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卫星数字电视制式DVB-S浅析

广播电视行业是我国诸多事业中发展最为迅速的事业之一,其中高科技含量在各行业里也是含金量较高的一个行业。作为在通信行业里从事卫星通信的一名工作者,很荣幸能够在我国电视行业蓬勃发展的当代社会里充当一名角色。同时介于现在很多人对其中的一些技术十分关注却又不是十分了解,本作者想从基本概念出发简单阐述一下卫星数字电视一些核心技术和DVB-S制式的问题。

卫星通信基本原理
卫星从用途上可以分为:资源探测卫星,气象卫星,军事卫星,通信卫星,直播卫星等。从理论上讲,如果在地球赤道上空相对于地球静止的卫星轨道上放置三颗间隔各120度的卫星,就可以实现全球通信或全球广播。如图(1):

卫星电视传输是在卫星通信的基础上发展起来的,它是在地球赤道上空35800km处静止卫星上,装载转发器和天线系统向地面转发广播电视信号,直接进行大面积广播电视覆盖的一项技术。它能覆盖区内的广大用户直接收看千百里之外乃至地球另一面广播电视节目。我国幅员辽阔,地形复杂,人口众多,而且分布又很不均匀,如果完全依赖传统的地面无线传输方式解决广播电视覆盖率是极其困难的。利用卫星传输广播和电视节目,作为一种提高广播电视人口覆盖率,改进传输质量的最有效、最经济、最先进的手段,在过去的十几年里它得到了蓬勃的发展和广泛应用。

DVB介绍
DVB组织是一个来自33个国家、230个组织参加的国际机构,国家广电总局广科院于1999年4月13日作为协会会员加入了DVB组织。同时DVB(Digital Video Broadcasting)也是欧洲数字视频广播标准,主要的标准包括了卫星电视DVB-S、电缆电视DVB-C、地面广播普通电视的DVB-T和高清晰度电视(HDTV)的广播与传输,以上三种传输标准的编号分别为ETS300421,ETS300429和ETS300744ETS是欧洲电信标准。DVB-S是为改变模拟电视技术因标准不同而形成分割局面,从而制定的一套数字广播技术规范,它担负有促成其成为数字广播技术的国际标准,推进广播电视技术的国际交流,合作与发展的任务。

DVB项目的主要目标是找到一种对所有传输媒体都适用的数字电视技术和系统。对它的要求是:
1、能灵活传送MPEG-2视频、音频和其他数据信号。
2、使用统一的MPEG-2传送比特流复用。
3、使用统一的服务信息系统提供广播节目的细节等信息。
4、使用统一的一级里德-所罗门前向纠错系统。
5、使用统一的加扰系统,但可有不同的加密方式。
6、选择适用于不同传输媒体的调制方式和信道编码方法以及任何必须的附加纠错方法。
7、鼓励欧洲以外的地区使用DVB标准,推动建立世界范围的数字视频广播标准。
8、支持数字系统中的图文电视系统。

DVB-S系统的核心技术
DVB系统的核心技术是通用MPEG-2视频和音频编码,目前主要应用于数字卫星和电视广播的是MP@ML。第一代的欧洲DVB接收机将提供直到625行演播室质量ITU-Rec,BT601的图像ITU是国际电联,可以是4:3或16:9的宽高比。还可以根据业务要求确定所用码率。一般来讲,所选码率越高,图像的质量越好,但占用频带越宽。码率的选用与图像的内容有很大关系,对于运动较多的图像如体育节目可采用较高的码率,对于卡通片等节目可以采用较低的码率。因此,目前在把多个节目比特流复合成一个比特流的情况下,都采用统计复用的方法,能在不同码率的节目间灵活地分配总码率数。为了满足各类素材的要求,ITU-Rec,BT601演播室质量所需数码为9Mbit/s,PAL/SECAM,播出质量所需数码率为5Mbit/s,由于用MPEG-2传输比特流是一种数据包结构,所以可以很方便地加入适当信息,把各种不同的业务,如图像、声音和数据业务和在一起,并对服务信息的格式作详细的规定,所形成的标准就是服务信息标准ETS300468。DVB系统采用低数据率的MPEG-1层II音频标准作为其通用的音频压缩编码标准,以获得接近于CD质量的声音。
DVB-S系统的标准描述了用于卫星数字多路传输的帧结构、信道编码和调制方式。在卫星传输系统中上行信号的组织流程和框图如下:

DVB-S系统定义了从MPEG-2复用器输出到卫星射频信道、能对电视基带信号进行适配处理的设备功能模块,也可称之为卫星信道适配器。图(2)所示的流程图分别对数据流做了如下处理:
1、传送复用适配和用于能量扩散的随机化处理,“随机化”处理通常称为“扰码”,即用较长的伪随机化序列与数字基带信号序列一个比特一个比特地模2加,以改变原信号的统计特性,使其具有伪随机性质,如此处理是为了避免出现这样的情况:输入比特流不存在或输入比特流与MPEG-2传送流格式不兼容而导致调制器发射未经调制的载波时,或者当数字基带信号是周期不长的周期信号时,已调波的频谱将集中在局部并含有相当多的高电平离散谱,这将使得对于卫星广播业务公用频段的其他业务的干扰超过规定值。还有,用伪随机序列扰乱后,可以限制连“0”码、连“1”码的长度,从而改善位定时恢复的质量。
2、外编码(即RS码),RS就是Reed-Solomon码,是一类纠错能力很强的多进制码,1960年首先由里德和所罗门应用多项式构造出来的。在相同的编码冗余度下,RS码具有最强的纠错能力,它在通信领域里已被广泛应用。
3、卷积交织,突发错误与随机错误是在实际信道中经常产生的。随机错误是由于随机噪声引起的,如白噪声,它在统计上是独立的。而突发错误往往是由脉冲干扰、多径衰落等因素引起的,在统计上是非独立的。这对纠错编码技术提出了新的要求,对于突发错误可以用专门为纠正突发错误而设计的纠错码,如RS码,但是对于较长的突发错误,如果与交织技术结合起来,把突发错误离散为随机独立错误再用纠随机错误的码纠错,则能取得明显的效果。这一模块即是采用这样的思路来设计的。
4、内编码(即卷积收缩码),卷积码的应用使得在译码过程当中译码器不仅可以从当前时刻收到的码字中提取有关信息,还可从用以前或以后各时刻收到的码字中提取有关信息,大大提高了收端纠错的能力。这种优越性使得它得到了广泛的应用,特别是在卫星通信和空间通信等加性白高斯信道中,主要与QPSK调制结合起来应用。
5、基带成形,到此为止编码器产生的是矩形基带脉冲,由于这种基带信号在频域内无限延伸,因此在信道带宽受限的应用中将会引起波形失真从而产生符号间干扰。为实现无符号间干扰传输,常常将基带信号的频谱设计为升余弦滚降的形状。
6、调制,在数字信号的调制方式中QPSK四相移键控是目前最常用的一种卫星数字信号调制方式,它具有较高的频谱利用率、较强的抗干扰性、在电路上实现也较为简单。
我国DVB-S标准(GB/T 17700-1999)等效采用ITU-RBO.1211建议书《用于11/12GHz卫星业务中的电视、声音和数据业务的数字节目发射系统》。该标准与等效采用的建议书ITU-RBO1211的差异是:
1、根据我国的应用情况,使用范围扩展用于C波段(4/6GHz)固定卫星业务中的相应业务;
2、增加了在特定情况下系统使用BPSK调制方式。

DVB-S现状与展望
采用DVB-S传输标准的数字卫视已成为包括亚洲国家在内的世界卫星电视的主流。
在不久的将来,您可以随意选择角度观看比赛,甚至能将镜头始终锁定在自己喜欢的运动员身上。在数字电视与社会信息化发展论坛上,可以获悉这样振奋人心的好消息。


 
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