基于光纖通信的廣播電視信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸方法

摘 要：為提高電視信號(hào)傳播質(zhì)量，本文基于光纖通信技術(shù)，以某廣播電臺(tái)為例，進(jìn)行信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸方法研究。引進(jìn)離散變換技術(shù)，將信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域，進(jìn)行信號(hào)壓縮與降噪處理；引進(jìn)光纖通信技術(shù)中的差分相移鍵控技術(shù)，進(jìn)行DPSK調(diào)制與信號(hào)編碼；采用光放大器增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度，進(jìn)行信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸與幅值重構(gòu)，進(jìn)行信號(hào)的長(zhǎng)距離傳輸設(shè)計(jì)。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)方法在實(shí)際應(yīng)用中能夠保證傳輸信號(hào)的噪聲水平在傳輸距離增加過(guò)程中保持穩(wěn)定，不會(huì)呈現(xiàn)顯著的增長(zhǎng)趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：光纖通信技術(shù)；信號(hào)編碼；信號(hào)壓縮；長(zhǎng)距離傳輸" " " 中圖分類(lèi)號(hào)：TN 931" " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

廣播電視在信息傳播領(lǐng)域具有傳統(tǒng)而重要的地位，長(zhǎng)期以來(lái)，其信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量與穩(wěn)定性備受矚目。目前，現(xiàn)有的電視信號(hào)傳輸方式主要包括無(wú)線(xiàn)傳輸和同軸電纜傳輸?shù)取５沁@些傳統(tǒng)傳輸方式在長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程中存在較多問(wèn)題。一方面，信號(hào)衰減不可避免，隨著傳輸距離增加，信號(hào)強(qiáng)度逐漸減弱，影響圖像和聲音的清晰度。另一方面，噪聲干擾嚴(yán)重影響信號(hào)質(zhì)量，各種外部干擾源會(huì)使信號(hào)混入噪聲，降低視聽(tīng)體驗(yàn)。此外，帶寬限制也是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，有限的帶寬無(wú)法滿(mǎn)足高清視頻、多聲道音頻等大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)男枨?，從而?dǎo)致信號(hào)質(zhì)量下降，用戶(hù)體驗(yàn)受損[1]。因此，本文以光纖通信技術(shù)為基礎(chǔ)，以某廣播電臺(tái)為例，進(jìn)行信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸方法研究。光纖通信具有傳輸容量大、信號(hào)衰減小和抗干擾能力強(qiáng)等顯著優(yōu)勢(shì)，能夠有效克服傳統(tǒng)傳輸方式的弊端。研究光纖通信技術(shù)在廣播電臺(tái)信號(hào)傳輸中的應(yīng)用，以期為廣播電視信號(hào)的長(zhǎng)距離高質(zhì)量傳輸提供新的解決方案，進(jìn)一步提升廣播電視行業(yè)的服務(wù)水平和用戶(hù)滿(mǎn)意度。

1 廣播電視信號(hào)的壓縮技術(shù)與降噪策略

在廣播電視信號(hào)傳輸過(guò)程中，為了提高傳輸效率并減少帶寬占用，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行壓縮處理[2]。信號(hào)壓縮需要去除信號(hào)中的冗余信息或利用信號(hào)的相關(guān)性，目前的壓縮方法包括有損、無(wú)損壓縮。由于信號(hào)能在可接受的失真范圍內(nèi)顯著減少數(shù)據(jù)量，因此廣播電視信號(hào)使用的壓縮方法為有損壓縮[3]。本文在該過(guò)程中引進(jìn)離散余弦（Discrete Cosine Transform，DCT）變換技術(shù)，去除高頻分量（即細(xì)節(jié)部分），利用逆變換恢復(fù)信號(hào)。在采用離散余弦（DCT）變換技術(shù)進(jìn)行廣播電視信號(hào)有損壓縮過(guò)程中，需要謹(jǐn)慎把控高頻分量的去除程度。如果去除過(guò)度，雖然能大幅減少數(shù)據(jù)量，但是會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的細(xì)節(jié)丟失過(guò)多，嚴(yán)重影響信號(hào)質(zhì)量，例如畫(huà)面會(huì)出現(xiàn)模糊、色彩失真等問(wèn)題。因此在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)廣播電視信號(hào)的具體特點(diǎn)和觀(guān)眾可接受的失真范圍，精確調(diào)整DCT變換的參數(shù)。同時(shí)，利用逆變換恢復(fù)信號(hào)后，還需要結(jié)合相應(yīng)的降噪策略，進(jìn)一步提升信號(hào)質(zhì)量，以保證經(jīng)過(guò)壓縮和恢復(fù)后的廣播電視信號(hào)能夠滿(mǎn)足觀(guān)眾對(duì)視聽(tīng)效果的基本要求。DCT變換過(guò)程如公式（1）所示。

式中：F為DCT變換；A為變換系數(shù)；u為信號(hào)權(quán)重；v為歸一化因子；f為原始信號(hào)；x為信號(hào)在水平方向上的尺寸；M為信號(hào)中的高頻分量；y為信號(hào)在垂直方向上的尺寸。

完成信號(hào)變換后，將DCT系數(shù)映射到有限的量化級(jí)別上，進(jìn)行信號(hào)解壓縮，恢復(fù)壓縮后的有效信號(hào)[4]。該過(guò)程如公式（2）所示。

式中：S為恢復(fù)壓縮后的有效信號(hào)；f'為編碼后的DCT系數(shù)；α為量化級(jí)。

在上文基礎(chǔ)上，為了減少信號(hào)中的隨機(jī)噪聲，提高信號(hào)的信噪比，利用維納濾波技術(shù)，進(jìn)行平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)降噪。該過(guò)程如公式（3）所示。

式中：H為平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)的降噪；h為維納濾波器的系數(shù)；g為噪聲水平；n為噪聲空間密度。

2 基于光纖通信技術(shù)的傳輸信號(hào)編碼

光纖通信技術(shù)是現(xiàn)代通信領(lǐng)域的重要組成部分，其傳輸信號(hào)編碼是信息高效、準(zhǔn)確傳輸?shù)年P(guān)鍵，因此，本文利用該項(xiàng)技術(shù)對(duì)完成預(yù)處理的廣播電視信號(hào)進(jìn)行光纖通信編碼。編碼過(guò)程主要是指將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，并在接收端進(jìn)行解碼恢復(fù)[5]。本文在該過(guò)程中引進(jìn)光纖通信技術(shù)中的差分相移鍵控技術(shù)（DPSK技術(shù)），該技術(shù)是一種相位調(diào)制編碼技術(shù)，用當(dāng)前比特與前一個(gè)比特的相位差表示信息，在DPSK技術(shù)中，每個(gè)符號(hào)的相位均根據(jù)前一個(gè)符號(hào)的相位進(jìn)行定義。DPSK技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因此被引入廣播電視信號(hào)的光纖通信編碼中。與傳統(tǒng)編碼方式相比，DPSK技術(shù)對(duì)光纖中的色散和非線(xiàn)性效應(yīng)具有更強(qiáng)的抵抗能力。在長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程中，光纖不可避免地會(huì)出現(xiàn)色散現(xiàn)象，導(dǎo)致信號(hào)失真，而DPSK技術(shù)能夠有效降低這種影響，保證信號(hào)的完整性。同時(shí)，其相位調(diào)制的特性能夠使信號(hào)傳輸更穩(wěn)定，并顯著提升信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和可靠性，進(jìn)而提高廣播電視信號(hào)在光纖通信中的傳輸質(zhì)量，為用戶(hù)帶來(lái)更清晰、穩(wěn)定的視聽(tīng)體驗(yàn)。

在DPSK調(diào)制過(guò)程中，根據(jù)輸入比特與前一個(gè)比特的比較結(jié)果調(diào)整光信號(hào)的相位。如果當(dāng)前比特與前一個(gè)比特相同，那么相位不變；如果不同，那么相位改變180°。在傳輸鏈路中，信號(hào)的多項(xiàng)式傳輸方式如公式（4）所示。

式中：X為信號(hào)的多項(xiàng)式傳輸方式；D為信號(hào)相位；N為復(fù)共軛系數(shù)。

在接收端，比較相鄰符號(hào)的相位差，以恢復(fù)原始比特。計(jì)算2個(gè)相鄰符號(hào)的復(fù)數(shù)間的角度差可以得到相位差，計(jì)算過(guò)程如公式（5）所示。

式中：T為相位差；L為信號(hào)長(zhǎng)度；C為信號(hào)誤差率；l為節(jié)點(diǎn)信號(hào)占位。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，使用鏈路中的編碼器對(duì)傳輸中的光纖節(jié)點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行編號(hào)，該過(guò)程如公式（6）所示。

式中：B為光纖通信信號(hào)編號(hào)；χ為信號(hào)序列；δ為邏輯系數(shù)。

3 信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸與幅值重構(gòu)

完成上述設(shè)計(jì)后，對(duì)編碼信號(hào)進(jìn)行長(zhǎng)距離通信傳輸。通常情況下，編碼后的信號(hào)以光脈沖形式在光纖中傳輸，光脈沖的幅值、相位或頻率等特性根據(jù)編碼規(guī)則進(jìn)行調(diào)制，以攜帶信息。

在傳輸過(guò)程中，光信號(hào)會(huì)受衰減和色散的影響。衰減會(huì)導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度減弱，色散則會(huì)導(dǎo)致不同波長(zhǎng)的光信號(hào)在光纖中的傳輸速度不同，從而引起信號(hào)展寬和畸變。為了補(bǔ)償影響，可以采用光放大器增加信號(hào)強(qiáng)度，并使用色散補(bǔ)償技術(shù)降低色散效應(yīng)。光信號(hào)衰減補(bǔ)償過(guò)程如公式（7）所示。

式中：P為光信號(hào)衰減補(bǔ)償；P'為信號(hào)強(qiáng)度增強(qiáng)系數(shù)。

色散會(huì)導(dǎo)致信號(hào)脈沖展寬，色散補(bǔ)償技術(shù)可以減少這種展寬。色散補(bǔ)償后的信號(hào)寬度如公式（8）所示。

式中：d為色散補(bǔ)償后的信號(hào)寬度；γ為補(bǔ)償系數(shù)；z為信號(hào)脈沖展寬。

在接收端，為了補(bǔ)償信道失真，使用均衡器進(jìn)行信號(hào)均衡處理?？梢愿鶕?jù)信道特性設(shè)計(jì)均衡器的傳遞函數(shù)，以恢復(fù)信號(hào)的原始波形，對(duì)傳輸信號(hào)進(jìn)行幅值重構(gòu)。均衡器傳遞函數(shù)如公式（9）所示。

式中：K為均衡器傳遞函數(shù)；R為均衡器的頻率響應(yīng)；η為信道的頻率響應(yīng)。

4 對(duì)比試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

為了全面評(píng)估本文傳輸方法的可靠性和實(shí)際應(yīng)用效果，本文選取某省級(jí)廣播電視臺(tái)為測(cè)試試點(diǎn)單位。該省級(jí)廣播電視臺(tái)具有3000名以上員工構(gòu)成的復(fù)雜內(nèi)部組織、覆蓋全省80%以上人口的廣泛傳輸網(wǎng)絡(luò)以及日常處理大量高清/超高清信號(hào)的業(yè)務(wù)需求，對(duì)高帶寬、低延遲和高穩(wěn)定性傳輸系統(tǒng)有較嚴(yán)格的要求。測(cè)試環(huán)境配備了先進(jìn)的光纖傳輸系統(tǒng)、編碼器、解碼器等信號(hào)處理設(shè)備和多樣化的接收終端，以保證測(cè)試的全面性和代表性。在信號(hào)源選擇上，選取包括新聞、電視劇和體育賽事等多種類(lèi)型的高清/超高清信號(hào)，以模擬實(shí)際傳輸中的信號(hào)多樣性。選擇這種規(guī)模龐大、業(yè)務(wù)復(fù)雜的單位進(jìn)行測(cè)試，不僅能夠真實(shí)反映本文方法在復(fù)雜環(huán)境下的表現(xiàn)，而且能有效降低本文方法直接應(yīng)用于實(shí)際廣播電視信號(hào)可能帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)與不確定性。

為保證傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)的真實(shí)性，本文選取某特定時(shí)段的廣播電視信號(hào)為測(cè)試樣本，見(jiàn)表1。

本文在深入研究中發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有的廣播電視信號(hào)傳輸過(guò)程中，噪聲攜帶較高的問(wèn)題時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響了信號(hào)質(zhì)量和用戶(hù)體驗(yàn)。以一次實(shí)際發(fā)生的電視直播事件為例，當(dāng)時(shí)電視臺(tái)在高峰時(shí)段進(jìn)行高清信號(hào)傳輸，但是信號(hào)傳輸路徑遭遇多個(gè)電磁干擾源的嚴(yán)重干擾。該突發(fā)狀況直接導(dǎo)致接收端的信號(hào)噪聲水平急劇攀升，原本維持在正常水平的信噪比（約為30dB）驟然降至20dB以下，部分區(qū)域甚至更低。其中，最大的噪聲幅度為-50dBm，遠(yuǎn)超出系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可接受范圍，導(dǎo)致電視畫(huà)面頻繁出現(xiàn)雪花點(diǎn)和閃爍現(xiàn)象，畫(huà)面質(zhì)量大幅下降。同時(shí)，聲音信號(hào)中也明顯夾雜雜音，音質(zhì)模糊不清。這一系列問(wèn)題嚴(yán)重影響了觀(guān)眾的視覺(jué)享受和聽(tīng)覺(jué)體驗(yàn)，整體上降低了觀(guān)眾的收視滿(mǎn)意度和體驗(yàn)質(zhì)量。

4.2 試驗(yàn)步驟

根據(jù)試驗(yàn)需求，搭建光纖通信平臺(tái)。該平臺(tái)集成了信號(hào)發(fā)生器、信號(hào)分析儀、頻譜儀和噪聲測(cè)試儀等測(cè)量工具，以保證精確檢測(cè)信號(hào)質(zhì)量。同時(shí)，嚴(yán)格遵循規(guī)范，在測(cè)試平臺(tái)中設(shè)計(jì)詳盡的光纖通信技術(shù)參數(shù)，包括光纖類(lèi)型、衰減系數(shù)、色散系數(shù)、光纖芯徑、包層直徑、光纖數(shù)值孔徑、傳輸設(shè)備類(lèi)型、傳輸速率、傳輸距離以及接收器靈敏度等多個(gè)方面，見(jiàn)表2。

為驗(yàn)證本文方法的有效性，引進(jìn)文獻(xiàn)[1]提出的基于空間音頻技術(shù)的傳輸方法、文獻(xiàn)[2]提出的基于超材料結(jié)構(gòu)的傳輸方法作為對(duì)照。

在信號(hào)源端統(tǒng)一設(shè)置相同的信號(hào)參數(shù)（例如頻率、功率和調(diào)制方式等），按照試驗(yàn)步驟進(jìn)行信號(hào)傳輸試驗(yàn)，并記錄傳輸過(guò)程中各關(guān)鍵指標(biāo)的變化情況。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在廣播電視信號(hào)的傳輸過(guò)程中，信號(hào)攜帶的噪聲水平是衡量本文方法可靠性與傳輸效果的關(guān)鍵指標(biāo)之一。噪聲的存在會(huì)干擾信號(hào)正常傳輸，導(dǎo)致接收端信號(hào)質(zhì)量下降，出現(xiàn)圖像模糊、聲音失真等現(xiàn)象。因此，噪聲越小，表名信號(hào)在傳輸過(guò)程中受到的干擾越少，傳輸效果越佳，能夠更好地保持信號(hào)的原始質(zhì)量，提升觀(guān)眾的視聽(tīng)體驗(yàn)。相反，噪聲水平較高，表明傳輸方法在復(fù)雜環(huán)境或長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程中存在不足，需要進(jìn)一步優(yōu)化，以提升傳輸效果和可靠性。試驗(yàn)結(jié)果如圖1～圖3所示。

從圖1可以看出，應(yīng)用本文方法進(jìn)行信號(hào)傳輸，信號(hào)攜帶的噪聲極低，不會(huì)對(duì)信號(hào)質(zhì)量造成影響。

從圖2可以看出，應(yīng)用文獻(xiàn)[1]方法進(jìn)行信號(hào)傳輸，隨著傳輸距離增加，信號(hào)攜帶的噪聲越來(lái)越多，當(dāng)距離為80km～90km時(shí)，噪聲水平極高。

從圖3可以看出，應(yīng)用文獻(xiàn)[2]方法進(jìn)行信號(hào)傳輸，信號(hào)噪聲水平一直處于持續(xù)狀態(tài)，即信號(hào)質(zhì)量一般。

綜合所述，在3種方法中，只有本文方法適用于長(zhǎng)距離傳輸場(chǎng)景，并且能夠在整個(gè)傳輸過(guò)程中保持信號(hào)穩(wěn)定，即使傳輸距離增加，信號(hào)噪聲也不會(huì)顯著增加。

5 結(jié)語(yǔ)

光纖通信技術(shù)的出現(xiàn)，為信號(hào)的長(zhǎng)距離傳輸提供了新的解決方案。該項(xiàng)技術(shù)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)的穩(wěn)定、高質(zhì)量傳輸，而且能支持高清、超高清甚至更高清晰度的視頻信號(hào)傳輸，顯著提升用戶(hù)的觀(guān)看體驗(yàn)。目前，隨著高清、超高清內(nèi)容需求不斷增長(zhǎng)，廣播電視行業(yè)對(duì)信號(hào)傳輸技術(shù)的要求也越來(lái)越高。因此，本文基于光纖通信技術(shù)，進(jìn)行信號(hào)壓縮與降噪處理、傳輸信號(hào)編碼、信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸與幅值重構(gòu)，以提升廣播電視信號(hào)傳輸?shù)恼w質(zhì)量，推動(dòng)廣播電視行業(yè)的數(shù)字化和智能化發(fā)展，為廣播電視行業(yè)提供更穩(wěn)定、高效且高質(zhì)量的信號(hào)傳輸解決方案。

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