利用卫星广播频道的先进多媒体传输系统

2002-05-16 作者 国家广播电影电视总局 丁冬宜　

　 2000年国际电联无线电通信部门（ITU-R）审议通过了一份新建议书“在卫星广播频道内由ISDB（综合业务数字广播）提供的先进多媒体服务传输系统”详细介绍了一种提供多种信息服务的新的技术系统，把它与ITV-R BO.1211建议书和ITU-R BO.1294建议书以同等地位推荐给ITU成员国作为可选项目纳入实际应用。国际电联考虑到由广播频道提供多种信息服务诸如包括高清晰度电视（HDTV）和标准清晰度电视（SDTV）的视频、音频、文本、图形和数据等已很普遍，而通过数字技术比如ISDB技术可以对这些信息进行更有效而灵活的综合处理，进一步提高服务质量。这其中MPEG-2传送流（MPEG-TS）已广泛地用作数码信息的载体，如果将集成的数据/业务通过传送流基带完成，则可获得最大的传输效益。众所周知，用于ISDB典型业务的先进多媒体传输系统的突出特征应是具有最高的灵活性，例如可适应多种MPEG传送流，对于合适的调制方案8PSK、QPSK或BPSK等，可以允许时间复用等等。

　　 本文所描述的传输系统正是这样一个系统，该系统的技术条件已由国际电联以新建议书的形式推荐用于卫星ISDB。本文将比较系统地介绍这份新建议书所推荐的传输系统的内容，供业内人士参考。
　　
　　 一 概述
　　
　　 ISDB（综合业务数字广播）是新型的多媒体广播业务，它系统地综合了各项数字内容，每一项内容可以包括从LDTV到HDTV的多节目视频、多节目音频、图形、文本等。如今大部分的数字内容均被编码到MPEG-2传输流格式并被广泛传输。由于ISDB包含了不同的业务，其传输系统必然要涵盖各种业务不同的需求，例如HDTV需要一个大的传输容量，而数据业务需要极高的业务可靠性，诸如条件接入的键控传输，软件下载等。为了集成这些业务需求不同的信号，要求传输系统提供一系列可供选择的调制和误码保护方案，并且能够灵活组合以满足所集成业务的每一需求，特别是工作在11～12GHz卫星广播业务(BSS)频段、又处于高雨衰区国家的卫星ISDB系统的需求。

　　 卫星ISDB传输系统的特性有以下主要几点：

　　 ● MPEG-2接口：进入编码器的输入信号和解码器的输出信号要符合MPEG-2 TS技术规范；
　　 ● 以MPEG-TS为基础的信号集成能力：数字内容可以复用，而输入码流不需要解码或重新编码；
　　 ● 调制方案可以灵活选用；
　　 ● 具有规定的控制信号用来通知接收机的复用解码和相关的调制结构识别。
　　
　　 二 卫星ISDB通用系统及各部分技术要求
　　
　　 1 系统框图释义
　　 系统的通用结构示意见图1。

　　 系统应能处理三类信号，以便传输具有不同类型的调制方案的复用MPEG-TSs，并达到稳定和易接收之目的。这三类信号是：

　　 ● 由复用的并载有节目内容的MPEG-TSs组成的主用信号；
　　 ● TMCC（传输和复用结构控制）信号，用于通知接收机采用的是何种调制方案，识别MPEG-TSs等等的信号；
　　 ● 在任意接收条件下（特别是在低载噪比CNR条件下）保证接收机稳定接收载波的脉冲信号。

　　 为了处理复用的MPEG-TSs，并允许几种同时使用的调制方案，在主用信号中引入了帧结构。输入的MPEG-TSs应组成一个信号流，该信号流在卫星系统里可以进行普通的信号处理，如能量传播、交识和内编码；标明每一个TS包的调制方案等的控制数据应当编入TMCC信号，进行一系列的信号编码。在大多数情况下，信道编码的某些部分可以与主信号共用。脉冲信号应当是能量传播型的，以避免在信号传输中出现线谱。这个问题可以通过一随机序列来调制这一脉冲信号，因此，脉冲信号是可以携带信息的，方法是通过插入其中的信息数据来调制脉冲而达到目的。在这种情况下，必须有一附加的信道编码。这三类信号应进行时分复用，并由选定的调制方案进行调制。

　　 2 主用信号的外编码

　　 来自RS（255，239）原码的缩短型编码RS（204，188）应当用于每一路输入的MPEG-TS包（188 bytes），以便产生误码保护包（204 bytes）。该RS编码也可应用于包的第一个字节（byte）-MPEG同步字。

　　 其中，编码发生器多项式：
　　 g(x)=(x+λ0)(x+λ1)(x+λ2)(x+λ15)
　　 式中λ=02hex
　　 场发生器多项式:
　　 p(x)=x8+x4+x3+x2+1

　　 这种缩短型RS编码可以在RS(255,239)编码器的输入端,在信息字节之前增加设置为零的51个字节来实现。在RS编码处理程序之后这些零位字节就被删弃了。

　　 3 传输综合器

　　　1) 帧结构
　　　为了组合这些TSs（传输流），在数据帧内，204字节的误码保护包应当排列成一些长方形的狭槽（slot）如图2所示。
　　　　　　　　　　　　

　　 这些长方形小狭槽表示数据内相关部分的确切位置，并用作标明调制方案单元和识别MPEG-TS，狭槽为204字节，以保持狭槽和误码保护包之间一一对应的关系。而数据帧由N个小狭槽组成。

　　 为了完成交织引入了“超级帧”（super-fram）概念，图3示出超级帧的结构，这种超级帧由M个帧组成，M对应于交织深度。
　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　 2) 长方形狭槽的排列

　　 当频谱效益或每符号可传送的比特数随调制和内编码率的组合而变化时，其被传送的包数就与组合情况有关。由于被特定的调制方案进行调制的符号数必须是整数，那么被传输的包数和所调制的符号数之间的关系由式（1）给出：
（1)式中：
　　 Ik和Pk是整数值；
　　 Ik—与第K个调制方案和内编码率组合一起传输的符号数；
　　 Pk—与第K个调制方案和内编码率组合一起传输的包数；
　　 Ek—第K个调制方案和内编码率组合的频谱效益；
　　 B—每个包的字节数（=204）。
　　 每个数据帧的符号数（ID）由式（2）表示：
　　 在一个帧周期内，数据包有不同的组合，当这些包由具有最高频谱效益的那一组调制码进行调制时，其传输的包数最大。因此，由系统提供的狭槽数目N，可通过ID和Emax与公式（1）的关系得到：
　　 Emax表示系统提供的编码调制组合的最高频谱效益。
　　 当编码调制组合效益不具有最高频谱效益时，被传输的包数会变成低于由系统提供的狭槽数，这时，一些狭槽需通过虚拟数据予以填充，以保持帧的大小（帧中的狭槽数）为常数。这些狭槽称之为“虚拟狭槽”，一帧内的虚拟狭槽数Sd按以下等式计算：
　　 此种情况，复用调制方案随时可用，即一帧内的部分狭槽由特定的调制编码组合予以调制，而余下的狭槽被另外的组合编码调制。被调制的数据有来自最高频谱效益方案调制的。换句话说，以最高频谱效益组合传输的包被指配给一帧内编号最低的狭槽，这样的调制顺序在CNR低的接收条件下，在卷积码解码之后给出比特 误码率（BER）的最小值。
　　　　　　　　　　

　　 图4给出狭槽指配的一些例证。这里使用的调制为QPSK（r=1/2,r表示码率），BPSK（r=1/2)和QPSK（r=3/4）。并分别应用TC8PSK（r=2/3），在这些例子中，假设TC8PSK（r=2/3）是系统的最高频谱效益组合。

　　 由于QPSK（r=1/2）的频谱效益是TC8PSK的一半，一个虚拟狭槽被插入（见图4a）；由于BPSK（r=1/2）的频谱效益是TC8PSK的1/4，则有3个虚拟狭槽被插入（见图4b）；由于QPSK（r=3/4）的频谱效益是TC8PSK的3/4，则有一个虚拟狭槽被插入（见图4c）。

　　 4 主信号能量传播的随机化

　　 为了遵守ITU的无线电规则，以确保适当的双向传输，其帧数据应当按图5中描述的结构进行随机化处理。

　　 随机化二进制序列（PRBS）发生器多项式： 1+x14+x15

　　 如图5所示，装载到PRBS寄存器中的序列应当在每一个超级帧的第二字节开始，PRBS发生器输出的第一个比特应当用于第一帧中狭槽1的第二字节的第一比特（即MSB），除了每一狭槽的第一字节（MPGE同步字）外，PRBS中都应当加入数据。
　　　　

5 主信号的交织

　　 交织深度为M的帧间块交织可用于随机化数据，如图6所示。在整个超级帧中每一帧的狭槽指配应当是相同的。此相同的调制编码组合传输的那些信息中只有数据在进行交织。因此，除了每个狭槽的第一个字节（MPEG同步字），其余的都应当进行交织。
　　　　　　　　　
　　　
　　 图6表示的是当交织深度为8（即超级帧由8个帧块组成），并采用了两种调制码组合的例子。原帧中的数据在帧间方向被读出，即以A1.1；A2.1；A3.1；……的顺序读出。此处Ai.j代表第i帧中第j狭槽的字节数据，这些数据形成交织帧。而在字节方向（水平方向）读出交织帧中的数据被馈送到TDM复用器处理。

　　 每个包中的第一字节（MPEG同步）字不必传输，因为计时基准（帧同步字）由TMCC信号传送。被省略的MPEG同步字必须在接收机端被恢复以形成适当的外解码，在此情况，前述公式（1）和（3）中的B应当取值为203，以便该等式中的数值保持正确。

二 卫星ISDB通用系统及各部分技术要求（6-10）

6 TMCC信号
　　 一般情况，传输与复用结构控制信号（TMCC）应当包含以下信息：　　
　　 ● 用于每一狭槽的调制码组合；
　　 ● 用于每一狭槽的MPEG-TS识别码；
　　 ● 其它（例如顺序改变，广播报警、突发事件的旗标比特等）。

　　 TMCC信号应当比主信号优先传送，因为在没有TMCC信号时，主信号不能解调。TMCC信号恢复的最小间隙应当是一个超级帧的周期时间。接收机应当首先解码每一超级帧的TMCC信号。除了上述信息之外，TMCC信号还应当传送时间基准信号。
　　 1) TMCC信息编码
　　 由TMCC信号携带的信息应当采用如图7的格式，其中每一项的详细情况说明如下：

（1）顺序变化
　　　 “顺序变化”占用5个比特，示意TMCC信号的恢复。只有当这些比特变化时，接收机才可以检测到这些比特并可以解码TMCC信号。“顺序变化”的使用由系统任意规定。

　　 （2）调制码组合信息
　 　　 它表示调制方案的组合状态和每一狭槽的卷积码率。调制码组合的最大数
（Cm）应当由系统根据接收要求确定。用于调制码组合的字排列应当按表1的规定安排。当正在使用的调制码组合数小于系统规定的最大数时，字“1111”应当用于剩余的组合，且指配的狭槽数应当设置为零。组合码的顺序从最高效益组合到最低效益组合。

　　 (3) TS识别
　　 对于每一狭槽，在相关TS IDS的组合中仅识别正在传输的TSs信号和与之对应的表列，而不是传输的MPEG-2 TS ID（16比特）。每一狭槽都应当顺序传输，从狭槽1开始。同时传输的TSs最大数由系统予以确定。

　　 所对应的这些项目表列应当由16比特的数字矩阵组成，以代表每一MPEG-2 TS ID，这些数字应从相关TS ID的数字O到TM进行排列。

　　 （4）其它信息
　　 其它信息的编码格式由系统适当地确定。

　　 2) TMCC信息的外编码
　　 TMCC信息在接收端解调是接收信息的必要条件，不可或缺，为了可靠接收，TMCC信号的误码保护电平（即前误码纠错FEC）应高于主信号的FEC电平。同样，调制码组合的传输应当具有最大的抗传输噪声的能力。

　　 3) 时间基准
　　 时间基准有两类：
　　 ● 用来表示每一帧开始的帧同步字；
　　 ● 识别第一帧（1号帧）的帧识别字
　　 这些字均通过每帧传输。

　　 将外编码的TMCC数据分为M块（在超级帧中M是帧数），每一块中插入同步字，而同步字W1插入每块的开始之处，字W2插入所传输的第一帧的结尾处，而字W3插入余下的结尾块。字W1、W2和W3由两个字节组成，W1应是1B95 hex，W2应是A340 hex, W3应是5CBF hex（W3是通过倒道W2的比特而获得）。

　　 注意这些字的第一个6比特将会通过荷载信息（主信息的内容或TMCC信号）而改变这是由于卷积码（规定长度为7）应用于后续处理级的TMCC信号所致。换句话说，字的第一个6比特被用作卷积码的终端比特。因此，同步字中的特定比特图形是初始字16比特以外的10个比特。

　　 4) TMCC信道编码
　　 为了能量的传播，TMCC信号应当是随机化的。伪随机二进制序列发生器多项式与主信号的相同，伪随机序列应当从第一块的第三字节（同步字之后）开始。发生器输出的第一个比特应该用于这第一块第三字节的第一个比特（即MSB）。除了时间基准以外，伪随机序列应加上数据。

　　 对于由等量比特组成的TMCC信号可以不作交织处理，因为交织的效果毕竟是有限的。当然，如果必要，TMCC信号也可以进行交织处理。