DVB－RCS2衛星交互網的調制編碼技術

陳 沛，黃 焱

(信息工程大學信息工程學院，河南 鄭州 450002)

2011年8月，ETSI(European Telecommunications Standards Institute)在DVB－RCS基礎上提出了DVB－RCS2衛星交互網新體制。這種新體制采用DVB－S2前向廣播和多頻時分多址(MF－TDMA)多點回傳的工作方式，在調制編碼技術方面較前一代進行了大規模改進，配合靈活的幀結構，采用新的工作模式以提供更高的傳輸效率，適用于IP業務和多種市場領域，使得這種新型交互式衛星系統更加貼近當前衛星通信服務的寬帶化和交互化發展趨勢［1］。新規范的提出將促進新一代衛星通信設備的研發，對于科研人員，面臨的一項重要任務是全面理解其調制編碼方式。

1 DVB－RCS2前向鏈路調制編碼方式

DVB－RCS2前向鏈路傳輸系統基于DVB－S2規范進行設計，相對于DVB－RCS采用的DVB－S規范，有以下3個方面的改進:

1)DVB－S采用 CCM(Constant Coding and Modulation)，調制方式為單一的QPSK調制［2］。而DVB－S2在兼容CCM的基礎上，采用ACM(Adaptive Coding and Modulation)，調制方式可以靈活地選用 QPSK，8PSK，16APSK和32APSK。在信道條件允許的情況下，選用高階調制方式將大大提高信道利用率，但必須保證合理的接收機復雜度。各調制方式星座圖如圖1所示［3］。

圖1 前向鏈路QPSK，8PSK，16APSK，32APSK星座圖

2)在信道編碼方面，DVB－S采用以RS碼為內碼、卷積碼為外碼的級聯碼，而DVB－S2則應用LDPC(Low Density Parity Check)和BCH編碼技術，以LDPC為內碼，BCH為外碼，配合比特交織，傳輸容量可以提高30%，非常接近香農信道容量極限。

3)DVB－RCS2前向鏈路將采用GSE(Generic Stream Encapsulation)替代TS(Transport Stream)流，從而支持不同類型的基帶幀，且不要求數據連續，包長度可變，每個包的傳輸參數(調制方式、編碼速率等)均可調整［4］。這將有效節省開銷，從而實現傳輸效率最大化，這項技術符合了新一代系統對IP數據的傳輸要求。

為實現上述調制編碼技術在新規范中的應用，DVBRCS2在前向鏈路網控信令部分和物理層幀結構等方面進行了相應的設計。其中，網控信令通道中TMST2(Transmission Mode Support Table 2)信令的增加，有效配合了ACM，使其在設備中的實現方式得以簡化。

TMST2信令通過一個循環結構，對系統支持的每種傳輸模式的具體參數進行定義，包括幀長、前導碼有無、調制編碼方式及其所需系統裕量、輸入流標識等，語法結構如圖2所示。

圖2 TMST2語法結構圖

其中MODCOD字段標識了系統支持的傳輸模式，其取值與傳輸模式的對應關系如表1所示，子站通過對該信令的解析，能夠輕易辨識前向鏈路所采用的調制編碼模式。

在TMST2信令的支持下，前向鏈路采用ACM方式時，只需實時得到信道條件以調整傳輸模式，因此在RCST登錄成功后，NCC(Network Control Centre)主站將定時向RCST(RCS Terminal)發出請求，要求RCST測試當前傳輸信道的CNI。隨后RCST根據TMST2信令中指明的MODCOD對系統裕量的要求，判斷信道條件是否滿足當前采用的MODCOD，并反饋給NCC。NCC解析來自RCST的反饋信息，若信息顯示信道條件不足以滿足當前MODCOD的要求，NCC必須在400 ms內停止使用該模式向RCST的傳輸，再根據信道裕量，選擇當前可以使用的MODCOD。從而實現調制編碼方式對信道條件的自適應。

此外，靈活的幀結構也可有力協助ACM方式的實現。DVB－RCS2前向鏈路的信號成幀基于DVB－S2的兩級幀結構，即基帶幀(Baseband Frame)和物理幀(Physical Layer Frame)，物理幀輸出射頻調制信號。基帶成幀過程通過加入用戶數據適配模塊，確定基帶幀頭部中的多項標識，指明輸入流個數、GSE流或TS流的選用、CCM或ACM方式的選用等構造細節，使接收端在確定有效負載的傳輸模式、定時同步等方面的處理更加靈活。基帶幀數據格式如圖3所示。

圖3 基帶幀結構示意圖

基帶幀再經由BCH外碼和LDPC內碼編碼得到編碼幀，經過交織器，使用前向鏈路允許選擇的調制模式進行調制、加擾，得到物理層幀，即可射頻發送。

2 DVB－RCS2回傳鏈路調制編碼方式

DVB－RCS2的回傳鏈路保持了DVB－RCS采用的多頻時分多址(MF－TDMA)接入方式，按照超幀、幀、時隙的層級結構組織管理，子站用戶在指定時隙中進行數據突發［5］。

DVB－RCS回傳鏈路的數據突發采用QPSK調制方式，編碼方式為卷積碼與RS碼的級聯碼或Turbo碼，隨著交互數據量的增加，子站間通信需求的加大，其調制方式單一且信道利用率不高的弊病逐漸顯露出來。相比之下，DVB－RCS2更加靈活，支持兩種傳輸模式的選擇，一種使用Turbo碼和線性調制(TC－LM)，另一種使用卷積碼和連續相位調制(CC－CPM)，使回傳鏈路信道利用率和糾錯能力有了極大提高。傳輸模式的選擇及相關參數的設置，由網控信令通道中的FCT2(Frame Composition Table version 2)，BCT(Broadcast Configuration Table)，TBTP2(Terminal Burst Time Plan Table version 2)信令共同決定。其中，FCT2和TBTP2中包含突發模式選擇字段，BCT則具體描述當前傳輸模式下諸如傳輸起始終止標志、調制方式、編碼方式、碼率、前同步碼、后同步碼、導碼、負載大小和負載類型等參數。下面分別介紹上述兩種模式的具體實現。

2.1 TC－LM 模式

該模式下，Turbo碼編碼方式使用雙二進制循環遞歸卷積編碼CRSC(Circular Recursive Systematic Convolution-al)，編碼框圖如圖4所示。編碼核心電路如圖5所示。

圖4 Turbo碼編碼器示意圖

圖5 Turbo碼編碼核心電路

其編碼流程為:待編碼數據按比特輸入，高位置于A，次位置于B。開關首先置于1，按順序序列輸入，經編碼、鑿孔操作后輸出Z1。然后將開關置于2，輸入交織后序列，經編碼、鑿孔操作輸出Z2。依此類推完成編碼。其中，反饋支路由多項式1+x3+x4給定，第1奇偶校驗位Y的計算由多項式1+x+x2+x4給定，第2奇偶校驗位W的計算由多項式1+x2+x3+x4給定。一次編碼中編碼核運行4次以得到Y，W。交織方式、初始狀態和鑿孔映射表在DVB－RCS2協議中都有詳細說明。

該模式下，線性調制可以選用 QPSK，8PSK或16QAM，回傳鏈路有效負載部分需根據數據長度和所選調制方式的不同對數據進行必要的補零。選用高階調制方式將提高回傳鏈路的信道利用率，支持更大數據量的傳輸，符合未來衛星通信系統的發展趨勢。各調制方式的星座圖如圖6所示。

圖6 回傳突發QPSK，8PSK，16QAM星座圖

為便于子站選擇NCC允許的調制方式，BCT信令中的modulation_scheme字段表明了調制方式的選擇，其取值0x01代表QPSK，0x02代表8PSK，0x03代表16QAM。

2.2 CC－CPM 模式

CPM(Continuous Phase Modulation)是近年來發展很快的一種高效調制技術，有恒定包絡和連續相位，能提供更高的頻譜利用率和功率效率［6］。DVB－RCS2增加了對這種調制方式的支持，并與卷積編碼相結合，保證了各種信噪比下對傳輸速率的需求。

根據CPM的定義，對CPM基帶信號的復數形式描述為

q(t)為CPM相位響應，是一個連續函數。其表達式為

式中，L為相位關聯長度。DVB－RCS2中默認L=2，是部分響應CPM。

DVB－RCS2在該模式下，脈沖成形方式采用加權平均CPM脈沖成形，即g(t)升余弦成形和矩形成形的線性組合，表達式為

只需通過改變參數αRC的值，即可改變相位響應函數形狀，從而得到不同的CPM信號，BCT信令中有專門字段確定αRC的取值。

NCC通過設置前向鏈路BCT信令中的相關字段，調整不同的調制指數h和不同的q(t)形狀，能夠調整CPM調制信號的功率譜密度，從而適應不同的帶寬要求，提高了系統靈活性。

該模式下，編碼方式使用二進制非系統非遞歸卷積碼，約束長度 K 為3 或4，支持1/2，2/3，3/4，4/5 和5/6 碼率。在約束長度為3，碼率為1/2的條件下，子生成多項式為GNS1=1+x2，GNS2=1+x+x2。在約束長度為4，碼率為1/2的條件下，子生成多項式GNS1=1+x+x3，GNS2=1+x+x2+x3。而2/3，3/4，4/5，5/6 碼率的編碼則以1/2碼率為母碼經鑿孔操作實現，有效降低譯碼復雜度，方便實現自適應速率匹配。鑿孔圖案如表2所示。

表2 不同碼率下鑿孔圖案

當鑿孔圖案為1時，對應的編碼比特保留，當為0時，對應比特刪除。例如，約束長度4情況下的6/7碼率編碼過程(假設信息比特長度為1504)如圖7所示。

圖7 鑿孔卷積碼實現6/7碼率編碼過程

3 DVB－RCS2傳輸性能仿真

目前，支持DVB－RCS2的設備還未全面投入使用，缺少實際信號數據，這里通過計算機仿真著重對其頻帶利用率進行研究，并與DVB－RCS進行比較。

對于前向鏈路，DVB－RCS2以高階調制方式取代QPSK，每個碼元攜帶更多比特的信息，顯然能夠提高頻帶利用率。同時，DVB－RCS2頻譜成形中的升余弦滾降系數α 可在0.35，0.25，0.2 中選擇，而不是 DVB－RCS 中固定的0.35。在AWGN信道環境下采用QPSK調制方式進行仿真:發送成形濾波器分別采用滾降系數為α=0.35和α=0.2的根升余弦濾波器，4倍符號速率采樣，接收方經匹配濾波后得到的信號頻譜如圖8所示。從圖8看出，α=0.2時頻帶利用率有了明顯提高。

圖8 前向鏈路頻帶利用率比較

對于回傳鏈路，當采用CC－CPM模式時，調制指數h越小，頻帶利用率越高，相位響應函數形狀越平滑，信號頻譜占用越少［7］。相位響應函數形狀由αRC決定，當αRC=0.98和αRC=0.625時，通過計算機仿真繪制相位響應函數如圖9所示。圖中直線為矩形成形時的相位響應，由圖可見，αRC=0.625時，函數曲線更加平滑，頻帶利用率更高，而實際信號中h和αRC的具體值將通過前向鏈路BCT信令根據信道情況進行調整。

圖9 回傳鏈路相位響應函數曲線

4 結束語

DVB－RCS2的發布是交互式衛星通信技術發展的重要進步，其通過改進傳輸流封裝，采用新的調制編碼方案，并應用ACM技術，使傳輸效率更高、終端運行成本更低。該規范的設計體現了極高的靈活性，不僅能夠滿足高清電視、3D電視等大數據量視頻廣播的需要，更能夠應用于IP服務，滿足IP流量高速率傳輸，有利于三網融合等領域的發展，市場前景十分廣闊，對該協議的深入研究具有十分重要的意義。

［1］ETSI EN 301545－2 V1.1.1，Digital video broadcasting(DVB);second generation DVB interactive satellite system(DVB－RCS2);part 2:lower layers for satellite standard［S］.2011.

［2］ ETSI EN 301790 V1.4.1，Digital video broadcasting(DVB);interaction channel for satellite distribution systems［S］.2005.

［3］ ETSI EN 302307 V1.2.1，Digital video broadcasting(DVB);second generation framing structure，channel coding and modulation systems for broadcasting，interactive services，news gathering and other broadband satellite applications(DVB－S2) ［S］.2009.

［4］ ETSI TS 102606 V1.1.1，Digital video broadcasting(DVB);generic stream encapsulation(GSE)protocol［S］.2007.

［5］ 楊華，黃焱.DVB－RCS衛星交互網通信體制研究［J］.電視技術，2010，34(9):10－12.

［6］ 劉春江，吳志躍，郭沛宇，等.數字衛星廣播中CPM與QPSK調制性能仿真分析［J］.電視技術，2009，33(S1):4－5.

［7］ PROAKIS J G.數字通信［M］.4版.北京:電子工業出版社，2003.