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卫星电视信道编码与数字调制方式

    信源编码的目的是提高信源的效率,去除冗余度,但在信源编码的过程中,并未涉及到符号的波形,即承载信息的符号必须转变成具体的波形才能在信道中传输。但并不是所有的波形都适合在信道中传输,因为不同的波形有不同的频率特性。一般的传输通道的传输带宽总是有限的,超过此界限就不能进行有效的传输。例如,通常的传输信道不能传输带有直流分量信号。此时,若信号中含有直流分量,就不能在该信道中传输,否则会使信号产生失真。因此,在信源编码和传输通道之间还应插入波形成形(也称波形编码)单元,以改变信号的频谱特性,以避免信号的失真。

     经波形成形后的信号在信道里传输中会受到噪声和各种干扰的影响,也会产生信号失真,故在恢复信号时会产生误码,影响信号的接收质量。因此,要插入一些固定的、容易识别并与原始信号有某种特定关系的编码,即所谓的差错控制编码,就可以在接收端通过判定接收信号中这种编码与原始信号的那种特定关系是否被破坏,来判断信号在传输过程中是否已经发生错误,并最大程度的改正传输中出现的错误。

     数字调制起到了频谱搬移的作用,即将信号从低频段搬移到高频段,并在一定程度上,也改变了原来信号的频谱分布。调制是信号要在带通信道中传输的不可缺少基本步骤,也是抵抗信道干扰的重要途径。

     本节首先介绍常用的几种波形编码和差错控制技术,接着给出DVB-S系统信道编码的整体方案。

    2.6.1 信道编码的基本原理

    (一)波形编码技术

     若符号“1”用有脉冲表示,“0”用无脉冲表示,那么脉冲序列的平均直流电平与连“0”和连“1”的个数有很大的关系。当连“0”和“1”的个数相差太多时,就会产生直流分量和低频分量。然而,大部分信道是不适合传送直流和低频分量的,故应该把“0”、“1”用适当的波形来表示,使用不同的波形就构成了不同的传输码型。

     对于线路编码的要求应该是对信源具有透明性和唯一的可解码性,以便在接收端还原出原序列。经编码后的序列应当没有显著的直流分量,且低频分量和高频分量都比较小。

     目前通信系统中常使用的码型有CMI、DMI、Miller和双相码等。它们都是1B2B码,即用两个二进制码表示原来的一个二进制码。此时,线路传输速率要提高一倍,所需的传输带宽也要随之增大。为了降低传输速率,还可以把1B2B码推广到mBnB码,即将m个二元码按一定规则变换为n个二元码,且m<n。理论推导得出,码序列中相邻两个电平转换之间的最大距离越大,低频下限频率就越低;码序列中相邻两个电平转换之间的最小距离越小,高频上限频率就越高。

     另一种波形编码技术是把信源编码输出的信号通过一个滤波器,从而使信号频谱发生改变,该滤波器称为成形滤波器。成形滤波器改变信号的频率特性,使之适合在信道中传输,保证传输信息的有效性和可靠性,并且可以减少码间干扰。目前,常使用的成形滤波器有升余弦滤波器、平方根升余弦滤波器等。平方根升余弦滤波器旁瓣衰减比升余弦滤波器旁瓣衰减快,而且用经过平方根滤波器处理过的码元在传送过程中出现的码间干扰问题也比升余弦滤波器小。

    (二) 差错控制技术

     数字信号在传输过程中会受到各种干扰,使得信号码元波形被破坏,在接收端可能发生错误判决。因此,在设计数字通信系统时,除了选择适当的波形编码、合适的调制方式、加大发射功率等方法外,若接收端的误码率还不能满足要求,就必需采用差错控制。

     差错控制编码是提高数字传输可靠性的一种技术,其基本原理是通过对信息序列做某种变换,使原来彼此独立、相关性很小的信息码元产生某种相关性。在接收端利用这种规律来检查或纠正信息码元在信道传输中所造成的差错。

     差错控制方式基本上分为两类,前向纠错(FEC)和自动请求重发ARQ。前者在发射端发送纠错码,在接收端能检出并纠正全部或部分的错误。它不需要反馈信道,译码实时性较好,但译码设备较复杂;后者在发射端发送检错码,接收端若检出错误,通过反馈信道告诉发送端,发送端根据指令重发出错的部分,直到正确接收为止。这种方式需要反馈信道,实时性较差,但译码设备简单。前向纠错特别适合于移动通信,卫星通信等一些长距离的通信中,下面介绍几种前向纠错的纠错编码。

     1 .分组码。

     分组码把信源输出的信息序列按k个相继码元分为一组,并利用生成矩阵生成r=n–k个校验码元,组成长度为n的码字。可见,在二进制情况下,k个码元可组成2k个信息码,通过编码后,就有2k个码字,这些码字的集合称为(n,k)分组码。在多进制的情况下,这构成了多进制的分组码,如里德-索罗(RS)码就是一种多进制的分组码。

     由分组码的定义可以看出,校验码与信息元之间是通过一定的关系生成的,这种关系可由生成矩阵来表示。也就是说,生成矩阵不同,信息码生成的校验码也不同,相应的码字也不同,从而构成不同的分组码。生成矩阵的选取对分组码的编码效率、检错和纠错性能非常重要。编码效率说明在一个码字中,信息位所占的比重。编码效率越高,码的传输信息有效性越高,信道的利用率越高;除了编码效率外,分组码的另外两个参数是码的汉明距离和汉明重量。在线性分组码中,任两个码字之间都有一定的距离,但其中存在一个最小的距离,称为分组码的最小距离dmin,它表明了该码中每两个码字之间的差别程度。显然dmin越大,则从一个码字错为另一个码字的可能性就越小,因而其检错、纠错能力越强。

     在接收端,利用接收的码流和分组码的校验矩阵,可以计算出该接收码流的错误图样S,根据该错误图样是否为0,可判断出接收码流是否错误。当发生错误的个数在可纠正和可检错的范围内时,错误图样指出了接收信号码字的错误个数和错误位置,因此,利用错误图样可以进行纠错或检错。

     校验矩阵与生成矩阵有一一对应的关系。也就是说,如果找到了码的生成矩阵,则编码的方法就完全确定。或者说,只要校正矩阵给定,编码时的校验位和信息位的关系就完全确定。

     线性分组码可由很多种类型,如汉明码、循环码等。汉明码是一种可纠正单个随机差错的线性分组码,它的主要优点是编码效率较高。当码长n大时,其编码效率接近于一;循环码具有循环特性,循环码中任一码组循环移一位以后,仍为该码中的一个码组。循环码的编码和译码设备都不太复杂,检纠错能力较强,所以这种码在实践上得到广泛的应用和发展。在多进制码字中,也有具有循环特性的RS码,在数字卫星电视传输系统中有着广泛的应用,在下面的章节中将较详细的介绍这种码。

     2 .卷积码

     前面介绍的分组码,无论编码还是译码,前后各组是无关的。编码时,一个码组的校验位只决定于本组的信息位。译码时,也只要从长为n的一个接收码组中还原出本组的信息位即可。分组码要增加纠错能力,就要增加校验位,从而使编、译码设备复杂,特别是增加译码的困难。

     为了克服分组码中存在的编码效率与纠错能力之间的矛盾,1955年科学家伊莱亚斯提出了卷积码。在卷积码中,一个组的校验码元不仅取决于本组的信息元,而且也取决于前m组的信息元。通过这种规则构成的码就是(n,k,m)卷积码。此时,m称为编码记忆,表示输入的信息组在编码器中所需的存储单元数,m+1称为编码约束度,说明编码过程中互相有约束关系的码段个数,(m+1)n称为编码约束长度,说明编码过程中互相约束的码元个数。

     与分组码相同的是,卷积码也可以用生成矩阵来表示信息元与校验码之间的生成关系,所不同的是,分组码的生成矩阵是一个有限个数的矩阵,而卷积码的生成矩阵是一个半无限矩阵。但由于在这个半无限的生成矩阵中,到一定列后,其数值和前面各列分别相同,因此,可以只研究前几列所组成的矩阵就可以了,这个矩阵称为截短生成矩阵。

     在卷积码的译码过程中,不仅要根据当前时刻输入到译码器的码组,而且还要根据以后的一段时间,如L+m段(L≥1)内所有接收的码组,才能译出一个码组的信息元。此时,L+m即称为译码约束度,(L+m)n则称为译码约束长度。

     卷积码的译码可分为代数译码和概率译码两大类。前者最主要的方法是大数逻辑译码,在卷积码的发展早期普遍采用代数译码。到现在,概率译码已越来越被重视,概率译码中普遍采用的是维特比译码。在编码的过程中,可以用树码的树图来形象地表示卷积码的编码过程,具体说是,编码器的编码过程可以看成是根据输入信息元通过码树的某一条路径而生成带有校验元的码字,这种编码过程和原理,提供了维特比译码的算法原理。在接收端译码时,可以看成是译码器根据接收到的序列,信道统计特性和编码规则,力图寻找原来编码时所通过的那条路径。只要找到了这条路径,就完成了译码,并纠正了传输中的错误。在概率译码中,我们往往是通过计算各条路径所对应的序列和接收序列的偏差,做出最大似然估计来寻找这条路径的。但码树的路径随着输入信息元的增加而按指数规律增加,因此,按码树的路径来计算,其计算量随译码的约束长度的增加增加很快,实现起来很困难,维特比译码利用了码树的重复特性使得计算量大大减少。

     由于卷积码充分利用了各组之间的相关性,n和K可以用比较小的数,因此,在与分组码有着同样的编码效率和设备复杂性的条件下,卷积码的性能比分组码好。但对卷积码的分析,至今还缺乏分组码那样有效的数学分析工具,一些分析和译码的工作往往还需借助计算机。

2.6.2 DVB-S信道编码技术

     DVB系统传输的是通用的MPEG-2视音频码流。为了获得可靠的传输效果,DVB-S系统还规定了一个严谨、完善的信道编码方案,使其适应通道传输特性并保证数据在卫星信道上传输的可靠性。DVB-S系统具有广泛的适应性,卫星转发器带宽可以从26MHz到72MHz,转发器功率可以从49dBW到61dBW 。信道编码系统的结构如图2-45所示。

 
图 2-45 DVB-S信道编码系统的组成框图

     从MPEG-2传送复用器来的输入TS流为固定数据包格式,包长为188字节,包括1同步字节和187个数据字节。该据码流先经过能量扩散,以改善数据的统计特性。接着进行R-S编码,它属于信道编码系统中的外编码。R-S编码后是卷积交织,它主要用来分散由于某些突发错误引起的一连串长的错误。卷积交织之后是卷积编码,它属于信道编码系统的内编码。卷积编码后,让码流通过平方根升余弦滤波器(基带成形电路)滤波,改善数据流的频谱特性,以适应信道的传输特性。最后再进行QPSK数字调制。

    (一)能量扩散

     在信源编码过程中,由于图像信号的随机性,产生的数据流中有可能出现连“0”或连“1”的码段太多,造成码流的统计特性不佳,不利于接收端时钟的恢复。因此,在实际应用中,采用伪随机序列对码流进行打乱,使输出序列中的“0”、“1”个数基本相同,这已过程也称为能量扩散(或称为扰码)。

     伪随机序列是一种有规律的周期性二进制序列。其统计特性具有很好的随机特性。例如,它在一个周期内共有个个码元,其中有个“1”和 -1个“0”;每个周期有2n-1个游程,且长度为i的游程出现的次数比长度为i+1的游程出现的次数多一倍,等等。

     在所有的伪随机序列中,m序列是最重要、最基本的一种。m序列的发生器可以由移位寄存器、反馈抽头和模2加法器组成。

     当把m序列与串行的数据序列进行模2加时,输出序列将保留m序列的大部分统计特性。例如,连“0”数据与m序列相加后,输出就是m序列,连“1”数据与m序列相加后就是m序列的反,而只有当数据流与m序列相同或相反时,才会变成连“0”或“1”,这种情况出现的概率为1/,其中,n为数据流的长度。故当n的数值很大时,这概率很小。综上所述,经过扰码后的数据“0”和“1”的数目基本相同,改善了信号的统计特性、去除了直流分量,并具有一定的保密性。

     在接收端,只要把加扰后的码流与相同的m序列再相加一次,即可恢复原数据,因为任何一个序列相加两次其值为零。图2-46就是DVB-S系统的加扰/去扰电路原理框图。图中,伪随机序列的生成多项式为。从MPEG-2传送复用器送来的TS流是固定数据包格式,包长188字节,包括1同步字节,其值为47H。在加扰的过程中,每送入8个MPEG-2数据包就使电路中的15个移位寄存器初始化一次,即向移位寄存器置入“100101010000000”。为了向接收端去扰电路提供同步信号,每8个MPEG-2数据包的第一个数据包的同步字节从47H翻转到B8H,其它7个数据包的同步字节不翻转,但同步字节并不加扰(输出“使能”端关断)。因此,由以上的分析可以看出,伪随机序列的第一个比特应加到翻转同步字节(B8H)之后的第一个比特,而且加扰的顺序则由字节的MSB开始,整个序列的长度为8*188-1=1503字节, 如图2-47所示。


图 2-46 DVB-S系统的加扰/去扰电路

     如果无数据输入或输入不符合MPEG-2传送比特流格式,扰码电路也会持续起作用,以避免调制器空载。


   (二) R-S编码
     R-S码是一种循环码,它属于线性分组码。为了更好的理解R-S码的检纠错原理,我们先用一个简单的循环码为例进行说明。该循环码的生成电路图2-48所示。

     该循环码的生成电路可以用多项式 f(x)= +x +1 来表示(设该电路的原始状态为010)。我们可以用Galois域中的运算关系进行分析。在伽罗华域中,每个元素a与移位寄存器的状态一一对应,并且都应满足上述的多项式关系,即f(a)= +a +1=0。根据这一关系,我们可以看到,a的幂次方能产生Galois域中的所有元素,如a=010,=100,当a的幂次方超过2,就应根据以上的约束多项式来求解:


     由此可见,从a到所对应的值就是原始状态为010的电路中,移位寄存器在每个时钟作用下的移位寄存器的状态。在循环码中,检查是否有错码的方法是,用输入码字除以多项式,从检查余数是否为零来判断传输中是否出错。

     以上例子是对单个比特的处理,实际上还可以以符号为单位来处理,通常选用8比特构成的符号。DVB-S系统采用的R-S码就是以符号作为处理的单位,也就是说,分组是以符号为单位的,而不是以比特为单位的。在R-S编码中,每个符号要先乘以某个基本元素的幂次方后才进行模2加,这里的乘法也是指Galois域中的乘法,它要受到某个约束多项式的约束(该多项式就是域多项式)。图2-49是R-S码编码器的原理框图。


图 2-49 R-S码编码器的原理框图

     如果每个符号有3比特,如基本元素a为010,输入为5个符号,与图中相应的元素相乘后进行模2加输出。由于图中有两种系数,所以得到2个校验码。例如,若输入为A、B、C、D、E,则两个校验位P、Q分别为


     此外,还有一个截短码的概念,它是为了适应不同的码组长度而设计的。DVB-S采用R-S(208 ,188,10)编码,即分组码符号长度为208个字节,信息符号长度为188个字节,可纠10个符号的错。该码就是由R-S(255,235,10)码的截短而得到的。实际上,可以把它看成235个符号中,除了188个符号外,其它的47个字符都用零来填充。因此,可用R-S(255,235,10)的编码电路来完成编码,编码完成后,再把零字节去除就可以得到R-S(208,188,10)截短码了。

     外编码使用截短的R-S码对扰码后的每个数据包进行编码,包括翻转和未翻转的同步字节,其生成多项式和域多项式分别为:


   (三)卷积交织
     数据在传输的过程中,信道不但存在随机干扰,还存在着突发性干扰(如雷电、电焊等一些冲击性的脉冲信号)。这些干扰的特点是其分布有很强的相关性,容易会造成成片的数据错误。这些误码的个数有可能超出纠错码的检纠错范围,从而造成严重的误码。

     如果在信号纠错编码后,再把码流按一定的规则进行打乱,即把后面的数据先移到前面来处理(即所谓的交织),然后再传送。这样在传输过程中,虽然可能受到突发噪声的干扰,但在接收端信道解码之前,先进行数据流顺序的恢复(即去交织),这样就可以把原来成串的误码分散,从而为把突发性错误转化为随机性错误,使得分散后的误码个数落在纠错解码的纠错范围之内,从而可以把传输过程中产生的码纠正过来。


图 2-51 交织/去交织器原理框图

     DVB-S中的交织和去交织采用了Forney方案。它使用FIFO(先入先出)的移位寄存器配合一定规律的时钟来实现,如图2-51所示。在这种方案中,交织器由I个分支组成,每个分支上都有一个M×j单元的FIFO移位寄存器,每个单元为1字节。这里M=N/I,j=0~I-1。其中,I为交织深度,N指的是交织和去交织的操作是以N个字节为一组进行的。交织器中,各分支由输入开关轮流接到输入比特流,并由输出开关轮流接到输出比特流,输入和输出开关是同步的。图中,I=12,N=204。

     在DVB-S系统中,采用I=12的交织深度,交织的操作是以每个R-S分组码为单位(N=204)。因此,交织操作是以翻转或不翻转的同步字节为界的。为了能更好的同步,翻转或不翻转的同步字节总是接到第“0”分支。去交织器与交织器类似,但分支序列排列相反,即分支“0”相应于最大延迟,去交织的同步可以由分支“0”识别出同步字节来完成。交织后的数据包结构如图2-52所示。


图 2-52 交织后的数据包结构

    (四)卷积编码

     DVB-S系统采用卷积码作为内编码。为了适应不同的应用场合和相应的误码纠正能力,这一系统允许使用不同比率的收缩卷积码,但都是基于1/2的卷积码,其约束长度为7,两个通道的生成多项式为G1(x)=171oct,G2(x)=133oct,如图2-53所示。


     从图2-54可以看到,串行比特流都是先按1/2卷积编码成X、Y(即每输入一个比特输出两个比特),然后经去除不传送的比特(该过程即为收缩),各种比率的卷积码在收缩过程中传输和不传输的比率如表2-4所示。

表 2-4 收缩码的定义


    在卷积解码过程中,首先要先根据以上的收缩规则在相应的位置上插入0,得到基于1/2的卷积码,再采用软判决的维特比译码。具体解码过程将在节第七章中介绍。
  2.6.3 数字调制方式

    (一)基带成形

     经过卷积编码后输出的I、Q两路数据信号,在送去进行数字调制之前,还要先经过一个滤波器进行滤波,以便获得具有特定频谱特性的基带信号,这一过程称为基带形成。其主要目的是为了减少数字信号在传输过程中带来的码间干扰。在DVB-S系统中,所采用的基带滤波器具有升余弦平方根滤波特性,滚降系数为0.35或0.5,其传输函数为:

   (二) QPSK 数字调制
     调制的作用是将基带信号转变为适合卫星信道传输的信号形式。由于卫星上的能源有限,为了提高能源的利用率,卫星转发器的功率放大器通常工作于非线性状态以提高效率。因此,卫星信道通常是非线性信道。这就要求卫星电视应采用恒定包络的数字调制方式。

     四相移相键控(QPSK)是目前微波或卫星数字通信中最常用的一种数字调制方式,它既是一种恒定包络的数字调制方式,而且占用较少射频带宽、频带利用率高、抗干扰能力强。其原理框图如图2-55所示。

     QPSK调制有4种不同的输出相位,对应于相继两种码元的4个组合(00,01,10,11)。可见,每输入两个比特后,输出相位才产生一次变化。可见,在相同带宽下,传输码率可提高一倍。图2-56为QPSK调制的星座图。

图 2-56 QPSK调制的星座图

     DVB-S系统直接将卷积编码输出的I、Q两路信号作为双比特信号,进行QPSK数字调制,故为绝对比特映射而非差分编码。用绝对比特映射的抗干扰能力比差分编码映射的强,而且接收设备相对简单。虽然在接收端,它可能带来四相的载波相位模糊,但在接收端的QPSK解调和的信道解码过程中可以加以解决。  

在实际系统中,考虑到在微波频段进行数字调制的实现难度较大,数字调制一般选择在中频频率上进行。因此,调制输出的中频信号,还需通过上变频器把调制好的中频信号再变频到微波频段(如6GHz或14GHz)上,然后发往卫星。

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