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中的差錯控制10.8DBS系統(tǒng)的組成10.9家庭接收機室外單元10.10-家庭接收機室內(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)星廣播信號對地面微波通信系統(tǒng)的干擾,對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年世界無線電管理會議對衛(wèi)星廣播頻段進行了分配。對于我國所在的第三區(qū)域,允許使用11.7~12.2GHz頻段內(nèi)的24個頻道,每個頻道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。我國數(shù)字電視轉(zhuǎn)播頻道劃分有頻分和時分兩種方式: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區(qū)域不同。

10.2功率等級和轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)量

用于DBS的衛(wèi)星一般擁有相對較高的EIRP值。在1983年召開的區(qū)域管理無線電理事會上,將DBS的EIRP限定為57dBW。根據(jù)高功率放大器的功率輸出對轉(zhuǎn)發(fā)器進行分級。一般情況下衛(wèi)星可以攜帶32個轉(zhuǎn)發(fā)器。在32個轉(zhuǎn)發(fā)器都被使用的情況下,每個轉(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,但是每個轉(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)射信號將可能進入接收機而形成干擾。為保證干擾足夠小,比如當(dāng)接收機天線直徑為0.4m,若要求信號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,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數(shù)字化需要引入信號壓縮,將大大降低帶寬需求。先估計轉(zhuǎn)發(fā)器中24MHz帶寬可以承載的信號比特率(加上3MHz保護頻帶,得到27MHz的頻道帶寬)。在給定帶寬下能夠發(fā)送的符號速率為

因此,在24MHz的帶寬中,滾降因子為0.2時,所允許的符號速率為20×106符號/s。衛(wèi)星數(shù)字電視使用QPSK調(diào)制方式,每符號2bit信息量,因此Rb=20Mb/s,即使用QPSK的24MHz信道可以實現(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面的格式。一種估計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)果乘以每個像素的編碼比特數(shù)。每個像素的編碼比特數(shù)取決于每個像素的顏色深度,如每個像素16比特的情況下,顏色深度為216種顏色。使用HDTV(HighDefinitionTeleVision)格式每幀的像素數(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)清晰度電視對應(yīng),后者與處于最高分辨率狀態(tài)的高清晰度電視對應(yīng)。演播室質(zhì)量的廣播信號在根據(jù)國際電視標(biāo)準(zhǔn)CCIR601進行數(shù)字化時需要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)目素材和類型。例如,很少移動的現(xiàn)場訪談節(jié)目需要較低的比特率,而帶有大量運動場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)遵循運動圖像專家組(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)。在視頻信號處理前,從紅(R)、綠(G)、藍(B)攝像機中輸出的模擬信號被轉(zhuǎn)換成一個亮度分類(Y)和兩個色度分類(Cr和Cb)信號,以矩陣表述如下:

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

圖10-1MPEG2編碼過程

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信號的采樣率相同,每個像素由3個數(shù)字字符表示,每個字符代表一個分量信號。假設(shè)一個字符為8比特(即一個字節(jié)),每個像素3個字節(jié)。

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

Y∶U∶V=4∶2∶0表示Cb、Cr信號的采樣率為Y信號采樣率的一半,但是它們僅在隔行掃描時才被采樣,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個字節(jié)表示,其中Y信號4個字節(jié),Cb和Cr信號各1個字節(jié)。

經(jīng)過數(shù)字轉(zhuǎn)換器后將形成不同信號,離散余弦變換(DCT,DirectCosineTransform)將信號轉(zhuǎn)換成“空間頻率”(SpatialFrequency)域。DCT變換中,輸入信號是水平分量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被稱為空間頻率(類比于傅里葉變換將時域信號g(t)變換為頻域形式G(f),時間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,這樣可以減少傳輸?shù)募墧?shù),從而對信號進行壓縮。G(u,v)中較高的空間分辨率代表精細(xì)的空間分辨率,而人眼對這些高空間頻率分辨率分量不敏感,因此可以對它們進行粗量化,從而達到進一步壓縮的功能。

通過運動估計也可以進行一定的壓縮,如在MPEG2中,將幀分為I、P和B幀,通過不同幀之間的比較,可以獲得對運動的估計:①I幀是一種獨立幀,表示它可以不借助其他幀進行重建;②P(前向)幀與它之前的I幀進行比較,只有因運動造成的變化部分需要進行編碼,上述幀比較過程在宏模塊中進行,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P幀”進行比較。要進行前向比較,顯然需要將之前的幀緩存,只有由運動造成的變化的部分才會被編碼。

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)上進行了改進,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)乘以每個采樣點的比特率n,即

10.7DBS中的差錯控制

由于DBS信號具有高壓縮率,因此所傳輸?shù)男畔⑷哂喽容^小,這種情況下比特錯誤對信號造成的影響將遠遠大于未壓縮比特流的情況,因此引入前向糾錯是非常必要的。使用級聯(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)錯誤,內(nèi)碼使用卷積碼(編碼效率為1/2,約束長度為7),用于糾正隨機錯誤。內(nèi)碼譯碼器使用Viterbi譯碼算法,如圖10-2所示。

圖10-2DBSTV信號編碼和解碼操作框圖

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

比外層RS編碼更好的檢錯能力。若采用糾錯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

性能,若采用高速微處理器,可以實時地解碼。對于像DBSTV廣播這樣的實時系統(tǒng)而言,這一點十分重要。糾錯碼的譯碼操作必須盡可能地采用低成本的處理器做到實時處理,這也是影響CD信號和視頻信號級聯(lián)碼選擇的一個主要因素。差錯控制編碼中沒有被糾正或檢出的誤比特位會造成碼字中仍然存在錯誤的碼字。

畫面動作較多的實況節(jié)目可能會導(dǎo)致MPEG2編碼信號高于平均速率,達到6.2Mb/s。將預(yù)錄節(jié)目和實況節(jié)目在同一轉(zhuǎn)發(fā)器中混合傳輸,有助于平滑實況節(jié)目的突發(fā)性,可得到更好的轉(zhuǎn)播效果。

在非壓縮數(shù)字電視畫面中,單個碼字錯誤只會造成電視屏幕上某個像素點的顏色發(fā)生錯誤,但是,在數(shù)字壓縮電視中的一個碼字可以影響屏幕上的許多個像素點,因而一個錯誤碼字可能會造成一個塊的顏色錯誤。MPEG2對實況視頻信號的壓縮率為8~10,因而單個MPEG2編碼比特流中的錯誤碼字便可造成8~10個像素點錯誤。若傳輸過程中發(fā)生錯誤,則錯誤像素的數(shù)量可能會更多。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誤效應(yīng)為目的的,因而單個錯誤碼字所造成的影響通常都被限制在一個小方塊的范圍內(nèi)。

當(dāng)接收機中的比特流誤碼率增加時,錯誤碼字的影響便會加重,電視畫面上的方塊也會更大。接收系統(tǒng)一般具有識別高誤碼率的能力,若誤碼率過高便會在屏幕上顯示空白畫面,直到誤碼率達到要求時再顯示。因此,DBSTV鏈路上的降雨衰減低于接收門限時,電視屏幕上首先會出現(xiàn)零星的、小的“馬賽克”,然后逐漸變成大的錯誤塊,最后出現(xiàn)空白。當(dāng)降雨強度減小后,信號強度又會超過門限,電視圖像會恢復(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,用戶反饋的點播信息也送至廣播中心。地面接收站可以是家庭用接收機,也可以是地方電視臺或有線電視網(wǎng)的前端站。家用接收機具有小的天線,只能在衛(wèi)星EIRP較大(一般為50~60dBW)的系統(tǒng)中使用。地方電視臺或有線電視網(wǎng)前端站接收機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。在整個衛(wèi)星數(shù)字電視廣播系統(tǒng)中,無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,每路電視包括了圖像、聲音和可能的數(shù)據(jù)信號分量,它們分別通過相應(yīng)的編碼后,進一步復(fù)合為復(fù)合數(shù)字電視信號,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信道特性進行前向糾錯和調(diào)制。然而,能量擴散也是廣播系統(tǒng)不可缺少的部分。能量擴散是指對傳輸流數(shù)據(jù)進行隨機化處理(或稱擾碼),以避免在某一射頻點附近出現(xiàn)長的連“1”或連“0”,從而防止對其他通信系統(tǒng)的干擾。這種將廣播信號能量擴散到較寬頻帶的措施,稱為能量擴散技術(shù)。數(shù)據(jù)流隨機化除了使能量擴散外,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)、外兩重糾錯編碼方式。編碼后的信號最后進行基帶整形,以便對信號流帶寬予以限制,從而產(chǎn)生足夠小的符號間干擾。

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

10.9家庭接收機室外單元

家庭接收機一般由兩部分組成: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(12.2~12.7GHz)由天線聚焦到接收饋源喇叭。饋源喇叭將信號傳入極化器,極化器可以進行切換,以使左旋圓極化信號或右旋圓極化信號通過。極化器后面的低噪聲模塊包括一個低噪聲放大器和一個下行轉(zhuǎn)換器。下行轉(zhuǎn)換器將12.2~12.7GHz頻段的信號轉(zhuǎn)換為950~1450MHz,信號在這個頻段內(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,在制造過程中,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,而且實際上很多設(shè)備制造商提供信號強度等高線用于顯示在給定區(qū)域中的最佳天線尺寸。

10.10-家庭接收機室內(nèi)單元

室內(nèi)單元(IDU,InDoorUn