在数字卫星电视传输中采用透平码实现高效调制

如何利用更高分辨率的星座，以及先进的纠错算法来提高卫星传输效率是工程师关注的重要问题。卫星转发器所处的特定环境存在可用功率有限和高非线性工作的特点。本文介绍的透平码能够将传输效率提高到接近香农极限，而通过采用一种向后兼容的系统以及修正的8-PSK或16-QAM星座，可以实现一种最优化的高阶调制方法，它为新的解调器提供了更高的速率，同时允许现有的解调器继续担当辅助功能。

目前，大多数卫星数字广播都是采用著名的QPSK调制技术。QPSK调制具有理想的误差保护，其传输能力为每个符号传输两个位，即2位/s/Hz，但在有噪声的条件下这一字显然还要进一步降低。提高效率的第一个思路是增加每个符号传输的位数。在卫星数字广播中首选恒包络调制，以便使用饱和转发器，这实际上对应一种8-PSK方案，其信道位速率为3位/s/Hz。

但是，星座中相邻点之间的距离现在几乎减少了一半。因此，信号的功率必须按照同样的倍数来增加，以保持同样的噪声裕度并获得同样的输出位误码率(BER)。在大多数实际场合下，转发器无法提供这部分额外的功率，因此采用8-PSK时必须使用更好的纠错码以降低功率需求，下面所讨论的透平码方式就是一种解决方案。

在某些场合下，发射机的非线性可能比较小，这时可以使用其他调制：例如使用正常或特殊星座形状的16-QAM(或更多)。此时可以使用更多的信道位，但点间距同样要减少。不过，对于一个给定的净速率，所要的信噪比似乎可以比8-PSK中更低，因而同样必须具备有效的错误保护。

透平码

透平编码的原理是用迭代的方法解一系列方程。迭代的次数越多，结果与最可能的解就越相近，即被纠正的错误就越多。在一个实时解码器中，由于处理速度的原因，迭代是并行进行的，N次迭代意味着需要N倍数量的硬件。

硬件实现问题限制了透平解码器的性能，例如码的有限存储器长度以及数据路径的位数。更重要的是，当BER非常小(如10E-8)时，有可能出现一些基数效应(floor effect)，具体情况取决于透平码的结构。

通过将透平码与一个外部码(典型的如Reed-Solomon码)级联，可以获得很大的改善。必须在这两个码之间插入一个交织器，以便透平解码器在几个Reed-Solomon块上处理失败时，对产生的突发错误进行扩散。这种组合有两个主要的优点，首先，Reed-Solomon码能够在没有基数效应的情况下获得很低的BER(如10E-12)，而复杂度只相对增加较小；其次，它给出了一个可信任的依据，可以确保这个块是被纠错的。唯一的缺点是位速率略有降低，但这通常是可以接受的。

解调技术

解码器面临的难题是C/N比非常低，现在，透平编码就很可能会导致这样的情况。

因此，第一要稳定星座，恢复符号时序、载波频率及其相位，方法与QPSK解码器类似。

第二，接收器必须恢复调制的类型、由星座对称性导致的相位不确定度以及未知编码速率，可能还有未知的压缩相位(puncture phase)。它还必须将解码器的透平交织器进行同步。标准的逐次试探方法可能会导致无法接受的锁定时间。另一种方法是按照透平交织器的周期发送同步符号。例如，每2,048个未编码的位发送一个四符号序列，就能使接收器在达到比可接受的误码率所需的电平还低3dB的情况下实现同步。这种符号同步在透平解码前被识别，并能解决相位不确定性、识别编码速率、初始化透平交织器和压缩屏蔽(puncture mask)等问题，缩短几个数量级的锁定时间。

净位速率的提高

用8-PSK调制来代替QPSK可以使位速率更高，但需要更好的信噪比。为了比较效率，这个比率通常被表达为Eb/No函数，其中Eb是每个净位(net bit)的能量，No是噪声的频谱功率密度。在卫星广播中，关键的指标其实是载波-噪声比，它或多或少受到广播规则以及接收器天线尺寸的限制。

图1所示的曲线中：

1. QPSK中的DVB-S工作点，以及8-PSK(使用实用网格以及维特比和Reed-Solomon解码器)中的DVB-DSNG；
2. 一个实际透平码/Reed-Solomon实现的典型性能比较；

3. QPSK和8-PSK的香农极限。

虽然在功率方面节省了1.5到2dB，但是在DVB方面，透平编码本身提供的净位速率从低C/N QPSK时的30％降到了12dB 8-PSK时的10％。在现有的典型条件下，8-PSK与透平码的结合使得在8dB C/N附近，带宽的增加约为20％。在某些点对点应用(卫星调制解调器)中，更高阶的调制变得越来越有吸引力，要知道99％的时间和噪声裕度都比最小值大好几个dB。

向后兼容能力

可以想象，现有的系统不可能在一夜之间转换为高效率系统，但现有的QPSK系统可以首先转变为“向后兼容”系统，其中现有设备接收数据的速率与以前一样，而新设备的接收速率则更高。当所有的辅助系统被更换时，传输将变成纯8-PSK或更高效率的调制。

向后兼容的一种可能方案是发送一个修正的8-PSK或16-QAM星座，它是一个使用传统QPSK解码器的包含噪声的QPSK调制，但是只有新一代的解码器才能解码增加的信息流。例如，在向后兼容的8-PSK中，星座被看作四对点，分别位于四个象限，如图2所示。

每一象限中两个点之间的距离取决于角度θ：

1. 对于纯QPSK：θ= 0；

2. 对于常规8-PSK：θ = 22.5°；

编码流现在是两个输入流的组合，如图2所示：

1. 高优先级(HP)流，由现有的QPSK解码器接收。这些解码器不对A0和A1进行区别，但识别A、B、C、D附近的四个位置。

2. 低优先级(LP)流只由新一代解码器接收。在这里，通过区别A0点与A1点、B0点与B1点等等来实现解码。增加的解码器可以多提取一个信道位。

这个方案可以推广到更高级的星座，例如16-QAM。在这种情况下，每个象限中四个点构成一组，比如组成一个正方形。虽然理论上其效率更高，但这种方案会受到卫星转发器非线性的影响。

θ(发射机一侧)的取值至关重要。原因如下：

1. θ取小值对于QPSK的兼容性有好处，因为这意味着附加给真正QPSK信号上的噪声比较低。但A0和A1点之间的距离比较小，必须严格保护低优先级流，以纠正传输错误。这就是为什么低优先级流必须进行透平编码的原因。

2. θ取大值可以很好地区分低优先级流点，但是在与现有接收机兼容方面会有更多的潜在问题。在8-PSK中，θ在的最佳实际取值在10到15度之间。保持兼容性的代价是牺牲了1到2 dB的附加C/N。

通过将角度针对低优先级编码速率进行最优化，可以让系统适应不同的情形。在DVB-S环境中，一个向后兼容传输的编码链可以通过以下方法实现：

1. 高优先级流按照纯QPSK中DVB-S所定义的方式进行处理，直到符号变换器，包括能量扩散、Reed-Solomon编码、交织、卷积编码和压缩等。

2. 低优先级流按照顺序操作进行编码：

* 能量扩散和同步插入，如与高优先级流相同；

* Reed-Solomon编码，如与高优先级相同；

* 交织；

* 透平同步；

* 透平编码和压缩。

然后，将两个流都映射到上文所介绍的BWC星座。

本文小结

在新一代机顶盒中，一个普通的多模式解调器提取符号成分，然后高优先级流和低优先级流并行处理，先使用标准的DVB前向纠错器，再使用透平解码器，然后是解交织器和Reed-Solomon解码器，如图3所示。意法半导体的STV0499高可编程芯片执行BPSK、QPSK、8PSK和16QAM中多模式基带编码器和解码器的功能，包括透平码和与DVB-S的向后兼容功能。

参考文献：

[1] EN 300 421; Digital Video Broadcasting (DVB): "Framing structure, channel coding and modulation for 11/12 Ghz satellite service"; August 97 (http://etsi.org)

[2] EN 3001 210; "Digital Video Broadcasting (DVB): framing structure, channel coding and modulation for Digital Satellite News Gathering (DSNG) and other contribution applications by satellite", March 9997 (http://etsi.org)

[3] C. Berrou, A.Glavieux, P.Thitiamajshima, " Near Shannon limit error correcting and decoding: Turbo codes"; IEEE ICC'93 Proceedings, Geneva, Switzerland, May 93, vol 2 pp 1064-1071

作者：

Jacques Meyer

首席架构设计师

机顶盒事业部

意法半导体公司