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浅析DVB-S数字卫星电视系统

  1 DVB-S数字卫星电视系统概述
  目前世界上许多国家都在发展数字卫星电视系统,原因在于其独特的优点:首先,数字电视通过卫星传输后,接收端的信号质量可与发送端的相比拟,这是因为它采用了数字传输和误码保护技术,而普通模拟电视信号采用的是模拟处理和传输方式,接收质量容易受噪声及干扰的影响;第二,数字卫星电视系统由于采用数字压缩技术及数字调制技术,在只能传1路模拟电视节的一个36MHz卫星转发器上,可传输5—6路数字电视节日,从而大大的节约了空间频率资源;第三,采用大规模集成电路,使设备功耗降低、体积减小、可靠性提高并易于与计算机联网。介于数字卫星电视具有上述突出的优点,再加上近年来高速信号处理技术和超大规模集成电路技术的发展,为实现数字卫星电视系统提供了基础。从1993年起,欧洲数字电视广播集团陆续制定了一系列数字电视标准,即DVB(Digital Video Broadcast),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,我国在1996年颁布广播电视数字传输技术体制、决定采用符合DVB-S标准的数字电视卫星广播系统。

2 DVB-S数字卫星电视技术
DVB-S标准提供了-套完整的适用于卫星传输的数字电视系统规范,选定ISO/IEC MPEG-2标准作为音频及视频的编码压缩方式,对信源编码进行了统一;随后对 MPEG-2码流进行打包形成传输流(TS),进行多个传输流复用,然后进行信道编码和数字调制,最后通过卫星进行传输。

1) DVB音频特点
DVB-S系统的音频编码使用 MPEG-2 LayerII笫二层音频编码,也称MUSICAM。音频的 MPEG-2 Layer II编码压缩系统利用了声音的低声音频谱掩蔽效应,这一人体生理学效应允许我们对于人耳不太敏感的频率进行低码率编码,此技术的采用可以大大地降低音频编码速率。 MPEG-2 Layer II 音频编码可用于单音,立体声,环绕声和多路多语言声音的编码。

2) DVB视频特点
DVB-S系统的视频采用标准的 MPEG-2压缩编码,MPEG-2视频编码系统由一个大家族构成,每一个子系统之间都有兼容性和共同性,根据图像清晰度的不同,它分成四种信源格式或称“等级” (Level),从录像带(VCR)的低图像清晰度,到高清晰度电视。除了根据图像清晰度定义的“等级”以外, DVB-S视频标准还定义了“档次”(Profile)的概念,每一个不同的“档次”(Profile)能够提供构成编码系统的压缩工具和压缩算法。

a) “档次”(Profile)
目前在 MPEG-2系统中存在 5个“档次” (Profile),每一个“档次” (Profile)都会比它的前一个“档次”更加复杂,更加完善,提供更多的工具,同时其相对应的设备的价格也更高。“档次”的最初级叫做简单档次(Simple Profile),随后是主档次(Main Profile),它比简单档次(Simple Profile)增加了编码双向预测的功能,即:B-FRAMES,在使用同样的码流的情况下,它的质量会更好,但算法更加复杂,使用的芯片更多。主档次(Main Profile)的解码芯片,可以兼容解码简单档次(Simple Profile)的编码,这种向下兼容性贯穿整个系列的“档次”。

——在主档次(Main Profile)之后,是信噪比可分级档次(SNR Scalable)及空间频谱可分级档次(Spacility Scalable Profile),这两种"档次"可以调整信噪比与码流率关系以及图像清晰度与码流率之间的关系,出于其编码的复杂性以及接收设备价格昂贵问题, DVB-S标准目前不支持这两种“档次”。最高级的“档次”是 High Profile,它不仅兼容前面的低极“档次”,兼备所有的功能,而且可以进行多行同时编码,而前面的“档次”则是逐行编码。

——在“档次”中存在两种图像采样方式,即:4:2:2和4:2:0格式。我们知道电视复合信号可以分成亮度信号分量(Y)和色度信号分量(R-Y,B-Y),4:2:2格式是对亮度信号进行4个采样,对色度信号(R-Y,B-Y)进行 2个采样,见图1; 4:2:0格式的色度信号(R-Y,B-Y)只做隔行采样,如果使用8比特采样,我们可以算出对标准 PAL制电视信号进行采样后的 4:2:2格式图像码流率如下:

亮度信号码流率为: 720× 576× 25帧/秒× 8bit=82.944Mb/s
色度信号码流率为: 2×1/2× 720× 576× 25帧/秒×8bit=82.944Mb/s
总码流率为: 82.944Mb/s +82.944Mb/s =165.888Mb/s

我们看到没有压缩的电视图像码流率非常高,占用带宽太宽,不适用于卫星传输,即使采用 4:2:0格式,图像码流率也高达 124.416Mb/s。 MPEG-2的压缩算法采用除去电视视频信号的时间冗余和空间冗余的算法,使码流率降到 3~8Mb/s仍然获得质量清晰的图象,使数字电视的传输成为可能。压缩算法的核心主要包含有离散余弦变换、之型扫描与游程编码、熵编码、信道缓存、运动估计、运动补偿等一些关键技术环节

b) “等级”(Level)
根据图像节目源的清晰度由低到高的不同, MPEG-2标准分成许多“等级”,最低的 Low Level的清晰度是IU-R-BT.601建议的四分之一,即: 352×288×25帧/秒; Main Level是完全符合IU-R-BT.601建议的标准,即:720×576×25帧/秒;High-1440 Level采用了每行 1440个采样的方法;High Level采用了更高的每行1920的采样方法。
——目前在世界上最常用的 MPEG-2标准是 MP@ML,即: Main Profile@Main Level,它是第一代数字卫星电视的基础,节目提供者可以提供 625线质量的节目,图像的长宽比可以是4:3或 16:9; 它的码流率是由节目提供者根据节目质量来选定的,图像质量越高,所需码流率越高,反之则越低。

3) MPEG-2码流复用及服务信息
音频、视频及数字信号首先经过 MPEG-2编码器进行数据压缩,通过节目复用器形成基本码流(ES),基本码流经过打包后形成有包头的基本码流(PES)。代表不同音频、视频信号的 PES流被送人传输复用器进行系统复用,复用后的码流叫做传输流(TS),传输流中包括多个节目源的不同信号,为了区分这些信号,在系统复用器上需要加入服务信息(SI),使接收端可以识别不同的节目。

3 DVB-S数字卫星电视系统基本组成
发送端分为两部分,一部分为信号形成即信源编码和复用部分(这里只介绍SCPC);另一部分为信号传输即信道编码与数字调制部分。

1) 信源编码和复用
信源编码部分主要完成模/数和标准变换以及数字压缩功能。模/数和标准变换系统能处理多种不同格式、不同标准并将其变换为单一的、可以进行压缩处理的数字信号;压缩编码部分即是把该数字信号进行压缩,降低其码率,使常规的一条模拟传输通道可传输多路数字电视信号且基本不降低信号质量;节目复用是指视音频相辅助数据经节目复用器混合成一个数据流,即构成节目数码流,同时加入一些业务用的信息。

2) 信道编码和数字调制
由于卫星信道中信号衰减很大,信噪比较低,因此必须牺牲一定的频谱利用率以保证足够的功率利用率,DVB-S系统就采取了两种措施:一是采用级联的信道编码方案;二是采用QPSK调制。

a) 信道编码
数字信号在传输中最重要的是防止误码,因此传输中要在原信源编码序列中以某种方式加入某些作为误差控制用的数码(即纠错码),以实现自动纠错,从而提高信号传输的可靠性。DVB-S采用了前向纠错编码(FEC)。
级联信道编码由RS编码(里德-索罗门编码)和卷积码组成。其中RS码也称为外码,码型为RS(204,188),其特点为纠正与本组(8比特为一组)有关的误码,对纠正突发性误码很有效。卷积编码又为内码,码型可于1/2,2/3,3/4,5/6和7/8中选择,选择的标准是在频谱利用率和抗误码性能间权衡,卷积编码除纠正本组的误码以外,也纠正其他组的误码。
在RS码与卷积码间为一交织器,采用卷积交织方案。交织是为解决卷积编码可能产生的连续误码,交织器可将连续误码分散开,使接收端能够有效的纠错,使连续误码不会超出纠错能力。

b) 数字调制
四相相移键控(QPSK)调制的传输效率高,抗误码性能较优,其调制信号是包络恒定信号,传输信道中的幅度衰减对其性能无影响,非常适合卫星信道(因卫星传输信道衰减很大)但其信道利用率不高,仅为0.5Hz/bps。接收端如图3示,天线接收下来的卫星信号(C频段或Ku段)经低噪声放大和下变频变成L频段(0.9-1.4GHz)信号,进入综合接收解码器(IRD),经调谐器和QPSK解调器解调为数字信号(数字流),此数据流经维特比解码(Viterby)、去交织及R-S解码,对传输中引入的误码进行纠错,然后对此数字流进行去复用,解出的数据流送到MPEG-2视频、音频解码器,经过解压缩、数模变换等处理后输出模拟信号,输出的模拟视频信号可以是分量信号也可以是复合信号。


 
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