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摘要 介紹DVB-S數(shù)字衛(wèi)星電視系統(tǒng)，簡(jiǎn)要分析了其基本原理，討論了DVB-S系統(tǒng)的信源編碼和信道編碼，并給出DVB-S系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。
關(guān)鍵詞 DVB-S 音頻 視頻 MPEG-2 信源編碼 信道編碼
引言
為增加應(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)范，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 LayerII笫二層音頻編碼，也稱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)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)的采用可以大大地降低音頻編碼速率。 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“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” (Profile)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)單檔次(Simple Profile)的編碼，這種向下兼容性貫穿整個(gè)系列的“檔次”。
——在主檔次(Main Profile)之后,是信噪比可分級(jí)檔次(SNR Scalable)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”。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δ�，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”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：
亮度信號(hào)碼流率為： 720× 576× 25幀／秒× 8bit=82.944Mb/s
色度信號(hào)碼流率為： 2×1/2× 720× 576× 25幀／秒×8bit=82.944Mb/s
總碼流率為： 82.944Mb/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/s。 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 3～8Mb/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、熵編碼、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IU-R-BT.601建議的四分之一，即： 352×288×25幀／秒； Main Level是完全符合IU-R-BT.601建議的標(biāo)準(zhǔn)，即：720×576×25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)打包后形成有包頭的基本碼流(PES)。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)星信道中信號(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。卷積編碼又為內(nèi)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)經(jīng)低噪聲放大和下變頻變成L頻段（0.9-1.4GHz）信號(hào)，進(jìn)入綜合接收解碼器(IRD)，經(jīng)調(diào)諧器和QPSK解調(diào)器解調(diào)為數(shù)字信號(hào)(數(shù)字流)，此數(shù)據(jù)流經(jīng)維特比解碼(Viterby)、去交織及R-S解碼，對(duì)傳輸中引入的誤碼進(jìn)行糾錯(cuò)，然后對(duì)此數(shù)字流進(jìn)行去復(fù)用，解出的數(shù)據(jù)流送到MPEG-2視頻、音頻解碼器，經(jīng)過(guò)解壓縮、數(shù)模變換等處理后輸出模擬信號(hào)，輸出的模擬視頻信號(hào)可以是分量信號(hào)也可以是復(fù)合信號(hào)。
參考文獻(xiàn)
1 曹志剛編著《現(xiàn)代通信原理》 清華大學(xué)出版社
2 NDS公司《NDS數(shù)字編碼器技術(shù)手冊(cè)》
----《通信世界》
