周 珊，沈永言

技术研究

卫星通信中的信道编码与调制技术

周 珊，沈永言

（中国卫通集团有限公司，北京 100094）

本文首先研究了卫星通信中的信道编码与调制技术，并对广泛应用于卫星通信的DVB-S系列标准中的信道编码与调制技术进行了对比分析，最后提出了卫星通信采用更高级信道编码和调制技术的必然性。

卫星通信；信道编码；信道调制；DVB-S；DVB-S2；DVB-S2X

1 引言

卫星通信是通信基础设施中不可或缺的组成部分。随着信息技术的快速发展和信息应用的日益丰富，人们对于卫星通信系统的质量和容量提出越来越高的要求，这直接推动了卫星通信信道编码和调制技术的进步。先进的信道编码技术可以有效降低误码率和发射功率，而先进的调制技术可以显著提高频率资源的利用率。因此，卫星通信信道编码与调制技术的研究和应用具有极大的理论和实际意义。

2 信道编码技术

卫星通信信道是一种典型的时变信道，其多径、多普勒和阴影等效应会严重影响信号传输的可靠性。要保证通信质量，就需要在一定功率条件下使用相应的信道编码，以达到检错和纠错的目的。

信道编码的基本原理是在信息码元序列中附加一些监督码元，在两者之间建立某种校验关系，当这种校验关系因传输错误而受到破坏时，可以被发现和纠正。信道编码有编码增益和编码效率两个主要性能指标。编码增益定义为非编码系统与编码系统之间所需信噪比的差值，它反应了在一定误码率要求下特定编码方法对信噪比的改善程度。编码增益的获得要通过增加系统带宽和系统复杂度来换取，这就涉及到编码效率问题。编码效率定义为信息码元位数与编码序列长度的比值，某编码方案所需监督码元位数越少，其编码效率越高。

根据信息码元和监督码元之间的约束方式，信道编码可分为分组码和卷积码。在分组码中，监督码元仅与本码组的信息码元有关，汉明码是最早提出的一种分组码，它只能纠正一个码字中的单个差错，后来发展起来的能纠正多个随机错误的BCH码以及具有纠正突发错误能力的RS码（多进制BCH码）也都属于分组码，且具有循环特性。LDPC码是一类由特定的稀疏校验矩阵构成的分组码，具有逼近香农极限的优异性能。在卷积码中，监督码元与本组信息码元及前面若干组的信息码元同时有关，Turbo码就是由两个结构相同的卷积码编码器构成的码字。除了分组码和卷积码，还有一种组合码称为串行级联码，可以将纠正随机差错的码和纠正突发差错的码相结合，同时加大了码长，提高了性能。

RS码、卷积码、串行级联码、Turbo码和LDPC码等都是目前卫星通信中常用的信道编码，它们的性能差异集中体现在图1中。图中曲线表示在BPSK调制方式和10-5误码率指标要求下，与未采用编码系统相比，以上各种编码在Eb/N0方面取得的改进。

图1 BPSK调制方式不同标码的传输误码率与Eb/N0关系曲线

可见，单独采用分组码所获得的编码增益较低，只有2.7dB；常用的卷积码在3bit量化软判决时编码增益为5dB左右；串行级联码选用R=1/2卷积码作内码，RS码作外码时，编码增益为可达7～8dB左右；Turbo码无论在AWGN信道还是在衰落信道中，都取得了很好的误码率性能。当采用65535bit的随机交织器、18次迭代时，1/2码率的Turbo码的编码增益可达8.9dB；规则LDPC码在性能上不如Turbo码，而当码长超过104后，不规则LDPC码的性能开始优于Turbo码。

3 信道调制技术

按照调制器输入信号的形式，调制可以分为模拟调制和数字调制。模拟调制是指利用输入的模拟信号直接改变载波的振幅、频率或相位，从而得到AM（调幅）、FM（调频）和PM（调相）信号。数字调制指利用数字信号来控制载波的振幅、频率或相位，相应调制方式为ASK（幅移键控）、FSK（频移键控）和PSK（相移键控）。按照已调信号包络幅度是否变化可分为恒包络和非恒包络，FSK，PSK，CPM（连续相位调制）为恒包络调制，而ASK，QAM（正交幅度调制）为非恒包络调制。

调制是为了使信号特性与信道特性相匹配，不同类型的信道特性需要选用不同的调制技术。卫星通信信道要求已调信号具有等包络、窄带宽、高频带利用率和强抗干扰性能等特点，因此，在卫星通信系统中通常采用PSK和以此为基础的其他调制方式，如BPSK，QPSK，8PSK，16QAM，16APSK等，其星座图如图2所示。

图2 BPSK，QPSK，8PSK，16QAM，16APSK星座图

信道调制有功率利用率和频带利用率两个主要性能指标。功率利用率定义为达到一定比特差错率所需要的最低归一化信噪比及比特能量与噪声功率谱密度之比，所需归一化信噪比越低，功率利用率越高，反之则越低。不同调制方式达到同一比特差错率时所需要的信噪比不同，且调制阶数越高所需的信噪比越高，如图3所示。

图3 不同调制方式下误码率与信噪比之间的关系

频带利用率定义为1Hz的系统带宽所能传输的信息速率。频带利用率与调制方式、编码方式以及滚降系数密切相关。编码效率越高、调制阶数越高、滚降系数越小，频带利用率越高，但所需的信噪比也会越高，这样功率利用率就会越低。通常，一种调制技术不能同时达到最高的功率和频带利用率，需要根据实际要求进行折中。卫星通信空间段资源主要由转发器带宽和功率两部分组成，选择调制方式的原则是尽量少地占用转发器的带宽/功率，且要达到功带平衡。

总的来说，卫星通信信道调制技术的发展趋势为更高的频带和功率利用率，并达到二者的最佳平衡。

4 DVB-S系列信道编码与调制技术

DVB-S是一套成功用于卫星数字视频广播的技术标准，包含信源编码、信道编码和调制。DVB-S最初仅用于数字卫星广播领域，后来随着卫星信道编码和调制技术以及卫星通信广播应用的飞速发展，DVB-S2和DVB-S2X应运而生，且其应用范围不再局限于数字卫星广播领域，而是逐步扩展到整个卫星通信领域。DVB-S系列标准集中体现了卫星通信信道编码和调制技术的发展成就和应用水平。

4.1 DVB-S

DVB-S 1993年在欧洲兴起，由两部分组成，一部分为信源编码和复用，另一部分为信道编码和调制，其信道编码和调制系统组成如图4所示。

图4 DVB-S信道编码和调制系统组成

DVB-S信道编码采用RS码和卷积码串行级联编码方式。其中RS码作为外码，码型为RS（204，188），用来纠正与本组（8比特）有关的误码，对纠正突发性误码很有效。卷积编码作为内码，码型可选择1/2，2/3，3/4，5/6，7/8，选择的标准是在频带利用率和抗误码性能之间权衡。卷积码除纠正本组的误码以外，也纠正其他组的误码。RS编码器与卷积编码器间为一交织器，交织器可将连续误码分散开，使连续误码不会超出纠错能力。

DVB-S信道调制采用QPSK方式，其抗误码性能较优，且包络恒定，传输信道中的幅度衰减对其性能无影响，非常适合卫星信道，但频带利用率不高，仅为2b/s/Hz。调制过程由映射、基带成型和调制载波三个环节组成。由于编码器产生的矩形基带脉冲信号在频域内无限延伸，因此在卫星信道带宽受限的情况下会引起波形失真，从而产生符号间干扰。为实现无符号间干扰传输，常常将基带信号的频谱设计为升余弦滚降的形状，基带成型就是一个平方根升余弦滤波器，滚降系数为0.35。

4.2 DVB-S2

DVB-S2于2004年发布，2005年被正式确定为国际标准。与DVB-S相比，在相同的传输条件下，DVB-S2传输容量可提高30%以上。DVB-S2信道编码采用LDPC码与BCH码串行级联编码方式，该编码方案在性能上与香农极限只差0.7～1dB，远优于DVB-S中RS&卷积码的4dB，比基于Turbo码的候选方案强0.3dB。

除QPSK之外，DVB-S2增加了8PSK，16APSK，32APSK三种高阶调制方式，对应的频带利用率分别为3b/s/Hz，4b/s/Hz，5b/s/Hz。DVB-S2基带成型中的升余弦滚降系数最小可做到0.2，进一步提高了频带利用率。

与DVB-S采用CCM（固定编码调制）方式不同，DVB-S2采用VCM（可变编码调制）方式。VCM允许使用不同编码和调制方式，并且可以逐帧改变。VCM技术允许不同的业务类型选择不同的错误保护级别分级传输，因而传输效率得以大大提高。VCM技术结合回传信道，就构成了ACM（自适应编码调制）。DVB-S链路预算采用统一的编码调制方式方案，为了保证恶劣信道条件下的通信，每条链路都存在一定的“裕量”，这会浪费宝贵的信道资源。ACM根据不同用户的实时信道条件（信噪比）自适应改变编码和调制方式，为每个用户配置不同的编码调制方案，可将链路“裕量”自动转换为链路传输能力，从而提高卫星信道的频率利用率，大幅提高了系统性能。采用了ACM之后，在交互式点对点应用时，卫星通信容量可以增加100%～200%。

4.3 DVB-S2X

DVB-S2X于2014年正式发布， DVB-S2X相比DVB-S2具有更高频谱效率，更大接入速率，更好移动性能以及更强健的服务能力。DVB-S2X的目标主要有两个：一是进一步提高现行标准的频带利用率；二是适应移动接收、Ka波段通信平台或宽带转发器等卫星通信行业的新应用。

DVB-S2X信道编码仍采用性能较优的LDPC码与BCH码串行级联编码方式，信道调制方式除了朝更高阶发展外，还增加了适用于极低信噪比条件下的BPSK调制方式，DVB-S2X新增64APSK，128APSK，256APSK三种高阶调制方式，它们对应的频带利用率分别为6b/s/Hz，7b/s/Hz，8b/s/Hz。DVBS2 X基带成型中的升余弦滚降系数最小可做到0.05，并采用了高级滤波技术，以有效提高频带利用率，如图5所示。

DVB-S2的MODCOD分辨力粒度为28，而DVB-S2X可达112。这样，在某种特定的接收信噪比条件下，就可以选择最贴合该接收条件的编码和调制方式，从而获得最高的频带利用率。

DVB-S2X的一个应用场景是陆地、海洋、航空中的低速及高速移动环境。为保证在这些环境中以更小的接收天线来更稳定地使用DVB-S2X链路所提供的服务，DVB-S2X采用了VLSNR（极低信噪比）技术，在BPSK与QPSK调制中增加了9个额外的MODCOD。此外，BPSK的MODCOD采用了频谱扩展技术，信号的功率/频谱被扩展到很宽的频带，频谱密度得以降低，抗外部干扰能力得以提高，整个卫星链路的可用性及安全性能也得到提高。

图5 DVB-S2高级滤波技术

5 三者对比

从DVB-S到DVB-S2再到DVB-S2X，编码技术越来越先进，调制系数越来越高阶，滚降系数越来越小，MODCOD分辨力粒度越来越精细，其应用范围也越来越广，三者对比情况如表1所示。

表1 DVB-S系列标准对比

从DVB-S到DVB-S2，再到DVB-S2X，通过增加调制方案的颗粒度，选择更好的信道编码方式，以及采用更小的滚降因子和更高阶的调制方式，实现了越来越高的频带利用率。

6 结束语

当今世界已进入大数据、物联网和云计算时代，信息应用正呈现出爆炸式的发展。相关统计表明，近3年来，全世界产生的数据已超过人类有史以来的总量。未来5年，互联网、移动设备、高清/超高清电视等数据内容的爆发将使得全球IP流量增至3倍。这必然要求卫星通信采用更高级的信道编码和调制技术，提供更高的传输容量和质量。

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 文献标示码：A

1672-7274（2016）05-0001-04