《衛(wèi)星通信與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)》課件-第10章

第10章DBS衛(wèi)星系統(tǒng)10.1頻率選擇和極化10.2功率等級(jí)和轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)量10.3衛(wèi)星軌道間距10.4轉(zhuǎn)發(fā)器容量10.5數(shù)字衛(wèi)星電視的比特率10.6MPEG壓縮標(biāo)準(zhǔn)10.7DBS中的差錯(cuò)控制10.8DBS系統(tǒng)的組成10.9家庭接收機(jī)室外單元10.10-家庭接收機(jī)室內(nèi)單元10.11本章小結(jié)

10.1頻率選擇和極化

由于C頻段是衛(wèi)星和地面微波中繼通信系統(tǒng)的共用頻段,為防止衛(wèi)星廣播信號(hào)對(duì)地面微波通信系統(tǒng)的干擾,對(duì)C頻段衛(wèi)星的EIRP有嚴(yán)格的限制,以保證其地面的功率通量密度在允許的范圍內(nèi)。目前,DBS系統(tǒng)的衛(wèi)星都工作在Ku頻段,EIRP限定在45~59dBW范圍內(nèi)。

1979年世界無(wú)線電管理會(huì)議對(duì)衛(wèi)星廣播頻段進(jìn)行了分配。對(duì)于我國(guó)所在的第三區(qū)域,允許使用11.7~12.2GHz頻段內(nèi)的24個(gè)頻道,每個(gè)頻道27MHz,頻道間隔為19.8MHz,相鄰頻道需采用極化隔離,比如1,3,5,…頻道采用右旋圓極化,而2,4,6,…頻道采用左旋圓極化。我國(guó)數(shù)字電視轉(zhuǎn)播頻道劃分有頻分和時(shí)分兩種方式:單路單載波(SCPC,SingleChannelPerCarrier)頻分方式,每頻道帶寬5~7MHz;多路單載波(MCPC,MultipleChannelPerCarrier)時(shí)分方式,每載波帶寬36MHz、54MHz和72MHz。DBS衛(wèi)星允許使用的頻率在世界各個(gè)區(qū)域不同。

10.2功率等級(jí)和轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)量

用于DBS的衛(wèi)星一般擁有相對(duì)較高的EIRP值。在1983年召開(kāi)的區(qū)域管理無(wú)線電理事會(huì)上,將DBS的EIRP限定為57dBW。根據(jù)高功率放大器的功率輸出對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)器進(jìn)行分級(jí)。一般情況下衛(wèi)星可以攜帶32個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器。在32個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器都被使用的情況下,每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器將以120W的較低功率工作。可以將高功率放大器的數(shù)目減半為16個(gè),但是每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器將以240W的較高功率工作。

10.3衛(wèi)星軌道間距

減小接收機(jī)天線尺寸是降低接收成本的重要途徑。但是,天線尺寸的減小將使其波束寬度增加,于是相鄰軌道位置衛(wèi)星的發(fā)射信號(hào)將可能進(jìn)入接收機(jī)而形成干擾。為保證干擾足夠小,比如當(dāng)接收機(jī)天線直徑為0.4m,若要求信號(hào)載波與干擾功率之比大于15dB,則Ku頻度相鄰衛(wèi)星的間隔應(yīng)大于9°。當(dāng)這些同頻段衛(wèi)星軌道間隔不足時(shí),需要其他隔離手段(如極化隔離)。

10.4轉(zhuǎn)發(fā)器容量

將電視節(jié)目的視頻和音頻信號(hào)數(shù)字化需要引入信號(hào)壓縮,將大大降低帶寬需求。先估計(jì)轉(zhuǎn)發(fā)器中24MHz帶寬可以承載的信號(hào)比特率(加上3MHz保護(hù)頻帶,得到27MHz的頻道帶寬)。在給定帶寬下能夠發(fā)送的符號(hào)速率為

因此,在24MHz的帶寬中,滾降因子為0.2時(shí),所允許的符號(hào)速率為20×106符號(hào)/s。衛(wèi)星數(shù)字電視使用QPSK調(diào)制方式,每符號(hào)2bit信息量,因此Rb=20Mb/s,即使用QPSK的24MHz信道可以實(shí)現(xiàn)的比特率。

10.5數(shù)字衛(wèi)星電視的比特率

數(shù)字衛(wèi)星電視的比特率很大程度上取決于電視畫(huà)面的格式。一種估計(jì)其未壓縮比特率的方法是將每幀圖像像素的數(shù)目乘以每秒的幀數(shù),再將結(jié)果乘以每個(gè)像素的編碼比特?cái)?shù)。每個(gè)像素的編碼比特?cái)?shù)取決于每個(gè)像素的顏色深度,如每個(gè)像素16比特的情況下,顏色深度為216種顏色。使用HDTV(HighDefinitionTeleVision)格式每幀的像素?cái)?shù)為1920×1080,刷新率為每秒30幀,因此得到的比特率為995Mb/s。

表10-1給出了未壓縮比特率的范圍為118~995Mb/s,前者與處于最低像素分辨率狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視對(duì)應(yīng),后者與處于最高分辨率狀態(tài)的高清晰度電視對(duì)應(yīng)。演播室質(zhì)量的廣播信號(hào)在根據(jù)國(guó)際電視標(biāo)準(zhǔn)CCIR601進(jìn)行數(shù)字化時(shí)需要216Mb/s的比特率。

壓縮比特率和包含的信道數(shù)目取決于節(jié)目素材和類(lèi)型。例如,很少移動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)訪談節(jié)目需要較低的比特率,而帶有大量運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景的體育頻道需要較高的比特率。SDTV的典型

值范圍為電影頻道4Mb/s、綜合頻道5Mb/s、體育頻道6Mb/s,壓縮技術(shù)遵循運(yùn)動(dòng)圖像專(zhuān)家組(MPEG,MovingPicturesExpertGroup)標(biāo)準(zhǔn)。

10.6MPEG壓縮標(biāo)準(zhǔn)

DBS系統(tǒng)中使用MPEG2視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。在視頻信號(hào)處理前,從紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)攝像機(jī)中輸出的模擬信號(hào)被轉(zhuǎn)換成一個(gè)亮度分類(lèi)(Y)和兩個(gè)色度分類(lèi)(Cr和Cb)信號(hào),以矩陣表述如下:

如圖10-1所示,數(shù)字轉(zhuǎn)換器對(duì)T、Cr和Cb等模擬信號(hào)進(jìn)行采樣。研究發(fā)現(xiàn),人眼對(duì)色度分量(Cr和Cb)的分辨率不如對(duì)亮度信號(hào)(Y)敏感,因此色度分量的采樣率可以相對(duì)較低,這稱(chēng)為色度抽樣。色度抽樣是壓縮過(guò)程中的一個(gè)步驟,MPEG－2使用4∶2∶0采樣。

圖10-1MPEG2編碼過(guò)程

采樣通常由比例Y∶U∶V表示,其中Y代表亮度采樣率,U代表Cb采樣率,而V代表Cr采樣率。標(biāo)準(zhǔn)YUV值中Y的值為4,在數(shù)字電視中Y∶U∶V=4∶4∶4、4∶2∶2或

4∶2∶0。

Y∶U∶V=4∶4∶4表示Y、Cb、Cr信號(hào)的采樣率相同,每個(gè)像素由3個(gè)數(shù)字字符表示,每個(gè)字符代表一個(gè)分量信號(hào)。假設(shè)一個(gè)字符為8比特(即一個(gè)字節(jié)),每個(gè)像素3個(gè)字節(jié)。

Y∶U∶V=4∶2∶2表示Cb、Cr信號(hào)的采樣率為Y信號(hào)采樣率的一半,每2個(gè)像素將有2個(gè)字節(jié)表示Y信號(hào),一個(gè)字節(jié)表示Cr信號(hào),一個(gè)字節(jié)表示Cb信號(hào),因此由4個(gè)字節(jié)表示2個(gè)像素塊。

Y∶U∶V=4∶2∶0表示Cb、Cr信號(hào)的采樣率為Y信號(hào)采樣率的一半,但是它們僅在隔行掃描時(shí)才被采樣,因此水平和垂直的分辨率都降低到一半,2×2像素塊將由6個(gè)字節(jié)表示,其中Y信號(hào)4個(gè)字節(jié),Cb和Cr信號(hào)各1個(gè)字節(jié)。

經(jīng)過(guò)數(shù)字轉(zhuǎn)換器后將形成不同信號(hào),離散余弦變換(DCT,DirectCosineTransform)將信號(hào)轉(zhuǎn)換成“空間頻率”(SpatialFrequency)域。DCT變換中,輸入信號(hào)是水平分量x和垂直分量y的空間坐標(biāo)函數(shù)g(x,y),DCT將其變換為G(u,v),新變量u和v被稱(chēng)為空間頻率(類(lèi)比于傅里葉變換將時(shí)域信號(hào)g(t)變換為頻域形式G(f),時(shí)間t和頻率f是變量)。在DCT變換模塊后的量化器中,離散值G(u,v)被量化為預(yù)先定義的等級(jí),這樣可以減少傳輸?shù)募?jí)數(shù),從而對(duì)信號(hào)進(jìn)行壓縮。G(u,v)中較高的空間分辨率代表精細(xì)的空間分辨率,而人眼對(duì)這些高空間頻率分辨率分量不敏感,因此可以對(duì)它們進(jìn)行粗量化,從而達(dá)到進(jìn)一步壓縮的功能。

通過(guò)運(yùn)動(dòng)估計(jì)也可以進(jìn)行一定的壓縮,如在MPEG2中,將幀分為I、P和B幀,通過(guò)不同幀之間的比較,可以獲得對(duì)運(yùn)動(dòng)的估計(jì):①I(mǎi)幀是一種獨(dú)立幀,表示它可以不借助其他幀進(jìn)行重建;②P(前向)幀與它之前的I幀進(jìn)行比較,只有因運(yùn)動(dòng)造成的變化部分需要進(jìn)行編碼,上述幀比較過(guò)程在宏模塊中進(jìn)行,宏模塊由16×16像素組成;③B(反向)幀將與I幀或“P幀以及下一個(gè)P幀”進(jìn)行比較。要進(jìn)行前向比較,顯然需要將之前的幀緩存,只有由運(yùn)動(dòng)造成的變化的部分才會(huì)被編碼。

DBS系統(tǒng)中,MPEG－1用于音頻壓縮,MPEG－2用于視頻壓縮。雖然這兩種MPEG標(biāo)準(zhǔn)都包含了音頻和視頻,但是MPEG－1的視頻標(biāo)準(zhǔn)不適用于DBS傳輸。MPEG－1的音頻支持單聲道和雙聲道的立體聲,可以滿足DBS系統(tǒng)的需要。MPEG－2音頻在單聲道和雙聲道的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),支持多聲道音頻,它完全兼容MPEG－1音頻標(biāo)準(zhǔn),因此MPEG－2的譯碼器可以升級(jí)到傳輸多信道音頻的DBS系統(tǒng)中。

高質(zhì)量的音頻的比特率需要進(jìn)行音頻壓縮。比特率等于每秒的采樣率(采樣頻率fs)乘以每個(gè)采樣點(diǎn)的比特率n,即

10.7DBS中的差錯(cuò)控制

由于DBS信號(hào)具有高壓縮率,因此所傳輸?shù)男畔⑷哂喽容^小,這種情況下比特錯(cuò)誤對(duì)信號(hào)造成的影響將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于未壓縮比特流的情況,因此引入前向糾錯(cuò)是非常必要的。使用級(jí)聯(lián)碼,外碼采用RS(Reed-Solomon)碼,參數(shù)為(204,188,t=8),用于糾正連續(xù)錯(cuò)誤,內(nèi)碼使用卷積碼(編碼效率為1/2,約束長(zhǎng)度為7),用于糾正隨機(jī)錯(cuò)誤。內(nèi)碼譯碼器使用Viterbi譯碼算法,如圖10-2所示。

圖10-2DBSTV信號(hào)編碼和解碼操作框圖

所有的糾錯(cuò)編碼方式都可以檢測(cè)出數(shù)量至少是其糾錯(cuò)位兩倍的差錯(cuò)位。采用模擬波形線性插值的方式使得視頻(以及CD)信號(hào)糾錯(cuò)處理在無(wú)須采用糾錯(cuò)編碼的情況下便可具有

比外層RS編碼更好的檢錯(cuò)能力。若采用糾錯(cuò)編碼而不是模擬插值,則比特流中至少要增加一倍的奇偶校驗(yàn)位,這極大地減少了數(shù)據(jù)位位數(shù)。外層RS線性分組碼具有極好的檢錯(cuò)

性能,若采用高速微處理器,可以實(shí)時(shí)地解碼。對(duì)于像DBSTV廣播這樣的實(shí)時(shí)系統(tǒng)而言,這一點(diǎn)十分重要。糾錯(cuò)碼的譯碼操作必須盡可能地采用低成本的處理器做到實(shí)時(shí)處理,這也是影響CD信號(hào)和視頻信號(hào)級(jí)聯(lián)碼選擇的一個(gè)主要因素。差錯(cuò)控制編碼中沒(méi)有被糾正或檢出的誤比特位會(huì)造成碼字中仍然存在錯(cuò)誤的碼字。

畫(huà)面動(dòng)作較多的實(shí)況節(jié)目可能會(huì)導(dǎo)致MPEG2編碼信號(hào)高于平均速率,達(dá)到6.2Mb/s。將預(yù)錄節(jié)目和實(shí)況節(jié)目在同一轉(zhuǎn)發(fā)器中混合傳輸,有助于平滑實(shí)況節(jié)目的突發(fā)性,可得到更好的轉(zhuǎn)播效果。

在非壓縮數(shù)字電視畫(huà)面中,單個(gè)碼字錯(cuò)誤只會(huì)造成電視屏幕上某個(gè)像素點(diǎn)的顏色發(fā)生錯(cuò)誤,但是,在數(shù)字壓縮電視中的一個(gè)碼字可以影響屏幕上的許多個(gè)像素點(diǎn),因而一個(gè)錯(cuò)誤碼字可能會(huì)造成一個(gè)塊的顏色錯(cuò)誤。MPEG2對(duì)實(shí)況視頻信號(hào)的壓縮率為8~10,因而單個(gè)MPEG2編碼比特流中的錯(cuò)誤碼字便可造成8~10個(gè)像素點(diǎn)錯(cuò)誤。若傳輸過(guò)程中發(fā)生錯(cuò)誤,則錯(cuò)誤像素的數(shù)量可能會(huì)更多。但由于所有的數(shù)字壓縮方法都是以盡可能減小輸入碼字錯(cuò)誤效應(yīng)為目的的,因而單個(gè)錯(cuò)誤碼字所造成的影響通常都被限制在一個(gè)小方塊的范圍內(nèi)。

當(dāng)接收機(jī)中的比特流誤碼率增加時(shí),錯(cuò)誤碼字的影響便會(huì)加重,電視畫(huà)面上的方塊也會(huì)更大。接收系統(tǒng)一般具有識(shí)別高誤碼率的能力,若誤碼率過(guò)高便會(huì)在屏幕上顯示空白畫(huà)面,直到誤碼率達(dá)到要求時(shí)再顯示。因此,DBSTV鏈路上的降雨衰減低于接收門(mén)限時(shí),電視屏幕上首先會(huì)出現(xiàn)零星的、小的“馬賽克”,然后逐漸變成大的錯(cuò)誤塊,最后出現(xiàn)空白。當(dāng)降雨強(qiáng)度減小后,信號(hào)強(qiáng)度又會(huì)超過(guò)門(mén)限,電視圖像會(huì)恢復(fù)正常。

10.8DBS系統(tǒng)的組成

DBS系統(tǒng)由上行地面站、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器和地面接收站組成,見(jiàn)圖10-3。上行地面站與廣播中心和演播室相連接,用戶反饋的點(diǎn)播信息也送至廣播中心。地面接收站可以是家庭用接收機(jī),也可以是地方電視臺(tái)或有線電視網(wǎng)的前端站。家用接收機(jī)具有小的天線,只能在衛(wèi)星EIRP較大(一般為50~60dBW)的系統(tǒng)中使用。地方電視臺(tái)或有線電視網(wǎng)前端站接收機(jī)使用較大尺寸的天線,可接收更多頻道的電視節(jié)目,屬于電視節(jié)目二次分配。

數(shù)字電視廣播系統(tǒng)與一般通信系統(tǒng)一樣,由信源、信道和信宿三部分組成,但在數(shù)字電視廣播系統(tǒng)中,各部分包含了特定的內(nèi)容。在整個(gè)衛(wèi)星數(shù)字電視廣播系統(tǒng)中,無(wú)疑上行站是最重要的組成部分。圖10-4為上行站框圖,其中信源部分包括了視頻和音頻信源壓縮編碼、節(jié)目流多路復(fù)用和傳輸流多路復(fù)用,其他部分都屬信道部分。上行站將發(fā)送多路數(shù)字電視信號(hào),每路電視包括了圖像、聲音和可能的數(shù)據(jù)信號(hào)分量,它們分別通過(guò)相應(yīng)的編碼后,進(jìn)一步復(fù)合為復(fù)合數(shù)字電視信號(hào),形成節(jié)目流。多路的節(jié)目流將在傳輸流復(fù)接器中復(fù)接為高速率的傳輸流,送入到上行站的信道部分。

圖10-3衛(wèi)星電視廣播系統(tǒng)的組成

圖10-4DBS廣播系統(tǒng)上行站框圖

上行站的信道部分主要針對(duì)信道特性進(jìn)行前向糾錯(cuò)和調(diào)制。然而,能量擴(kuò)散也是廣播系統(tǒng)不可缺少的部分。能量擴(kuò)散是指對(duì)傳輸流數(shù)據(jù)進(jìn)行隨機(jī)化處理(或稱(chēng)擾碼),以避免在某一射頻點(diǎn)附近出現(xiàn)長(zhǎng)的連“1”或連“0”,從而防止對(duì)其他通信系統(tǒng)的干擾。這種將廣播信號(hào)能量擴(kuò)散到較寬頻帶的措施,稱(chēng)為能量擴(kuò)散技術(shù)。數(shù)據(jù)流隨機(jī)化除了使能量擴(kuò)散外,還

有利于接收端同步的恢復(fù)。

如上所述,數(shù)字DBS系統(tǒng)的信道編碼采用內(nèi)、外兩重糾錯(cuò)編碼方式。編碼后的信號(hào)最后進(jìn)行基帶整形,以便對(duì)信號(hào)流帶寬予以限制,從而產(chǎn)生足夠小的符號(hào)間干擾。

下行接收站進(jìn)行與上行站相反的變換,即解調(diào)、糾錯(cuò)碼的解碼、解擴(kuò)(解擾)、兩次解復(fù)用和信源解碼等。

10.9家庭接收機(jī)室外單元

家庭接收機(jī)一般由兩部分組成:室外單元和室內(nèi)單元。圖10-5是室外單元(ODU,OutDoorUnit)模塊示意圖。圖中,下行鏈路信號(hào)(12.2~12.7GHz)由天線聚焦到接收饋源喇叭。饋源喇叭將信號(hào)傳入極化器,極化器可以進(jìn)行切換,以使左旋圓極化信號(hào)或右旋圓極化信號(hào)通過(guò)。極化器后面的低噪聲模塊包括一個(gè)低噪聲放大器和一個(gè)下行轉(zhuǎn)換器。下行轉(zhuǎn)換器將12.2~12.7GHz頻段的信號(hào)轉(zhuǎn)換為950~1450MHz,信號(hào)在這個(gè)頻段內(nèi)更適合在室內(nèi)單元的電纜中傳輸。

圖10-5室外單元示意圖

天線通常包含一個(gè)偏置饋源,圖10-5所示為一種典型的天線結(jié)構(gòu)。天線的尺寸是由多種參數(shù)綜合決定的,而最常用的尺寸為直徑0.5m。較小尺寸的天線有很多好處,比如抗風(fēng)能

力更強(qiáng),在制造過(guò)程中,它更容易控制表面的不規(guī)則性,而這種不規(guī)則可能將信號(hào)能量散射掉,從而造成增益下降。這種增益下降可以由理想拋物面和均方根偏差函數(shù)來(lái)表示:

天線EIRP=Pt×Gt,它與發(fā)射功率和發(fā)射天線增益有關(guān),天線增益與(D/λ)2成正比,其中D為天線直徑。因此增大天線直徑將增大功率增益,而且實(shí)際上很多設(shè)備制造商提供信號(hào)強(qiáng)度等高線用于顯示在給定區(qū)域中的最佳天線尺寸。

10.10-家庭接收機(jī)室內(nèi)單元

室內(nèi)單元(IDU,InDoorUn