衛星通信中的信道編碼與調制技術

周 珊，沈永言

技術研究

衛星通信中的信道編碼與調制技術

周 珊，沈永言

（中國衛通集團有限公司，北京 100094）

本文首先研究了衛星通信中的信道編碼與調制技術，并對廣泛應用于衛星通信的DVB-S系列標準中的信道編碼與調制技術進行了對比分析，最后提出了衛星通信采用更高級信道編碼和調制技術的必然性。

衛星通信；信道編碼；信道調制；DVB-S；DVB-S2；DVB-S2X

1 引言

衛星通信是通信基礎設施中不可或缺的組成部分。隨著信息技術的快速發展和信息應用的日益豐富，人們對于衛星通信系統的質量和容量提出越來越高的要求，這直接推動了衛星通信信道編碼和調制技術的進步。先進的信道編碼技術可以有效降低誤碼率和發射功率，而先進的調制技術可以顯著提高頻率資源的利用率。因此，衛星通信信道編碼與調制技術的研究和應用具有極大的理論和實際意義。

2 信道編碼技術

衛星通信信道是一種典型的時變信道，其多徑、多普勒和陰影等效應會嚴重影響信號傳輸的可靠性。要保證通信質量，就需要在一定功率條件下使用相應的信道編碼，以達到檢錯和糾錯的目的。

信道編碼的基本原理是在信息碼元序列中附加一些監督碼元，在兩者之間建立某種校驗關系，當這種校驗關系因傳輸錯誤而受到破壞時，可以被發現和糾正。信道編碼有編碼增益和編碼效率兩個主要性能指標。編碼增益定義為非編碼系統與編碼系統之間所需信噪比的差值，它反應了在一定誤碼率要求下特定編碼方法對信噪比的改善程度。編碼增益的獲得要通過增加系統帶寬和系統復雜度來換取，這就涉及到編碼效率問題。編碼效率定義為信息碼元位數與編碼序列長度的比值，某編碼方案所需監督碼元位數越少，其編碼效率越高。

根據信息碼元和監督碼元之間的約束方式，信道編碼可分為分組碼和卷積碼。在分組碼中，監督碼元僅與本碼組的信息碼元有關，漢明碼是最早提出的一種分組碼，它只能糾正一個碼字中的單個差錯，后來發展起來的能糾正多個隨機錯誤的BCH碼以及具有糾正突發錯誤能力的RS碼（多進制BCH碼）也都屬于分組碼，且具有循環特性。LDPC碼是一類由特定的稀疏校驗矩陣構成的分組碼，具有逼近香農極限的優異性能。在卷積碼中，監督碼元與本組信息碼元及前面若干組的信息碼元同時有關，Turbo碼就是由兩個結構相同的卷積碼編碼器構成的碼字。除了分組碼和卷積碼，還有一種組合碼稱為串行級聯碼，可以將糾正隨機差錯的碼和糾正突發差錯的碼相結合，同時加大了碼長，提高了性能。

RS碼、卷積碼、串行級聯碼、Turbo碼和LDPC碼等都是目前衛星通信中常用的信道編碼，它們的性能差異集中體現在圖1中。圖中曲線表示在BPSK調制方式和10-5誤碼率指標要求下，與未采用編碼系統相比，以上各種編碼在Eb/N0方面取得的改進。

圖1 BPSK調制方式不同標碼的傳輸誤碼率與Eb/N0關系曲線

可見，單獨采用分組碼所獲得的編碼增益較低，只有2.7dB；常用的卷積碼在3bit量化軟判決時編碼增益為5dB左右；串行級聯碼選用R=1/2卷積碼作內碼，RS碼作外碼時，編碼增益為可達7～8dB左右；Turbo碼無論在AWGN信道還是在衰落信道中，都取得了很好的誤碼率性能。當采用65535bit的隨機交織器、18次迭代時，1/2碼率的Turbo碼的編碼增益可達8.9dB；規則LDPC碼在性能上不如Turbo碼，而當碼長超過104后，不規則LDPC碼的性能開始優于Turbo碼。

3 信道調制技術

按照調制器輸入信號的形式，調制可以分為模擬調制和數字調制。模擬調制是指利用輸入的模擬信號直接改變載波的振幅、頻率或相位，從而得到AM（調幅）、FM（調頻）和PM（調相）信號。數字調制指利用數字信號來控制載波的振幅、頻率或相位，相應調制方式為ASK（幅移鍵控）、FSK（頻移鍵控）和PSK（相移鍵控）。按照已調信號包絡幅度是否變化可分為恒包絡和非恒包絡，FSK，PSK，CPM（連續相位調制）為恒包絡調制，而ASK，QAM（正交幅度調制）為非恒包絡調制。

調制是為了使信號特性與信道特性相匹配，不同類型的信道特性需要選用不同的調制技術。衛星通信信道要求已調信號具有等包絡、窄帶寬、高頻帶利用率和強抗干擾性能等特點，因此，在衛星通信系統中通常采用PSK和以此為基礎的其他調制方式，如BPSK，QPSK，8PSK，16QAM，16APSK等，其星座圖如圖2所示。

圖2 BPSK，QPSK，8PSK，16QAM，16APSK星座圖

信道調制有功率利用率和頻帶利用率兩個主要性能指標。功率利用率定義為達到一定比特差錯率所需要的最低歸一化信噪比及比特能量與噪聲功率譜密度之比，所需歸一化信噪比越低，功率利用率越高，反之則越低。不同調制方式達到同一比特差錯率時所需要的信噪比不同，且調制階數越高所需的信噪比越高，如圖3所示。

圖3 不同調制方式下誤碼率與信噪比之間的關系

頻帶利用率定義為1Hz的系統帶寬所能傳輸的信息速率。頻帶利用率與調制方式、編碼方式以及滾降系數密切相關。編碼效率越高、調制階數越高、滾降系數越小，頻帶利用率越高，但所需的信噪比也會越高，這樣功率利用率就會越低。通常，一種調制技術不能同時達到最高的功率和頻帶利用率，需要根據實際要求進行折中。衛星通信空間段資源主要由轉發器帶寬和功率兩部分組成，選擇調制方式的原則是盡量少地占用轉發器的帶寬/功率，且要達到功帶平衡。

總的來說，衛星通信信道調制技術的發展趨勢為更高的頻帶和功率利用率，并達到二者的最佳平衡。

4 DVB-S系列信道編碼與調制技術

DVB-S是一套成功用于衛星數字視頻廣播的技術標準，包含信源編碼、信道編碼和調制。DVB-S最初僅用于數字衛星廣播領域，后來隨著衛星信道編碼和調制技術以及衛星通信廣播應用的飛速發展，DVB-S2和DVB-S2X應運而生，且其應用范圍不再局限于數字衛星廣播領域，而是逐步擴展到整個衛星通信領域。DVB-S系列標準集中體現了衛星通信信道編碼和調制技術的發展成就和應用水平。

4.1 DVB-S

DVB-S 1993年在歐洲興起，由兩部分組成，一部分為信源編碼和復用，另一部分為信道編碼和調制，其信道編碼和調制系統組成如圖4所示。

圖4 DVB-S信道編碼和調制系統組成

DVB-S信道編碼采用RS碼和卷積碼串行級聯編碼方式。其中RS碼作為外碼，碼型為RS（204，188），用來糾正與本組（8比特）有關的誤碼，對糾正突發性誤碼很有效。卷積編碼作為內碼，碼型可選擇1/2，2/3，3/4，5/6，7/8，選擇的標準是在頻帶利用率和抗誤碼性能之間權衡。卷積碼除糾正本組的誤碼以外，也糾正其他組的誤碼。RS編碼器與卷積編碼器間為一交織器，交織器可將連續誤碼分散開，使連續誤碼不會超出糾錯能力。

DVB-S信道調制采用QPSK方式，其抗誤碼性能較優，且包絡恒定，傳輸信道中的幅度衰減對其性能無影響，非常適合衛星信道，但頻帶利用率不高，僅為2b/s/Hz。調制過程由映射、基帶成型和調制載波三個環節組成。由于編碼器產生的矩形基帶脈沖信號在頻域內無限延伸，因此在衛星信道帶寬受限的情況下會引起波形失真，從而產生符號間干擾。為實現無符號間干擾傳輸，常常將基帶信號的頻譜設計為升余弦滾降的形狀，基帶成型就是一個平方根升余弦濾波器，滾降系數為0.35。

4.2 DVB-S2

DVB-S2于2004年發布，2005年被正式確定為國際標準。與DVB-S相比，在相同的傳輸條件下，DVB-S2傳輸容量可提高30%以上。DVB-S2信道編碼采用LDPC碼與BCH碼串行級聯編碼方式，該編碼方案在性能上與香農極限只差0.7～1dB，遠優于DVB-S中RS&卷積碼的4dB，比基于Turbo碼的候選方案強0.3dB。

除QPSK之外，DVB-S2增加了8PSK，16APSK，32APSK三種高階調制方式，對應的頻帶利用率分別為3b/s/Hz，4b/s/Hz，5b/s/Hz。DVB-S2基帶成型中的升余弦滾降系數最小可做到0.2，進一步提高了頻帶利用率。

與DVB-S采用CCM（固定編碼調制）方式不同，DVB-S2采用VCM（可變編碼調制）方式。VCM允許使用不同編碼和調制方式，并且可以逐幀改變。VCM技術允許不同的業務類型選擇不同的錯誤保護級別分級傳輸，因而傳輸效率得以大大提高。VCM技術結合回傳信道，就構成了ACM（自適應編碼調制）。DVB-S鏈路預算采用統一的編碼調制方式方案，為了保證惡劣信道條件下的通信，每條鏈路都存在一定的“裕量”，這會浪費寶貴的信道資源。ACM根據不同用戶的實時信道條件（信噪比）自適應改變編碼和調制方式，為每個用戶配置不同的編碼調制方案，可將鏈路“裕量”自動轉換為鏈路傳輸能力，從而提高衛星信道的頻率利用率，大幅提高了系統性能。采用了ACM之后，在交互式點對點應用時，衛星通信容量可以增加100%～200%。

4.3 DVB-S2X

DVB-S2X于2014年正式發布， DVB-S2X相比DVB-S2具有更高頻譜效率，更大接入速率，更好移動性能以及更強健的服務能力。DVB-S2X的目標主要有兩個：一是進一步提高現行標準的頻帶利用率；二是適應移動接收、Ka波段通信平臺或寬帶轉發器等衛星通信行業的新應用。

DVB-S2X信道編碼仍采用性能較優的LDPC碼與BCH碼串行級聯編碼方式，信道調制方式除了朝更高階發展外，還增加了適用于極低信噪比條件下的BPSK調制方式，DVB-S2X新增64APSK，128APSK，256APSK三種高階調制方式，它們對應的頻帶利用率分別為6b/s/Hz，7b/s/Hz，8b/s/Hz。DVBS2 X基帶成型中的升余弦滾降系數最小可做到0.05，并采用了高級濾波技術，以有效提高頻帶利用率，如圖5所示。

DVB-S2的MODCOD分辨力粒度為28，而DVB-S2X可達112。這樣，在某種特定的接收信噪比條件下，就可以選擇最貼合該接收條件的編碼和調制方式，從而獲得最高的頻帶利用率。

DVB-S2X的一個應用場景是陸地、海洋、航空中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（極低信噪比）技術，在BPSK與QPSK調制中增加了9個額外的MODCOD。此外，BPSK的MODCOD采用了頻譜擴展技術，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，整個衛星鏈路的可用性及安全性能也得到提高。

圖5 DVB-S2高級濾波技術

5 三者對比

從DVB-S到DVB-S2再到DVB-S2X，編碼技術越來越先進，調制系數越來越高階，滾降系數越來越小，MODCOD分辨力粒度越來越精細，其應用范圍也越來越廣，三者對比情況如表1所示。

表1 DVB-S系列標準對比

從DVB-S到DVB-S2，再到DVB-S2X，通過增加調制方案的顆粒度，選擇更好的信道編碼方式，以及采用更小的滾降因子和更高階的調制方式，實現了越來越高的頻帶利用率。

6 結束語

當今世界已進入大數據、物聯網和云計算時代，信息應用正呈現出爆炸式的發展。相關統計表明，近3年來，全世界產生的數據已超過人類有史以來的總量。未來5年，互聯網、移動設備、高清/超高清電視等數據內容的爆發將使得全球IP流量增至3倍。這必然要求衛星通信采用更高級的信道編碼和調制技術，提供更高的傳輸容量和質量。

Channel Coding and Modulation Technology for Satellite Communication

Zhou Shan，Shen Yongyan
(China Satellite Communications Co.,Ltd.,Beijing,100094)

This paper studies the channel coding and modulation technology for satellite communication firstly.Then the comparative analyses of channel coding and modulation technology in DVB-S Series standard which is widely used in satellite communications are made.Finally the inevitability of using more advanced channel coding and modulation technology in satellite communication is indicated.

Satellite Communication;Channel Coding;Channel Modulation;DVB-S;DVB-S2;DVB-S2X

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.05.001

TN927+.2 文獻標示碼：A

1672-7274（2016）05-0001-04