1、中华人民共和国国家标准卫星数字电视广播信道编码和调制标准发布实施国家质量技术监督局发布前言为使在固定卫星业务和广播卫星业务波段中用于卫星数字多路节目业务一次和二次分配的调制和信道编码系统本标准中简称系统实现标准化特制定本标准本标准描述了在固定卫星业务和广播卫星业务波段中用于卫星数字多路节目业务一次和二次分配的调制和信道编码系统本标准也适用于波段的固定卫星业务中的相应业务本标准等效采用建议书用于卫星业务中的电视声音和数据业务的数字多节目发射系统本标准与等效采用的建议书的差异根据我国的应用情况使用范围扩展用于波段固定卫星业务中的相应的业务增加了在特定的条件下系统使用调制方式系统不仅可为消费级综合解
2、码接收机提供直接到户的业务而且可以通过重新调制用于卫星共用天线电视系统和有线电视前端参见电视声音和数据业务的数字广播系统有线系统的帧结构信道编码及其调制系统使用四相相移键控调制方式和基于卷积码及截短码级联的误码保护方式在特定的条件下系统可考虑采用调制有关内容见附录系统适用于不同带宽的卫星转发器系统使用包复用的同步传输结构与基于编码的电视业务兼容利用复用的灵活性可将传输容量用于不同的业务结构包括电视声音和数据业务所有业务都在单一的数字载波上时分复用本标准概述了卫星数字电视传输系统规范了数字调制信号以此保证设备之间的兼容性这是通过在调制器一端详细描述信号处理的原则来实现的在接收端可以有多种不同的实
3、现方法但是仍有必要参考本标准中涉及接收的有关内容本标准为满足业务的质量要求定义了系统的性能指标及其特征本标准的附录附录为标准的附录附录附录附录为提示的附录本标准由中华人民共和国原广播电影电视部提出本标准由国家广播电影电视总局标准化规划研究所归口本标准起草单位国家广播电影电视总局标准化规划研究所四川长虹电子集团公司本标准起草人杜百川施正平任仪杨庆华魏学明前言国际电信联盟无线电通信全会考虑到数字源编码技术已经发展到一个成熟的水平即在采用与传输容量相适应的比特速率的条件下与常规的模拟技术相比数字技术在视频和声音质量方面更具优势数字复用技术可以更灵活地动态分配每一个节目组成部分视频声音和数据的总数据速
4、率从而可以改变同一个复用码流中的节目数适应多媒体业务的需要数字传输技术可提供更好的频谱利用率例如包括相应的误码保护在内从到的数据率都可满足世界无线电行政大会指配的广播卫星规划日内瓦并提供较高的功率效率同常规的模拟技术相比还能对特定的卫星带宽和功率资源进行灵活的配置同模拟发射相比数字发射需要的抗干扰保护较少从而提高频谱的利用率大规模数字集成电路的使用有可能在规模化生产的情况下提供较低的设备价格新的数字多节目电视系统可用于现有的波段卫星信道作为世界范围的标准在以下几方面已经进行了广泛的研究卫星数字电视广播系统的需求综合业务数字广播的概念包括数据业务和业务信息的传送用于条件接收的通用加扰技术与不同传
5、输媒介最大可能的通用性例如卫星卫星共用天线电视系统地面发射机和电缆实现通用综合电视接收机这一概念的可能性这种接收机应是在全世界范围内以可接受价格向公众提供将来向高清晰度电视兼容转化的可能性满足上述需求的各种技术建议的能力各种系统方案的计算机模拟以及实验室和现场评估卫星数字多节目业务已在一些国家开展并且其他许多国家计划从年起开始这一业务卫星数字多节目电视系统目前正在世界许多地方发展欧洲以外的主管部门仍在研究和考虑采用相关的标准并向递交文稿已经有多个实体包括设备制造商广播公司网络运营者和有关主管部门在发展欧洲的数字电视广播业务的谅解备忘录上签字项目已经一致同意在频段进行卫星传输的通用系统建议称为系
6、统这个建议成为一个欧洲电信标准系统包含如下部分从年起一直在进行消费类接收机的开发依据国际标准草案的图像和声音编码传送复用业务信息系统数据业务传送通用加扰系统与外部设备的通用接口系统与系统线缆分配系统卫星共用天线分配系统和正在发展的地面广播系统有最大的通用性包括源编码复用和里德所罗门外编码建议附录规定的帧结构信道编码和调制方式应该作为世界范围的标准用于实现下行链路频段的卫星数字多节目电视业务注为配合本建议书成立了特别报告组该组一直致力于制定一个世界范围的频段数字多节目卫星发射系统用于电视声音数据业务的广播为了实现这个世界范围的标准该特别报告组将对系统和其他已有的数字多节目卫星发射系统同时进行研究
7、中华人民共和国国家标准卫星数字电视广播信道编码和调制标准国家质量技术监督局批准实施范围本标准规定了在固定卫星业务和广播卫星业务波段中用于卫星数字多路节目电视高清晰度电视业务一次和二次分配的调制和信道编码系统简称系统本标准适用于固定卫星业务和广播卫星业务波段中卫星数字多路节目电视高清晰度电视业务一次和二次分配本标准也适用于波段的固定卫星业务中的相应业务引用标准下列标准所包含的条文通过在本标准中引用而构成为本标准的条文本标准出版时所示版本均为有效所有标准都会被修订使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性运动图像和相关声音编码符号和缩略语符号在本标准中使用了如下的符号滚降系数载噪比载波干扰
8、比卷积码自由距离每个可用比特能量和两倍噪声功率谱密度的比率奈奎斯特频率卷积码生成器码生成多项式交织深度字节调制信号的同相位和正交相位分量交织器的分支序号卷积码约束长度卷积交织器分支深度误码保护帧长度字节码域生成多项式带内纹波相应于调制信号的双边奈奎斯特带宽的符号率由传输复用器输出的可用比特率外码编码器输出的比特率在误码保护数据包中能被纠正的字节数符号周期编码率为的卷积编码后形成的两路比特流缩略语本标准中使用了如下的缩略语加性高斯白噪声基带比特误码率二相相移键控广播卫星业务带宽直接到户数字视频广播卫星数字视频广播频分复用前向纠错先进先出移位寄存器有限冲激响应固定卫星业务十六进制脚注高清晰度电视中
9、频输入复用器滤波器综合解码接收机运动图像专家组最高有效位复用输出回退八进制脚注输出复用器滤波器收缩准同步数字序列相移键控伪随机二进制序列准无误码四相相移键控随机序列射频里德所罗门码卫星共用天线电视待定时分复用行波管放大器传输系统系统定义系统定义了从见复用器输出到卫星传输通道的特性能对电视基带信号进行适配处理的设备功能模块对数据流的处理包括如下几部分见图传送复用适配和用于能量扩散的随机化处理外编码即编码卷积交织内编码即收缩卷积编码调制前的基带成形处理调制系统功能描述由附录标准的附录给出由于通过卫星进行业务直接到户特别受到功率限制的影响因此抗噪声和抗干扰性能是系统设计的主要目标而频带利用率则次之为
10、达到较高的功率效而又对频谱利用率没有过多的影响系统使用调制方式以及级联的卷积码和码卷积码可以灵活地进行设置这样可以在给定的卫星转发器带宽内使系统性能达到最优化参见附录提示的附录本系统适用于单转发器单载波时分复用方式也可用于多频波频分复用的方式系统直接兼容编码电视信号调制解调器传输帧同步于复用传送包如果接收到的信号高于和门限那么系统采用的前向纠错技术可提供无误码质量指标即在一个小时的传输时间里未校正的错误少于个相当于在解复用器的输入处的比特误码率图系统功能框图卫星转发器特性的适配多路数字电视节目的传输将使用固定卫星业务和广播卫星业务波段转发器带宽的选择取决于所用的卫星和业务所需的码率符号速率应与
11、所给定的转发器特性匹配附录给出了基于计算机模拟的假想卫星链路特性其中没有考虑干扰的影响接口本标准定义的系统界定于表给出的接口表系统接口位置接口接口类型连接发送端输入传送复用流来自复用器输出中频去射频设备接收设备输出传送复用流去解复用器输入待定来自射频部件室内单元信道编码传送复用适配和能量扩散随机化处理在传送复用器见后系统输入码流组成固定长度的数据包见图传送复用包总长度为个字节它包括一个同步字节即发送端的处理顺序总是从同步字节即的最高有效位即开始为了符合的无线电规则并保证有恰当的二进制转换从复用器来的输入数据将按照图进行随机化处理伪随机二进制序列生成多项式为在每个传送包的开始处将寄存器进行初始化
12、即将序列装入寄存器如图所示为了向解扰器提供一个初始化信号将每组个传送包中的第一个传送包的同步字节由逐比特取反转换为以上处理过程称为传送复用适配生成器输出的第一个比特加到被取反的同步字节即后面的第一个字节的第一位即上为实现其他传送包的同步在后续的个传送包的同步字节期间继续工作但无输出使这些字节不被加扰这样序列的周期应是个字节当调制器无输入比特流时随机化处理仍要进行而且当输入比特流与传送流格式即个同步字节个字节数据包不兼容时该处理也要进行这就避免了调制器发射未经调制的载波图随机化去随机化原理图外码交织和成帧帧结构基于输入的数据包结构见图图所示的每一个已随机化传送包都用截短的编码生成一个误码保护数据
13、包见图是由原始的截短而得到的数据包同步字节不论是未反转的即还是已经逐比特取反的即也都要进行编码处理码生成多项式这里域生成多项式截短的码可以通过在编码器输入的信息字节之前加个全为零的字节的方法来实现在编码过程完成后这些空字节将被去掉如图所示将对每个误码保护数据包见图进行深度为的卷积交织处理其结果是生成一个交织帧见图卷积交织处理深度为交织帧由相互交迭的误码保护数据包组成并且界定于已取反或没有取反的同步字节借此保持字节的周期交织器由个分支构成由输入开关周期地把输入字节流接入各路输入每一路是深度为个单元的先入先出移位寄存器这里误码保护帧长度交织深度分支号每个单元大小为一个字节并且输入与输出的开关应同步
14、为实现同步同步字节和逐比特取反的同步字节总是经过交织器的分支相应于零延时注原理上去交织器和交织器类似但是分支号是相反的即对应于最大的延时去交织器的同步可由将第一个识别到的同步字节输出到号分支来实现交织帧交织深度字节没有随机化的逐比特取反同步字节没有随机化的同步字节图帧结构卷积交织处理是基于与类型方法相兼容的方法参见用于常规突发干扰信道的纠错编码图卷积交织器和去交织器示意图内码卷积系统允许使用一系列基于约束长度编码率为的卷积码的收缩卷积码对于给定的业务或数据速率通过选择合适的编码率可以达到最合适的误码保护水平系统允许使用编码比率为和的卷积码表给出了可用的收缩卷积码的定义参考图注在接收机端每一种编
15、码比率和收缩配置都要进行尝试直到锁定信号为止在解调器中相位不定性可通过对界定交织帧的同步字节进行识别来解决表收缩码定义原码编码比率注传输比特非传输比特基带成形和调制系统使用传统的绝对映射不进行差分编码格雷码调制使用图所示的信号空间比特映射注在特定的条件下系统可考虑采用调制有关内容见附录提示的附录在调制之前和信号在数学上由一系列狄拉克函数表示彼此间隔为符号周期将进行平方根升余弦滚降滤波滚降系数为图星座图基带平方根升余弦滚降滤波器具有下式定义的理论函数当当当其中即奈奎斯特频率是滚降系数调制器输出端的信号频谱样板图由附录标准的附录给出误码性能要求在中频环路的调制解调器必须满足由表给出的与之间的性能要
16、求卫星系统性能的代表性数值由附录提示的附录中给出表系统的中频环路性能内码编码率译码后达到维特比译码后所需的注的值对应于编码前的可用比特率并包括一个的调制解调器实施裕量和由于外码导致的噪声带宽的增加准无误码意味着每小时少于一个未校正的误码即在解复用器的输入端达到为附录标准的附录调制器输出端信号频谱图给出调制器输出端的信号频谱模板图给出奈奎斯特调制滤波器硬件实现的群时延模板图也表示了在条中定义的奈奎斯特调制滤波器的一种可能的硬件实现模板图和图中点到点由表定义滤波器频率响应的模板是根据输入为理想的狄拉克信号的假设其间隔为符号周期如果输入信号为矩形还要对滤波器响应进行适当的校正图基带频率域中调制器输出
17、的信号频谱模板图调制滤波器群时延模板表图和中点的定义点频率相对功率群时延附录标准的附录系统方案描述调制器和解调器完成的功能如图所示由于调制器和解调器框图相似只对解调器进行描述如下中频接口和解调器该单元完成正交相干解调和模数转换向内码译码器提供软判决信息匹配滤波器该单元根据滚降因子对脉冲波形进行反升余弦脉冲成形滤波使用有限脉冲响应数字滤波器可以对综合解码接收机中的通道线性失真进行均衡载波时钟恢复单元该单元用于恢复解调器同步在解调器的整个范围内失锁产生的可能性应当很低图发送端和接收端系统示意框图内码解码器该单元提供第一级误码保护解码它必须能在输入信号等效硬判决比特误码率的数量级为和依赖于采用的编码
18、比率的情况工作并产生或更低的输出误码率这个输出误码率经过外码纠正后可提供准无误码的业务该单元有可能利用软判决信息该单元试用各种编码比率和收缩配置直到获得同步锁定在这里还去除解调相位不定性同步字节解码器通过对同步字节进行识别该解码器为去交织提供同步信息它也要辨别出解调器的相位的不定性该不定性不能被维特比解码器检测到卷积去交织器该单元将内码解码器输出端处的突发误码以字节为单位进行随机化处理以提高外码解码器纠正突发误码的能力外码解码器这个单元提供第二级误码保护当输入误码率约为时此单元应提供准无误码的输出即为到若使用无限字节交织时输出误码性能可以更好在交织深度输入误码率为时即可认为能提供准无误码的输出
19、去能量扩散该单元通过去除用于能量扩散目的而使用的随机化处理恢复用户数据并把已反转的同步字节转变成正常的同步字节基带物理接口该单元将数据结构转换成外部接口所需的格式和协议注如果误码超过了外码的纠错能力可以通过置位包头中的误码标志位来提供指示信息附录提示的附录比特率和转发器带宽关系的举例传输符号率可以与给定的转发器特性相匹配以达到最大的传输容量这种传输容量是指在因转发器带宽限制而造成的信号劣化的情况下的可接受量值表给出了当一个卫星转发器的带宽对应值为时可达到的可用比特率的例子对于不同的业务需求可以采用其他的值这取决于传输容量和劣化程度之间的折中考虑表比特率和转发器带宽对应关系举例带宽带宽卷积码卷积
20、码卷积码卷积码卷积码注表示复用器之后的可用比特率符号率对应于调制信号的带宽表对应于滚降系数和码率时劣化为的情况对应加性高斯白噪声信道包括和的影响图和显示了由计算机模拟的和滤波器的特性总带宽为图给出的例子是计算机模拟的卫星转发器由于和带宽的限制造成的劣化见图和图转发器行波管放大器输出回退的比率在和之间基准的劣化对应于卫星转发器带宽无限制的情况此结果是由计算机模拟获得的其中内码速率为和对应于不同转发器可以获得其他的结果当使用图时考虑到转发器的发热和老化不稳定性应加入适当余量图假想输入复用滤波器特性图假想输出复用滤波器特性图由于转发器带宽限制导致的劣化附录提示的附录系统的使用举例表考虑将系统应用于额
21、定带宽为的转发器的例子不同的内码比率给出相应的比特率表转发器系统性能的例子比特率比特率符号率卷积内码外码复用器后后比率比率注表的计算机模拟结果基于一个假设的卫星链路包括和见图和图调制滚降系数基于在接收机中实施软判决维特比译码的值包括由于和滤波器带宽限制造成的劣化饱和造成的非线性失真以及调制解调失真该值适用于在码之前输出为准无差错由于干扰引起的劣化没有计入图显示了表中内码速率为时的情况适合于连接的准同步数字微波中继地面网络的例子所使用的误码保护与卫星所使用的一样图系统和同地面准同步数字微波中继连接示例附录提示的附录在卫星传输系统中调制的实现本附录为不适宜采用前述调制方式的应用提供了一种较好的实现
22、方案内码的收缩符合本标准的表与相关产生和并行信号通过并行到串行的转变和两个信号合并成一个信号使用双倍的速率在表中表给出收缩方案表收缩方案编码速率信号映射到星座图时采用绝对码不采用差分码频谱成形基带滤波器与的一致在通过卫星发送直接到户业务的典型条件下采用本标准的调制方式达到频谱和功率效率两者的平衡和相比在存在加性高斯白噪声和干扰时使用相同的比特率提供了双倍频谱效率和相同的功率效率总之采用方式在使用与转发器带宽相匹配的最大符号率的情况下可获得卫星传输系统最好的系统性能参见本标准附录这种方式称为全频带传输反之如果部分转发器带宽没有被信号利用在本附录中称为缩减频带传输全频带与依次递减的收缩码率从到相组
23、合可以获得与相匹配的最大比特率如果能够找到一种与相匹配的配置方案没有一种方案能在比特率或派生的影响其他业务干扰功率谱密度方面提供相同或更好的性能例如比较全频带和全频带使用相同的符号速率后者的比特率减少了同时功率增加了而派生的影响其他业务干扰功率谱密度则相同只有在特定的临界传送的条件下在相同的比特率时全频带的性能超过缩减频带这只有在的实际比值不能支持全频带的比特率并且存在很强的窄带同频干扰时才可能发生例如假设窄带同频干扰使用同样的比特率全频带和缩减频带相比全频带需要相同的但是派生的干扰功率谱密度减小在相同的条件但采用较小的时全频带需求的减小派生的干扰功率谱密度减少另一方面在某些情况下由于频谱占用率低可采用在转发器带宽内移动载波信号的方法避免同频干扰
