卫星地球站信道编码技术研究

王俊涛 李彬 赵春

本文详细介绍了目前卫星地球站主流选用的信道编码技术的原理、技术特点和技术性能指标，对于相关领域的技术开发，系统维护具有一定的指导和借鉴作用。

目前，国内卫星地球站的信道编码技术主要选用了DVB-S标准，DVB（Digital Video Broadcast）标准是欧洲数字电视广播集团陆续制定的一系列数字电视标准，其中包括适用于卫星链路的DVB-S标准。欧洲的DVB-S标准在亚洲、澳洲、美国都得到了响应，我国也采用符合DVB-S标准的数字电视卫星广播系统。

系统的原理

1、基带物理接口与同步

基带物理接口负责DVB-S传输系统与外部系统间的信号码型、数据格式和通信协议等方面的转换。此处的同步指DVB-S传输系统的时钟与外部系统时钟间的同步。

2、同步反转与数据扰乱

这里的同步是指MPEG-2的TS包同步。为了保证与MPEG-2标准的兼容，DVB-S传输系统中的数据扰乱和RS编码都以MPEG-2的TS包为基本单位进行处理。数据扰乱以8个TS包的数据为周期进行，每8个TS包数据加扰后伪随机序列发生器重新进行一次初始化，初始化序列为100101010000000。为了使接收端的解扰器能同步地进行初始化，以便正确地对数据解扰，需在每8个TS包的头部加入特殊的指示信息以指示解扰器何时对其中的伪随机序列发生器进行初始化，解扰器的初始化序列同样为100101010000000。在DVB-S传输系统中这个特殊的指示信息是将第一个TS包的包头（即47HEX）按比特取反，变成B8HEX，这过程称为同步反转。

由于TS包的头要用作后面的RS编码的码字同步，因此TS包头不被扰乱。在传输第一个被反转的TS包头时，伪随机序列发生器要进行初始化，因此没有输出；而传输随后的7个TS包头时，伪随机序列发生器继续工作，但产生的伪随机序列不被输出，因而这7个TS包头也不被扰乱。这样从伪随机序列发生器生成的用于扰乱TS数据的伪随机二进制序列（PRBS）的周期就为188字节×8-1=1503字节。

3、纠错编码与交织

由于卫星广播过程中的信号衰减十分严重，由此产生的传输误码率较高，要求传输系统具有较强的差错保护能力。DVB-S传输系统中的纠错编码采用的是内、外两层级联编码，中间加一次交织的方案。

外层纠错编码采用RS（204，188，T=8）码，它是由RS（255，239，T=8）截短而得到的，编码效率为188/204≈0.92，可以纠正一个RS码字内的不超过8个字节的误码。选择这一RS码字长度完全是为了与MPEG-2的TS包兼容，即每一个TS包独立进行RS编码保护，生成一个RS码字，RS码字的同步头就采用TS包的包头或取反的TS包头。这样设计有两点好处：1）当某个RS码字在接收端解码时出现无法纠正的错误时，误码集中在一个TS包中，不会影响到其它的TS包，便于分接器进行差错指示；2）便于分接器提取TS包的同步，简化了TS包同步提取系统结构。RS（204，188，T=8）编码。

需要注意的是，16个字节的校验数据是由包括TS同步或反转同步在内的整个TS包的数据生成的，也就是说RS编码保护的作用范围也包括TS同步在内。

这一RS码的纠错性能为：当交织深度I=12时，只要输入误码率小于2×10-4，经过RS解码后的误码率可达10-11，即“准无失真”的水平；而当采用无限字节交织时，只要输入误码率小于7×10-4，经过RS解码后的误码率即可达到“准无失真”的水平。

数据交织采用卷积交织方案，交织深度I=12，即具有12个分支支路。交织器与反交织器在原理上是一样的，但在支路延时上正好相反。

可以看出，如果将交织器与反交织器直接联结起来，各条支路的时延就都为一个恒定值，等于数据通过17×11个字节的移位寄存器所需的时间。因此经过交织与反交织后数据帧的结构和顺序并没有改变，只是延时了一个固定的时间，即通过17×11个字节的移位寄存器所需的时间，但前提是交织器与反交织器必须同步工作。所谓交织器与反交织器的同步是指它们同时从第n条支路开始，按照相同的顺序依次循环向各支路输入数据和从各支路输出数据。

交织过程是这样的：RS编码码字向第0 -第11支路依次循环输入数据，每条支路每次输入一个字节；交织后的数据按相同的顺序从各支路中输出，每条支路每次输出一个字节。RS码字的同步头永远从第0支路，即无延时支路传送。这样交织后的数据流依然保持了RS码字的同步和长度，为反交织的同步进行打下了基础。

内层纠错编码采用卷积码，编码码率为n/n+1，意味着卷积编码器每次输入n个比特，编码后输出n+1个编码比特。在DVB-S系统中规定可使用码率为1/2、2/3、3/4、5/6和7/8五种卷积码。接收机在进入同步工作状态之前会对五种码率依次进行测试，直到与发射机所采用的码率相匹配，并锁定于此工作状态。

4、QPSK调制

DVB-S系统中的QPSK调制过程包括三个环节：映射、基带成形和调制载波。

映射是将“0”、“1”二进制比特转换为“+1”、“-1”QPSK调制符号。DVB-S系统中采用传统的格雷码（Gray-coded）进行绝对映射，而不是象有些卫星通信系统那样采用差分编码。基带成形采用平方根升余弦滚降滤波器，滚降系数а=0.35。 载波调制就是用成形后的基带信号去调制中频载波。在QPSK中有两个相位上互相正交的载波，中频载波本身称为“同相载波”，相位旋转了90°的中频载波称为“正交载波”。I支路信号调制同相载波，Q支路信号调制正交载波。

在接收端，QPSK解调器采用相干解调方式，向内层纠错解码器提供“软判决”的I、Q支路信息。所谓“软判决”是指仅将解调后的基带信号进行取样，不进行量化。软判决可以避免量化带来的信息损失。

系统的性能指标

DVB-S传输系统的性能指标是描述DVB-S传输系统性能的参数，也是考核DVB-S传输系统和设备优劣的主要依据，我们有必要讨论一下DVB-S传输系统的主要性能指标。

1、比特率和波特率

比特率是指二元数字码流的信息传输速率，单位是bit/s，表示每秒可传输多少个二元比特。波特率是指三元及三元以上的多元数字码流的信息传输速率，单位是baud/s，表示每秒可传输多少个多元码字。比特率与波特率在本质上是一回事，都表示信息传输的速率，只是在传输系统的不同阶段，信号呈现出不同的形式，因此以不同的计算方式来衡量其信息的传输速率。发射端在映射之前以及接收端在反映射之后，信息都以二元数字信号表示，因此其中各环节传输和处理信息的速率用比特率表示，如纠错编码器和解码器的最高处理速率或传输系统与复/分接系统间的接口速率等。需要注意的是，虽然在上述各环节中信息从本质上讲是以比特的形式呈现，但由于数字运算中通常都是以8个比特的一组数据---称之为字节（byte）为单位进行的，因此在上述各环节中信息处理实际上是以字节的形式进行的；发射端在映射之后以及接收端在反映射之前，信息以多元数字符号表示，因此其中各环节 传输和处理信息的速率用波特率表示，如调制信号的速率等。

2、频谱效率

通信系统的有效性是以调制信号的频谱效率来描述的。频谱效率的单位是bit/s/Hz，代表每赫兹（Hz）带宽的传输频道上可以传输比特率为多高的数字信息。频谱效率主要用于衡量各种数字调制技术的效率，在数量上等效于每个调制符号所映射的比特数。对于BPSK或2ASK等低容量调制技术，所能够实现的理论最高频谱效率为1bit/s/Hz；而QPSK所能够实现的理论最高频谱效率为2bit/s/Hz；对于32QAM这样的高容量调制技术，所能够实现的理论最高频谱效率达5bit/s/Hz；而64QAM所能够实现的理论最高频谱效率高达6bit/s/Hz。频谱效率越高，在相同的带宽、相同的时间内可以传输的数字信息就越多。现代最新的数字调制技术可以实现的频谱效率已高达10-11bit/s/Hz。这里所说的“理论最高频谱效率”是指当传输信号的频谱为理想低通频谱时所实现的频谱效率，但在实际应用中是达不到这一理论效率的，因为工程应用中传输信号通常采用升余弦滚降波形，它所实现的频谱效率要比理论最高效率下降一个滚降系数а倍。

3、滚降系数

前文说过，如使传输信号的频谱为理想低通频谱，可以实现理论上最高的频谱效率。但理想低通频谱在实际应用中是不可能实现的，而且理想低通信号在时间域内的波形衰减过慢，当发生符号间串扰时对相邻传输符号的干扰过大，因此工程应用中一般采用的是升余弦滚降信号波形。升余弦滚降波形符合奈奎斯特第一准则，可保证采样点信号数值的无失真。

升余弦滚降信号的最大带宽超出对应的理想低通信号带宽1/2 T的部分，与对应的理想低通信号带宽1/2 T的比例。例如当升余弦滚降信号的最大带宽为3/4 T时，其滚降系数为而当升余弦滚降信号的最大带宽为1/T时，其滚降系数为滚降系数а影响着频谱效率，а越小，频谱效率就越高，但а过小时，升余弦滚降滤波器的设计和实现比较困难，而且当传输过程中发生线性失真时产生的符号间干扰也比较严重。在实际工程中，а的范围一般定在0.35～0.5之间，大多数应用中а取为0.35。

4、误码率

数字通信系统的可靠性能是用误码率来表示的。实际上，用户对一个数字通信系统性能的最终要求通常远比模拟通信系统的简单，只有误码率，因为数字通信系统只要所传输的码字不发生错判就不会造成信息丢失，其它方面如信号波形等的失真都是无所谓的。误码率是指在经过通信系统的传输后，送给用户的接收数字码流与信源发送出的原始码流相比，发生错误的码字数占信源发送出的总码字数的比例。对于二元数字信号，由于传输的是二元比特，因此误码率称为误比特率（BER：bit error ratio）；对于二元以上的多元信号，误码率称为误码字率（CER：code error ratio）。

误码率就是指接收端经过解调和纠错后最终送给分接器的比特流与复接器发送给发射端的原始比特流相比，发生传输错误的比特数占复接器发送的总信息比特数的比例。误码率通常以10-k的形式表示，如某通信系统的误码率达到了10-6就是指平均每1百万个传输比特或符号中仅有1个传输误码。在DVB-S传输系统中，需要注意的一点是，由于DVB-S传输系统中的外层纠错编码采用的是RS码，发生传输错误时是以RS码字为单位的，因此接收端送给分接器的码流中的误码率是以RS码字的差错率来衡量的。如误码率为10-6就是指平均每1百万个RS码字中有1个错误的RS码字。但对分接器和解压缩过程来说，他们是按比特来进行处理，因此他们关心的是比特的错误率。RS码字的错误率与比特的错误率之间是存在着固定的比例关系的，DVB-S传输系统中，一个RS码字包含了188个字节，即1504个比特。当误码率较小时，错误的RS码字中的错误比特数是较少的，因此比特错误率要小于RS码字错误率，如RS码字的错误率为10-6时，则对应的比特错误率一般要小于10-7。

上述为SMG卫星地球站团队对于卫星信道编码技术的研究，希望能给广大电视播出技术同仁带来帮助和借鉴。