廣播電視無線覆蓋工程技術(shù)信號源傳輸方案研究

陳曉明

（山東省臨沂市蒙陰縣融媒體中心，山東 臨沂 276200）

0 引 言

在多媒體不斷發(fā)展的時代，廣播電視的發(fā)展遇到一定挑戰(zhàn)，電視產(chǎn)業(yè)迎來了更多的競爭對手。為滿足觀眾需求，現(xiàn)代化電視對信號的覆蓋技術(shù)和傳輸速率等都提出了一定要求[1]。廣播電視無線覆蓋工程是當(dāng)下提升廣播電視智能化程度的主要手段，該工程的主要目的是實現(xiàn)無線數(shù)字化信號的全覆蓋。廣播電視無線覆蓋工程需對信號源的傳輸效率進行優(yōu)化，以提升電視的清晰度，給用戶帶來更好的體驗。地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)的優(yōu)化分為信號傳輸鏈路優(yōu)化和信號覆蓋優(yōu)化兩部分。廣播電視信號源的傳輸和接收由專門鏈路負責(zé)。信號的覆蓋更有利于圖像或音頻的傳送[2]。圖像或音頻的傳送由專門的音頻廣播系統(tǒng)負責(zé)，與地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)共同組成了完整的廣播電視無線覆蓋工程。

1 基于光纖編碼提升信號傳播穩(wěn)定性

1.1 建立廣播電視無線覆蓋數(shù)字通信系統(tǒng)

廣播電視的信號傳播包括了多種圖像、聲音信號的并行傳播，而廣播電視無線覆蓋工程中的信號主要依靠光纖網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，圖聲并傳通信主要依靠光纖編碼技術(shù)實現(xiàn)傳輸。為提升信號傳播的穩(wěn)定性，除對其進行必要的相關(guān)技術(shù)升級外[3]，還應(yīng)進行配套設(shè)備的升級，以此實現(xiàn)信道在多種信道上的高速傳輸。廣播電視的信號種類繁多，但信號傳播的原理都是一致的。傳統(tǒng)的語音通信通常采用模擬通信的方式進行信號傳輸，但光纖編碼傳播技術(shù)可以采用數(shù)字通信的方式代替模擬通信。本文基于數(shù)字通信的方式對信號的穩(wěn)定性進行研究，數(shù)字通信的框架如圖1所示。

圖1 數(shù)字通信的框架圖

其中，A/D（模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器）、編碼、信道為一個模塊，A/D、解碼、信道解碼為另一個模塊，這兩個模塊的作用是對廣播電視的無線信號進行解碼和編碼。將傳統(tǒng)的模擬信號進行換源，實現(xiàn)信號性質(zhì)的轉(zhuǎn)變。通過編碼方式的改變，提升信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性，先將編碼的信號解碼然后才能將信號輸出[4]。信號解碼輸出后實現(xiàn)模擬信號的轉(zhuǎn)變，最終的解碼信號可在顯示器上顯示。與傳統(tǒng)的模擬通信系統(tǒng)相比，建立廣播電視無線覆蓋數(shù)字通信系統(tǒng)的復(fù)雜性更高，但該系統(tǒng)更加有利于信號的存儲，且在調(diào)制器和解調(diào)器的中間信道具有降低信號噪聲的作用[5]，可降低周邊環(huán)境對信號的干擾，提升廣播電視通信的質(zhì)量。光纖編碼技術(shù)與傳統(tǒng)的通信技術(shù)相比抗干擾的能力更強，符合信號高速傳輸?shù)男枨?，且在各種攻擊病毒橫行的現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，該傳輸方式也便于為信號進行加密，提升信號傳輸?shù)陌踩浴?/p>

廣播電視無線覆蓋數(shù)字通信傳輸?shù)男盘柦y(tǒng)一為數(shù)字信號，由此誕生了全新的數(shù)字廣播電視，其應(yīng)用范圍隨著數(shù)字信號使用范圍的擴大不斷擴大。數(shù)字電視的功能與傳統(tǒng)電視相比更加齊全[6]，且電視的畫質(zhì)更加清晰，音質(zhì)也有一定的保證。為避免自然環(huán)境對傳輸信號造成干擾，數(shù)字電視信號傳輸通常采用地面?zhèn)鬏敺绞?，但是地面?zhèn)鬏數(shù)目垢蓴_能力和信號覆蓋能力不能并存。為了提升信號的整體覆蓋面積而改良信息源的處理方式，可在保證信號抗干擾性的前提下擴大信號的覆蓋范圍，覆蓋區(qū)域中的每個用戶。但廣播電視無線覆蓋數(shù)字通信系統(tǒng)對硬件有一定的要求，為了降低硬件成本[7]，可將廣播電視用戶之間的連接方式變?yōu)殡娋€連接。為了降低用戶信號接收器的安裝難度，可采用機頂盒裝置將復(fù)雜的線路包含其中，用戶只需將盒子和架線路線連接好就可以享受廣播電視服務(wù)。

1.2 確定廣播電視無線覆蓋的光纖編碼

廣播電視無線覆蓋的光纖編碼中，信道編碼是最重要的部分，它影響著信號傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。信道編碼的作用共有兩個，一是正確接收處理經(jīng)過信道的信號，二是降低錯誤信號對正常信號的干擾。信道編碼對廣播電視無線覆蓋工程起到了基礎(chǔ)的保障作用，光纖編碼利用差錯控制編碼的方式最大程度地保證了信道中信息傳輸?shù)陌踩玔8]。

光纖編碼將每個傳輸信道的容量定義為A。根據(jù)相應(yīng)的編碼定理，信道的容量要大于信號的最大傳輸速率才能保證信息傳輸速率達到要求，且充足的信道容量也可降低編碼的錯誤率。為進一步通過人為干預(yù)降低編碼的錯誤率，加入糾錯算法對編碼技術(shù)的編碼進行分組和糾錯，在原有的運行編碼基礎(chǔ)上加入部分監(jiān)督碼元。每個編碼組中設(shè)置一個監(jiān)督碼元，與組別中的其他信息元進行連接，監(jiān)督運行編碼中是否有錯誤，并對錯誤編碼進行修正，形成良性的監(jiān)督循環(huán)。監(jiān)督循環(huán)還可以反饋錯誤編碼信息，并對相關(guān)的糾錯信息進行存儲，方便日后的編碼計算。在實際應(yīng)用中，為了提升編碼效率，采用卷積碼代替分組碼。雖然二者都能夠?qū)幋a進行分組，但卷積碼比分組碼的編碼寄存器長度更長，分組更長的編碼寄存器性能更高，也能降低編碼在譯碼時期的錯誤概率。依據(jù)前文提到的信道容量要大于信號的最大傳輸速率這一條件，信道的計算方式為：

式中：A為傳輸信道的容量，單位為bit·s-1，K為信號傳輸?shù)膸挘琂為傳輸信道的數(shù)量，而XA則是信號在信道中傳播的功率。在實際的傳輸過程中，信號需要隨著需求變化，傳播的功率也會因此發(fā)生一定的變化，所以在計算公式中選取的是信號在信道中傳播的平均功率。在信道的容量與信號傳輸?shù)淖畲髠鬏斔俾氏嗟葧r：

通過進一步的推導(dǎo)可以看出，在理想的信道狀態(tài)下，傳輸速率和信道容量大小相等，此時的信道利用率為100%。

信道編碼設(shè)計根據(jù)信號傳輸方式的不同而變化，本文主要研究載波傳輸方式下的光纖編碼。傳統(tǒng)的載波傳輸是直接將數(shù)字信號進行解碼轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換的過程中進行傳輸碼的高頻分量過濾，降低信號干擾。而本文將傳統(tǒng)的載波傳輸方式進行改良，在數(shù)字信號進行解碼轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上對原始載波的參數(shù)進行改良，將單一的參數(shù)設(shè)置變?yōu)榭勺兊膮?shù)設(shè)置。參數(shù)的改變可以改變信號波形傳輸?shù)念l率，信道上傳輸?shù)臄?shù)字信號未經(jīng)過處理的最原始形態(tài)被稱為基帶信號[9]。基帶信號在傳輸過程中會因為直流低頻的問題，降低其在信道內(nèi)傳輸?shù)乃俣取Ｍㄟ^對參數(shù)的調(diào)節(jié)可以對直流低頻的問題進行改善，提升信號的傳輸速率，使其快速到達信號的傳輸目的地。

2 廣播電視信號的傳輸頻率調(diào)整

在廣播電視無線覆蓋工程的實際信號傳輸中，常常需要對廣播電視信號的傳輸頻率進行調(diào)整，通過改變編碼實現(xiàn)廣播電視信號的傳輸頻率調(diào)整。將傳輸碼型中的1和0進行轉(zhuǎn)碼，所傳輸?shù)木幋a頻譜就會向中間靠攏，脈沖的位置也會不斷變化。在相應(yīng)的間隔周期中對電平跳變進行調(diào)整，可保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行?。?shù)據(jù)傳輸可實現(xiàn)實時同步，但是該方式比較耗費帶寬，對同步信息解碼時鐘的要求也較高。因此，按照廣播電視信號的高低電平將周期分為前后兩部分[10]，將高電平的廣播電視信號定義為a，將低電平的廣播電視信號定義為b。從信號傳輸?shù)拇a型可以看出，本文提到的編碼方式字節(jié)之間是環(huán)環(huán)相扣的，后一字節(jié)與前一字節(jié)具有相關(guān)性。廣播電視信號的傳輸頻率應(yīng)該根據(jù)不同的頻譜特性進行調(diào)整，通常情況下傳輸頻率上限與解碼頻率的轉(zhuǎn)換間距有關(guān)。

3 測試實驗

為了驗證本文設(shè)計的廣播電視無線覆蓋工程技術(shù)信號源傳輸方案的實用性，將本文設(shè)計的信號源傳輸方案與傳統(tǒng)的FPGA的旋轉(zhuǎn)件信號源傳輸方案、模擬信號源傳輸方案的傳輸速率進行對比。

3.1 實驗準(zhǔn)備

在實驗中對信號的發(fā)射和接收設(shè)備進行檢測，在運行測試后驗證設(shè)備的可使用性，然后對計算機中記錄的數(shù)據(jù)傳輸性能進行分析。為了驗證自然環(huán)境對信號傳輸?shù)挠绊?，改變接收器和發(fā)射器的參數(shù)以及信號的傳輸距離，并在實驗中人為增加干擾源以驗證信號的抗干擾能力。通過數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率計算公式對信號的錯誤數(shù)據(jù)所占比例進行計算。改變廣播電視無線覆蓋工程的信號發(fā)送器的角度，不同傳輸距離的信號波形如圖2、圖3所示。

圖2 傳輸距離為20 m的信號幅度

圖3 傳輸距離為100 m的信號幅度

信號的波動幅度隨著傳輸距離的增加而增大，且傳輸距離越近，曲線越飽滿完整；距離越遠，則越容易出現(xiàn)高低不平、波形不均的情況。由此可以判斷，信號傳輸?shù)陌l(fā)射器和接收器之間的距離不宜超過100 m，否則會影響數(shù)據(jù)發(fā)送的質(zhì)量。

3.2 實驗結(jié)果

在上述實驗環(huán)境中進行信號的傳輸測試，首先對光接收器的接收波長進行測量，該接收器的接收波長為900～1 050 nm，因此在實驗中可以采用和正常信號波長相近的發(fā)射激光作為信號的干擾源。干擾源的波長為935 nm，在接收器的接收波長范圍內(nèi)，設(shè)置轉(zhuǎn)速為0。在激光筆的干擾下，信號和干擾信號的波長很接近，在接收器內(nèi)的電機轉(zhuǎn)速分別 為200 r·min-1、500 r·min-1、800 r·min-1的 條 件下，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率進行測量，測量結(jié)果如表1 所示。

表1 實驗結(jié)果

3種傳輸方案在轉(zhuǎn)速為200 r·min-1時錯誤數(shù)據(jù)均為0 bit；但當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到500 r·min-1時，傳輸中開始出現(xiàn)錯誤數(shù)據(jù)；當(dāng)轉(zhuǎn)速達到800 r·min-1時，F(xiàn)PGA的旋轉(zhuǎn)件信號源傳輸方案的錯誤數(shù)據(jù)為 12 bit，模擬信號源傳輸方案的錯誤數(shù)據(jù)為15 bit，而本文設(shè)計的信號源傳輸方案的錯誤數(shù)據(jù)僅為5 bit,可以從實驗數(shù)據(jù)很直觀地看出本文設(shè)計的傳輸方案的傳輸錯誤率更低。

4 結(jié) 語

本文通過分析廣播電視無線覆蓋工程技術(shù)的特征，對信號源傳輸方案進行了設(shè)計和研究。本文所設(shè)計的信號源傳輸方案與傳統(tǒng)的傳輸方案相比傳輸效率更高，對我國媒體行業(yè)的發(fā)展具有一定的價值，為積極發(fā)展廣播電視無線數(shù)字化覆蓋工程作出了一定的貢獻。但由于研究條件有限，對信號源傳輸方案的設(shè)計中還有很多不足，希望可以在日后的工作中進行更深入的研究，為廣播事業(yè)的發(fā)展作出貢獻。