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d v b s 系统反向数据链路设计与实现 摘要 v s a t ( v e 哆s m a l la p 咖t e m i n a l s ) 卫星通信网络是一种新型 的电信网络，她的诞生给卫星通信的发展注入了新的活力，在卫星通 信领域里占有重要的地位。v s a t 发展的本质是卫星通信趋向多功能、 多智能、设备小型化。 本课题来源于“基于v s a ：i 的数字视频信号收发及控制系统的设 计与实现”项目。我在这个项目中负责数字视频信号收发部分的设计 与实现。由于收发的数字视频信号采用瑚巳p g 一2 压缩编码，所以信 道适配器我们采用欧洲的数字电视标准d 一s 作为设计参考。 d v b ( d i g i t a l d e ob a d c 鲫t i l l g ) 是成熟的欧洲数字视频广播标 准集，包括d s ，d v b c ，d v b t ，分别用于卫星，有线电视和 地面广播，已得到e t s ( 欧洲电信标准) 和i t u ( 国际电联) 的批准。 在我国，d v b s 已成为数字卫星电视广播的标准，许多省级数字压 缩电视节目都采用了该标准。 d s 标准描述了固定卫星业务( f s s ) 和广播卫星业务( b s s ) 波段中用于卫星数字电视多路传输的帧结构、信道编码和调制方式。 d v b s 系统定义了从m p e g 2 复用器输出到射频信道，对基带信号 进行适配处理的设备功能模块。 本人在这篇论文中解析了在系统中所应用的关键技术及其理论， 并且根据数字视频数据收发链路的实际，抽象生成了一个仿真模型， 并且使用m a t l a b 6 5 针对其信到编码译码、成型滤波、调制解调和卫 星传送信道等具体模块进行动态仿真，作为正式系统设计的理论依据 和参考。 在对整个系统仿真的基础上，我进行了数字视频信号发送端信道 编码和成型滤波的f p g a 设计，以及接收端1 恤e r 驱动和人机交互的 设计。其中信道编码采用内码外码及联的形式进行纠错。内码采用卷 积码，外码采用r s 码，并且用扰码和卷积交织进行连续的突发错误 的纠正。我采用4 倍采样速率，滚降系数为o 3 5 的升余弦滚降滤波 器来实现成型滤波的功能。本系统的接收部分采用t c l 的d v b s 的接收t l m e r ，并且用m c u 驱动其接收信号和解调译码的过程。为了 能够方便的进行调试和使用1 l 的1 h e r ，我设计了一个由自定义键 盘和u m 显示器组成的人机交互界面，用于更改和显示n m e r 内部 寄存器的内容。 关键字：d sv s a t 卫星网络数字电视卫星信道适配器 d v b ss y s 田b 】b a c k 後r dd 虹a l i n kd e s i g na n di n 心l e m 匝n t a b s t r a c t v s a ts a t e l l i t cc o m m l m i c 砒i o nn l 时o r k i san e wt y p eo f t e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w 埘k i t si n v e n t i o na d d e de n 唧 屯ot h e d e v e l o p m c n to fs a t e l l i t ec o m f n _ u n i c a 墩魅鼢d 砚l p i e s 铋i m p o r t a n t p o s i t i 呱i 1 1 廿l es a ：t e l l 沁t e l c c o 嘲u l l i c 日i o na r e a 弧ee s s 吼c eo f 协ev s a t d e v e l o p m e n t i sm e m u l t i 如i ：i 【她o n ，f n u l t i - i n t e l l i g e n c e a n d 出珂i c e m i l l i 姗z a ：t i 0 芏lo f t h es 鼬b n i t et e l e c o 瑚吼u n i c a t i o n n l ep r o j e c ti sap a r to f “d i g i t a lv i d e os i 印a l 订a l l s c e i v 时鲫d c o n 乜d l l e rd e s i g n 锄“m p l 鲫e n tb 硒eo nv s a tn e 撕。出i nm ea i rf o r c e e q u i p m tr e s e a r c hc e n t e ri 锄s w e rf o rd i g i 协lv i d e os i 辨a l 廿- b i l s c e 如e r d c s i g na n di m p l e m e n ti nm i sp r o j e c t 。t h ev i d e os i g n a l i s a d o p t e d m e p g - 2e l l c o d e s ot i l cc h a l l n c la d 印t e rb 船e so nd 谵i t a it vs t 嘲d a f d “d v b s 丘o me u r 叩e d v b i 爵t a lv i d b r o a d c a s t i i 园i sad e v e l o p e ds e td fe l 】r 叩e a i l d i g i t a lv i d e 0b r 0 8 d c a s ts t a n d a r d s ，i n c l u d i n gd v b s ，d v b - c ，d v b t ， u s e di ns a t e l l i t c ；c a b l e _ t e l e v i s i o n 锄df l o o rb r o a d c a s ts 印啪t e l y ，a n dh a s b e e nr a t i f i e db ye t s 吼di t u i nc h i n a ，d v b sh 髂b e e nf e c o 印i z e da s m es t m d a r do fd i g i t a ls a t e l l i t e ，7 姐db r o a d c a s t ，a i l dm 锄yp r o v 访c i a l d i g i t a lc o m p r c s s e dt vp r o g r a mu s e 也i s8 t 融d 盯d i nm i ss y s t 锄， w e a l s o 仃a n s m i tm p e g - 2c o d es t r e 跚a c c o r d 协gt om i ss t m d a r d d 一s 删a r dd e s c r i b e s 吐l e 硒m es t i i l c t u r e ；c h a 衄e lc o d i n ga n d m o d u l a t i o nf o rs a t e l l i t et vi 1 1b a n do f n l cf i x a t i o ns a t e l l i t es e r v i c e ( f s s ) a n dm eb r o a d c a s ts a t e l l i t es e r v i c e ( b s s ) d v b ss y s t e md e 鼬e da f h n c t i 蚰a lb l o c kt h 砒叩e r a ：i o n s 矾da d a p t sb a s e b 蚰ds i g l l a lm a tb e o u t p u t c e d 丘1 0 mm p e g - 2m u x t ot l l ei 冰c h 蚰n e l ip a r s ek e yt e c _ 鼬i q u ea l l dm e o r ) rf o rs y s t 啪印p l j c a t i o n b a s e 锄也e p 脚c t i c eo fd 培i 纽lv i d c od a t a 咖s c e i v e rl 址，ia b s t r a c tam o d u l e 也a t i n c l u d e sc h a n n e l 明c o d e 觚dc h a 衄e ld e c o d 访g ，s h 印洒gf i l t m o d u l 砒i o n a i l dd e m o d u l 撕0 n ，e t c t h er e s u l ：ts i m u l a t e db ym a t l a b 6 5i sa b 鹊eo ft l l e s y s t e m ? id e s i 髓e dt h ec h a l l l l e l 髓c o d e 蚰ds h 印i n gf i l t e ro fd i g 妇lv i d e o s i g n a l 乜呲s m i t t e fw i mp f g a a n dm e nid e s i g n e d1 、m e rd r i v e r 锄d h u m a nm a c h i n ej n t e l f a c eo fr e 翻ve r t h ec h 锄e | c n c o d ea d o p 姆m e c o n n c c t i o nc o d et h a ti 衄c rc o d ec o m b i l l e so l i t e rc o d ef o rc o 圩e c t i i l ge 螂玎 t h ei n n e rc o d e 印p l i e s n v o l u t i o nc o d e 1 1 1 eo u t e rc o d e 印p l i e sr sc o d e iu s e l er i s ec o s i l l er o l l i n gf i n e rw i l lm u l t i p l es 锄叩1 em t e 醐da = o 3 5t o a c c o m p l i s hs h a p i l l gf i l t e r t h er e c e i v e ru s e st c ld v b s t u n c r 也a ti s d r o v e ds i g n a lr e c e i v ea n dd e c o d m gb ym c u f o rc o n v e n i e n c et od e b u g a 1 1 dt oa p p l yid e s i 朗ah 啪a nm a c h i n ei n t e r f a c e c o n 8 i s t i n go fd e f a u h k e y b o a r da i l dl e i ) s c r e e i lm a tc h a n g e s 锄dd i s p l a y st h ec o r l t e m so f t u n e r si m e m a lr e g i s t e f s k e yw o r d ：d v b sv s a ts a t e l l i t en 咖o r k d i g i t a l t vs a t e l l i 把 c h a n n e la d a p t e r 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：气绣 _ 扣 日期：互垄z 么二皇丛 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 文注 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 第一章v s a t 网络及d v b s 系统简介 1 1 序言 卫星通信是利用人造地球卫星作为中继站，在地球站之间，或者地球站和移 动台之间进行的通信。随着大规模集成电路( v l s i ) 和数字信号处理技术( d s p ) 的发展，全数字的高速数据采集和发送，以及数字基带接收机的设计和实现已经 成为可能。这种数字化的接收机成本低、抗干扰能力强。同时由于大量使用可编 程器件( p l d ) ，利于系统的维护和升级。在此背景下研究和开发卫星通信的数 字视频信号收发系统无论军用或民用都有重要意义。 在我们的专用系统中，通信涉及地面站，通信卫星以及移动台( 高速飞行器 等) ，目标是实现地球站和移动台间的通信。这里地球站是指设在地球表面上的 无线电通信站，而移动台利用摄像头采集数据，并在地球站的控制下借助通信卫 星与地球站进行通信，从而达到实时监控的目的。 1 2v s a t 网络概述 1 2 1v s a t 网络的历史 v s a t 系统起始于8 0 年代初期，经过爿i 断的改进和完善，在技术上已基本 成熟。由于v s a t 系统具有组网灵活、安装方便、价格低廉、功能齐全、能提供 数据、话音、阻像等多种通信业务。v s a t 系统的出现是卫星通信技术的重大突 破，改变了当前卫星通信发展的重要方向，卫星通信传输质量好、组网灵活、费 用低廉、安装维护方便，不仅改变了当前卫星通信行业的产品结构和生产规模， 而且还形成了新的组网概念，给整个电信网络的发展注入了新的活力。 所谓v s a t 终端通常是指天线口径小于2 5 m ，由主站应用管理软件高度监 测和控制的小型地球站。到8 0 年代中期，人们一般习惯使用其英文名称( v e r y s m a l l a p c r t u r et e m i n a l s ) 的缩写，称作v s a t 终端( 小站) 、v s a t 系统( 网络) 。 v s a t 系统可工作在c 波段或k u 波段。 1 2 2v s a t 网络通信的业务范围 通常，一个v s a t 网络由一座主站和数百个或上千个v s a t 远端小站组成， 形成一个公用或专用通信网络。每一个v s a t 远端小站可根据业务需要分别和数 据、图像、话音或者计算机等终端设备连接。从而组成功能完整的传输网络，将 各种业务传输到主站或任一个远程v s a t 终端。 v s a t 网络所提供的通信业务种类概括起来有以下三种： 1 广播式的分发业务( 星型单向业务) ：使用中枢站将指挥重心的信息定期 或不定期的播发到下属备有关部门或业务场所。其业务种类包括数据、图像、电 视等。 2 数据采集和监控：通过v s a l 对某一工业流程或水情、地质、气象变化进 行实时的数据采集，并执行监视控制功能。主要业务有数据、图像。 3 双向交互业务：分为两类( a ) 一点到多点的星状网络；( b ) 点到点的网 状网络，主要传输数据业务。 由于v s a t 网络的应用范围非常广泛，市场前景看好。同时也要求v s a t 网 络不断地改进，在组网技术、设备制造和面向市场等方面迈上新的台阶。从市场 角度来看，要求v s a t 网络进一步降低系统成本，并且提供尽可能多得业务，能 与各种用户终端设备和其它地面通信网络相连接，组成更大规模的通信网。 1 2 ，3 卫星通信中的信号传播 卫星通信与微波通信都是利用微波信号经过空中传播，把信息送往目的地。 在本质上两者都是中继通信。卫星通信是以卫星转发器作为中继站，通过发送端， 接收端之间的通信线路( 有时也叫卫星通信链路) 来完成两地之间的信息沟通。 卫星通信地球站与卫星之间的距离较远，电波信号的传输损耗大，这样即使尽量 增大地球站和卫星转发器的发射功率、天线口径，接收站接收到的信号仍非常微 弱，因此研究卫星通信信号的传输损耗以及各种噪声，对于卫星通信来说是很重 要的。 卫星通信信号的传输损耗 1 卫星通信工作频段 卫星通信的工作频段将影响到整个通信系统的传输容量、网络效率、对卫星 转发器的利用率、地球站设备的复杂程度以及其投资成本等。 目前大多数卫星通信系统使用以下工作频段： 1 ) 甚高频波段u i f 4 0 0 ，2 0 0 m h z 2 ) l 波段1 6 1 5 g h z ，主要用于移动卫星通信、海事卫星业务等： 3 ) c 波段6 0 4 o g 垃，主要用于固定卫星业务和专用卫星业务，v s a ：r 网络 等； 4 ) x 波段8 o 7 o g h z ，用于固定卫星业务； 5 ) k u 波段1 4 o 1 1 o g h z ，主要用于v s a t 网络、卫星电视广播等业务。 从目前国际情况看，v s a t 网络主要使用k u 波段，由于卫星转发器的限制 及技术等原因，大多数发展中国家使用c 波段，少数发达国家也开始使用k a 波 段。 2 大气气体对电波信号的吸收衰耗 一2 - 当电波在地球站与卫星之间传播，穿过大气层时要受到电离层中自由电子和 离子，以及对流层中氧分子，水蒸气分子的吸收，而引起衰耗。这种衰耗与电波 的频率、波束的仰角以及天气好坏有密切的关系。在1 0 0 m h z 以下的低频段，电 离层中的自由电子或离予的吸收起主要作用；在1 5 3 5 g h z 频段，水蒸气的吸 收起主要作用；在1 5 g h z 以下和3 5 8 0 g h z 之间的频段内，主要是氧分子的吸 收起支配地位。 显然，v s a t 卫星通信网络主要使用k u 波段和k a 波段，其大气吸收损耗 主要是由对流层中的氧分子和水蒸气分子，分别在几个波长上有电波的吸收谱 线。这些吸收谱线的频率宽度随大气压而变化，大气压升高，频率展宽。 当天气恶化，电波在对流层中传播时，由于有部分能量被雨、雾、云、雪吸收 或散射丽引起损耗。损耗的大小与电波频率、穿过的路程、雨雪的大小以及云雾 的浓度有关。 3 卫星通信接收系统的噪声 卫星通信和其它无线通信一样，决定系统性能的主要因素是系统带宽和噪声 功率。接收系统的外来噪声主要有：宇宙噪声、大气噪声、降雨噪声、太阳噪声、 人为噪声、干扰噪声、地面噪声等。这些噪声和天线辐射面导体的噪声一起组成 天线噪声，内部噪声包括馈源损耗噪声、馈线损耗噪声、低噪声放大器噪声、接 收机噪声。以上各种噪声均属于热噪声。除此之外，还有信道内的交扰调制噪声， 通信信道之间和卫星传输链路之间的干扰噪声等。 1 2 4v s a t 网络的发展前景 v s a t 网络的出现是卫星通信发展史上的个重要里程碑，它使卫星通信向 智能化、设备小型化、通信终端面对用户及向个人通信发展不断进步。综合考虑， v s a t 网络技术的发展趋势表现在以下几个方面： 1 开发更高的频段。国外的v s a t 大都工作在k u 波段，今后将要开发k a 或更高的波段以利于扩大容量、减小设备体积、提高传输速率和适应多种业务的 要求。 2 v s a t 的网络管理监控系统将更加完善，趋予复杂化、智能化。 3 进一步简化小站结构，必须采用更先进的微电子技术、微波集成、多功能 集成电路、高性能的固态功放( s s p a ) 及小天线技术等。 4 v s a t 向高速率方向发展，将逐渐占领稀路由卫星通信业务的大部分市场。 v s a t 发展的本质是卫星通信趋向多功能、多智能、设备小型化。根据国际 上卫星通信技术发展的新动向，在v s a t 和海事卫星通信的基础上，结合卫星多 波束覆盖、星载处理技术、地面蜂窝移动通信和计算机软件技术的综合应用，在 二十一世纪，卫星通信的发展将会产生新的飞跃。 3 1 3d v b 心系统概述 13 ，1d v b s 拚议标准概述 目前，数字卫星广播的制式大致分为两种：一种是欧洲国家提出的数字视频 广播方式，通常称为d v b s ；另一种是美国通用仪器公司开发的方式，称为 d 蟛c i p h e r 方式。两种方式互不兼容，差别主要在于数字信号的传输方式上，换 句话说就是信道编码有所不同，而信源编码部分都采用了所谓的m p e g 2 压缩方 式。 欧洲的数字视频广播是在欧洲数字视频广播( d v b ) 项目研究的基础上完成 的，用于在各种不同的信道中传送数字视频信号，可分为d v b s 、d v b c 和 d t 三种方式，分别对应于卫星广播、有线电视和地面广播。d v b - s 自1 9 9 4 年发布开始，已经被世界上许多国家采用，目前业已成为数字卫星广播的主流方 式。 所谓的d v b s 方式就是符合欧洲电信标准e t s 3 0 04 2 l 的数字卫星广播方 式，欧洲电信标准由欧洲广播联盟( e b u ) 和欧洲电信协会( e t s i ) 的联合技术 委员会( 盯s ) 制定的。在e s t 3 0 04 2 l 的标准内详细的描述了数字卫星广播中数 字信号( 包括数字视频、数字音频和数据信号) 的帧结构、信道编码方式和调制 方式。 d v b s 系统中采用的信号调制方式是调相方式，具体是应用四相相移键控 ( o p s k ) 。为了尽量减少误码对数字信号传输的影响，在d v b s 系统中采用了 卷积码和r s 码的级联码误码保护方式。 d v b - s 系统适用予不同带宽的卫星转发器，允许实行节目的复用，数字卫 星广播可以传输不同的电视业务、声音业务和数据业务。 1 32 反向数据链路的数据源格式 反向链路采集数据采用悯p e g ，2 编码并传送。在m p e g 2 中，数据随机存 取的基本单元为视频帧或者音频帧，定义了两种不同类型的码流输出到信道中。 一种称为节目流( p s 。p r o g 咖s 仃e 枷) ，主要用于硬盘存储和光盘存储；另一种称 为传输流( t s t r 柚s p o ns t r e 锄) ，主要用于卫星广播，地面广播和有线电视系统。 将打包的基本码流送入复用器( m u ) ( ) ，就可以得到节目流和传输流。 在本卫星通信系统中，信道传送的是传输流f r s ) 。传输流用于对数字电视信 号进行长距离传输，适用于误码率较大的环境下( 通常误码率可达1 0 4 级别) 。为 了便于消除误码，传输流由若干个传输小包组成，每个小包的长度为1 8 8 字节。 其中前4 字节为包头，剩余的1 8 4 字节用于传输数据。在包头中，包括个固定 的同步字节4 7 。 1 3 3 反向数据链路的物理层结构 d v b s 系统定义了从m p e g - 2 复用器输出到卫星射频信道，能够对电视基 带信号进行适配处理的设备功能模块，也可称为卫星适配器。采用d v b s 协议的 反向链路系统物理层结构如图卜l 所示。 霾 哥 i 剖嬲h 割1 i 嬲鹋；玛器h 19 m 铆掰积摊l 复厍 n 图l - l d v b - s 系统框图 该系统对数据流做以下处理： 1 传送复用适配和用于能量扩散的随机化处理： 2 外编码( 即r s 码) ； 3 卷积交织； 4 内编码( 即卷积码) ； 5 基带成型； 6 调制。 由于卫星传输业务功率受限，因此强的抗干扰和抗噪声性能是系统设计的主 要目标。系统采用q p s k 调制方式以及级联的卷积码和r s 码的前向差错控制方 式，在接收载噪比高于误码门限的条件下，系统可以提供准无误码( q e f ) 质量 指标，即在一个小时的传输时间里不可纠正的错误少于一个，相当予在m p e g - 2 解复用器输入端的误比特率( b e r ) 为l 1 0 ”到l ，l o “。 在肝e g 一2 传送复用器后，系统输入码流组成固定长的数据包帧格式，如图 卜2 所示。包长度为1 8 8 字节，包括一个同步字首4 7 。另外，为了符合国际 电联的无线电管理规定，对输入数据进行扰码处理，扰码处理只针对信息字节， 不作用于同步字节。每8 个包作为一组，进行长为1 5 0 3 字节的一个周期的扰码 处理，为了向接收端提供初始化信号，将每组中第一个传送包的同步字节从 4 7 。逐比特反转为髓。 - 5 - 图l _ 2t s 传送包：同步字节和扰码序列 扰码后进行外码r s 编码，由( 2 5 5 ，2 3 9 ，t = 8 ) 的原码r s 码截短得到( 2 04 1 8 8 ) 的截短码，对每个包1 8 8 字节添加1 6 字节的保护信息，如图l ，3 所示。 fs y n c lo rr s y n c n 1 8 7 个字节 r s ( 2 0 4 ，1 8 8 。8 ) i 一一 图l - 3r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ，t = 8 ) 码误码保护包 图1 4 卷积交织原理图 然后按照图卜4 所示的原理，对误码保护数据进行深度i = 1 2 的卷积交织处 理，生成一个交织帧。卷积交织后是内码卷积编码。内码允许使用一系列基于约 束长度k = 7 ，编码速率为l 2 的卷积码。对于给定的业务速率和信道好坏，通过 选择合适的编码效率可以达到最佳的误码保护水平。d v b s 协议允许使用的删除 编码速率为l 2 ，2 3 ，3 4 ，5 6 ，7 8 ，在本系统中只使用基本的1 2 速率和2 3 删除速率。 系统使用普通的格雷码q p s k 调制，进行绝对映射，不进行差分编码，信号 空间比特映射如图卜5 所示。在调制之前，i 和q 信号将进行平方根升余弦滚降 滤波，滚降系数为o 3 5 。 斯。剖委礴垂巨丑哥 图l 5 卷积编码与q p s k 调制星座图 一6 - 第二章d v b s 反向数据链路关键技术解析 2 1 序言 如上章所述，反向高速数据链路采用由欧洲电信标准规划的d v b s ( 数字 视频广播) 标准。该标准描述了在固定卫星业务和广播卫星业务波段中，用于卫 星数字电视多路传输的帧结构，信道编码和调制方式。该系统用于不同带宽的卫 星转发器。d v b s 主要规定了m p e g - 2 码流在基带信道中的信道处理以及到中 频的调制方式。信道编码主要用于差错控制，以提高系统抗干扰级数和在卫星功 率受限的情况下提高通信容量。 差错控制是为了保证信号经有噪声和干扰的信道传输过程中造成的误码最 少的一种技术。为了抗干扰，可以通过加大发射功率，提商收发天线增益等措施， 但实践证明，采用纠错码为代表的差错控制技术，对信噪比改善所付出的费用更 小，因此成为更优先考虑的手段。 差错控制技术可以分成三类：前向差错控制( f e c ) ，自动重发机制( a r q ) 以及这两者混合的技术。 在心d 方式中，发送端发出能够检测错误，但是不能确定错误位置的码， 接收端接收后，根据编码规则进行译码并判决是否有错码，并通过反馈信道把判 决结果的信息传送给发送端。如果判决为有误码，则通过反馈信道通知发端重发 有误的消息。a r 0 方式工作原理简单，易于实现，缺点是延时比较大。主要用 于对实时传输要求不高的数据传送系统。 在f e c 方式中，发端发送能够被纠错的码，接收端收到后，不仅能够自动 的发现错误，而且可以自动地进行纠正。由此可见，应用a r q 方式必须要有反 馈信道，而卫星广播信道是单向信道，另外，卫星通信的时延比较大，也不适合 采用a r o 的方式，因此通常采用的都是f e c 方式。而在高层可以采用重发方式 提供附加保护。 f e c 包括了两大类技术：分组码和卷积码。分组码是将信源送出的数字序列 先进行分段，如每段由k 个信息码元组成 m 。，。，m 。 ，然后再加上n k 个 监督码元 r 。r ，。，风 ，构成长为n 的码组。码组称为( n ，k ) 码，表示码长 为n ，而信息码元数为k 。现在通常使用的包括c r c 码，b c h 码，r s 码等。与 分组码不同的是，卷积码在编码时，本组的( n k ) 个校验位不仅与本组的k 个信息 位有关，而且与以前输入至编码器的m 组信息有关，因此，卷积码编码器需要 存储m 个单位时间的信息，而卷积码的译码也需要以前的m 个信息。另外，卷 积码的k 通常在4 位以下，比分组码少的多。 7 在d v b s 中，使用了r s 码和卷积码的级联，作为纠错码的外码和内码， 此外还使用了扰码和卷积交织技术。下面将对d v b - s 的各个组成模块进行理论 分析。 2 2 用于能量扩散的随机化处理 为了符合i t u 的无线电管理规定并且保证有足够的二进制转换，从m p e g 2 信源编码器来的输入数据将进行随机化处理。这种“随机化”处理通常称为“扰 码”，就是用较长的伪随机序列与数字基带信号序列逐比特的模2 加，以改变原 来信号的统计特性，使其具有伪随机性质；在接收端，则用相同的伪随机序列与 解调出的数字基带信号序列按发端相同的规律模2 加，从而恢复出来原来的数字 序列，这个过程叫做“解扰”。 22 1 扰码的作用 在d v b - s 系统中采用扰码技术主要有以下两个作用： 1 能量扩散 当输入比特流不存在或输入比特流与m p e 6 2 传输流格式( 即1 个同步字节 + 1 8 7 个字节数据包) 而导致调制器发射未经调制的载波时，已调波的频谱将集中 在局部并含有丰富的离散谱，这将导致对与卫星广播业务公用频段的其他业务的 干扰超过规定值。使用扰码后，数字基带信号具有伪随机性质，其频谱将分散开 来，使上述干扰大大减轻。 2 改善位定时恢复质量 当输入数据出现长串的连o 或连l 码，将给接收端恢复位定时造成困难。使 用扰码后，可以大大减少长串连o 连1 的数目，从而改善位定时恢复的质量。 2 2 2 伪随机序列 伪随机序列是一种类似噪声的周期序列，它既包括最大长度线性反馈移位寄 存器产生的m 序列，也包括一些非最大长度线性反馈移位寄存器序列和许多其 它的由各种特别方式产生的序列。由于m 序列具有很好的伪随机噪声性质，并 且产生方法简单，所以受到广泛应用，我们这里也主要介绍m 序列。 1 - m 序列的产生 m 序列是由带线性反馈的移位寄存器产生的，具有最长周期。若移位寄存器 的长度为n ，由这个移位寄存器产生的m 序列的周期应该是2 ”1 ，这是因为如 果全0 序列进入移位存器则输出就永远是0 。n 级线性反馈移位寄存器的一般 结构如图2 一l 所示。它是这样构成的：取出移位寄存器的某几位的输出与反馈系 数相乘，在进行模2 加，并把结果反馈到输入端。 - 8 一 图2 1n 级线性移位寄存器 从图2 1 中我们可以得到输出端的表达式如下 h = c i l + c 2 2 + + 巳1 口i + 巳= ac f 靠， 式( 2 1 ) ，= 1 对于任意状态晖，有吼= aq 吼女，胛( 模2 )式( 2 - 2 ) 片l 式2 2 表示出移位输入以与移位前各级状态的关系，称之为递推方程。 n 级线性反馈移位寄存器是否只产生一种具有周期2 ”1 的序列，将取决于 它的反馈系数。我们定义一个n 阶多项式如下 n ，( 曲= 岛+ c l 工2 + + g x ”= ae x7 ( 模2 ) 式( 2 3 ) 卢o 我们称歌) 为特征多项式，式2 3 中的x 与移位寄存器的第i 个寄存器对应。 理论分析表明，如果f 【x ) 为本原多项式，则由f 【x ) 产生的所有序列都具有最大周 期m = 2 ”- 1 。个n 次的多项式f ( x ) 是本原多项式，其应该具备以下三个特征： 1 ) f i x ) 为不可分解的 2 ) f ( x ) 可整除( z 4 + 1 ) ，m = 2 ”一1 3 ) f ( x ) 除不尽( 妒+ 1 ) ，q m 2 _ m 序列的性质 1 ) 周期性：由n 级线性反馈移位寄存器产生的m 序列周期是2 。一1 。 2 ) 平衡性：在m 序列的个周期内，出现的“1 ”和“o ”的数目基本相同， “1 ”比“o ”的个数多一个。 3 ) 游程分布：一个序列中一组相连的相同码元称为游程，其中码元的个数 称为游程长度。在m 序列中，每个周期里长度为n 的游程数占总数的 l ，2 ”。 4 ) 移位相加性：一个m 序列与其任意一个循环移位的序列的模2 和，仍旧 是原始序列的另一个循环移位序列。 5 ) 自相关函数：一个m 序列的自相关函数的周期为m 。它的自相关特性接 近于随机信号的自相关特性。 2 2 3 加扰和解扰的实现 一9 扰码和解扰的实现可以有两种方式： 方式采用自同步的扰码方式。在这种方式中，数据输出的同时也输入到反 馈寄存器中参与线性移位计算，逻辑输出是反馈端与输入数据的模2 和。若设输 入数据为s ，用d 表示延时运算符号，扰码嚣的输出序列为g ，则关系可以表示 为( 其中c 表示各级是否参加反馈的系数) ： g = s o yc 。d g 式( 2 4 ) 爿 接收端解扰器采用同样的处理，输出序列为： r = g o c ，g = s o qd i g o c ，g = s 式( 2 - 5 ) i = 1忙lt = i 于是完成解扰。在这种扰码方式中，伪随机序列的产生依赖于输入信号序列，特 点是扰码器与解扰器之间不需要同步，即是自同步的，但输出序列的初始n 个比 特要受到移位寄存器初始状态的影响。另外，信道干扰所造成一个比特的错误将 引起解扰器输出序列中n 个比特的错误。 方式二中，伪随机序列的产生与输入信号序列是不相关的，其扰码和解扰可 以分别用2 3 和2 4 式表示： g = s o p 式( 2 6 ) 月= g o p = s o 尸o p = s 式( 2 7 ) 在这种扰码方式中，要求接收端的伪随机序列发生器与发端的伪随机序列发 生器同步工作，否则将解扰错误。另外，信道干扰所造成一个比特的错误将引起 解扰器输出序列中一个比特的错误。 d v b s 中采用方式二的扰码，使用的伪随机序列由最大线性移位反馈寄存器实 现，扰码计算如图2 - 2 所示。伪随机二进刳序列( p r b s ) 产生器为个1 5 级线性 反馈移位寄存器，其生成多项式为1 + x “+ x ”。移位寄存器的初始值为“1 0 0 1 ， 叭0 l ，0 0 0 0 ，0 0 0 ”，每加扰8 个m p e g 。2 分组( 即1 5 0 4 个b y t c ) 后，该移位寄存 器被重新置位。为了向解扰器提供启动信号，将每组8 个包中第一个传送包的同 步字首从4 7 m ，逐比特反转为b 8 。 lo01010l0o00o00 数嚼巍入( l j i 衄开始) ：1 0 如l d 积k m i 。0 4 0 d 0 1 0 图2 _ 2d 、毋s 系统随机化，去随机化原理图 p r b s 发生器输出的第一个比特加到反转后的占8 。同步字首后的第一个字 节的第一个比特，为了帮助同步，交织等功能，扰码器不会加扰每个m p e g 一2 分组的同步字节，但此时移位寄存器的反馈计算不会停止。 2 3r s 编码与译码 r c c d s o l o m o n 码( 简称r s 码) 是一类纠错能力很强的多进制b c h 码。在相 同编码冗余度下，r s 码具有最强的纠错能力。由于近年来超大规模集成电路技 术( v l s l ) 的发展，使原来非常复杂，难以实现的译码电路集成化，因此r s 码在 通信领域已得到广泛应用。r s 码属于线性分组码的循环码，本文先对线性分组 码以及编，译码中常用的运算方式进行介绍。 2 31 线性分组码和循环码 编解码是通过对码字实行乘，加运算实现的。加法和乘法运算是元素所在字 符集构成的代数域中的基本运算，满足一定的规则要求。关于域中的加法和乘法 运算规则，在各种通信及编码专著中有详细阐述。 分组码是由有限个元素的域构成的。具有q 个元素的有限域称为伽罗华域， 用g f ( q ) 表示。在分组码中，假设e ，c ，是某个( n ，k ) 分组码的两个码字，o 【。，o c ：是 码元字符集里的任意两个元素，当且仅当a 。c ，+ o 【：c ，也是码字时，称这个分组 码为线性分组码。线性分组码是经常使用和分析的码。码字的差别用对应位置上 不相同元素的个数来衡量，这种量度称为码字间的汉明距离。显然，在线性分组 码( 以下简称线性码) 中，任意两个码字的差仍然是一个码字，因此，线性码的重 量分布就决定了该码的距离特性。 设z ，x ：，是码字里的k 个信息比特，用行矢量表示为： x = k ，x ：， 】 编码器输出矢量记为 c = k ，c ：，。，q 】 对二进制线性分组码，编码运算可以用一组线性方程表示如下 c = 而亭l ，+ 工2 9 2j + + g 酊( _ ，= l ，2 ，哆 式( 2 8 ) 其中g 。，= o 门。该线性方程组也可用矩阵的形式表示为： c = 五g g 称为该码的生成矩阵，其中 g = g l l9 1 2 9 2 19 2 2 生成矩阵还可以通过线性代数中的行列置换运算化成系统矩阵的形式 g = k ；叫，其中 是k k 维单位矩阵，p 是k ( n - k ) 维矩阵，决定了n - k 个冗 余比特。 循环码是线性码的一个子集，它满足循环移位特性，即如果 c = c 。c 。，c 。】是某个循环码的码字，则由其循环移位得到的【c 。c 。c 。】也 是一个码字。针对循环码设计出了许多有效的编码和译码算法，使得含有大量码 字的长分组码得到广泛使用。将码字c = c 。c 。，c 。】与一个不大于n 1 次的 多项式相联系，表示为 c ( p ) = c 。一l p ”- 1 + c 。一2 p 肿2 十+ c l p + c o 式( 2 9 ) 对二进制码，各项系数为o 或1 ，对非二进制码，系数可能为其它值。引入 多项式后，方便了编解码运算的分析。 循环码的生成矩阵化成系统矩阵形式后，可以进一步简化为生成多项式 g ( x ) ，有了生成多项式和码多项式，就可以引入域的加，乘运算进行编解码，并 得到编码嚣，译码器的电路结构。 2 3 2 r s 码概述 b c h 码是一类重要的循环码，与汉明码等一些循环码相比，它能在一个分 组中纠正多个独立随机差错，具有纠错能力强，构造方便而被广泛使用。b c h 码可以是二进制，也可以是多进制的。 r s 码是一类重要的多进制b c h 码，首先由r e e d 和s o l o m o n 于1 9 6 0 年提 出，是g f ( q ) ( g 2 ) 上，码长= g l 的本原b c h 码。这类码的参数如下： = g 一1 = 2 一1 ，x = l ，2 ，3 ，一l ，d m 。= 一k + l 。其中d m h 是码的最小距离。 这种码可纠正f 个符号差错，扣l ( d 。一1 ) ，2 j = 【( 一x ) ，2 】。r s 码一个重要的 优点在于它很好的距离特性。嘲中证明了线性码最小距离的上界是： i m i 。一茁+ l 式( 2 1 0 ) r s 码达到了线性码最大可能的最小距离，因此称r s 码为极大最小距离码。 设长为n = q l ，设计距离为6 的r s 码，其生成多项式为 g ( x ) = ( x 一口) ( 工一口卅0 州) - ( x 一口+ 6 _ 2 ) m 。可取o 或1 。 r s 码的编码过程与普通线性码一样，使用带反馈的移存器构成除法电路， 不同的是所有移存器都应是2 ”进制，这一般用m 级二进制移存器并联工作。每 个反馈连接均乘以生成多项式中相应的系数。第三章中将给出详细的编码器电 路。 23 3r s 码的译码 b c h 码瓜s 码的译码问题一直是编码理论研究中的热点。一个码能否在实际 中应用，往往取决于译码器是否简单，快速以及其性能。b c h 码和r s 码具有很 1 2 好的纠错性能，构造也容易，但其译码算法一直比较复杂。传统的彼得森译码算 法奠定了二进制b c h 码译码的理论基础，但其计算量较大，真到勃利坎普提出 迭代译码算法，大大节省了计算量后，才从实际上解决了b c h 码和r s 码的译 码问题。 b c h 码和r s 码的译码与一般线性码的译码步骤可以分为几步；一，由接收 到的r ( x ) 计算出伴随式；二，由伴随式找出错误图样e ( x ) ；三，由r ( x ) 一e ( 功得 到发送的码字c ( x ) ，完成译码。但二进制b c h 译码时只有个错误值，在r s 码 中则有2 ”一1 种可能的值。 设o 【为g f ( 2 ”) 的本原元素，对r s 码，其校验矩阵为： 勰如下方程 日= 口“一1盯卜2口1 ( 口2 ) 肛1( 盘2 ) 卜2 - 口21 “) “池”) “口“1 1 焉 s 2 即可求出伴随式s 1 ，s 2 ，s 2 ，。 译码的目的在于由下面的2 t 个联立方程求出t 个错误位置数x ，和相应的t 个 错误值f ： j l = e 一+ e x 2 + + z = e 坼 = l r s ：= i z ? + 艺+ + r x ；= k x ； i = 1 如= 一z ? 。+ y 2 x ；+ + i # 7 = e 。 直接解上述方程比较困难，可分两步进行，先解出错误位置数x 。，再求错误 图样z ，为此可引入错误位置多项式a ( x ) = ( 卜x 。功( 1 一x ，功( 1 一工) ，若第k 个错误位置x = 以，则有盯( x ：