DVB-S.2

數字衛星廣播標準發展始於1990年代初，應用較多的制式主要有兩種，即歐洲的DVB-S標準和美國GI公司開發的Digicipher標準，兩種方式互不兼容，其差別主要在於數字信號的傳輸方式即通道編碼，而信源編碼部分都採用了MPEG-2。

從歐洲電信標準協會（ETSI）的ETS 300 421算起，DVB-S作為當今廣播電視領域的主流衛星傳輸標準，問世已逾十年，在世界範圍內得到廣泛應用。1995年中央電視台通過衛星播出數字壓縮加擾電視節目時，我國尚未公布將DVB-S作為試行標準，當時採用了美國GI的Digicipher系統，隨著近年來國內模擬衛星傳輸方式淡出市場，國內各上星頻道普遍採用了DVB-S技術。

十年的使用期同時意味著DVB-S的核心技術與當今相關領域的前沿技術水平漸行漸遠，因此，基於當前硬體支持能力和編碼演演算法的最新成果，開發更適應當前乃至未來中長期業務發展需求的技術標準就成為當務之急，DVB-S2也因此產生。

DVB-S2由JTC（聯合技術委員會）制定，JTC最初於1990年由EBU（歐廣聯）、ETSI聯合組建，負責制定廣播電視及相關領域的技術標準，1995年該組織吸納CENELEC（歐洲電工標準化委員會）加入，後者負責廣播電視接收機方面的標準化工作。DVB-S2的制定採用ETSI的“兩步式”程序，2004年6月，公開發布DVB-S2草案（即Draft ETSI EN 302 307 V1.1.1），目前進入公開的意見徵詢階段（2004.6.2～2004.10.1）。DVB-S2設計的指導思想是在合理的複雜程度下達到最優的傳輸性能及可擴展性。

DVB-S2系統流程圖如圖1所示，由於其良好的擴展性，因而每一部分都包括較多的選件、適配等單元，複雜程度遠勝DVB-S。

圖 2

模式適配（Mode Adaption）是輸入數據流的介面，用來適配DVB-S2種類繁多的輸入流格式。對於固定編碼調製（CCM）模式來說，模式適配部分包括對DVB-ASI流（或DVB并行傳輸流）的透明解包和8位循環冗餘校驗。

流適配完成基帶成幀、加擾兩個功能。為配合後續糾錯編碼，基帶成幀需要將輸入數據按固定長度打包（不同的糾錯編碼方案有不同的“固定長度”），不足處則填充無用位元組補足。

前向糾錯採用LDPC（內碼）與BCH（外碼）級聯的形式。

映射部分按後續採用的具體的調製方式（QPSK、8PSK、16APSK、32APSK），將輸入的經過前向糾錯的串列碼流轉換成滿足特定星座圖樣式的并行碼流。

物理層成幀部分通過加擾實現能量擴散，以及空幀插入等。

調製部分完成基帶成形和調製。

廣電數字化帶來了節目與數據業務在傳輸流程上的統一，新的數字衛星廣播標準也就不再局限於廣電領域，而是面向更廣闊的業務領域。準確地說，DVB- S2是服務於寬頻衛星應用的新一代DVB系統，服務範圍包括廣播業務（BS）、數字新聞採集（DSNG）、數據分配/中繼，以及Internet接入等互動式業務。與DVB-S相比，在相同的傳輸條件下，DVB-S2提高傳輸容量約30%以上，同樣的頻譜效率下可得到更強的接收效果。

在廣播業務（BS）方面，DVB-S2提供DTH（直播衛星）服務，也考慮到了地面共用天線系統和有線電視系統的需求。從與以往的兼容角度考慮，有兩種模式供選用，即NBC-BS（不支持後向兼容）和BC-BS（支持後向兼容）。由於目前有大量DVB-S接收機投入使用，後向兼容模式將滿足今後一定時期的兼容使用需求，在這種模式下，舊的DVB-S接收機可以繼續接收原來的節目，新的接收機則可以接收到比前者更多的信息。當將來DVB-S接收機逐步淘汰后，採用兼容模式的信號發端將改成非兼容模式，從而真正意義上充分利用DVB-S.2的通道傳輸優勢。

除廣播業務外，DVB-S.2還支持互動式服務（包括Internet接入）、數字新聞採集及數據分配/中繼等其它專業服務。在互動式服務中，回傳通道使用不同的DVB反向方式，如DVB-RCS、DVB-RCP、DVB-RCC。

DVB-S2最引人注目的革新在於通道編碼方式，包括糾錯編碼和調製。糾錯編碼和調製是在實際的通道情況下，尋找最佳途徑傳輸信息。香農的編碼理論給出了最佳編碼方案可以達到的通道容量，卻沒有給出具體的編碼方案，以及沒有描述實現起來的複雜程度，因此，編碼和調製的研究集中於在最充分的利用傳輸資源（即帶寬、功率、複雜度）的條件下，選擇傳輸和接收方案，以逼近香農給出的極限。DVB-S.2糾錯編碼使用LDPC（Low Density Parity Check code低密度奇偶校驗碼）與BCH碼級聯，調製則以多種高階調製方式取代QPSK。

DVB-S2在設計中充分考慮了業務多樣性需求，具有很好的適應性。如DVB-S.2支持1/4, 1/3, 2/5, 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6, 8/9, 9/10等多種內碼碼型；頻譜成形中的升餘弦滾降係數α可在0.35、0.25、0.2三種中選擇，而不是DVB-S固定的0.35，自然α越小，頻譜利用率越高。

新的編碼調製方案8PSK&LDPC已經十分接近香農極限，在距離理論上的香農極限0.7～1dB的情況下可得到QEF（准無誤碼）的接收（DVB-S2的QEF標準為：在解碼器接收5Mbps的單路電視節目時，每傳輸1小時產生少於一次無法校正的錯誤，近似相當於解復用前TS流PER<10-7），比DVB-S標準提高了3dB，以致於DVB官員認為這已是衛星廣播通道的終極標準，不需要再開發DVB-S3了。

（1）LDPC-BCH

DVB-S2糾錯編碼由包括休斯、菲力浦、意法半導體等七家公司參與角逐，形成四個候選方案，即Parallel Turbo codes、Serial Turbo codes、Turbo Product codes和LDPC，最初的焦點集中於20世紀90年代中後期大顯身手的Turbo碼，不少公司已經先期投資開發基於Turbo編碼的晶元，然而LDPC碼最終勝出。LDPC碼的發展頗具幾分傳奇色彩，麻省理工學院的Gallager 1962年在其博士論文中首次提出LDPC，但由於當時VLSI（超大規模集成電路技術）尚未成熟，難以逾越的複雜程度將其束之高閣，逐漸被人淡忘，九十年代末，受Turbo碼成功的啟示，LDPC技術的的價值被重新挖掘，成為當前編碼領域的熱點之一。

LDPC碼是一種有稀疏校驗矩陣（校驗矩陣中1的個數較少）的線性分組碼，具有能夠逼近香農極限的優良特性，並且由於採用稀疏校驗矩陣，解碼複雜度只與碼長成線性關係，編解碼複雜度適中，在長碼長的情況下，仍然可以有效解碼。目前該技術已得到國際上的廣泛重視，今後將在通信中得到廣泛應用，尤其是在質量較差的通道環境如移動通信、衛星通信等領域，此前已有在第四代移動通信系統中使用LDPC碼的研究報告。

（2）調製

DVB-S.2另一個比較大的革新是其調製方式，與DVB-S採用單一的QPSK調製方式相比，DVB-S.2有更多的選擇，即QPSK、8PSK、16APSK、32APSK。對於廣播業務來說，QPSK和8PSK均為標準配置，而16APSK、32APSK是可選配置；對於互動式業務、數字新聞採集及其它專業服務，四者則均為標準配置。

APSK是另一種幅度相位調製方式，與傳統方型星座QAM（如16QAM、64QAM）相比，其分佈呈中心向外沿半徑發散，所以又名星型QAM。與QAM相比，APSK便於實現變速率調製，因而很適合目前根據通道及業務需要分級傳輸的情況。當然，16APSK、32APSK是更高階的調製方式，可以獲得更高的頻譜利用率。16APSK的星座示意見圖2。

在衛星通道中使用高階調製方式，顯然也意味著在抗雜訊接收方面的技術進步。DVB-S2特別組的研究表明，採用LDPC與8PSK的編碼-調製組合，可以獲得更好的傳輸性能，此前8PSK與原糾錯編碼方式的組合在誤碼率指標測試方面不太理想。

圖 2

休斯公司提供的資料表明，LDPC&8PSK的編碼組合距離香農極限僅0.6～0.8dB，遠優於現有RS&卷積碼的4dB，也比其餘基於Turbo碼的候選方案強0.3dB。

（Variable Coding and Modulation，VCM）與適應編碼調製（Adaptive Coding and Modulation，ACM）

VCM、ACM的使用是DVB-S2的另一個顯著的改進。在互動式的點對點應用如IP unicasting、Internet接入等中，可變編碼調製（VCM）功能允許使用不同的調製和糾錯方法，並且可以逐幀改變。採用VCM技術，不同的業務類型（如SDTV、HDTV、音頻、多媒體等）可以選擇不同的錯誤保護級別分級傳輸，因而傳輸效率得以大大提高。

VCM結合使用回傳通道，還可以實現適應編碼調製（Adaptive Coding Modulation，ACM），可以針對每一個用戶的路徑條件使傳輸參數得到優化。

ACM可根據具體的傳播條件，針對具體的接收終端，提供更精準的通道保護和動態連接適應性。ACM的突出優點是可以有效利用所謂“clear sky margin”帶來的4～8dB的能量浪費。原有衛星應用中，為滿足QEF的傳輸效果，必須有一定的功率冗餘，通常冗餘是以覆蓋區域內產生的最大雨衰為標準計算，顯然這部分冗餘對於絕大部分地區是不必要的，即便是雨衰最嚴重的地區，天氣較好時也承受著不必要的能量浪費。而在IP unicasting業務中，採用ACM可隨時根據接收地點的情況變化調整傳輸參數，因而對於功率冗餘的計算可以重新精細調整，因此可以使衛星的平均吞吐量增加兩倍到三倍，減少服務成本。

DVB-S2的所有改進是通過與DVB-S不兼容的技術方式實現的，但考慮到業內有大量的DVB-S接收機尚在使用，它也通過可選配置的模式提供後向兼容，採用後向兼容模式，原DVB-S接收機可以接收部分DVB-S2的信號。

後向兼容模式的實質是在一個衛星通道上傳輸兩個TS流，分別為HP（High Priority）TS流和LP（Low Priority）TS流，二者各自採用不同的糾錯編碼方式，然後通過特殊的映射方式在星座圖中定位bit，在接收端可通過現有解調設備將二者分離。HP流可兼容DVB-S接收機，即使用DVB-S接收機可以解出DVB-S2中的HP TS流信號，而LP流只能用DVB-S2接收機接收。

圖 3

後向兼容模式的通道編碼過程如圖3所示，其實現兼容的核心是採用了非均勻分佈的8PSK星座映射結構（如圖4），圖4中8PSK的星座點並非如常在圓周上等距分佈，而是分別在QPSK的四個星座點周圍偏移θ角散開。合理選擇θ值是兼容是否可行的關鍵，θ值越小，QPSK解調器輸出越大，DVB-S接收機接收效果越好，但此時DVB-S.2接收機的抗雜訊性能下降，影響正常接收，因而θ取值需要權衡兩種不同情況后折中考慮。

圖 4

DVB-S和DVB-DSNG對信源的格式有嚴格的規定，即MPEG TS流，而DVB-S2則靈活得多，實現了對多種數據輸入格式的支持，擴展性大為增強。

DVB-S2支持包括MPEG-2、MPEG-4、MPEG-4AVC（H.264）、WM9在內的多格式信源編碼格式及IP、ATM在內的多種輸入流格式。作為當前通道編碼和信源編碼的最新成果，DVB-S2和MPEG-4AVC（H.264）的結合頗受業界矚目，可謂強強聯手，將會有更出色的表現。

DVB宣稱將在其10周年也就是2004年推出DVB-S2，但參考近年來H.264標準的制定，任何一種新標準的出台都是複雜的博弈過程，夾雜著技術的取捨和利益的平衡，所以何時能正式面世恐怕還未可知。由於當前DVB-S在全世界範圍內的廣泛應用，DVB官方認為短期內DVB-S2不會取代DVB-S，初始的應用主要面向一些新的業務如HDTV、基於IP的服務等。今後通過衛星實現高速Internet連接，結合DVB-S2 ACM技術、多點Ka波段衛星和DVB-RCS回傳連接，當前衛星容量的價格將降低十倍，在國外這也將啟動新一輪衛星接入與地面接入方式（如ADSL和光纖）的競爭。

廠商和運營商對DVB-S2多持積極態度，無論是晶元廠商還是整機廠商，新技術的應用都意味著重啟一個巨大的市場，而運營商則籍此可以降低運營成本，拓展業務空間。

2004年5月，意法半導體（ST）宣布該公司已完成符合DVB- S2的解調器的設計，卓聯半導體公司（Zarlink Semiconductor）二季度推出業界第一款符合DVB- S2標準的單片調諧器ZL10038，Scopus公司和英國Akelia Wireless也正在合作開發遵循DVB-S2標準的接收機。有報道稱DirecTV公司決定全面採用DVB-S2技術，用DVB- S2機頂盒無償替代現正使用的2300萬個機頂盒，費用高達40億美元之巨。