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(shí)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(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。為滿足觀眾需求，現(xiàn)代化電視對(duì)信號(hào)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(shí)現(xiàn)無線數(shù)字化信號(hào)的全覆蓋。廣播電視無線覆蓋工程需對(duì)信號(hào)源的傳輸效率進(jìn)行優(yōu)化，以提升電視的清晰度，給用戶帶來更好的體驗(yàn)。地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)的優(yōu)化分為信號(hào)傳輸鏈路優(yōu)化和信號(hào)覆蓋優(yōu)化兩部分。廣播電視信號(hào)源的傳輸和接收由專門鏈路負(fù)責(zé)。信號(hào)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(fù)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(hào)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(hào)傳播包括了多種圖像、聲音信號(hào)的并行傳播，而廣播電視無線覆蓋工程中的信號(hào)主要依靠光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，圖聲并傳通信主要依靠光纖編碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳輸。為提升信號(hào)傳播的穩(wěn)定性，除對(duì)其進(jìn)行必要的相關(guān)技術(shù)升級(jí)外[3]，還應(yīng)進(jìn)行配套設(shè)備的升級(jí)，以此實(shí)現(xiàn)信道在多種信道上的高速傳輸。廣播電視的信號(hào)種類繁多，但信號(hào)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(jìn)行信號(hào)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(duì)信號(hào)的穩(wěn)定性進(jìn)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(gè)模塊，A/D、解碼、信道解碼為另一個(gè)模塊，這兩個(gè)模塊的作用是對(duì)廣播電視的無線信號(hào)進(jìn)行解碼和編碼。將傳統(tǒng)的模擬信號(hào)進(jìn)行換源，實(shí)現(xiàn)信號(hào)性質(zhì)的轉(zhuǎn)變。通過編碼方式的改變，提升信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，先將編碼的信號(hào)解碼然后才能將信號(hào)輸出[4]。信號(hào)解碼輸出后實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)變，最終的解碼信號(hào)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(hào)的存儲(chǔ)，且在調(diào)制器和解調(diào)器的中間信道具有降低信號(hào)噪聲的作用[5]，可降低周邊環(huán)境對(duì)信號(hào)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(qiáng)，符合信號(hào)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(hào)進(jìn)行加密，提升信號(hào)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?hào)統(tǒng)一為數(shù)字信號(hào)，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(hào)使用范圍的擴(kuò)大不斷擴(kuò)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(duì)傳輸信號(hào)造成干擾，數(shù)字電視信號(hào)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(hào)覆蓋能力不能并存。為了提升信號(hào)的整體覆蓋面積而改良信息源的處理方式，可在保證信號(hào)抗干擾性的前提下擴(kuò)大信號(hào)的覆蓋范圍，覆蓋區(qū)域中的每個(gè)用戶。但廣播電視無線覆蓋數(shù)字通信系統(tǒng)對(duì)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(hào)接收器的安裝難度，可采用機(jī)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(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。信道編碼的作用共有兩個(gè)，一是正確接收處理經(jīng)過信道的信號(hào)，二是降低錯(cuò)誤信號(hào)對(duì)正常信號(hào)的干擾。信道編碼對(duì)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(cuò)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(gè)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(hào)的最大傳輸速率才能保證信息傳輸速率達(dá)到要求，且充足的信道容量也可降低編碼的錯(cuò)誤率。為進(jìn)一步通過人為干預(yù)降低編碼的錯(cuò)誤率，加入糾錯(cuò)算法對(duì)編碼技術(shù)的編碼進(jìn)行分組和糾錯(cuò)，在原有的運(yùn)行編碼基礎(chǔ)上加入部分監(jiān)督碼元。每個(gè)編碼組中設(shè)置一個(gè)監(jiān)督碼元，與組別中的其他信息元進(jìn)行連接，監(jiān)督運(yùn)行編碼中是否有錯(cuò)誤，并對(duì)錯(cuò)誤編碼進(jìn)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(cuò)誤編碼信息，并對(duì)相關(guān)的糾錯(cuò)信息進(jìn)行存儲(chǔ)，方便日后的編碼計(jì)算。在實(shí)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(jìn)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(shí)期的錯(cuò)誤概率。依據(jù)前文提到的信道容量要大于信號(hào)的最大傳輸速率這一條件，信道的計(jì)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(hào)傳輸?shù)膸挘琂為傳輸信道的數(shù)量，而XA則是信號(hào)在信道中傳播的功率。在實(shí)際的傳輸過程中，信號(hào)需要隨著需求變化，傳播的功率也會(huì)因此發(fā)生一定的變化，所以在計(jì)算公式中選取的是信號(hào)在信道中傳播的平均功率。在信道的容量與信號(hào)傳輸?shù)淖畲髠鬏斔俾氏嗟葧r(shí)：

通過進(jìn)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(shí)的信道利用率為100%。

信道編碼設(shè)計(jì)根據(jù)信號(hào)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(hào)進(jìn)行解碼轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換的過程中進(jìn)行傳輸碼的高頻分量過濾，降低信號(hào)干擾。而本文將傳統(tǒng)的載波傳輸方式進(jìn)行改良，在數(shù)字信號(hào)進(jìn)行解碼轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上對(duì)原始載波的參數(shù)進(jìn)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(hào)波形傳輸?shù)念l率，信道上傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)未經(jīng)過處理的最原始形態(tài)被稱為基帶信號(hào)[9]?；鶐盘?hào)在傳輸過程中會(huì)因?yàn)橹绷鞯皖l的問題，降低其在信道內(nèi)傳輸?shù)乃俣取Ｍㄟ^對(duì)參數(shù)的調(diào)節(jié)可以對(duì)直流低頻的問題進(jìn)行改善，提升信號(hào)的傳輸速率，使其快速到達(dá)信號(hào)的傳輸目的地。

2 廣播電視信號(hào)的傳輸頻率調(diào)整

在廣播電視無線覆蓋工程的實(shí)際信號(hào)傳輸中，常常需要對(duì)廣播電視信號(hào)的傳輸頻率進(jìn)行調(diào)整，通過改變編碼實(shí)現(xiàn)廣播電視信號(hào)的傳輸頻率調(diào)整。將傳輸碼型中的1和0進(jìn)行轉(zhuǎn)碼，所傳輸?shù)木幋a頻譜就會(huì)向中間靠攏，脈沖的位置也會(huì)不斷變化。在相應(yīng)的間隔周期中對(duì)電平跳變進(jìn)行調(diào)整，可保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行?。?shù)據(jù)傳輸可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)同步，但是該方式比較耗費(fèi)帶寬，對(duì)同步信息解碼時(shí)鐘的要求也較高。因此，按照廣播電視信號(hào)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(hào)定義為a，將低電平的廣播電視信號(hào)定義為b。從信號(hào)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(hào)的傳輸頻率應(yīng)該根據(jù)不同的頻譜特性進(jìn)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(cè)試實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的廣播電視無線覆蓋工程技術(shù)信號(hào)源傳輸方案的實(shí)用性，將本文設(shè)計(jì)的信號(hào)源傳輸方案與傳統(tǒng)的FPGA的旋轉(zhuǎn)件信號(hào)源傳輸方案、模擬信號(hào)源傳輸方案的傳輸速率進(jìn)行對(duì)比。

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

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

圖2 傳輸距離為20 m的信號(hào)幅度

圖3 傳輸距離為100 m的信號(hào)幅度

信號(hào)的波動(dòng)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(yuǎn)，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(hào)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(huì)影響數(shù)據(jù)發(fā)送的質(zhì)量。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行信號(hào)的傳輸測(cè)試，首先對(duì)光接收器的接收波長進(jìn)行測(cè)量，該接收器的接收波長為900～1 050 nm，因此在實(shí)驗(yàn)中可以采用和正常信號(hào)波長相近的發(fā)射激光作為信號(hào)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(hào)和干擾信號(hào)的波長很接近，在接收器內(nèi)的電機(jī)轉(zhuǎn)速分別 為200 r·min-1、500 r·min-1、800 r·min-1的 條 件下，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3種傳輸方案在轉(zhuǎn)速為200 r·min-1時(shí)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)均為0 bit；但當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到500 r·min-1時(shí)，傳輸中開始出現(xiàn)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)；當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到800 r·min-1時(shí)，F(xiàn)PGA的旋轉(zhuǎn)件信號(hào)源傳輸方案的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)為 12 bit，模擬信號(hào)源傳輸方案的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)為15 bit，而本文設(shè)計(jì)的信號(hào)源傳輸方案的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)僅為5 bit,可以從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很直觀地看出本文設(shè)計(jì)的傳輸方案的傳輸錯(cuò)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(duì)信號(hào)源傳輸方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究。本文所設(shè)計(jì)的信號(hào)源傳輸方案與傳統(tǒng)的傳輸方案相比傳輸效率更高，對(duì)我國媒體行業(yè)的發(fā)展具有一定的價(jià)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(xiàn)。但由于研究條件有限，對(duì)信號(hào)源傳輸方案的設(shè)計(jì)中還有很多不足，希望可以在日后的工作中進(jìn)行更深入的研究，為廣播事業(yè)的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。