原创 卫星电视信道编码与数字调制方式

    信源编码的目的是提高信源的效率，去除冗余度，但在信源编码的过程中，并未涉及到符号的波形，即承载信息的符号必须转变成具体的波形才能在信道中传输。但并不是所有的波形都适合在信道中传输，因为不同的波形有不同的频率特性。一般的传输通道的传输带宽总是有限的，超过此界限就不能进行有效的传输。例如，通常的传输信道不能传输带有直流分量信号。此时，若信号中含有直流分量，就不能在该信道中传输，否则会使信号产生失真。因此，在信源编码和传输通道之间还应插入波形成形（也称波形编码）单元，以改变信号的频谱特性，以避免信号的失真。

     经波形成形后的信号在信道里传输中会受到噪声和各种干扰的影响，也会产生信号失真，故在恢复信号时会产生误码，影响信号的接收质量。因此，要插入一些固定的、容易识别并与原始信号有某种特定关系的编码，即所谓的差错控制编码，就可以在接收端通过判定接收信号中这种编码与原始信号的那种特定关系是否被破坏，来判断信号在传输过程中是否已经发生错误，并最大程度的改正传输中出现的错误。

     数字调制起到了频谱搬移的作用，即将信号从低频段搬移到高频段，并在一定程度上，也改变了原来信号的频谱分布。调制是信号要在带通信道中传输的不可缺少基本步骤，也是抵抗信道干扰的重要途径。

     本节首先介绍常用的几种波形编码和差错控制技术，接着给出DVB-S系统信道编码的整体方案。

    2.6.1 信道编码的基本原理

    （一）波形编码技术

     若符号“1”用有脉冲表示，“0”用无脉冲表示，那么脉冲序列的平均直流电平与连“0”和连“1”的个数有很大的关系。当连“0”和“1”的个数相差太多时，就会产生直流分量和低频分量。然而，大部分信道是不适合传送直流和低频分量的，故应该把“0”、“1”用适当的波形来表示，使用不同的波形就构成了不同的传输码型。

     对于线路编码的要求应该是对信源具有透明性和唯一的可解码性，以便在接收端还原出原序列。经编码后的序列应当没有显著的直流分量，且低频分量和高频分量都比较小。

     目前通信系统中常使用的码型有CMI、DMI、Miller和双相码等。它们都是1B2B码，即用两个二进制码表示原来的一个二进制码。此时，线路传输速率要提高一倍，所需的传输带宽也要随之增大。为了降低传输速率，还可以把1B2B码推广到mBnB码，即将m个二元码按一定规则变换为n个二元码，且m＜n。理论推导得出，码序列中相邻两个电平转换之间的最大距离越大，低频下限频率就越低；码序列中相邻两个电平转换之间的最小距离越小，高频上限频率就越高。

     另一种波形编码技术是把信源编码输出的信号通过一个滤波器，从而使信号频谱发生改变，该滤波器称为成形滤波器。成形滤波器改变信号的频率特性，使之适合在信道中传输，保证传输信息的有效性和可靠性，并且可以减少码间干扰。目前，常使用的成形滤波器有升余弦滤波器、平方根升余弦滤波器等。平方根升余弦滤波器旁瓣衰减比升余弦滤波器旁瓣衰减快，而且用经过平方根滤波器处理过的码元在传送过程中出现的码间干扰问题也比升余弦滤波器小。

    （二） 差错控制技术

     数字信号在传输过程中会受到各种干扰，使得信号码元波形被破坏，在接收端可能发生错误判决。因此，在设计数字通信系统时，除了选择适当的波形编码、合适的调制方式、加大发射功率等方法外，若接收端的误码率还不能满足要求，就必需采用差错控制。

     差错控制编码是提高数字传输可靠性的一种技术，其基本原理是通过对信息序列做某种变换，使原来彼此独立、相关性很小的信息码元产生某种相关性。在接收端利用这种规律来检查或纠正信息码元在信道传输中所造成的差错。

     差错控制方式基本上分为两类，前向纠错（FEC）和自动请求重发ARQ。前者在发射端发送纠错码，在接收端能检出并纠正全部或部分的错误。它不需要反馈信道，译码实时性较好，但译码设备较复杂；后者在发射端发送检错码，接收端若检出错误，通过反馈信道告诉发送端，发送端根据指令重发出错的部分，直到正确接收为止。这种方式需要反馈信道，实时性较差，但译码设备简单。前向纠错特别适合于移动通信，卫星通信等一些长距离的通信中，下面介绍几种前向纠错的纠错编码。

     1 ．分组码。

     分组码把信源输出的信息序列按k个相继码元分为一组，并利用生成矩阵生成r=n–k个校验码元，组成长度为n的码字。可见，在二进制情况下，k个码元可组成2k个信息码，通过编码后，就有2k个码字，这些码字的集合称为（n,k）分组码。在多进制的情况下，这构成了多进制的分组码，如里德-索罗（RS）码就是一种多进制的分组码。

     由分组码的定义可以看出，校验码与信息元之间是通过一定的关系生成的，这种关系可由生成矩阵来表示。也就是说，生成矩阵不同，信息码生成的校验码也不同，相应的码字也不同，从而构成不同的分组码。生成矩阵的选取对分组码的编码效率、检错和纠错性能非常重要。编码效率说明在一个码字中，信息位所占的比重。编码效率越高，码的传输信息有效性越高，信道的利用率越高；除了编码效率外，分组码的另外两个参数是码的汉明距离和汉明重量。在线性分组码中，任两个码字之间都有一定的距离，但其中存在一个最小的距离，称为分组码的最小距离dmin，它表明了该码中每两个码字之间的差别程度。显然dmin越大，则从一个码字错为另一个码字的可能性就越小，因而其检错、纠错能力越强。

     在接收端，利用接收的码流和分组码的校验矩阵，可以计算出该接收码流的错误图样S，根据该错误图样是否为0，可判断出接收码流是否错误。当发生错误的个数在可纠正和可检错的范围内时，错误图样指出了接收信号码字的错误个数和错误位置，因此，利用错误图样可以进行纠错或检错。

     校验矩阵与生成矩阵有一一对应的关系。也就是说，如果找到了码的生成矩阵，则编码的方法就完全确定。或者说，只要校正矩阵给定，编码时的校验位和信息位的关系就完全确定。

     线性分组码可由很多种类型，如汉明码、循环码等。汉明码是一种可纠正单个随机差错的线性分组码，它的主要优点是编码效率较高。当码长n大时，其编码效率接近于一；循环码具有循环特性，循环码中任一码组循环移一位以后，仍为该码中的一个码组。循环码的编码和译码设备都不太复杂，检纠错能力较强，所以这种码在实践上得到广泛的应用和发展。在多进制码字中，也有具有循环特性的RS码，在数字卫星电视传输系统中有着广泛的应用，在下面的章节中将较详细的介绍这种码。

     2 ．卷积码

     前面介绍的分组码，无论编码还是译码，前后各组是无关的。编码时，一个码组的校验位只决定于本组的信息位。译码时，也只要从长为n的一个接收码组中还原出本组的信息位即可。分组码要增加纠错能力，就要增加校验位，从而使编、译码设备复杂，特别是增加译码的困难。

     为了克服分组码中存在的编码效率与纠错能力之间的矛盾，1955年科学家伊莱亚斯提出了卷积码。在卷积码中，一个组的校验码元不仅取决于本组的信息元，而且也取决于前m组的信息元。通过这种规则构成的码就是（n，k，m）卷积码。此时，m称为编码记忆，表示输入的信息组在编码器中所需的存储单元数，m+1称为编码约束度，说明编码过程中互相有约束关系的码段个数，（m+1）n称为编码约束长度，说明编码过程中互相约束的码元个数。

     与分组码相同的是，卷积码也可以用生成矩阵来表示信息元与校验码之间的生成关系，所不同的是，分组码的生成矩阵是一个有限个数的矩阵，而卷积码的生成矩阵是一个半无限矩阵。但由于在这个半无限的生成矩阵中，到一定列后，其数值和前面各列分别相同，因此，可以只研究前几列所组成的矩阵就可以了，这个矩阵称为截短生成矩阵。

     在卷积码的译码过程中，不仅要根据当前时刻输入到译码器的码组，而且还要根据以后的一段时间，如L+m段（L≥1）内所有接收的码组，才能译出一个码组的信息元。此时，L+m即称为译码约束度，（L+m）n则称为译码约束长度。

     卷积码的译码可分为代数译码和概率译码两大类。前者最主要的方法是大数逻辑译码，在卷积码的发展早期普遍采用代数译码。到现在，概率译码已越来越被重视，概率译码中普遍采用的是维特比译码。在编码的过程中，可以用树码的树图来形象地表示卷积码的编码过程，具体说是，编码器的编码过程可以看成是根据输入信息元通过码树的某一条路径而生成带有校验元的码字，这种编码过程和原理，提供了维特比译码的算法原理。在接收端译码时，可以看成是译码器根据接收到的序列，信道统计特性和编码规则，力图寻找原来编码时所通过的那条路径。只要找到了这条路径，就完成了译码，并纠正了传输中的错误。在概率译码中，我们往往是通过计算各条路径所对应的序列和接收序列的偏差，做出最大似然估计来寻找这条路径的。但码树的路径随着输入信息元的增加而按指数规律增加，因此，按码树的路径来计算，其计算量随译码的约束长度的增加增加很快，实现起来很困难，维特比译码利用了码树的重复特性使得计算量大大减少。

     由于卷积码充分利用了各组之间的相关性，n和K可以用比较小的数，因此，在与分组码有着同样的编码效率和设备复杂性的条件下，卷积码的性能比分组码好。但对卷积码的分析，至今还缺乏分组码那样有效的数学分析工具，一些分析和译码的工作往往还需借助计算机。

2.6.2 DVB-S信道编码技术

     DVB系统传输的是通用的MPEG-2视音频码流。为了获得可靠的传输效果，DVB-S系统还规定了一个严谨、完善的信道编码方案，使其适应通道传输特性并保证数据在卫星信道上传输的可靠性。DVB-S系统具有广泛的适应性，卫星转发器带宽可以从26MHz到72MHz，转发器功率可以从49dBW到61dBW 。信道编码系统的结构如图2-45所示。