DVB_S衛(wèi)星基本原理與組成

1、DVB-S衛(wèi)星基本原理及組成增加應(yīng)急通信的手段和能力，我局于1998年引進(jìn)NDS公司的兩 套數(shù)字電視編碼器(DVB-S標(biāo)準(zhǔn))，配合原有的C波段和KU波 段車(chē)載衛(wèi)星地球站，用于在應(yīng)急通信和重大國(guó)務(wù)活動(dòng)時(shí)數(shù)字電視 信號(hào)的衛(wèi)星傳輸，為我局贏得了巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。1 DVB-S數(shù)字衛(wèi)星電視系統(tǒng)概述目前世界上許多國(guó)家都在發(fā)展數(shù)字衛(wèi)星電視系統(tǒng)，原因在于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：首先，數(shù)字電視通過(guò)衛(wèi)星傳輸后，接收端的信號(hào) 質(zhì)量可與發(fā)送端的相比擬，這是因?yàn)樗捎昧藬?shù)字傳輸和誤碼保 護(hù)技術(shù)，而普通模擬電視信號(hào)采用的是模擬處理和傳輸方式，接收質(zhì)量容易受噪聲及干擾的影響；第二，數(shù)字衛(wèi)星電視系統(tǒng)由于采用數(shù)字壓縮技術(shù)及數(shù)字

2、調(diào)制技術(shù)，在只能傳1路模擬電視節(jié)的一個(gè)36MHz衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器上，可傳輸5-6路數(shù)字電視節(jié)日，從而 大大的節(jié)約了空間頻率資源；第三，采用大規(guī)模集成電路，使設(shè) 備功耗降低、體積減小、可靠性提高并易于與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)。介于 數(shù)字衛(wèi)星電視具有上述突出的優(yōu)點(diǎn)，再加上近年來(lái)高速信號(hào)處理技術(shù)和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字衛(wèi)星電視系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)。從1993年起，歐洲數(shù)字電視廣播集團(tuán)陸續(xù)制定了 一系列數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)，即 DVB ( Digital Video Broadcast ),其中 包括適用于衛(wèi)星鏈路的 DVB-S標(biāo)準(zhǔn)。歐洲的DVB-S標(biāo)準(zhǔn)在亞洲、 澳洲、美國(guó)都得到了響應(yīng)，我國(guó)在 1996年頒布廣播電視

3、數(shù)字傳 輸技術(shù)體制、決定采用符合 DVB-S標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字電視衛(wèi)星廣播系 統(tǒng)。2 DVB-S數(shù)字衛(wèi)星電視技術(shù)DVB-S標(biāo)準(zhǔn)提供了 -套完整的適用于衛(wèi)星傳輸?shù)臄?shù)字電視系統(tǒng) 規(guī)，選定ISO/IEC MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)作為音頻及視頻的編碼壓縮方式， 對(duì)信源編碼進(jìn)行了統(tǒng)一；隨后對(duì)MPEG-2碼流進(jìn)行打包形成傳輸流(TS),進(jìn)行多個(gè)傳輸流復(fù)用，然后進(jìn)行信道編碼和數(shù)字調(diào)制， 最后通過(guò)衛(wèi)星進(jìn)行傳輸。1) DVB音頻特點(diǎn)DVB-S系統(tǒng)的音頻編碼使用 MPEG-2 Layerll笫二層音頻編 碼，也稱(chēng)MUSICAM 。音頻的 MPEG-2 Layer II編碼壓縮系統(tǒng)利 用了聲音的低聲音頻譜掩蔽效應(yīng)， 這一人體生理學(xué)

4、效應(yīng)允許我們 對(duì)于人耳不太敏感的頻率進(jìn)行低碼率編碼，此技術(shù)的采用可以大降低音頻編碼速率。MPEG-2 Layer II音頻編碼可用于單音，立體聲，環(huán)繞聲和多路多語(yǔ)言聲音的編碼。2) DVB視頻特點(diǎn)DVB-S系統(tǒng)的視頻采用標(biāo)準(zhǔn)的MPEG-2壓縮編碼，MPEG-2視頻編碼系統(tǒng)由一個(gè)大家族構(gòu)成，每一個(gè)子系統(tǒng)之間都有兼容性和共同性，根據(jù)圖像清晰度的不同，它分成四種信源格式或稱(chēng)“等 級(jí)”(Level),從錄像帶(VCR)的低圖像清晰度，到高清晰度電視。 除了根據(jù)圖像清晰度定義的“等級(jí)”以外， DVB-S視頻標(biāo)準(zhǔn)還 定義了 “檔次” (Profile)的概念，每一個(gè)不同的“檔次” (Profile) 能夠

5、提供構(gòu)成編碼系統(tǒng)的壓縮工具和壓縮算法。a) “檔次” (Profile)目前在 MPEG-2系統(tǒng)中存在 5個(gè)“檔次”(Profile),每一個(gè)“檔次”(Pro萬(wàn)le)都會(huì)比它的前一個(gè)“檔次”更加復(fù)雜，更加完善，提供更多的工具，同時(shí)其相對(duì)應(yīng)的設(shè)備的價(jià)格也更高?！皺n次”的最初級(jí)叫做簡(jiǎn)單檔次(Simple Profile),隨后是主檔次(Main Profile),它比簡(jiǎn)單檔次(Simple Profile)增加了編碼雙向預(yù)測(cè)的功 能，即：B-FRAMES ,在使用同樣的碼流的情況下，它的質(zhì)量會(huì) 更好，但算法更加復(fù)雜，使用的芯片更多。主檔次 (Main Profile) 的解碼芯片，可以兼容解碼簡(jiǎn)單

6、檔次(Simple Profile)的編碼，這種 向下兼容性貫穿整個(gè)系列的“檔次”o在主檔次(Main Profile)之后,是信噪比可分級(jí)檔次(SNRScalable）及空間頻譜可分級(jí)檔次 （Spacility Scalable Profile）,這兩 種"檔次"可以調(diào)整信噪比與碼流率關(guān)系以及圖像清晰度與碼流 率之間的關(guān)系，出于其編碼的復(fù)雜性以及接收設(shè)備價(jià)格昂貴問(wèn) 題，DVB-S標(biāo)準(zhǔn)目前不支持這兩種“檔次” o最高級(jí)的“檔次” 是High Profile ,它不僅兼容前面的低極“檔次”，兼?zhèn)渌械墓?能，而且可以進(jìn)行多行同時(shí)編碼，而前面的“檔次”則是逐行編 碼。在“檔次”

7、中存在兩種圖像采樣方式，即：4:2:2和4:2:0格式。我們知道電視復(fù)合信號(hào)可以分成亮度信號(hào)分量（Y）和色度信號(hào)分量（R-Y,B-Y） , 4:2:2格式是對(duì)亮度信號(hào)進(jìn)行 4個(gè)采樣，對(duì) 色度信號(hào)（R-Y, B-Y）進(jìn)行2個(gè)采樣，見(jiàn)圖1; 4:2:0格式的色度 信號(hào)（R-Y,B-Y）只做隔行采樣，如果使用8比特采樣，我們可以算出對(duì)標(biāo)準(zhǔn)PAL制電視信號(hào)進(jìn)行采樣后的4:2:2格式圖像碼流率如下：亮度信流率為：720 X 576X 25 幀/秒 X 8bit=82.944Mb/s色度信流率為：2 X 1/2 X 720 X 576 X 25幀/秒X8bit=82.944Mb/s總碼流率為： 82.94

8、4Mb/s +82.944Mb/s =165.888Mb/s我們看到?jīng)]有壓縮的電視圖像碼流率非常高，占用帶寬太 寬，不適用于衛(wèi)星傳輸，即使采用4:2:0格式，圖像碼流率也高達(dá) 124.416Mb/so MPEG-2的壓縮算法采用除去電視視頻信號(hào)的時(shí) 間冗余和空間冗余的算法，使碼流率降到38Mb/s仍然獲得質(zhì)量清晰的圖象，使數(shù)字電視的傳輸成為可能。壓縮算法的核心主要包含有離散余弦變換、之型掃描與游程編碼、嫡編碼、信道緩 存、運(yùn)動(dòng)估計(jì)、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)纫恍╆P(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)b) “等級(jí)” (Level)根據(jù)圖像節(jié)目源的清晰度由低到高的不同，MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)分成許多“等級(jí)”，最低的Low Level的清晰度是I

9、U-R-BT.601 建議的四分之一， 即：352X288X25幀/秒； Main Level是完 全符合IU-R-BT.601建議的標(biāo)準(zhǔn)，即：720X576X25幀/秒； High-1440 Level采用了每行1440個(gè)采樣的方法；High Level采 用了更高的每行1920的采樣方法。目前在世界上最常用的 MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)是 MP ML ,即: Main Profile Main Level,它是第一代數(shù)字衛(wèi)星電視的基礎(chǔ)， 節(jié)目 提供者可以提供 625線質(zhì)量的節(jié)目，圖像的長(zhǎng)寬比可以是 4:3或 16:9;它的碼流率是由節(jié)目提供者根據(jù)節(jié)目質(zhì)量來(lái)選定的，圖像質(zhì)量越高，所需碼流率越高，反之則

10、越低。3) MPEG-2碼流復(fù)用及服務(wù)信息音頻、視頻及數(shù)字信號(hào)首先經(jīng)過(guò)MPEG-2編碼器進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，通過(guò)節(jié)目復(fù)用器形成基本碼流 (ES),基本碼流經(jīng)過(guò)打包后 形成有的基本碼流(PES)o代表不同音頻、視頻信號(hào)的 PES流被 送人傳輸復(fù)用器進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)用，復(fù)用后的碼流叫做傳輸流(TS),傳輸流中包括多個(gè)節(jié)目源的不同信號(hào)，為了區(qū)分這些信號(hào)，在系統(tǒng)復(fù)用器上需要加入服務(wù)信息(SI),使接收端可以識(shí)別不同的節(jié) 目。3 DVB-S數(shù)字衛(wèi)星電視系統(tǒng)基本組成發(fā)送端分為兩部分，一部分為信號(hào)形成即信源編碼和復(fù)用部 分(這里只介紹 SCPC);另一部分為信號(hào)傳輸即信道編碼與數(shù) 字調(diào)制部分。1)信源編碼和復(fù)用信源編碼

11、部分主要完成模 /數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)變換以及數(shù)字壓縮功能。模/數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)變換系統(tǒng)能處理多種不同格式、不同標(biāo)準(zhǔn)并將其變換為單一的、可以進(jìn)行壓縮處理的數(shù)字信號(hào)；壓縮編碼部分即是把該數(shù)字信號(hào)進(jìn)行壓縮， 降低其碼率，使常規(guī)的一條模擬傳 輸通道可傳輸多路數(shù)字電視信號(hào)且基本不降低信號(hào)質(zhì)量；節(jié)目復(fù)用是指視音頻相輔助數(shù)據(jù)經(jīng)節(jié)目復(fù)用器混合成一個(gè)數(shù)據(jù)流，即構(gòu)成節(jié)目數(shù)碼流，同時(shí)加入一些業(yè)務(wù)用的信息。2）信道編碼和數(shù)字調(diào)制由于衛(wèi)星信道號(hào)衰減很大， 信噪比較低，因此必須犧牲一定 的頻譜利用率以保證足夠的功率利用率， DVB-S系統(tǒng)就采取了 兩種措施：一是采用級(jí)聯(lián)的信道編碼方案； 二是采用QPSK調(diào)制。a）信道編碼數(shù)字信號(hào)在傳輸中最

12、重要的是防止誤碼， 因此傳輸中要在原 信源編碼序列中以某種方式加入某些作為誤差控制用的數(shù)碼（即糾錯(cuò)碼），以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)糾錯(cuò)，從而提高信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?。DVB-S 采用了前向糾錯(cuò)編碼（FEC）。級(jí)聯(lián)信道編碼由RS編碼（里德-索羅門(mén)編碼）和卷積碼組成。 其中RS碼也稱(chēng)為外碼，碼型為 RS （204, 188）,其特點(diǎn)為糾正 與本組（8比特為一組）有關(guān)的誤碼，對(duì)糾正突發(fā)性誤碼很有效。卷積編碼又為碼，碼型可于 1/2, 2/3, 3/4, 5/6和7/8中選擇， 選擇的標(biāo)準(zhǔn)是在頻譜利用率和抗誤碼性能間權(quán)衡， 卷積編碼除糾 正本組的誤碼以外，也糾正其他組的誤碼。在RS碼與卷積碼間為一交織器，采用卷積交織方案。交織 是為解決卷積編碼可能產(chǎn)生的連續(xù)誤碼，交織器可將連續(xù)誤碼分 散開(kāi)，使接收端能夠有效的糾錯(cuò)，使連續(xù)誤碼不會(huì)超出糾錯(cuò)能力。b）數(shù)字調(diào)制四相相移鍵控（QPSK）調(diào)制的傳輸效率高，抗誤碼性能較 優(yōu)，其調(diào)制信號(hào)是包絡(luò)恒定信號(hào)，傳輸信道中的幅度衰減對(duì)其性能無(wú)影響，非常適合衛(wèi)星信道（因衛(wèi)星傳輸信道衰減很大）但其 信道利用率不高，僅為 0.5Hz/bps。接收端如圖3示，天線接收 下來(lái)的衛(wèi)星信號(hào)（C頻段或Ku段）