作者：国家广播电影电视总局广播科学研究院 杨明 施玉海 高鹏

【摘要】为适应我国卫星直播业务开展的需要，国家广电总局通过自主创新，形成了我国卫星直播信号传输技术体制与产业基础。本文首先简要回顾了卫星电视广播技术标准发展，重点介绍了我国卫星直播信号传输专用技术体制，先进卫星广播系统（ABS-S）的技术特点，以及目前产业基础准备情况。

【主题词】卫星直播 技术标准

　　2005年初，通过慎重、充分的论证，经国家发展改革委批复，我国正式启动了开展卫星直播的相关工作。该项工作的开展，可以极大地提高我国广播电视的覆盖水平，增强广播电视的服务能力，促进包括卫星设计与制造技术、节目传输技术、安全播出技术等在内的技术研究水平的提升，推动相关的产品制造、服务行业的发展与产业升级。
　　作为我国卫星直播业务的一项重要技术准备工作，国家广电总局经过认真研究、充分论证，决定针对包括卫星链路具体参数等在内的实际情况，充分利用通信与广播电视技术的最新发展，基于自主技术，研究一套专用的广播电视卫星信号传输技术手段，并制定相应的技术标准。

1 卫星广播电视技术标准的发展情况

　　卫星直播系统中有关广播电视信号传输和处理的标准是最为核心的技术规范。目前，世界上卫星直播系统中的信道传输主要是采用DVB-S标准。DVB-S标准是DVB标准体系中问世最早的标准之一，该标准也同时被确定为我国的国家标准GB/T 17700-1999《卫星数字电视广播信道编码和调制标准》。图1是DVB-S系统的基本信号处理流程。




　　从图1中我们可以看出，DVB-S只支持MPEG-2传输流格式的信号输入，前向纠错编码（FEC）采用里德-所罗门（RS）码+卷积码的级联编码方式，该技术具有较好的性能，实现成本较低。但其缺点也是明显的，首先是编码效率相对较低，其次是其载噪比门限距离理论上的信道极限仍存在较大的差距。同时 DVB-S采用单一QPSK信号调制，在卷积编码率为1/2时，实际有效载荷的传输效率仅为每符号0.92比特，而DVB-S的升余弦滤波滚降因子固定为 0.35，这些都限制了系统的信号传输能力。
　　由于HDTV、VOD、PPV、交互业务等多种业务的开展，卫星直播系统对传输总量的需求大大提高。这就要求卫星直播系统必须采用新的技术体制与手段，提供比过去更多的传输能力。此外，在DVB-S出现后的十年里，相关技术的进步使得对DVB- S的升级成为可能。因此，DVB组织在两年左右的时间里，完成了第2代DVB-S标准（DVB-S2）的制定工作。
　　DVB-S2相比 DVB-S在技术上有很大改进，代表了国际卫星通信领域的技术发展水平。DVB-S2工作组在启动研究工作之前，首先明确了这一系统所要实现的主要目标，即需求定义，主要包括好的传输性能、总体的灵活性、有限的复杂程度三个方面。工作组对这三个方面都做出了具体的量化的指标要求，并给出了相应的评估办法（如统一信道仿真模型）和计算工具（如芯片面积和功耗计算模型等）。经过对备选方案的测试比较，最终确定的DVB-S2系统具有如下一些特点：

　　（1）频谱效率（系统容量）大大提高
　　DVB-S2系统的前向纠错编码为外码采用BCH码，内码采用低密度奇偶校验码（LDPC）的级联码结构，长达64800比特的码字长度使其性能接近理论上的信道传输容量门限，仅相差0.7-1.0dB。同时，DVB-S2系统引入了8PSK等高阶调制方式，有关文献表明，与DVB-S系统相比，在相同载噪比条件下，DVB-S2的传输容量提高了30-35%。

　　（2）涵盖了更大的载噪比范围
　　由于卫星平台、转发器和天线的制造技术进步，使得高载噪比条件下的卫星应用成为可能，而相应的应用种类与范围也在不断发展，如互联网接入业务等。DVB-S2提供了从1/4到9 /10共11种前向纠错编码比率，与不同的调制方式共有28种可能的组合方式，涵盖的载噪比范围为-3.7dB到15.3dB，广播机构可以根据不同的信道条件和业务需求进行灵活的选择。同时，DVB-S2还提供了可变编码调制（VCM）和自适应编码调制（ACM）工作模式，可以进一步提高系统性能。

　　（3）适应多种业务需求
　　DVB-S2除提高了系统的传输性能外，还为适应不同业务需求提供了必要的手段。如提供了灵活的数据接口匹配方式，可以接受包括MPEG-2传送流在内的各种格式的单或多数据流，这些数据流可以是离散（异步）的，也可以是连续（同步）的。同时，DVB-S2还在物理层上引入了帧结构，通过同步字、信令、导频等辅助接收机实现快速帧同步和载波恢复，并为不同的业务应用提供了底层接口。
　　DVB-S2的系统结构如图2所示。




　　DVB-S2中的采用多项技术代表了数字信号传输技术的发展趋势。例如，在我国的地面数字电视传输标准（GB/T 20060-2006）中同样采用了LDPC+BCH级联码作为前向纠错编码，只是码字长度与生成矩阵的构造方式有所不同。
　　DVB-S2技术目前已经在美国DirecTV，以及英国BSkyB系统中得到应用，其它一些运营商也在积极考虑在高清晰度电视等业务中应用该技术。
2 先进卫星广播系统

　　2005年初，国家广电总局启动了我国卫星直播专用信号传输技术体制的预研与论证工作，并于2005年下半年正式下达任务，由广播科学研究院承担此项研究工作。项目研究工作从2005年9月正式启动，2005年底完成了主要的技术攻关工作，2006年1月底前实现了包括调制器与解调器在内的原型样机。 2006年3月到5月间，在中央电视台、无线电台管理局等单位的大力支持与配合下，项目组完成了系统实验室内测试与现场开路测试，测试结果表明，系统能够达到设计目标。项目组在此基础上形成了先进卫星广播系统（ABS-S，Advanced Broadcasting System - Satellite）的技术体制建议。2006年8月至9月，ABS-S专用解调芯片及采用该芯片的接收机样机相继研制成功。2006年10月到11月，完成了项目验收与标准化工作。
　　先进卫星广播系统的研究工作充分吸收、借鉴了国际卫星电视广播技术发展的思路与先进的设计理念，同时对包括信道编码、交织、符号映射、帧结构设计等技术环节采取了整体性能优化的指导思想，在重点技术环节上有所突破，实现了自主创新。
　　在ABS-S中采用的主要技术包括LDPC信道编码技术、高阶调制技术、高效的帧结构设计等。

(1) 信道编码技术

　　前向纠错编码技术一直以来是通信技术研究领域的重点。在香农信息论中已明确指出，在指定的条件下，信道的信息传输能力是受限的，同时存在某种信道编码方式可以达到这一极限，即所谓的香农限。因此信道编码技术研究的主要目标是在可获得的载噪比条件下，寻找一种信道编码方式，使信道传输效率尽可能地接近香农限。
　　1962年， R. G. Gallager在其博士论文中首先提出了LDPC码的概念，由于当时超大规模集成电路设计与制造技术尚未成熟，难以逾越的复杂程度使其被束之高阁。 1995年，受Turbo码成功的启示，MacKay和Neal研究的迭代译码算法使LDPC码的价值被重新挖掘，成为当前编码领域的热点之一。LDPC 码是一种具有稀疏校验矩阵（校验矩阵中1的个数比较少）的线性分组码，具有逼近香农限的优良特性，译码复杂度只与码长成线性关系，编码复杂程度适中，在码长较长的情况下，仍然可以保证有效译码。LDPC码被认为是目前最好的FEC编码方式之一，在信道环境较差的移动通信、卫星通信方面得到广泛的应用。
　　ABS-S中采用了一类高度结构化的LDPC码。该结构的LDPC码，其编解码复杂度低，并可以方便地在相同码长下，实现不同编码比率的LDPC码设计。
　　在DVB-S2中，采用了内码为LDPC码，外码为BCH码的级联码结构。采用BCH作为外码主要有两个方面的目的，首先是在编码效率损失很小的情况下（小于2%），可以获得0.1-0.15dB左右的编码增益，进一步提高系统性能，在方案选择中体现出竞争优势；而更为重要的是DVB-S2中的LDPC 码设计上存在一定的缺陷，在某些编码比率时其差错平底（Error Floor）达不到视频应用中QEF误比特率的要求（10-11误比特率或10-7误包率），必须通过外码级联的方式来降低差错平底。同时，在DVB- S2中规定广播应用时必须使用码字长度为64800比特的长码，这大大增加了芯片实现的复杂度与成本。
　　与DVB-S2相比，ABS-S在信道编码方案的设计上具有两个方面的优势。
　　首先，ABS-S的LDPC码的码字长度为15360，且不同编码比率时，码长固定。而DVB-S2的LDPC码分长码与短码，其长度分别是64800 和16200。尽管在LDPC编码中，码字长度较长时，具有更好的逼近香农极限特性，可以减小突发差错对译码的影响，然而ABS-S中的LDPC编码在码字长度小于DVB-S2短码时，仍具有与DVB-S2长码基本相当的性能。同时，较短的码长在硬件设计时具有编解码简单及硬件成本低廉的特点，更易于被市场接受。
　　其次，ABS-S仅依靠LDPC编码即能够实现低于10-7的误包率要求，这样就不需要额外级联BCH或其它形式的外码。通常，短码字的LDPC码具有较高的差错平底，ABS-S中的LDPC码能够在码字较短的同时提供低于10-7的误包率，充分体现出了在信道编码方案设计上的优势。
　　与DVB-S2相同，ABS-S提供了从1/2到9/10的多种编码比率，其范围从1.3dB到11.25dB（QPSK与8PSK调制方式下），步进差值大约在1dB左右。这样，结合不同的滤波滚降因子可以为运营商提供相当精细的选择，从而根据系统实际应用条件充分发挥直播卫星的传输能力。
　　图3给出了ABS-S中采用的LDPC信道编码方案的纠错性能曲线（QPSK调制方式下）：



　　另外，考虑到卫星载荷制造技术的进步，ABS-S中提供了16APSK和32APSK两种高阶调制方式，这两种方式在符号映射与比特交织上结合LDPC编码的特性进行了专门的设计，从而体现出了整体性能优化的设计理念。

(2) 帧结构设计

　　由于在信道编码上采用了LDPC线性分组码，因此在链路层必须提供必要的同步机制，即以帧为单位进行传输，并提供帧起始标识。在DVB-S2中采用了自相关性非常高序列作为帧起始（SOF）标识。ABS-S借鉴了这一思路，其唯一字（UW，Unique Word）长度为64个符号。
　　在 DVB-S2中，一个物理帧中只包含一个LDPC码字，这样在调制方式发生变化时（VCM或ACM方式下），物理帧的符号长度或时间长度将随调制方式不断改变，这就为接收端的同步带来很大的不便。ABS-S在设计上采用了另外一种思路，即固定物理帧长度（不含导频），在一个物理帧内可以传输不同调制方式的多个LDPC码字。同时，在ACM工作方式下，通过特定的数据结构NFCT对下一帧的结构进行描述，如各LDPC码字的调制方式、编码比率等。这样做最大的优势在于物理帧的时间长度固定，即同步字UW以相同的时间间隔出现，便于接收机进行同步搜索。同时，NFCT可以对一帧中多个LDPC码字的参数进行描述，而NFCT被放置在一帧的第一个LDPC码字中，同样通过LDPC进行编码，在信息量相同的条件下，其传输效率明显高于DVB-S2中采用的里德-穆勒码（MODCOD字段）。
　　ABS-S在帧结构设计方面的另一个特点在于其高阶调制方式下导频字的插入。DVB-S2中的导频长度固定为 36个符号，这种设计灵活性较差，在特定的符号率范围内性能良好，而在低码率时，其性能不佳。ABS-S中的导频插入可以根据实际系统应用条件，由运营商自行设置，而接收机则进行自适应的判断，大大提高灵活性和系统性能。同时由于ABS-S采用了固定的物理帧符号长度，保证了导频信号的均匀插入。

　　ABS-S的主要技术参数如下：
　　* 输入信号：MPEG-TS比特流或通用数据流（如IP包）；
　　* FEC编码方案：LDPC编码；
　　* LDPC帧长度：15360比特；
　　* LDPC编码率：1/4～9/10，与不同调制方案共有28种组合方式可供选择；
　　* 载波调制方案：QPSK、8PSK（用于所有业务），16APSK、32APSK（用于除广播业务外的所有其它业务）；
　　* 脉冲成型滤波滚降因子：0.35、0.25、0.2；
　　* 导频：可选，同相QPSK符号；
　　* 支持可变编码调制与自适应编码调制的无缝衔接；
　　* 提供网络控制信息插入功能。

　　通过在设计思路与技术实现手段上的创新，ABS-S与DVB-S2技术相比，系统总体性能相当，同时在某些方面具有一定的优势。
　　* ABS-S在信道编码的设计上比DVB-S2更加优化。在ABS-S中，仅使用LDPC作为信道编码，提高了传输效率，同时仍然实现了10-7以下的差错平底。
　　* ABS-S的LDPC码型设计在性能与复杂度之间进行了更好的折中，在性能相当的前提下，ABS-S码长不到DVB-S2的四分之一，这大大降低了ABS-S的实现难度，并缩短了信号传输延时。
　　* ABS-S采用了更为合理、高效的传输帧结构。其传输帧长度不随调制方式的改变而变化，具有统一的符号长度。这使得接收机能够具有更好的同步搜索性能，同时还可以实现不同编码调制方式的无缝衔接，提供了更大的业务配置灵活性，特别是能够更好地适应未来直播卫星或接收机技术的进步。
　　* ABS-S在比特交织和符号映射等信号处理环节上同样采用了独特的技术，这些技术能够充分发挥LDPC编码的优势，进一步优化整个系统的性能，体现了合理设计、全局优化的设计理念。

　　ABS-S完全基于自主知识产权的技术构建而成。在ABS-S中，共包含八项专利技术，这些专利技术涵盖了卫星信号传输的帧结构、信道编码和调制方式。
　　目前，ABS-S接收机的设计、生产已完全实现国产化，包括九州、同洲、、海尔、上广电、长虹、海信等在内的十余家厂家已完成产品开发与试制工作，为我国卫星直播业务的开展提供了必要的产业基础条件。
　　我国的卫星直播业务经历了漫长的孕育、准备阶段，而近期以ABS-S技术为代表的新技术的出现与应用将为我国的卫星直播业务开展提供良好的技术基础与保障。而随着应用的逐步推广，相关的经营、服务与管理工作同样需要不断的探索与实践，同样需要充分发挥创新意识，从而实现能够满足不同主体需求的良好的运行机制。