到?？s短碼的碼率 R 比原碼要小。,29,DVB-S 回顧： FEC 外碼 (RS 碼) — FEC,1960 年 MIT Lincoln Lab 的 Reed 和 Solomon 在發(fā)表了論文“Polynomial Codes over Certain Finite Fields”。 RS

29、碼是效率很高的分組碼，RS 碼是一類非二進(jìn)制 BCH 碼, 每個(gè)符號由 m 比特組成。既適用于糾隨機(jī)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(gè)最大碼。在（n，k）RS 碼中，輸入信息被分成 km 比特一組，每組包括 k 個(gè)符號，每個(gè)符號由 m 比特組成。糾正 t 個(gè)符號錯(cuò)誤的 RS 碼參數(shù)如下：碼長 n

30、= 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,30,DVB-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(gè) RS 包中 8 個(gè)字節(jié)的錯(cuò)誤。RS(204,188

31、) 編碼器的碼字生成多項(xiàng)式：,域生成多項(xiàng)式 : p(x) = x8 + x4 + x3 + x2 + 1,DVB-S 回顧： FEC 外碼 (RS 碼) — FEC,31,上圖為 64QAM 調(diào)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) — FEC,32,DVB-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

32、碼。經(jīng)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(yīng)卷積碼抗突發(fā)錯(cuò)能力很差卷積碼是靠相鄰符號間的相關(guān)性提供保護(hù)的，而此相關(guān)性的保持時(shí)間一般較短。分組碼對突發(fā)誤碼和隨機(jī)誤碼的糾錯(cuò)能力基本相當(dāng)，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(shè)計(jì)的分組碼，但糾隨機(jī)誤碼的能力相應(yīng)降低。,33,DVB-S 回顧：交織—抗突發(fā)誤碼的有效手段,交織（interle

33、aving）就是一種將數(shù)據(jù)的順序進(jìn)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(yīng)不小于信道上可能的突發(fā)錯(cuò)長度，否則解交織后仍可能存在一定的突發(fā)錯(cuò)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(yīng)不小于編碼的約束長度，或相應(yīng)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?。。〗豢椦舆t性能：交織越長

34、，信號時(shí)延越大，那么中斷恢復(fù)時(shí)間，或信道切換時(shí)間就越長。,34,DVB-S 回顧：交織方式1,塊交織（block interleaver）將數(shù)據(jù)流分成長度為 W×L 的塊，將數(shù)據(jù)逐行寫入一個(gè) 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(shí)為 WL。交織和解交織延時(shí)總和為 2WL。,x11 x12 x13 …… x1Wx21 x22 x23 …… x2W ………………………..

35、xL1 xL2 xL3 …… xLW,x11 x21 x31 …… xL1x12 x22 x32 …… xLW ………………………..x1W x2W x3W …… xLW,,寫,,讀,,突發(fā)錯(cuò)誤,,35,卷積交織（convolutional interleaver）DVB-S 就采用了這種卷積交織方式,DVB-S 回顧：交織方式2,交織器,解交織器,36,隨機(jī)交織（random interleaver)

36、隨機(jī)交織在每一次使用交織器時(shí)，使用完全不同的交織器，每次的交織圖案完全隨機(jī)。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(shè)可以得到一個(gè)平均性能，事實(shí)上說明至少有一種交織方法可以獲得比隨機(jī)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(jī)誤碼。理想交織是不可能實(shí)現(xiàn)的，但有時(shí)為了分析方便，可以做此假設(shè)。,DVB-S 回顧：交織方式3,37,DVB-S 回顧： FE

37、C 內(nèi)碼 (卷積碼),DVB-S 糾錯(cuò)內(nèi)碼采用了卷積碼卷積碼由編碼碼率 R=k/n 和約束長度 N 描述，記做 (n, k, N)。卷積碼也是把 k 個(gè)信息比特編成 n 個(gè)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ⅲ訒r(shí)小。n-bit 輸出是當(dāng)前輸入塊與以前 (N-1) 個(gè)輸入塊的加權(quán)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（Maxi

38、mum Likelihood，ML）譯碼。分組碼有嚴(yán)格的代數(shù)結(jié)構(gòu)，但卷積碼至今尚未找到嚴(yán)密的數(shù)學(xué)手段，把糾錯(cuò)性能與碼的構(gòu)成十分規(guī)律的聯(lián)系起來，目前大都采用計(jì)算機(jī)來搜索好碼。卷積碼可以設(shè)想為模 2 算術(shù)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。,工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DVBIEEE802.11IEEE802.16etc.,38,,鑿孔碼 Puncturing Codes按鑿孔（Puncturing）圖從母碼（例如前面的1/2

39、 碼率卷積碼編碼）產(chǎn)生的輸出 X 和 Y 中選擇最終的碼字，達(dá)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(cuò)能力。,,1—保留 0 — 刪除,DVB-S 回顧： FEC 內(nèi)碼 (卷積碼),39,DVB-S 回顧： FEC 內(nèi)碼 (卷積碼) 譯碼,卷積碼的譯碼方法不僅基于碼的代數(shù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上，而且還利用了信道的統(tǒng)計(jì)特性，因而能充分發(fā)揮卷積碼的特點(diǎn)，使譯碼錯(cuò)誤概率達(dá)到很小，這種譯碼稱為概率譯碼，即結(jié)合信道符號統(tǒng)計(jì)特性的譯碼方

40、法。1961年烏曾格來夫（Wozencraft）提出了序列譯碼，第一個(gè)卷積碼的概率譯碼方法1963年費(fèi)諾（Fano）對序列譯碼進(jìn)行了改進(jìn)，提出了 Fano 算法，推動了序列譯碼的實(shí)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(yīng)用。

41、,40,上面三圖分別為：QPSK-卷積編碼、16QAM-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(cuò)性能。,DVB-S 回顧： FEC 內(nèi)碼 (卷積碼)性能,41,通過隨機(jī)編碼達(dá)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(jī)編碼，長度足夠長，就可以無限逼近信道容量。而實(shí)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(jī)，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(gè)

42、廣義的信道。這個(gè)廣義信道輸出還存在錯(cuò)誤。因此，對它還可作進(jìn)一步的糾錯(cuò)編譯碼。對于有多次編碼的系統(tǒng)，對各級編碼，看成一個(gè)整體編碼，就是級聯(lián)碼。級聯(lián)碼的最初想法是為了進(jìn)一步降低殘余誤碼率（改善漸近性能），但事實(shí)上它同樣可以提高較低信噪比下的性能。這是由較好的短碼進(jìn)一步構(gòu)造性能更好的長碼（近隨機(jī)碼）的一種途徑，即編碼的組合，利用短碼構(gòu)造一個(gè)低復(fù)雜度的長碼。,DVB-S 回顧：級聯(lián)碼（Concatenated Code),42,串行級聯(lián)碼

43、 （Serial Concatenation Code）當(dāng)由兩個(gè)編碼串聯(lián)起來構(gòu)成一個(gè)級聯(lián)碼時(shí)位于廣義信道里面的編碼稱為內(nèi)碼以廣義信道為信道的編碼稱為外碼由于內(nèi)碼譯碼結(jié)果不可避免地會產(chǎn)生突發(fā)錯(cuò)誤。因此內(nèi)外碼之間一般都要有一層交織器，稱為外碼交織；而內(nèi)碼與傳輸信道之間的交織器，稱為內(nèi)碼交織器。串行級聯(lián)碼第一個(gè)編碼器編一個(gè)碼字，然后第一個(gè)的輸出作為第二個(gè)的輸入。R = R1×R2 = (k1/n1)×(k2

44、 /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(biāo)準(zhǔn)模式。,DVB-S 回顧：級聯(lián)碼（Concatenated Code),43,級聯(lián)碼的特點(diǎn)需要指出的是級聯(lián)雖然大大地提高了糾錯(cuò)能力，但這個(gè)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(gè)好處是顯然的，即在信道質(zhì)量稍好時(shí)（信噪比較大時(shí)），誤碼可以做到非常低，即漸

45、近性能很好。然而在信道質(zhì)量較差時(shí)，新增加的一層編譯碼反而可能會使誤碼越糾越多。因此級聯(lián)存在著明顯的門限效應(yīng)。因此會出現(xiàn)差錯(cuò)的進(jìn)一步擴(kuò)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(yīng)比簡單的編碼要明顯。常見的串行級聯(lián)方式卷積碼為內(nèi)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(jìn)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(cuò)誤能力。內(nèi)碼和外碼均采用卷積碼，特別是當(dāng)內(nèi)碼譯碼可以

46、輸出軟信息時(shí)，更為有效。,DVB-S 回顧：級聯(lián)碼（Concatenated Code),44,DVB-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,,OFDM調(diào)制,188Bytes,204Bytes,204Bytes,306Bytes,2448Bits,QPSK16QAM64 QAM

47、,,45,DVB-S 采用了平方根升余弦濾波器 (SRRC)，滾降系數(shù) α為 0.35?；鶐?SRRC 濾波器具有如下定義的理論函數(shù)：,,DVB-S 回顧： 基帶成形濾波,46,基帶成形濾波后的同相分量 I 和正交分量 Q 分別乘以 sin(2πf0t) 和 cos(2πf0t)，相加后得到正交調(diào)制信號 s(t)：,DVB-S 回顧： 調(diào)制信號,47,DVB-S 回顧： QPSK 頻譜特性,48,DVB-S 回顧： QSPK 誤碼特性

48、(AWGN）,49,Eb/N0 性能,DVB-S 回顧： DVB-S 性能,,隨著發(fā)展，DVB-S 已經(jīng)不適應(yīng)要求了：新的業(yè)務(wù)導(dǎo)致了吞吐量的增長HDTV、VOD、交互業(yè)務(wù)、本地業(yè)務(wù)等數(shù)字信號處理技術(shù)的快速發(fā)展，特別是上世紀(jì)九十年代糾錯(cuò)編碼技術(shù)的突破（Turbo 碼的發(fā)明），提供了技術(shù)上的強(qiáng)大保證。新的衛(wèi)星技術(shù)能提供更高的 C/N，除了 QPSK 調(diào)制，需要新的調(diào)制方式，以便更有效地利用更大功率的衛(wèi)星或點(diǎn)波束的衛(wèi)星。,50,主題概

49、述,引言DVB-S 回顧DVB-S2 是什么？DVB-S2 物理層技術(shù)元素 DVB-S2 應(yīng)用舉例參考資料,51,DVB-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 ETSI 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、Ph

50、ilips、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(jī)方案2003年 5月休斯研發(fā)成功了 FPGA 版本的 DVB-S2 LDPC 演示2003年 6月休斯提交了 DVB-S2

51、幀同步和載波相位同步方案2003年 11月發(fā)布 DVB-S2 標(biāo)準(zhǔn)草案2004年 1月頒布了 DVB-S2 最終標(biāo)準(zhǔn)。,DVB-S2 是什么？,52,DVB-S2 所處位置,DVB-S2IRDs,DVB-S2 MOD,MPEG-TS,DVB-S ? DVB-S2,,,DVB-S ? DVB-S2,高容量下行鏈路,,53,主題概述,引言DVB-S 回顧DVB-S2 物理層技術(shù)元素模式適配碼流適配FEC 編碼調(diào)制映射物理

52、層成幀SRRC 濾波和正交調(diào)制 DVB-S2 應(yīng)用舉例參考資料,54,DVB-S2 系統(tǒng)調(diào)制端框圖,BB: BaseBand; PL: Physical layer,多個(gè)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(dāng)需要時(shí)，填充比特,填充虛構(gòu)幀,55,DVB-S2 系統(tǒng)解調(diào)端框圖,56,DVB-S2 系統(tǒng)配置和應(yīng)用領(lǐng)域,按表1，在傳輸和接收設(shè)備

53、中至少實(shí)現(xiàn)標(biāo)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。,,57,DVB-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 3/5 2.2%16APSK ¾ 碼率2.2%總開銷沒有同步開銷的模式1.0%有同步開銷

54、的模式3.2%有用的吞吐：97~99%,58,DVB-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,59,DVB-S2 可以傳輸單個(gè)或多個(gè)碼流:MPEG-TS format Generic for

55、mat (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/AVC, WM9, AVS)每個(gè)碼流可以采用不同的保護(hù)方法,DVB-S2 模式適配：透明的輸入接口,60,輸入是恒碼率的 MPEG TS，傳輸是變碼率的 ACM 調(diào)制，但到接收端要恢復(fù) 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(shí) 為了把恒碼

56、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(shí)延恒定,DVB-S2模式適配： 輸入碼流碼率適配,61,即使業(yè)務(wù)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?yàn)椋?傳統(tǒng)的 TS 復(fù)用器添加了空包（null-packet，PID=8191D）…..,DVB-S2模式適配： 輸入碼流空包刪除,62,把 CBR TS 流映射到 VBR 物理層：

57、在調(diào)制器端刪除 null-packet（NP）…..在解調(diào)器端在完全相同位置重新插入 null-packet……MPEG TS 時(shí)間標(biāo)簽 (PCR) 不需要 update!,DVB-S2模式適配： 輸入碼流空包刪除,63,接收機(jī)通過 PLL 保持 FIFO 緩存器處于空/滿的中間狀態(tài)，從而恢復(fù) TS 時(shí)鐘。...因此，按著定義，在穩(wěn)態(tài)時(shí)， FIFO 緩存不能吸收時(shí)延的變化，MPEG TS 時(shí)延恒定的條件不能得到滿足。,如果沒有輸

58、入碼流同步處理 ...,DVB-S2模式適配： 輸入碼流同步,64,,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(shí)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(shí)鐘。,DVB-S2模式適配： 輸入碼流同步,65,在每個(gè) TS 包附加 Input Stream Clock Reference (ISC

59、R)。 接收機(jī)產(chǎn)生一個(gè)本地時(shí)間戳，與 ISCR 比較，鎖定接收機(jī) TS 流時(shí)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,66,接收機(jī) FIFO buffer “吸收” 傳輸鏈路中動態(tài)時(shí)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,67,DVB-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

60、CRC-8 編碼器。如果 UPL≠0D，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(jìn)行 8bit CRC系統(tǒng)碼編碼。CRC-8 生成多項(xiàng)式：,,CRC 編碼輸出為：,,其中 u(X) 是輸入序列（UPL-8bit)。UPL=User Packet Length， UP=User Packet,68,CRC 通過移位寄存器實(shí)現(xiàn)，在每個(gè)序列的第一個(gè)比特輸入電路之前，所有的寄存器初始化為0。

61、計(jì)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(shí)現(xiàn)框圖,,69,DVB-S2模式適配：合并/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(yīng)該緩存。Slicer 將從它的輸入（單個(gè)或多個(gè)之一）讀取一段數(shù)據(jù)組成長度為 DFL(Data Fie

62、ld Length) bit的 DataField 域。Kbch – (10×8) ≥ DFL ≥ 0Kbch 見下表 5，(8×10) = 80bit 表示 BBHeader，見后描述。Merger 將拼接成單一的一個(gè)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(gè)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（FEC 和調(diào)制）進(jìn)

63、行傳輸。Merger/Slicer 優(yōu)先原則依賴于應(yīng)用和遵循 DVB-S2 標(biāo)準(zhǔn)所描述的策略。依賴于應(yīng)用，Merger/Slicer 分配比特?cái)?shù)：輸入比特?cái)?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(gè) Ups，則在上述要求的邊界內(nèi) DFL 是可變的。當(dāng) Merger/Slicer 請求，而 DataField 無效

64、時(shí)，物理層成幀模塊將產(chǎn)生和傳輸一個(gè)虛構(gòu)物理幀（Dummy PLFrame）。,70,前述 CRC-8 代替同步字后，必須為接收機(jī)提供一個(gè)方法來恢復(fù) UP 同步 (當(dāng)接收機(jī)已實(shí)現(xiàn) DataField 域同步時(shí))。Merger/Slicer 計(jì)算 DataField 開始到第一個(gè)完整 UP 開始 (CRC-8 的第一個(gè)比特)的比特?cái)?shù)； 存儲在 BBHeader 的 SYNCD域 (Sync Distance)。SYNCD=0D，表示第

65、一個(gè) UP 與 DataField 對齊。,DVB-S2模式適配：合并/分割 Merger/Slicer,,,,71,DVB-S2模式適配：BaseBand Header,BBHeader 位于 DataField 域之前，具有固定長度 80bit = 10byte×8。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 3。MATYPE-2 為多個(gè)輸入碼流的指示，否則保留。其它 BBHeader 比特描述

66、了UPL、DFL、SYNC、SYNCD和 CRC-8等系統(tǒng)信息，見表 4。,72,DVB-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(gòu)建恒定長度(Kbch bit)的 BBFrame，然后進(jìn)行擾亂。當(dāng)傳輸?shù)挠行в脩魯?shù)據(jù)不能填滿完整的 BBFrame 時(shí)，或當(dāng)整數(shù) UP 分配給了 BBFrame 時(shí)，可能需要填充（補(bǔ) “0”）處理。

67、對于廣播業(yè)務(wù)應(yīng)用，沒有填充。,BBFrame格式,73,DVB-S2 碼流適配：BB 擾亂,完整的 BBFrame 進(jìn)行隨機(jī)化處理，隨機(jī)序列應(yīng)與 BBFrame 同步，從 MSB 開始，Kbch bit 后結(jié)束。擾亂序列采用反饋移位寄存器生成：PRBS 生成多項(xiàng)式為：1 ＋ X14 ＋ X15在每個(gè) BBFrame 起始處，PRBS 寄存器初始化序列為 100101010000000。,74,此功能塊完成：外碼（BCH）內(nèi)

68、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(yàn)位 (BCHFEC) 附加在 BBFrame 后面，而 LDPC 內(nèi)碼的校驗(yàn)位（LDPCFEC）將附加在 BCHFEC 域后面。,DVB-S2 FEC 編碼,75,正常 FECFrame（nldpc =64800bits),DVB-S2 FEC 編碼：編碼參數(shù),76,短小 FECFrame （n