衛星通信視頻傳輸技術探討

許 楊

（河北遠東通信系統工程有限公司，河北 石家莊 050200）

0 引 言

衛星視頻通信從廣義的視角來說是指利用衛星來完成無線電通信站之間的通信，最明顯的優勢就是覆蓋面大。凡是衛星電波能夠覆蓋到的區域都可以進行通信，極少受外部條件的干擾，所以具備高可信度。另外，衛星通信可以對多種場所進行數據收集，而且具備多址傳輸優勢，具有重要的實用意義。對于目前的廣播電視傳輸和流媒體直播系統而言，衛星通信技術能夠更高效地收集并傳遞公共衛星電視信息，具有較高的可靠性和經濟效益。因此，基于衛星的通信系統深入研究視頻傳輸技術至關重要[1]。

1 衛星通信視頻調制及編碼概述

1.1 調 制

現在的衛星視頻通信調制技術主要包括頻移鍵控調制、移相鍵控調制以及正交頻分復用調制等。高性能的放大器在衛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，還具有頻帶限制功能，所以包絡線在衛星視頻通信中十分重要，使得移相調制在衛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致相位階數變多，使得通信過程中的解調更為復雜，難度更大，也降低了通信過程中的抗干擾性。衛星視頻系統的調制方法主要包括二進制相移鍵控調制、四進制相移鍵控調制和八進制相移鍵控調制。在實際通信傳輸過程中，可以依據調制解調器的帶寬使用效率、抗干擾性及使用成本選擇不同的調制手段[3]。隨著中繼器和天線技術的廣泛發展，提高性能或減少誤碼的方法變得更加簡單可行，從而逐漸推廣應用了更高階調制方法。

1.2 編 碼

一般情況下，傳統的編碼方法牽扯到Turbo 碼、低密度奇偶校驗（Low Density Parity Check，LDPC）碼、BCH 碼、級聯碼、RS 碼以及分組中的前向錯誤糾刪碼等。通過應用香農理論加以對比得知，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 碼又稱并行級聯卷積碼，優點是具有迭代式解碼特點，利用外譯碼機直接將輸出的信號傳遞至內譯碼機，保證了彼此獨立的2 個譯碼機之間能夠進行對信號的交叉利用，從而實現更好的解碼效果[4]。目前，Turbo 碼又分為雙重Turbo 碼和多重Turbo 碼。雙重Turbo 碼在數字程控交換技術中被廣泛應用，但是通過香農理論進行驗算發現，當信號傳輸速率超過設定的信道容量時，解碼時間變長，不利于數據信息的快速傳輸[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研究階段。實踐表明，如果在衛星通信編碼處理過程中選用聯合卷積碼加Turbo 碼串行的方法，既能降低編碼復雜性，又可以極大提升通信傳輸系統的工作效能。

2 衛星通信視頻傳輸技術的分析

2.1 視頻傳輸的差錯控制技術

在衛星通信視頻傳輸過程中，為防止丟幀和其他問題的發生，通常需應用差錯控制技術，其主要包括以下幾種技術類型。

2.1.1 重傳技術

對于視頻丟幀問題，通常都是采用重傳技術來實現糾錯處理。該技術通常包括以下3 種機制[6]。（1）選擇性重傳機制，通過對部分可靠的重傳請求實行有效的選擇性重傳，并緩存到衛星通信鏈路或發送終端，等待重新排序播放；（2）自動重傳機制，當出現前一幀丟失問題時，將會立即對當前一幀予以重新傳播，而且不會對后續幀的傳播產生負面影響；（3）主動重傳機制，借助錯幀緩存器來校核錯幀，即一旦出現錯幀問題，將會立即重新傳播正確的幀頻，避免錯幀在錯幀緩存器中持續積累。主動重傳機制融合了選擇性重傳和自動重傳2 種機制特性[7]。

2.1.2 前向糾錯編碼技術

前向糾錯編碼技術具有自動糾正傳輸誤碼的特點，其工作原理是發送方通過使用糾錯碼對信息進行冗余編碼[8]。冗余部分允許接收方檢測可能出現在信息所有地方的任何差錯，而且基本都能準確糾正這些差錯，不需要重新傳送。該技術使接收方有能力糾正錯誤而不需要反向請求數據重傳，因此多被應用在重傳開銷巨大或者不可能重傳的情況下。另外，前向糾錯編碼信息通常被添加在大容量存儲設備中，以確保受損數據的恢復。

2.1.3 混合糾錯技術

混合糾錯技術融合了重傳技術和前向糾錯編碼技術的特性，先是糾正譯碼存在的錯誤，然后檢測傳輸過程是否存在誤碼。當出現誤碼時，錯誤信息將會被傳遞到信道上進行重傳，以此來減少誤碼率。另外，它具有事先檢錯功能，通過借助前向糾錯技術，對數據隨機錯誤和突發偏差實現超前糾錯。

2.2 多址聯接技術

多址聯接技術是在衛星通信系統及蜂窩移動通信系統中廣泛應用的技術。在衛星通信系統中，它是指若干個地球站同時利用一個衛星轉發器與其他擬與之通信的地球站進行聯接的方式；而在蜂窩移動通信中，它是指若干個移動用戶終端同時通過一個基站與其他擬與之通信的對象進行通信聯接的方式。多址聯接方式主要包含以下3 種。

（1）網絡時分多址。它是在一個帶寬的無線載波上將時間分為周期性的幀，再把每一幀分割成若干時隙，其中無論是幀還是時隙相互都不重疊，每個時隙都可作為一個通信信道被分配給單一用戶[9]。在任何時刻，轉發器只是對地球站的某一個信號進行轉發，該過程中各站一般采用相同的載波頻率。其優點是擴容方便、使用靈活、無須上行鏈路功率控制、可以充分利用衛星功率，并合理運用了數字話音插空技術。

（2）網絡頻分多址。該技術是將分配來的頻帶按照一定的方式分割成若干段，并結合各站業務特點對頻率段進行分配，具有設備簡單、可靠性高、技術先進、不需要時鐘同步等特點，可以與地面頻分制線路進行直接連接，且在大容量線路中具有較高的工作效率，在容量大且站點少的場景中得到了廣泛應用。

（3）網絡碼分多址。利用地址碼的正交性來完成信號分割處理。其發送過程中的地址信息采用了周期性序列碼，能夠對被用戶信息調制后的載波進行再調制，最終實現頻譜拓寬的效果。在信號接收時，通過對本地產生的已知地址信息進行選擇，并依靠相關性差異來對接收到的視頻信號進行鑒別，可以借助寬帶進行傳輸，具有比較理想的保護性和隱蔽性，還有較強的抗干擾能力[10]。其主要缺點為碼同步時間偏長，容量沒有硬性限制，隨著用戶量的增加其性能會降低。

2.3 流媒體傳輸技術

流媒體是指利用流式傳輸技術在網絡上實現連續實時播放的媒體格式，包含了音頻、視頻或多媒體文件等，也叫做流式媒體技術[11]。所謂的流媒體傳輸技術就是把連續的影像及聲音信息通過壓縮處理后放至網站服務器，由網站視頻服務器向電腦用戶順序或實時地傳送各個壓縮包，使用戶可以一邊下載一邊收聽觀看，并不需要等整個壓縮文件全部下載到自己的電腦上才可以觀看的網絡傳輸技術。該技術會優先在使用端的計算機上創建一個緩沖區，在播放前會預先下載一段數據作為緩沖。當網絡實際連線速度小于播放所耗的速度時，播放程序就會取用一小段緩沖區內的數據，以有效避免視頻播放的中斷，從而保證視頻播放品質。

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

3 衛星通信視頻傳輸過程控制

3.1 地面發射功率控制

在衛星通信視頻傳輸技術的實際應用中，地面發射功率與元器件性能等相關參數指標有直接關系，所以要針對數字化衛星通信設備的實際應用進行評估和分析。例如，20 GHz 低功率放大器和30 GHz 高功率轉發器可借助自適應功率調整及自適應數字編碼技術，對地面發射功率進行宏觀調控，提高衛星通信視頻傳輸的精度及有效性。在地面發射功率控制中，系統則需要根據衛星通信頻率變化對發射功率進行調控，從而滿足衛星通信視頻傳輸需求。

3.2 圖像壓縮效率控制

在衛星通信視頻傳輸的過程中，高帶寬、高質量條件下要對發射功率、信道容量以及誤碼率等進行綜合控制，從而滿足圖像壓縮控制的綜合需求。衛星通信視頻傳輸可利用音視頻處理器對數字圖像進行壓縮與處理。在這一過程中，單個頻道所需的帶寬為7 ～8 Mb/s，已經成為衛星通信視頻傳輸的關鍵。因此，在利用編碼器對圖像壓縮效率進行控制時，可減少圖像的數據量，提高衛星通信視頻傳輸中的圖像壓縮處理效果。在衛星通信視頻傳輸技術的應用中，要在通道功能完好的條件下，避免無線信道傳輸中出現丟包率的情況，利用調制編碼技術節省功率，并通過信令調控實現快速幀同步和載波恢復，為衛星通信視頻傳輸業務提供有效的底層接口。

3.3 高業務數據量控制

在衛星通信視頻傳輸中，C 波段和KU 波段的應用效果并不理想，所以在實際操作與控制中可以利用通信補償技術降低卷積編碼的碼速率，并增加衛星和地球站點的發射機功率，從而在網絡信號合理處理的前提下，實現衛星通信視頻高業務數據量的傳輸與控制[12]。

4 結 論

衛星通信視頻傳輸技術在科技不斷進步的背景下迅猛發展。衛星通信視頻傳輸技術不僅與人類生產生活深度融合，而且在各行業的發展中發揮了越來越重要的作用。為了適應未來社會的發展需要，相關研發人員應不斷進行技術革新，建立更加完善和科學的衛星通信視頻傳輸系統，促進衛星通信視頻技術健康發展。