衛(wèi)星通信視頻傳輸技術(shù)探討

許 楊

（河北遠(yuǎn)東通信系統(tǒng)工程有限公司，河北 石家莊 050200）

0 引 言

衛(wèi)星視頻通信從廣義的視角來說是指利用衛(wèi)星來完成無線電通信站之間的通信，最明顯的優(yōu)勢(shì)就是覆蓋面大。凡是衛(wèi)星電波能夠覆蓋到的區(qū)域都可以進(jìn)行通信，極少受外部條件的干擾，所以具備高可信度。另外，衛(wèi)星通信可以對(duì)多種場(chǎng)所進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，而且具備多址傳輸優(yōu)勢(shì)，具有重要的實(shí)用意義。對(duì)于目前的廣播電視傳輸和流媒體直播系統(tǒng)而言，衛(wèi)星通信技術(shù)能夠更高效地收集并傳遞公共衛(wèi)星電視信息，具有較高的可靠性和經(jīng)濟(jì)效益。因此，基于衛(wèi)星的通信系統(tǒng)深入研究視頻傳輸技術(shù)至關(guān)重要[1]。

1 衛(wèi)星通信視頻調(diào)制及編碼概述

1.1 調(diào) 制

現(xiàn)在的衛(wèi)星視頻通信調(diào)制技術(shù)主要包括頻移鍵控調(diào)制、移相鍵控調(diào)制以及正交頻分復(fù)用調(diào)制等。高性能的放大器在衛(wèi)星視頻通信中是一種非線性元件。其信道不僅具有非線性的特點(diǎn)，還具有頻帶限制功能，所以包絡(luò)線在衛(wèi)星視頻通信中十分重要，使得移相調(diào)制在衛(wèi)星視頻通信中得到了大量使用[2]。但隨著通信過程中的頻帶利用率增加導(dǎo)致相位階數(shù)變多，使得通信過程中的解調(diào)更為復(fù)雜，難度更大，也降低了通信過程中的抗干擾性。衛(wèi)星視頻系統(tǒng)的調(diào)制方法主要包括二進(jìn)制相移鍵控調(diào)制、四進(jìn)制相移鍵控調(diào)制和八進(jìn)制相移鍵控調(diào)制。在實(shí)際通信傳輸過程中，可以依據(jù)調(diào)制解調(diào)器的帶寬使用效率、抗干擾性及使用成本選擇不同的調(diào)制手段[3]。隨著中繼器和天線技術(shù)的廣泛發(fā)展，提高性能或減少誤碼的方法變得更加簡(jiǎn)單可行，從而逐漸推廣應(yīng)用了更高階調(diào)制方法。

1.2 編 碼

一般情況下，傳統(tǒng)的編碼方法牽扯到Turbo 碼、低密度奇偶校驗(yàn)（Low Density Parity Check，LDPC）碼、BCH 碼、級(jí)聯(lián)碼、RS 碼以及分組中的前向錯(cuò)誤糾刪碼等。通過應(yīng)用香農(nóng)理論加以對(duì)比得知，一般編碼方式都存在2 dB的差異，而Turbo碼差異僅為0.7 dB左右，所以Turbo 碼仍是目前較為普遍的編碼方式。

Turbo 碼又稱并行級(jí)聯(lián)卷積碼，優(yōu)點(diǎn)是具有迭代式解碼特點(diǎn)，利用外譯碼機(jī)直接將輸出的信號(hào)傳遞至內(nèi)譯碼機(jī)，保證了彼此獨(dú)立的2 個(gè)譯碼機(jī)之間能夠進(jìn)行對(duì)信號(hào)的交叉利用，從而實(shí)現(xiàn)更好的解碼效果[4]。目前，Turbo 碼又分為雙重Turbo 碼和多重Turbo 碼。雙重Turbo 碼在數(shù)字程控交換技術(shù)中被廣泛應(yīng)用，但是通過香農(nóng)理論進(jìn)行驗(yàn)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)信號(hào)傳輸速率超過設(shè)定的信道容量時(shí)，解碼時(shí)間變長，不利于數(shù)據(jù)信息的快速傳輸[5]。而多重Turbo 碼能夠有效抑制信道中的誤碼率，但該解碼方式還處于試驗(yàn)研究階段。實(shí)踐表明，如果在衛(wèi)星通信編碼處理過程中選用聯(lián)合卷積碼加Turbo 碼串行的方法，既能降低編碼復(fù)雜性，又可以極大提升通信傳輸系統(tǒng)的工作效能。

2 衛(wèi)星通信視頻傳輸技術(shù)的分析

2.1 視頻傳輸?shù)牟铄e(cuò)控制技術(shù)

在衛(wèi)星通信視頻傳輸過程中，為防止丟幀和其他問題的發(fā)生，通常需應(yīng)用差錯(cuò)控制技術(shù)，其主要包括以下幾種技術(shù)類型。

2.1.1 重傳技術(shù)

對(duì)于視頻丟幀問題，通常都是采用重傳技術(shù)來實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)處理。該技術(shù)通常包括以下3 種機(jī)制[6]。（1）選擇性重傳機(jī)制，通過對(duì)部分可靠的重傳請(qǐng)求實(shí)行有效的選擇性重傳，并緩存到衛(wèi)星通信鏈路或發(fā)送終端，等待重新排序播放；（2）自動(dòng)重傳機(jī)制，當(dāng)出現(xiàn)前一幀丟失問題時(shí)，將會(huì)立即對(duì)當(dāng)前一幀予以重新傳播，而且不會(huì)對(duì)后續(xù)幀的傳播產(chǎn)生負(fù)面影響；（3）主動(dòng)重傳機(jī)制，借助錯(cuò)幀緩存器來校核錯(cuò)幀，即一旦出現(xiàn)錯(cuò)幀問題，將會(huì)立即重新傳播正確的幀頻，避免錯(cuò)幀在錯(cuò)幀緩存器中持續(xù)積累。主動(dòng)重傳機(jī)制融合了選擇性重傳和自動(dòng)重傳2 種機(jī)制特性[7]。

2.1.2 前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)

前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)具有自動(dòng)糾正傳輸誤碼的特點(diǎn)，其工作原理是發(fā)送方通過使用糾錯(cuò)碼對(duì)信息進(jìn)行冗余編碼[8]。冗余部分允許接收方檢測(cè)可能出現(xiàn)在信息所有地方的任何差錯(cuò)，而且基本都能準(zhǔn)確糾正這些差錯(cuò)，不需要重新傳送。該技術(shù)使接收方有能力糾正錯(cuò)誤而不需要反向請(qǐng)求數(shù)據(jù)重傳，因此多被應(yīng)用在重傳開銷巨大或者不可能重傳的情況下。另外，前向糾錯(cuò)編碼信息通常被添加在大容量存儲(chǔ)設(shè)備中，以確保受損數(shù)據(jù)的恢復(fù)。

2.1.3 混合糾錯(cuò)技術(shù)

混合糾錯(cuò)技術(shù)融合了重傳技術(shù)和前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)的特性，先是糾正譯碼存在的錯(cuò)誤，然后檢測(cè)傳輸過程是否存在誤碼。當(dāng)出現(xiàn)誤碼時(shí)，錯(cuò)誤信息將會(huì)被傳遞到信道上進(jìn)行重傳，以此來減少誤碼率。另外，它具有事先檢錯(cuò)功能，通過借助前向糾錯(cuò)技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)隨機(jī)錯(cuò)誤和突發(fā)偏差實(shí)現(xiàn)超前糾錯(cuò)。

2.2 多址聯(lián)接技術(shù)

多址聯(lián)接技術(shù)是在衛(wèi)星通信系統(tǒng)及蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的技術(shù)。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，它是指若干個(gè)地球站同時(shí)利用一個(gè)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器與其他擬與之通信的地球站進(jìn)行聯(lián)接的方式；而在蜂窩移動(dòng)通信中，它是指若干個(gè)移動(dòng)用戶終端同時(shí)通過一個(gè)基站與其他擬與之通信的對(duì)象進(jìn)行通信聯(lián)接的方式。多址聯(lián)接方式主要包含以下3 種。

（1）網(wǎng)絡(luò)時(shí)分多址。它是在一個(gè)帶寬的無線載波上將時(shí)間分為周期性的幀，再把每一幀分割成若干時(shí)隙，其中無論是幀還是時(shí)隙相互都不重疊，每個(gè)時(shí)隙都可作為一個(gè)通信信道被分配給單一用戶[9]。在任何時(shí)刻，轉(zhuǎn)發(fā)器只是對(duì)地球站的某一個(gè)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，該過程中各站一般采用相同的載波頻率。其優(yōu)點(diǎn)是擴(kuò)容方便、使用靈活、無須上行鏈路功率控制、可以充分利用衛(wèi)星功率，并合理運(yùn)用了數(shù)字話音插空技術(shù)。

（2）網(wǎng)絡(luò)頻分多址。該技術(shù)是將分配來的頻帶按照一定的方式分割成若干段，并結(jié)合各站業(yè)務(wù)特點(diǎn)對(duì)頻率段進(jìn)行分配，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、可靠性高、技術(shù)先進(jìn)、不需要時(shí)鐘同步等特點(diǎn)，可以與地面頻分制線路進(jìn)行直接連接，且在大容量線路中具有較高的工作效率，在容量大且站點(diǎn)少的場(chǎng)景中得到了廣泛應(yīng)用。

（3）網(wǎng)絡(luò)碼分多址。利用地址碼的正交性來完成信號(hào)分割處理。其發(fā)送過程中的地址信息采用了周期性序列碼，能夠?qū)Ρ挥脩粜畔⒄{(diào)制后的載波進(jìn)行再調(diào)制，最終實(shí)現(xiàn)頻譜拓寬的效果。在信號(hào)接收時(shí)，通過對(duì)本地產(chǎn)生的已知地址信息進(jìn)行選擇，并依靠相關(guān)性差異來對(duì)接收到的視頻信號(hào)進(jìn)行鑒別，可以借助寬帶進(jìn)行傳輸，具有比較理想的保護(hù)性和隱蔽性，還有較強(qiáng)的抗干擾能力[10]。其主要缺點(diǎn)為碼同步時(shí)間偏長，容量沒有硬性限制，隨著用戶量的增加其性能會(huì)降低。

2.3 流媒體傳輸技術(shù)

流媒體是指利用流式傳輸技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)連續(xù)實(shí)時(shí)播放的媒體格式，包含了音頻、視頻或多媒體文件等，也叫做流式媒體技術(shù)[11]。所謂的流媒體傳輸技術(shù)就是把連續(xù)的影像及聲音信息通過壓縮處理后放至網(wǎng)站服務(wù)器，由網(wǎng)站視頻服務(wù)器向電腦用戶順序或?qū)崟r(shí)地傳送各個(gè)壓縮包，使用戶可以一邊下載一邊收聽觀看，并不需要等整個(gè)壓縮文件全部下載到自己的電腦上才可以觀看的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)。該技術(shù)會(huì)優(yōu)先在使用端的計(jì)算機(jī)上創(chuàng)建一個(gè)緩沖區(qū)，在播放前會(huì)預(yù)先下載一段數(shù)據(jù)作為緩沖。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際連線速度小于播放所耗的速度時(shí)，播放程序就會(huì)取用一小段緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)，以有效避免視頻播放的中斷，從而保證視頻播放品質(zhì)。

流媒體傳輸技術(shù)通常分為2 種：一種是順序流式傳輸，即順序下載，在下載文件的同時(shí)用戶可以觀看，但是用戶的觀看與服務(wù)器上的傳輸并不是同步進(jìn)行的，用戶是在一段延時(shí)后才能看到服務(wù)器上傳的信息，或者說用戶看到的總是服務(wù)器在若干時(shí)間以前傳出來的信息；另一種是實(shí)時(shí)流式傳輸，即音視頻信息可被實(shí)時(shí)觀看到，在觀看過程中用戶可快進(jìn)或后退以觀看前面或后面的內(nèi)容，但是在這種傳輸方式中，如果網(wǎng)絡(luò)傳輸狀況不理想，則收到的信號(hào)效果會(huì)比較差。

3 衛(wèi)星通信視頻傳輸過程控制

3.1 地面發(fā)射功率控制

在衛(wèi)星通信視頻傳輸技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，地面發(fā)射功率與元器件性能等相關(guān)參數(shù)指標(biāo)有直接關(guān)系，所以要針對(duì)數(shù)字化衛(wèi)星通信設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行評(píng)估和分析。例如，20 GHz 低功率放大器和30 GHz 高功率轉(zhuǎn)發(fā)器可借助自適應(yīng)功率調(diào)整及自適應(yīng)數(shù)字編碼技術(shù)，對(duì)地面發(fā)射功率進(jìn)行宏觀調(diào)控，提高衛(wèi)星通信視頻傳輸?shù)木燃坝行浴Ｔ诘孛姘l(fā)射功率控制中，系統(tǒng)則需要根據(jù)衛(wèi)星通信頻率變化對(duì)發(fā)射功率進(jìn)行調(diào)控，從而滿足衛(wèi)星通信視頻傳輸需求。

3.2 圖像壓縮效率控制

在衛(wèi)星通信視頻傳輸?shù)倪^程中，高帶寬、高質(zhì)量條件下要對(duì)發(fā)射功率、信道容量以及誤碼率等進(jìn)行綜合控制，從而滿足圖像壓縮控制的綜合需求。衛(wèi)星通信視頻傳輸可利用音視頻處理器對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行壓縮與處理。在這一過程中，單個(gè)頻道所需的帶寬為7 ～8 Mb/s，已經(jīng)成為衛(wèi)星通信視頻傳輸?shù)年P(guān)鍵。因此，在利用編碼器對(duì)圖像壓縮效率進(jìn)行控制時(shí)，可減少圖像的數(shù)據(jù)量，提高衛(wèi)星通信視頻傳輸中的圖像壓縮處理效果。在衛(wèi)星通信視頻傳輸技術(shù)的應(yīng)用中，要在通道功能完好的條件下，避免無線信道傳輸中出現(xiàn)丟包率的情況，利用調(diào)制編碼技術(shù)節(jié)省功率，并通過信令調(diào)控實(shí)現(xiàn)快速幀同步和載波恢復(fù)，為衛(wèi)星通信視頻傳輸業(yè)務(wù)提供有效的底層接口。

3.3 高業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量控制

在衛(wèi)星通信視頻傳輸中，C 波段和KU 波段的應(yīng)用效果并不理想，所以在實(shí)際操作與控制中可以利用通信補(bǔ)償技術(shù)降低卷積編碼的碼速率，并增加衛(wèi)星和地球站點(diǎn)的發(fā)射機(jī)功率，從而在網(wǎng)絡(luò)信號(hào)合理處理的前提下，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信視頻高業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量的傳輸與控制[12]。

4 結(jié) 論

衛(wèi)星通信視頻傳輸技術(shù)在科技不斷進(jìn)步的背景下迅猛發(fā)展。衛(wèi)星通信視頻傳輸技術(shù)不僅與人類生產(chǎn)生活深度融合，而且在各行業(yè)的發(fā)展中發(fā)揮了越來越重要的作用。為了適應(yīng)未來社會(huì)的發(fā)展需要，相關(guān)研發(fā)人員應(yīng)不斷進(jìn)行技術(shù)革新，建立更加完善和科學(xué)的衛(wèi)星通信視頻傳輸系統(tǒng)，促進(jìn)衛(wèi)星通信視頻技術(shù)健康發(fā)展。