DVB－RCS2卫星交互网的调制编码技术

陈 沛，黄 焱

(信息工程大学信息工程学院，河南 郑州 450002)

2011年8月，ETSI(European Telecommunications Standards Institute)在DVB－RCS基础上提出了DVB－RCS2卫星交互网新体制。这种新体制采用DVB－S2前向广播和多频时分多址(MF－TDMA)多点回传的工作方式，在调制编码技术方面较前一代进行了大规模改进，配合灵活的帧结构，采用新的工作模式以提供更高的传输效率，适用于IP业务和多种市场领域，使得这种新型交互式卫星系统更加贴近当前卫星通信服务的宽带化和交互化发展趋势［1］。新规范的提出将促进新一代卫星通信设备的研发，对于科研人员，面临的一项重要任务是全面理解其调制编码方式。

1 DVB－RCS2前向链路调制编码方式

DVB－RCS2前向链路传输系统基于DVB－S2规范进行设计，相对于DVB－RCS采用的DVB－S规范，有以下3个方面的改进:

1)DVB－S采用 CCM(Constant Coding and Modulation)，调制方式为单一的QPSK调制［2］。而DVB－S2在兼容CCM的基础上，采用ACM(Adaptive Coding and Modulation)，调制方式可以灵活地选用 QPSK，8PSK，16APSK和32APSK。在信道条件允许的情况下，选用高阶调制方式将大大提高信道利用率，但必须保证合理的接收机复杂度。各调制方式星座图如图1所示［3］。

图1 前向链路QPSK，8PSK，16APSK，32APSK星座图

2)在信道编码方面，DVB－S采用以RS码为内码、卷积码为外码的级联码，而DVB－S2则应用LDPC(Low Density Parity Check)和BCH编码技术，以LDPC为内码，BCH为外码，配合比特交织，传输容量可以提高30%，非常接近香农信道容量极限。

3)DVB－RCS2前向链路将采用GSE(Generic Stream Encapsulation)替代TS(Transport Stream)流，从而支持不同类型的基带帧，且不要求数据连续，包长度可变，每个包的传输参数(调制方式、编码速率等)均可调整［4］。这将有效节省开销，从而实现传输效率最大化，这项技术符合了新一代系统对IP数据的传输要求。

为实现上述调制编码技术在新规范中的应用，DVBRCS2在前向链路网控信令部分和物理层帧结构等方面进行了相应的设计。其中，网控信令通道中TMST2(Transmission Mode Support Table 2)信令的增加，有效配合了ACM，使其在设备中的实现方式得以简化。

TMST2信令通过一个循环结构，对系统支持的每种传输模式的具体参数进行定义，包括帧长、前导码有无、调制编码方式及其所需系统裕量、输入流标识等，语法结构如图2所示。

图2 TMST2语法结构图

其中MODCOD字段标识了系统支持的传输模式，其取值与传输模式的对应关系如表1所示，子站通过对该信令的解析，能够轻易辨识前向链路所采用的调制编码模式。

在TMST2信令的支持下，前向链路采用ACM方式时，只需实时得到信道条件以调整传输模式，因此在RCST登录成功后，NCC(Network Control Centre)主站将定时向RCST(RCS Terminal)发出请求，要求RCST测试当前传输信道的CNI。随后RCST根据TMST2信令中指明的MODCOD对系统裕量的要求，判断信道条件是否满足当前采用的MODCOD，并反馈给NCC。NCC解析来自RCST的反馈信息，若信息显示信道条件不足以满足当前MODCOD的要求，NCC必须在400 ms内停止使用该模式向RCST的传输，再根据信道裕量，选择当前可以使用的MODCOD。从而实现调制编码方式对信道条件的自适应。

此外，灵活的帧结构也可有力协助ACM方式的实现。DVB－RCS2前向链路的信号成帧基于DVB－S2的两级帧结构，即基带帧(Baseband Frame)和物理帧(Physical Layer Frame)，物理帧输出射频调制信号。基带成帧过程通过加入用户数据适配模块，确定基带帧头部中的多项标识，指明输入流个数、GSE流或TS流的选用、CCM或ACM方式的选用等构造细节，使接收端在确定有效负载的传输模式、定时同步等方面的处理更加灵活。基带帧数据格式如图3所示。

图3 基带帧结构示意图

基带帧再经由BCH外码和LDPC内码编码得到编码帧，经过交织器，使用前向链路允许选择的调制模式进行调制、加扰，得到物理层帧，即可射频发送。

2 DVB－RCS2回传链路调制编码方式

DVB－RCS2的回传链路保持了DVB－RCS采用的多频时分多址(MF－TDMA)接入方式，按照超帧、帧、时隙的层级结构组织管理，子站用户在指定时隙中进行数据突发［5］。

DVB－RCS回传链路的数据突发采用QPSK调制方式，编码方式为卷积码与RS码的级联码或Turbo码，随着交互数据量的增加，子站间通信需求的加大，其调制方式单一且信道利用率不高的弊病逐渐显露出来。相比之下，DVB－RCS2更加灵活，支持两种传输模式的选择，一种使用Turbo码和线性调制(TC－LM)，另一种使用卷积码和连续相位调制(CC－CPM)，使回传链路信道利用率和纠错能力有了极大提高。传输模式的选择及相关参数的设置，由网控信令通道中的FCT2(Frame Composition Table version 2)，BCT(Broadcast Configuration Table)，TBTP2(Terminal Burst Time Plan Table version 2)信令共同决定。其中，FCT2和TBTP2中包含突发模式选择字段，BCT则具体描述当前传输模式下诸如传输起始终止标志、调制方式、编码方式、码率、前同步码、后同步码、导码、负载大小和负载类型等参数。下面分别介绍上述两种模式的具体实现。

2.1 TC－LM 模式

该模式下，Turbo码编码方式使用双二进制循环递归卷积编码CRSC(Circular Recursive Systematic Convolution-al)，编码框图如图4所示。编码核心电路如图5所示。

图4 Turbo码编码器示意图

图5 Turbo码编码核心电路

其编码流程为:待编码数据按比特输入，高位置于A，次位置于B。开关首先置于1，按顺序序列输入，经编码、凿孔操作后输出Z1。然后将开关置于2，输入交织后序列，经编码、凿孔操作输出Z2。依此类推完成编码。其中，反馈支路由多项式1+x3+x4给定，第1奇偶校验位Y的计算由多项式1+x+x2+x4给定，第2奇偶校验位W的计算由多项式1+x2+x3+x4给定。一次编码中编码核运行4次以得到Y，W。交织方式、初始状态和凿孔映射表在DVB－RCS2协议中都有详细说明。

该模式下，线性调制可以选用 QPSK，8PSK或16QAM，回传链路有效负载部分需根据数据长度和所选调制方式的不同对数据进行必要的补零。选用高阶调制方式将提高回传链路的信道利用率，支持更大数据量的传输，符合未来卫星通信系统的发展趋势。各调制方式的星座图如图6所示。

图6 回传突发QPSK，8PSK，16QAM星座图

为便于子站选择NCC允许的调制方式，BCT信令中的modulation_scheme字段表明了调制方式的选择，其取值0x01代表QPSK，0x02代表8PSK，0x03代表16QAM。

2.2 CC－CPM 模式

CPM(Continuous Phase Modulation)是近年来发展很快的一种高效调制技术，有恒定包络和连续相位，能提供更高的频谱利用率和功率效率［6］。DVB－RCS2增加了对这种调制方式的支持，并与卷积编码相结合，保证了各种信噪比下对传输速率的需求。

根据CPM的定义，对CPM基带信号的复数形式描述为

q(t)为CPM相位响应，是一个连续函数。其表达式为

式中，L为相位关联长度。DVB－RCS2中默认L=2，是部分响应CPM。

DVB－RCS2在该模式下，脉冲成形方式采用加权平均CPM脉冲成形，即g(t)升余弦成形和矩形成形的线性组合，表达式为

只需通过改变参数αRC的值，即可改变相位响应函数形状，从而得到不同的CPM信号，BCT信令中有专门字段确定αRC的取值。

NCC通过设置前向链路BCT信令中的相关字段，调整不同的调制指数h和不同的q(t)形状，能够调整CPM调制信号的功率谱密度，从而适应不同的带宽要求，提高了系统灵活性。

该模式下，编码方式使用二进制非系统非递归卷积码，约束长度 K 为3 或4，支持1/2，2/3，3/4，4/5 和5/6 码率。在约束长度为3，码率为1/2的条件下，子生成多项式为GNS1=1+x2，GNS2=1+x+x2。在约束长度为4，码率为1/2的条件下，子生成多项式GNS1=1+x+x3，GNS2=1+x+x2+x3。而2/3，3/4，4/5，5/6 码率的编码则以1/2码率为母码经凿孔操作实现，有效降低译码复杂度，方便实现自适应速率匹配。凿孔图案如表2所示。

表2 不同码率下凿孔图案

当凿孔图案为1时，对应的编码比特保留，当为0时，对应比特删除。例如，约束长度4情况下的6/7码率编码过程(假设信息比特长度为1504)如图7所示。

图7 凿孔卷积码实现6/7码率编码过程

3 DVB－RCS2传输性能仿真

目前，支持DVB－RCS2的设备还未全面投入使用，缺少实际信号数据，这里通过计算机仿真着重对其频带利用率进行研究，并与DVB－RCS进行比较。

对于前向链路，DVB－RCS2以高阶调制方式取代QPSK，每个码元携带更多比特的信息，显然能够提高频带利用率。同时，DVB－RCS2频谱成形中的升余弦滚降系数α 可在0.35，0.25，0.2 中选择，而不是 DVB－RCS 中固定的0.35。在AWGN信道环境下采用QPSK调制方式进行仿真:发送成形滤波器分别采用滚降系数为α=0.35和α=0.2的根升余弦滤波器，4倍符号速率采样，接收方经匹配滤波后得到的信号频谱如图8所示。从图8看出，α=0.2时频带利用率有了明显提高。

图8 前向链路频带利用率比较

对于回传链路，当采用CC－CPM模式时，调制指数h越小，频带利用率越高，相位响应函数形状越平滑，信号频谱占用越少［7］。相位响应函数形状由αRC决定，当αRC=0.98和αRC=0.625时，通过计算机仿真绘制相位响应函数如图9所示。图中直线为矩形成形时的相位响应，由图可见，αRC=0.625时，函数曲线更加平滑，频带利用率更高，而实际信号中h和αRC的具体值将通过前向链路BCT信令根据信道情况进行调整。

图9 回传链路相位响应函数曲线

4 结束语

DVB－RCS2的发布是交互式卫星通信技术发展的重要进步，其通过改进传输流封装，采用新的调制编码方案，并应用ACM技术，使传输效率更高、终端运行成本更低。该规范的设计体现了极高的灵活性，不仅能够满足高清电视、3D电视等大数据量视频广播的需要，更能够应用于IP服务，满足IP流量高速率传输，有利于三网融合等领域的发展，市场前景十分广阔，对该协议的深入研究具有十分重要的意义。

［1］ETSI EN 301545－2 V1.1.1，Digital video broadcasting(DVB);second generation DVB interactive satellite system(DVB－RCS2);part 2:lower layers for satellite standard［S］.2011.

［2］ ETSI EN 301790 V1.4.1，Digital video broadcasting(DVB);interaction channel for satellite distribution systems［S］.2005.

［3］ ETSI EN 302307 V1.2.1，Digital video broadcasting(DVB);second generation framing structure，channel coding and modulation systems for broadcasting，interactive services，news gathering and other broadband satellite applications(DVB－S2) ［S］.2009.

［4］ ETSI TS 102606 V1.1.1，Digital video broadcasting(DVB);generic stream encapsulation(GSE)protocol［S］.2007.

［5］ 杨华，黄焱.DVB－RCS卫星交互网通信体制研究［J］.电视技术，2010，34(9):10－12.

［6］ 刘春江，吴志跃，郭沛宇，等.数字卫星广播中CPM与QPSK调制性能仿真分析［J］.电视技术，2009，33(S1):4－5.

［7］ PROAKIS J G.数字通信［M］.4版.北京:电子工业出版社，2003.