【DVB】DVB-S2和DVB-S的区别

 

DVB-S.2作为新一代数字卫星广播标准即将出台，草案已正式发布，新标准在提升原有信道传输容量的同时，还将大大拓展业务范围，得到了广电、电信、计算机等领域的广泛关注。在与以往标准相比较的基础上，本文阐述了新标准技术上的主要优势，并简要介绍了标准的研发背景、目前的进展及未来应用前景。 关键词：DVB-S.2，信道编码，纠错，调制，交互式应用 一 数字卫星广播标准的发展沿革与DVB-S.2 数字卫星广播标准发展始于1990年代初，应用较多的制式主要有两种，即欧洲的DVB-S标准和美国GI公司开发的Digicipher标准，两种方式互不兼容，其差别主要在于数字信号的传输方式即信道编码，而信源编码部分都采用了MPEG-2。 从欧洲电信标准协会（ETSI）的ETS 300 421算起，DVB-S作为当今广播电视领域的主流卫星传输标准，问世已逾十年，在世界范围内得到广泛应用。国内各上星频道普遍采用了DVB-S技术。十年的使用期同时意味着DVB-S的核心技术与当今相关领域的前沿技术水平渐行渐远，因此，基于当前硬件支持能力和编码算法的最新成果，开发更适应当前乃至未来中长期业务发展需求的技术标准就成为当务之急，DVB-S.2也因此呼之欲出。 DVB-S.2由JTC（联合技术委员会）制定，JTC最初于1990年由EBU（欧广联）、ETSI联合组建，负责制定广播电视及相关领域的技术标准，1995年该组织吸纳CENELEC（欧洲电工标准化委员会）加入，后者负责广播电视接收机方面的标准化工作。DVB-S.2的制定采用ETSI的“两步式” 程序，2004年6月，公开发布DVB-S.2草案（即Draft ETSI EN 302 307 V1.1.1），目前进入公开的意见征询阶段（2004.6.2～2004.10.1）。DVB-S2设计的指导思想是在合理的复杂程度下达到最优的传输性能及可扩展性。 二 DVB-S.2的系统流程 DVB-S.2系统 由于其良好的扩展性，因而每一部分都包括较多的选件、适配等单元，复杂程度远胜DVB-S。 模式适配（Mode Adaption）是输入数据流的接口，用来适配DVB-S.2种类繁多的输入流格式。对于固定编码调制（CCM）模式来说，模式适配部分包括对DVB-ASI流（或DVB并行传输流）的透明解包和8位循环冗余校验。 流适配完成基带成帧、加扰两个功能。为配合后续纠错编码，基带成帧需要将输入数据按固定长度打包（不同的纠错编码方案有不同的“固定长度”），不足处则填充无用字节补足。 前向纠错采用LDPC（内码）与BCH（外码）级联的形式。 映射部分按后续采用的具体的调制方式（QPSK、8PSK、16APSK、32APSK），将输入的经过前向纠错的串行码流转换成满足特定星座图样式的并行码流。物理层成帧部分通过加扰实现能量扩散，以及空帧插入等。 调制部分完成基带成形和调制。 三 DVB-S.2的主要改进方面 1. 多业务支持 广电数字化带来了节目与数据业务在传输流程上的统一，新的数字卫星广播标准也就不再局限于广电领域，而是面向更广阔的业务领域。准确地说，DVB- S.2是服务于宽带卫星应用的新一代DVB系统，服务范围包括广播业务（BS）、数字新闻采集（DSNG）、数据分配/中继，以及Internet接入等交互式业务。与DVB-S相比，在相同的传输条件下，DVB-S.2提高传输容量约30%以上，同样的频谱效率下可得到更强的接收效果。 在广播业务（BS）方面，DVB-S.2提供DTH（直播卫星）服务，也考虑到了地面共用天线系统和有线电视系统的需求。从与以往的兼容角度考虑，有两种模式供选用，即NBC-BS（不支持后向兼容）和BC-BS（支持后向兼容）。由于目前有大量DVB-S接收机投入使用，后向兼容模式将满足今后一定时期的兼容使用需求，在这种模式下，旧的DVB-S接收机可以继续接收原来的节目，新的接收机则可以接收到比前者更多的信息。当将来DVB-S接收机逐步淘汰后，采用兼容模式的信号发端将改成非兼容模式，从而真正意义上充分利用DVB-S.2的信道传输优势。 除广播业务外，DVB-S.2还支持交互式服务（包括Internet接入）、数字新闻采集及数据分配/中继等其它专业服务。在交互式服务中，回传通道使用不同的DVB反向方式，如DVB-RCS、DVB-RCP、DVB-RCC。 2. 新的信道编码方案 DVB-S.2最引人注目的革新在于信道编码方式，包括纠错编码和调制。纠错编码和调制是在实际的信道情况下，寻找最佳途径传输信息。香农的编码理论给出了最佳编码方案可以达到的信道容量，却没有给出具体的编码方案，以及没有描述实现起来的复杂程度，因此，编码和调制的研究集中于在最充分的利用传输资源（即带宽、功率、复杂度）的条件下，选择传输和接收方案，以逼近香农给出的极限。DVB-S.2纠错编码使用LDPC（Low Density Parity Check code低密度奇偶校验码）与BCH码级联，调制则以多种高阶调制方式取代QPSK。 DVB-S.2在设计中充分考虑了业务多样性需求，具有很好的适应性。如DVB-S.2支持1/4, 1/3, 2/5, 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6, 8/9, 9/10等多种内码码型；频谱成形中的升余弦滚降系数α可在0.35、0.25、0.2三种中选择，而不是DVB-S固定的0.35，自然α越小，频谱利用率越高。 新的编码调制方案8PSK&LDPC已经十分接近香农极限，在距离理论上的香农极限0.7～1dB的情况下可得到QEF（准无误码）的接收（DVB-S.2的QEF标准为：在解码器接收5Mbps的单路电视节目时，每传输1小时产生少于一次无法校正的错误，近似相当于解复用前TS流PER<10-7），比DVB-S标准提高了3dB，以致于DVB官员认为这已是卫星广播信道的终极标准，不需要再开发DVB-S.3了。 （1） LDPC-BCH DVB-S.2纠错编码由包括休斯、菲力浦、意法半导体等七家公司参与角逐，形成四个候选方案，即Parallel Turbo codes、Serial Turbo codes、Turbo Product codes和LDPC，最初的焦点集中于20世纪90年代中后期大显身手的Turbo码，不少公司已经先期投资开发基于Turbo编码的芯片，然而LDPC码最终胜出。LDPC码的发展颇具几分传奇色彩，麻省理工学院的Gallager 1962年在其博士论文中首次提出LDPC，但由于当时VLSI（超大规模集成电路技术）尚未成熟，难以逾越的复杂程度将其束之高阁，逐渐被人淡忘，九十年代末，受Turbo码成功的启示，LDPC技术的的价值被重新挖掘，成为当前编码领域的热点之一。 LDPC码是一种有稀疏校验矩阵（校验矩阵中1的个数较少）的线性分组码，具有能够逼近香农极限的优良特性，并且由于采用稀疏校验矩阵，译码复杂度只与码长成线性关系，编解码复杂度适中，在长码长的情况下，仍然可以有效译码。目前该技术已得到国际上的广泛重视，今后将在通信中得到广泛应用，尤其是在质量较差的信道环境如移动通信、卫星通信等领域，此前已有在第四代移动通信系统中使用LDPC码的研究报告。 （2） 调制 DVB-S.2另一个比较大的革新是其调制方式，与DVB-S采用单一的QPSK调制方式相比，DVB-S.2有更多的选择，即QPSK、8PSK、16APSK、32APSK。对于广播业务来说，QPSK和8PSK均为标准配置，而16APSK、32APSK是可选配置；对于交互式业务、数字新闻采集及其它专业服务，四者则均为标准配置。 APSK是另一种幅度相位调制方式，与传统方型星座QAM（如16QAM、64QAM）相比，其分布呈中心向外沿半径发散，所以又名星型QAM。与QAM相比，APSK便于实现变速率调制，因而很适合目前根据信道及业务需要分级传输的情况。当然，16APSK、32APSK是更高阶的调制方式，可以获得更高的频谱利用率。16APSK的星座示意见图2。 在卫星信道中使用高阶调制方式，显然也意味着在抗噪声接收方面的技术进步。DVB-S.2特别组的研究表明，采用LDPC与8PSK的编码-调制组合，可以获得更好的传输性能，此前8PSK与原纠错编码方式的组合在误码率指标测试方面不太理想。 休斯公司提供的资料表明，LDPC&8PSK的编码组合距离香农极限仅0.6～0.8dB，远优于现有RS&卷积码的4dB，也比其余基于Turbo码的候选方案强0.3dB。 3. 可变编码调制（Variable Coding and Modulation，VCM）与适应编码调制（Adaptive Coding and Modulation，ACM） VCM、ACM的使用是DVB-S.2的另一个显著的改进。在交互式的点对点应用如IP unicasting、Internet接入等中，可变编码调制（VCM）功能允许使用不同的调制和纠错方法，并且可以逐帧改变。采用VCM技术，不同的业务类型（如SDTV、HDTV、音频、多媒体等）可以选择不同的错误保护级别分级传输，因而传输效率得以大大提高。 VCM结合使用回传信道，还可以实现适应编码调制（Adaptive Coding Modulation，ACM），可以针对每一个用户的路径条件使传输参数得到优化。 ACM可根据具体的传播条件，针对具体的接收终端，提供更精准的信道保护和动态连接适应性。ACM的突出优点是可以有效利用所谓“clear sky margin”带来的4～8dB的能量浪费。原有卫星应用中，为满足QEF的传输效果，必须有一定的功率冗余，通常冗余是以覆盖区域内产生的最大雨衰为标准计算，显然这部分冗余对于绝大部分地区是不必要的，即便是雨衰最严重的地区，天气较好时也承受着不必要的能量浪费。而在IP unicasting业务中，采用ACM可随时根据接收地点的情况变化调整传输参数，因而对于功率冗余的计算可以重新精细调整，因此可以使卫星的平均吞吐量增加两倍到三倍，减少服务成本。 4. DVB-S2后向兼容性 DVB-S2的所有改进是通过与DVB-S不兼容的技术方式实现的，但考虑到业内有大量的DVB-S接收机尚在使用，它也通过可选配置的模式提供后向兼容，采用后向兼容模式，原DVB-S接收机可以接收部分DVB-S2的信号。 后向兼容模式的实质是在一个卫星信道上传输两个TS流，分别为HP（High Priority）TS流和LP（Low Priority）TS流，二者各自采用不同的纠错编码方式，然后通过特殊的映射方式在星座图中定位bit，在接收端可通过现有解调设备将二者分离。HP流可兼容DVB-S接收机，即使用DVB-S接收机可以解出DVB-S2中的HP TS流信号，而LP流只能用DVB-S2接收机接收。 后向兼容模式的信道编码过程如图3所示，其实现兼容的核心是采用了非均匀分布的8PSK星座映射结构（如图4），图4中8PSK的星座点并非如常在圆周上等距分布，而是分别在QPSK的四个星座点周围偏移θ角散开。合理选择θ值是兼容是否可行的关键，θ值越小，QPSK解调器输出越大，DVB-S接收机接收效果越好，但此时DVB-S.2接收机的抗噪声性能下降，影响正常接收，因而θ取值需要权衡两种不同情况后折中考虑。 5. 多信源格式支持 DVB-S和DVB-DSNG对信源的格式有严格的规定，即MPEG TS流，而DVB-S.2则灵活得多，实现了对多种数据输入格式的支持，扩展性大为增强。 DVB-S.2支持包括MPEG-2、MPEG-4、MPEG-4AVC（H.264）、WM9在内的多格式信源编码格式及IP、ATM在内的多种输入流格式。作为当前信道编码和信源编码的最新成果，DVB-S.2和MPEG-4AVC（H.264）的结合颇受业界瞩目，可谓强强联手，将会有更出色的表现。 DVB宣称将在其10周年也就是2004年推出DVB-S.2，但参考近年来H.264标准的制定，任何一种新标准的出台都是复杂的搏弈过程，夹杂着技术的取舍和利益的平衡，所以何时能正式面世恐怕还未可知。由于当前DVB-S在全世界范围内的广泛应用，DVB官方认为短期内DVB-S.2不会取代DVB-S，初始的应用主要面向一些新的业务如HDTV、基于IP的服务等。今后通过卫星实现高速Internet连接，结合DVB-S.2 ACM技术、多点Ka波段卫星和DVB-RCS回传连接，当前卫星容量的价格将降低十倍，在国外这也将启动新一轮卫星接入与地面接入方式（如ADSL和光纤）的竞争。 厂商和运营商对DVB-S.2多持积极态度，无论是芯片厂商还是整机厂商，新技术的应用都意味着重启一个巨大的市场，而运营商则籍此可以降低运营成本，拓展业务空间。 2004年5月，意法半导体（ST）宣布该公司已完成符合DVB- S.2的解调器的设计，卓联半导体公司（Zarlink Semiconductor）二季度推出业界第一款符合DVB- S.2标准的单片调谐器ZL10038，Scopus公司和英国Akelia Wireless也正在合作开发遵循DVB-S.2标准的接收机。有报道称DirecTV公司决定全面采用DVB-S.2技术，用DVB- S.2机顶盒无偿替代现正使用的2300万个机顶盒，费用高达40亿美元之巨。 关于第二代卫星数字广播标准DVB-S2的应用 亚洲卫星公司现有三颗在轨运行的卫星，分别是亚洲二号卫星、亚洲3S卫星和亚洲四号卫星，所有转发器上均装有线性器或自动电平控制装置，是目前中国和亚太地区上空功率最高的C和Ku波段转发器资源之一。 DVB-S2，以其更高的频带利用率、更先进的编码方式和接近香农极限的系统性能引起了广泛的关注。需要指出的是，DVB-S2的高效传输方式，对卫星转发器的可用功率和线性化水平也提出了更高的要求。而亚洲卫星的大功率和线性特性好等优势，更能适应DVB-S2标准对传输信道的要求，尤其是其中的高位调制方案在卫星信道上的应用。 DVB-S2特点概述 与DVB-S相比，DVB-S2可提供除QPSK外的多种具有更高频带利用率的调制方式，如8PSK、16APSK、32APSK。与DVB-DSNG的16QAM相比，DVB-S2的16APSK和32APSK调制技术，减少了幅度变化，更能适应线性特性相对不好的卫星传输信道，使高位调制方式通过卫星信道传输成为可能。 与DVB-S和DVB-DSNG相比，DVB-S2采用的是功能更强大的前向纠错系统，即BCH和LDPC（低密度校验码）码级联的信道编码方式，有效地降低了系统解调门限，距离理论的香农极限只有0.7～1dB的差距。 DVB-S2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-S固定的0.35，自然α越小，可以获得下降更陡峭的载波波形，频谱利用率越高。 在DVB-S2的单向广播应用中，DVB-S2标准允许发射站根据接收站的不同条件，对发送给不同接收站的数据帧的传输参数进行优化，在传输过程中采用可变的编码和调制方式（VCM），不必为最坏情况的传输预留额外的余量。DVB-S2的交互式应用中，可变编码和调制（VCM）功能与回传信道的运用相结合，形成一种新的应用模式，即自适应的编码和调制（ACM）。 DVB-S2系统在亚洲四号卫星Ku波段的应用探讨 下面以亚洲四号卫星Ku波段中国波束转发器为例，说明采用DVB-S2系统与DVB-S相比，可以提高信道的传输效率，增加每个转发器上所能容纳的频道数。 假设在亚洲四号卫星Ku波段转发器上开展以MCPC方式传输的数字电视广播业务，分别采用DVB-S和DVB-S2标准进行传输。在相同的链路传输条件下，（即达到相同C/N时），采用DVB-S2的传输体制时可以采用更高阶的调制解调方式和冗余度更小的前向纠错方式。 目前DVB-S卫星数据广播业务使用最广泛的是（QPSK，3/4FEC）的技术体制，而DVB-S2系统采用（8PSK，2/3FEC）的技术体制，就可以达到与之相当的接收效果。由此计算出在两种传输标准下，一个推满整个转发器的MCPC载波所能携带的信息传输速率分别为55.3Mbps和86.4Mbps，因此，采用DVB-S2的标准比DVB-S传输的信息率提高55.2%，同样，如果DVB-S采用（QPSK，7/8FEC）的技术体制，DVB-S2系统采用（8PSK，3/4FEC）可以达到与之相当的接收效果，一个推满整转发器的MCPC载波能携带的有用信息分别为64.5和97.2Mbps，DVB-S2系统比DVB-S系统的转发器容量可提高50.7%。 表中列出了两种不同的卫星数字广播传输体制下，对应两种不同的接收门限时的结果比较，以及在一个36MHz转发器上，使用不同标准能同时传输的SDTV和HDTV的频道数。 对于面向小天线的单向广播应用，无论是当前的DVB-S系统，还是未来的DVB-S2系统，亚洲四号卫星Ku波段中国波束转发器完全可以支持中国用户使用35～40cm的接收天线高质量地接收广播电视、数字电影、高清晰度电视、高速数据广播等数字宽带多媒体业务。