第三代DVB衛星電視廣播標準DVB-S2X綜述

李遠東，凌明偉

（1.DVBCN，上海 201100；2.浙江傳媒學院，浙江 杭州 310018）

第三代DVB衛星電視廣播標準DVB-S2X綜述

李遠東1，凌明偉2

（1.DVBCN，上海 201100；2.浙江傳媒學院，浙江 杭州 310018）

2014年3月4日，歐洲DVB組織正式發布了第三代DVB衛星電視廣播標準DVB-S2X。相比DVB-S2，DVB-S2X具有更高頻譜效率、更大接入速率、更好移動性能、更強健的服務能力提供、更小成本。對DVB-S2X的背景、關鍵技術、應用領域進行綜述性介紹。

衛星電視廣播；DVB-S2X；UHDTV

2005年，DVB第二代數字衛星電視廣播標準DVB-S2標準發布[1]，最新版為2013年3月發布的第1.3.1版[2]。目前已成為全球應用最廣泛的下一代衛星電視廣播標準[3]。在2005—2014年之間，數字衛星電視廣播行業發生了很大的變化，主要包括：

1）需求變化。包括UHDTV（Ultra-High Defini?tion TV，超高清電視）的衛星直播到戶、基于電視廣播衛星的“電視無處不在”、基于電視廣播衛星的高速IP數據接入、提供基于電視廣播衛星的多/全業務服務以增加收入、在VSAT（Very Small Aperture Terminal，甚小口徑終端）應用場景中增加用戶數目以獲得更多收益，同時以更高的服務等級協議來大幅提高用戶體驗。

2）外部競爭形式的變化。引起上述需求變化的原因，一方面是衛星電視廣播運營商自身的自然演進，一方面是由于外部競爭形式的變化——主要來自于地面的有線數據網絡的大發展，越來越多的人認為地面的高速有線數據網絡遲早會取代衛星通信，另一方面是一些諸如NS3的非標準化的專有技術在頻譜效率上較大程度地（30%～60%）超過了DVB-S2[4]。

在上述背景下，衛星電視廣播技術就需要與時俱進，進行升級，在更高頻譜效率、更大接入速率、更好移動性能、更強健的服務能力提供、更小成本這5方面取得新的突破[5]。為此，衛星電視廣播行業一邊發展高容量衛星，一邊發展新一代數字衛星電視廣播標準DVB-S2X。

2012年，由Newtec牽頭，DVB衛星電視行業的運營商、設備制造商、衛星專家等成員單位及成員（主要分布于歐洲、美國、遠東地區[6]）開始著手研究DVB-S2X標準并加強相關產品的互通性[3,5]。具體工作由DVB的TM-S2（DVB-S2技術組）及CM-BSS（衛星電視廣播及寬帶業務商務組）開展，目標是在DVB-S2的基礎上再次較大幅度地提高頻譜效率，并增加諸如可聯網的無人駕駛智能汽車等應用場景及發展Ka頻段衛星、寬帶轉發器等新的高容量衛星技術[7-9]。DVB-S2X在此前被業界稱為DVB-S3（DVB第三代數字衛星電視廣播標準）[10]。

2014年2月27日，在DVB指導委員會第76次大會上，DVB-S2X標準被正式批準[6]。2014年3月4日，歐洲DVB組織正式以A83-2號文件的形式發布了DVB-S2X技術規范[9]。DVB-S2X不能與DVB-S2后向兼容[9]，因此也可說成是DVB第三代數字衛星電視廣播標準。

采用DVB-S2X后，衛星直播到戶業務的頻譜效率可提高20%～30%[6]，某些專業應用的頻譜效率甚至可提高50%[6]（準確的數值為51%[5]），超過了NS3等專有技術[5]。DVB-S2X標準正式發布之后，預計市場上將會很快出現用HEVC編碼的UHDTV衛星直播到戶（通過Ku或Ka頻段）的芯片及設備[6,9,11-12]。2014年3月的DVB全球大會也將就DVB-S2X的應用部署進行探討[13]，2014年3月的全球衛星應用大會也將探討DVB-S2X的應用前景[14]。

1 DVB-S2X的技術創新

DVB-S2X的技術創新包括更小的滾降系數、高級濾波技術、更靈活的網絡應用配置等[6]，下文分別進行介紹。

1.1 更小的滾降系數

滾降系數是信號占用帶寬及頻譜利用率的決定因素之一。DVB-S2系統所采用的滾降系數分別有0.35，0.25，0.20[2]，而DVB-S2X系統所采用的滾降系數分別降為0.15，0.10，0.05[5,9]，所以從如圖1所示的頻譜看來，DVB-S2X信號要比 DVB-S2信號陡峭。由于DVB-S2X的滾降系數更小，加之DVB-S2X還采用了高級濾波技術，使得DVB-S2X系統的頻譜效率相對于DVB-S2系統的提高幅度可達15%。

圖1 DVB-S2X與DVB-S2頻譜的比較

但有試驗表明，如果每個DVB-S2X網絡或鏈路均采用0.05的滾降系數，則需要進行逐一調試，而且不容易獲得最佳頻譜效率的效果，在某些情況下，把滾降系數設置成0.10時，頻譜效率更好[5]。

1.2 高級濾波技術

在一個衛星電視物理頻道信號頻譜的左右兩邊存在旁瓣，若濾波做得越好，則旁瓣所占的頻譜寬度就越小，各個物理頻道之間的頻譜間隔就可以越小而且不會相互間產生干擾，從而可提高頻譜利用率。

如圖2所示，DVB-S2X系統采用了高級濾波技術[9]，將頻譜左右兩邊的旁瓣濾除，節約了一個頻道所占用的實際物理帶寬，各相鄰物理頻道間的間隔可以小到符號率的1.05倍（在某些特定的應用場景下，該數值還可以更小）[5]。加之DVB-S2X系統的滾降系數更小，使得DVB-S2X系統的頻譜效率相對于DVB-S2系統的提高幅度可達15%。

圖2 DVB-S2X采用高級濾波技術后的效果

另外，即使DVB-S2X系統的滾降系數為0.35，0.25，0.20，采用高級濾波技術也能獲得比DVB-S2更好的濾波效果。現場試驗表明，當衛星地球站的高功率放大器在接近飽和點處工作時，采用高級濾波技術的濾波效果更好，所余旁瓣更小[5]。

1.3 更靈活的網絡應用配置

DVB-S2X所采用的更陡頻譜滾降與高級濾波技術可使其支持更靈活的衛星網絡應用配置[5,9]。總的來說，DVB-S2X的衛星鏈路應用場景包括：單載波（此時僅采用更陡頻譜滾降）、多載波（此時采用更陡頻譜滾降與高級濾波技術）、與其他衛星電視運營商（可能采用DVB-S，DVB-S2，DVB-S2X等標準）共用同一個轉發器（此時采用更陡頻譜滾降與高級濾波技術）。在最后一種應用場景中，如圖3所示，由于DVB-S2X載波采用了更陡頻譜滾降與高級濾波技術，與在同一轉發器內的其他相鄰載波能以頻分的形式共存而不會產生相互干擾。

圖3 DVB-S2X載波與其他載波共同承載于同一個轉發器內

1.4 更小的MODCOD粒度

DVB-S2的MODCOD（Modulation and Coding，調制與編碼）分辨力粒度為28[2]，而DVB-S2X的MODCOD分辨力粒度為112[5,9]，從而，DVB-S2X可實現所有應用場景下的最佳調制，衛星電視廣播運營商就可以更好地根據應用/服務的類型來優化衛星鏈路（MODCOD由系統自動地選擇）。

另外，DVB-S2X相比于DVB-S2，FEC（Forward Er?ror Correction，前向糾錯）也有較大改進。加之采用更小粒度的MODCOD與ACM（Adaptive Coding and Mod?ulation，自適應編碼與調制。Newtec面向DVB-S2X推出的FlexACM解決方案，為了更好地實現ACM功能，還加入了噪聲及失真預估技術[5]，如圖4所示，DVB-S2X相比于DVB-S2的頻譜效率提高了51%，更接近香農極限[5]。

圖4 與DVB-S2相比，DVB-S2X的頻譜效率更接近香農極限

1.5 更高階的調制

衛星電視廣播是通過非線性信道進行的，所以常采用包絡恒定的PSK（Phase Shift Keying，相移鍵控）調制方式，另外，PSK也可以方便地實現變速率調制。DVB-S2就采用了4APSK，8APSK，16APSK，32APSK這4種PSK調制方式[2]。而DVB-S2X則采用了更高階數的 PSK調制——最高可達 256APSK[5,9]。因此，DVB-S2X比DVB-S2更容易對衛星轉發器的非線性進行補償、頻譜利用率更高。另外，星載天線可以做得更大，衛星的轉發功率可以得到提高，這對于實現Ka頻段的點波束區域廣播具有重大意義。

由于可以采用更高階的調制方式，加之采用了更小粒度的MODCOD與FEC，如圖4所示，DVB-S2X相比于DVB-S2的頻譜效率提高了51%，更接近香農極限。

1.6 面向移動應用的VLSNR技術

DVB-S2X的一個應用場景是陸地、海洋、航空里的低速及高速移動環境。為保證在這些環境中以更小的接收天線來更穩定地使用DVB-S2X鏈路所提供的服務 ，DVB-S2X采 用 了 VLSNR（Very Low Sig?nal-to-Noise Ratio，極低信噪比）技術[6,9]，在BPSK與 QPSK調制中增加了9個額外的MODCOD[5,9]。

DVB-S2X技術規范中，BPSK的MODCOD采用了頻譜擴展技術[5,9]，信號的功率/頻譜被擴展到很寬的頻帶，頻譜密度得以降低，抗外部干擾能力得以提高，陸地、海洋、航空里的低速及高速移動接收器就可以使用更小的接收天線并獲得更高的信噪比。另外，整個衛星鏈路的可用性及安全性能也得到提高。

VLSNR MODCOD幀加入了一個擴展的物理層首部，提高了糾錯能力，可把SNR數值降低至-10 dB[5,9]。

1.7 分別考慮了線性MODCOD與非線性MODCOD

DVB-S2的MODCOD僅聚焦于衛星直播到戶[2]，所以其星座就很適合于準飽和轉發器的分發應用。而與之不同的是，DVB-S2X技術規范里面則分為線性MODCOD與非線性MODCOD，聚焦于高速數據應用及分發應用，增益可提高0.2 dB[5]。另外，雖然線性MOD?COD與非線性MODCOD可能會使用相同的代碼/名稱，但兩者之間卻是不可互換的[5,9]。

1.8 WBT單載波技術

衛星廣播傳統的處理方式為把一個寬帶轉發器的帶寬劃分成多個小信道，并用相應數量的多個載波去調制，這種方式容易降低轉發器的下行功率，從而不能獲得最優的效率。

而如圖5所示，DVB-S2X技術規范支持采用WBT（Wide Band Transponders，寬帶轉發器）單載波技術[5,9]，WBT單載波技術可減小轉發器的功率回退從而最大限度地利用好整個轉發器的容量[7]，目前已開始用于衛星的高速數據鏈路。DVB-S2X里的WBT的帶寬一般為從72 MHz（典型的C波段轉發器帶寬值）到幾百MHz（Ka波段高容量衛星的轉發器帶寬值，帶寬為250～500 MHz[7]。DVB-S2X接收機里的解調器直接接收解調整個轉發器寬度（72 MHz，250～500 MHz）內的信號，從而獲得非常高的數據率。

圖5 WBT多載波與WBT單載波的比較

但是，WBT單載波技術的應用也面臨諸如接收機濾波、對超高速率數據的解碼、FEC解碼等技術難題，為此，DVB TM-S2就研發了基于時間分片的“虛擬載波”技術來予以解決[7]，如圖6所示，頻譜占據整個轉發器的單載波被若干個時間分片劃分成了相對應的相同個數的虛擬載波（物理幀[9]，接收機只對其所需的虛擬載波進行接收及后續處理，從而大大減小了接收機的實現復雜度。

圖6 降低WBT單載波實現復雜度的“虛擬載波”技術

由于采用了WBT單載波技術，DVB-S2X的頻譜效率比DVB-S2的提高了約20%。另外，Newtec面向DVB-S2X推出的Equalink預失真技術，可在采用WBT單載波技術時帶來2 dB增益，從而可以采用64/128/ 256 APSK高階調制方式，可將處于飽和狀態下的非線性轉發器的頻譜效率提高10%左右[5]。

1.9 信道綁定/轉發器綁定技術

目前，衛星電視直播到戶業務發展得如火如荼，下一個相關的藍海業務是超高清電視的衛星直播到戶。然而，當采用相同信源編碼方式（如 H.264/ MPEG-AVC）時，超高清衛星直播電視的碼率（40 Mbit/s）是高清衛星直播電視碼率（10 Mbit/s）的4倍，即使采用更先進的編碼方式H.265/MPEG-HEVC，超高清衛星直播電視的碼率也高達20Mbit/s。

一個36 MHz的衛星轉發器的總容量為60Mbit/s，因此：1）可同時傳輸6套由H.264/MPEG-AVC編碼的高清電視節目（60 Mbit/s÷10 Mbit·s-1·套-1=6套），如果采用統計復用方式，可獲得20%的容量增益，從而可同時傳輸7套由H.264/MPEG-AVC編碼的高清電視節目（60 Mbit/s×1.2÷10 Mbit·s-1·套-1≈7套）；2）僅可同時傳輸3套由H.265/MPEG-HEVC編碼的高清電視節目（60 Mbit/s÷20 Mbit·s-1·套-1=3套），如果采用統計復用方式，只可獲得12%[5]的容量增益，但仍只能同時傳輸3套由H.264/MPEG-AVC編碼的高清電視節目（60 Mbit/s× 1.12÷20 Mbit·s-1·套-1≈3套），而且還白白浪費了12%的帶寬容量。

為此，DVB-S2X技術規范采用了信道綁定技術來提高統計復用的頻譜利用效率，而且主要的應用目的是提高超高清衛星電視直播的信道容量/頻譜利用率[5,9]。又由于DVB-S2X采用了上文所述的WBT單載波技術，所以，這種信道綁定又可以被稱為“轉發器綁定”。此時，幾個被綁定的轉發器的容量全部融合在了一起，并被同時下行與接收。可以計算一下，如果綁定了3個轉發器且進行統計復用，則其容量增益可達（180+60×0.12×3）/180=12%，從而就可以額外地多傳輸（180×0.12）/20≈1套超高清電視節目。DVB-S2X所能綁定的轉發器可達到3個[6,9]。

1.10 重新定義的擾碼序列

目前，衛星電視直播到戶的業務類型越來越多（電視直播、富媒體業務、數據接入等），加之點波束高容量衛星逐漸開始應用到這個市場，CCI（Co-Channel Inter?ference，同信道干擾）現象變得越來越顯著[15]。為此，DVB-S2X技術規范采用了相關的技術來更好地區分各相鄰業務，從而消除CCI。

該技術之所以能區分各業務、消除CCI，是由于DVB-S2X在物理層新增了擾碼序列。DVB-S2的物理層僅有一個缺省代碼——0#擾碼序列[2]，而DVB-S2X則新定義了6個代碼，當DVB-S2X接收機接收到加擾的信號后，會先使用缺省代碼，然后再使用新定義的代碼來對信號進行解擾操作[5,9]。

2 結語

另外，DVB-S2X還采用了超幀結構及面向交互式寬帶業務的高級抗干擾技術[6,9]，具體實現時，Newtec還采用了帶寬抵消技術（可節約33%的轉發器容量）及跨層優化技術（在衛星調制器里也進行加速、壓縮、帶寬管理、IP整形，從而可在無線微波鏈路條件發生變化時自動進行參數優化，保證了服務質量）[5]。

DVB-S2X技術規范還采用了DVB-GSE/GSE-Lite里的相關協議[9]，從而加速了在未來提供全IP服務的步伐，尤其適合于為家庭用戶提供電視廣播及寬帶融合型服務[6]。DVB-S2X可提供的其他服務包括：IP傳輸中繼、IP/電信骨干傳輸網、電視直播畫面回傳、移動基站回傳、專業IP接入、政務高速通信、衛星應急通信、多業務服務提供型網絡[9]。產品方面，已有Newtec 6000系列衛星調制解調器與集線器[5]，TeamCast也推出了DVB-S2X相關產品[16]。DVB認為，DVB-S2X應用前景廣闊[6]。

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DVB-S2X:DVB’s Third Generation Satellite Television Broadcasting Standard

LI Yuandong1,LING Mingwei2
（1.DVBCN,Shanghai 201100,China;2.Zhejiang University of Media and Communications,Hangzhou 310018,China）

The new DVB-S2X standard was officially published by DVB on March 4,2014.Compared to DVB-S2, DVB-S2X has higher spectrum efficiency,higher access speed,more mobility and greater service robustness.The background,key technologies and application fields of DVB-S2X are presented.

satellite television broadcasting；DVB-S2X；UHDTV

TN938

A

?? 京

2014-03-05

【本文獻信息】李遠東，凌明偉.第三代DVB衛星電視廣播標準DVB-S2X綜述[J].電視技術，2014，38（12）.