基于光纖通信的廣播電視信號長距離傳輸方法

摘 要：為提高電視信號傳播質量，本文基于光纖通信技術，以某廣播電臺為例，進行信號長距離傳輸方法研究。引進離散變換技術，將信號從時域轉換到頻域，進行信號壓縮與降噪處理；引進光纖通信技術中的差分相移鍵控技術，進行DPSK調制與信號編碼；采用光放大器增強信號強度，進行信號長距離傳輸與幅值重構，進行信號的長距離傳輸設計。對比試驗結果表明，本文設計方法在實際應用中能夠保證傳輸信號的噪聲水平在傳輸距離增加過程中保持穩定，不會呈現顯著的增長趨勢。

關鍵詞：光纖通信技術；信號編碼；信號壓縮；長距離傳輸" " " 中圖分類號：TN 931" " " " " 文獻標志碼：A

廣播電視在信息傳播領域具有傳統而重要的地位，長期以來，其信號傳輸的質量與穩定性備受矚目。目前，現有的電視信號傳輸方式主要包括無線傳輸和同軸電纜傳輸等。但是這些傳統傳輸方式在長距離傳輸過程中存在較多問題。一方面，信號衰減不可避免，隨著傳輸距離增加，信號強度逐漸減弱，影響圖像和聲音的清晰度。另一方面，噪聲干擾嚴重影響信號質量，各種外部干擾源會使信號混入噪聲，降低視聽體驗。此外，帶寬限制也是一個關鍵問題，有限的帶寬無法滿足高清視頻、多聲道音頻等大數據量傳輸的需求，從而導致信號質量下降，用戶體驗受損[1]。因此，本文以光纖通信技術為基礎，以某廣播電臺為例，進行信號長距離傳輸方法研究。光纖通信具有傳輸容量大、信號衰減小和抗干擾能力強等顯著優勢，能夠有效克服傳統傳輸方式的弊端。研究光纖通信技術在廣播電臺信號傳輸中的應用，以期為廣播電視信號的長距離高質量傳輸提供新的解決方案，進一步提升廣播電視行業的服務水平和用戶滿意度。

1 廣播電視信號的壓縮技術與降噪策略

在廣播電視信號傳輸過程中，為了提高傳輸效率并減少帶寬占用，需要對信號進行壓縮處理[2]。信號壓縮需要去除信號中的冗余信息或利用信號的相關性，目前的壓縮方法包括有損、無損壓縮。由于信號能在可接受的失真范圍內顯著減少數據量，因此廣播電視信號使用的壓縮方法為有損壓縮[3]。本文在該過程中引進離散余弦（Discrete Cosine Transform，DCT）變換技術，去除高頻分量（即細節部分），利用逆變換恢復信號。在采用離散余弦（DCT）變換技術進行廣播電視信號有損壓縮過程中，需要謹慎把控高頻分量的去除程度。如果去除過度，雖然能大幅減少數據量，但是會導致信號的細節丟失過多，嚴重影響信號質量，例如畫面會出現模糊、色彩失真等問題。因此在實際應用中，需要根據廣播電視信號的具體特點和觀眾可接受的失真范圍，精確調整DCT變換的參數。同時，利用逆變換恢復信號后，還需要結合相應的降噪策略，進一步提升信號質量，以保證經過壓縮和恢復后的廣播電視信號能夠滿足觀眾對視聽效果的基本要求。DCT變換過程如公式（1）所示。

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

完成信號變換后，將DCT系數映射到有限的量化級別上，進行信號解壓縮，恢復壓縮后的有效信號[4]。該過程如公式（2）所示。

式中：S為恢復壓縮后的有效信號；f'為編碼后的DCT系數；α為量化級。

在上文基礎上，為了減少信號中的隨機噪聲，提高信號的信噪比，利用維納濾波技術，進行平穩隨機信號降噪。該過程如公式（3）所示。

式中：H為平穩隨機信號的降噪；h為維納濾波器的系數；g為噪聲水平；n為噪聲空間密度。

2 基于光纖通信技術的傳輸信號編碼

光纖通信技術是現代通信領域的重要組成部分，其傳輸信號編碼是信息高效、準確傳輸的關鍵，因此，本文利用該項技術對完成預處理的廣播電視信號進行光纖通信編碼。編碼過程主要是指將電信號轉換為光信號，并在接收端進行解碼恢復[5]。本文在該過程中引進光纖通信技術中的差分相移鍵控技術（DPSK技術），該技術是一種相位調制編碼技術，用當前比特與前一個比特的相位差表示信息，在DPSK技術中，每個符號的相位均根據前一個符號的相位進行定義。DPSK技術具有獨特的優勢，因此被引入廣播電視信號的光纖通信編碼中。與傳統編碼方式相比，DPSK技術對光纖中的色散和非線性效應具有更強的抵抗能力。在長距離傳輸過程中，光纖不可避免地會出現色散現象，導致信號失真，而DPSK技術能夠有效降低這種影響，保證信號的完整性。同時，其相位調制的特性能夠使信號傳輸更穩定，并顯著提升信息傳輸的準確性和可靠性，進而提高廣播電視信號在光纖通信中的傳輸質量，為用戶帶來更清晰、穩定的視聽體驗。

在DPSK調制過程中，根據輸入比特與前一個比特的比較結果調整光信號的相位。如果當前比特與前一個比特相同，那么相位不變；如果不同，那么相位改變180°。在傳輸鏈路中，信號的多項式傳輸方式如公式（4）所示。

式中：X為信號的多項式傳輸方式；D為信號相位；N為復共軛系數。

在接收端，比較相鄰符號的相位差，以恢復原始比特。計算2個相鄰符號的復數間的角度差可以得到相位差，計算過程如公式（5）所示。

式中：T為相位差；L為信號長度；C為信號誤差率；l為節點信號占位。

根據上述計算結果，使用鏈路中的編碼器對傳輸中的光纖節點信號進行編號，該過程如公式（6）所示。

式中：B為光纖通信信號編號；χ為信號序列；δ為邏輯系數。

3 信號長距離傳輸與幅值重構

完成上述設計后，對編碼信號進行長距離通信傳輸。通常情況下，編碼后的信號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編碼規則進行調制，以攜帶信息。

在傳輸過程中，光信號會受衰減和色散的影響。衰減會導致信號強度減弱，色散則會導致不同波長的光信號在光纖中的傳輸速度不同，從而引起信號展寬和畸變。為了補償影響，可以采用光放大器增加信號強度，并使用色散補償技術降低色散效應。光信號衰減補償過程如公式（7）所示。

式中：P為光信號衰減補償；P'為信號強度增強系數。

色散會導致信號脈沖展寬，色散補償技術可以減少這種展寬。色散補償后的信號寬度如公式（8）所示。

式中：d為色散補償后的信號寬度；γ為補償系數；z為信號脈沖展寬。

在接收端，為了補償信道失真，使用均衡器進行信號均衡處理。可以根據信道特性設計均衡器的傳遞函數，以恢復信號的原始波形，對傳輸信號進行幅值重構。均衡器傳遞函數如公式（9）所示。

式中：K為均衡器傳遞函數；R為均衡器的頻率響應；η為信道的頻率響應。

4 對比試驗

4.1 試驗準備

為了全面評估本文傳輸方法的可靠性和實際應用效果，本文選取某省級廣播電視臺為測試試點單位。該省級廣播電視臺具有3000名以上員工構成的復雜內部組織、覆蓋全省80%以上人口的廣泛傳輸網絡以及日常處理大量高清/超高清信號的業務需求，對高帶寬、低延遲和高穩定性傳輸系統有較嚴格的要求。測試環境配備了先進的光纖傳輸系統、編碼器、解碼器等信號處理設備和多樣化的接收終端，以保證測試的全面性和代表性。在信號源選擇上，選取包括新聞、電視劇和體育賽事等多種類型的高清/超高清信號，以模擬實際傳輸中的信號多樣性。選擇這種規模龐大、業務復雜的單位進行測試，不僅能夠真實反映本文方法在復雜環境下的表現，而且能有效降低本文方法直接應用于實際廣播電視信號可能帶來的風險與不確定性。

為保證傳輸過程中數據的真實性，本文選取某特定時段的廣播電視信號為測試樣本，見表1。

本文在深入研究中發現，在現有的廣播電視信號傳輸過程中，噪聲攜帶較高的問題時有發生，嚴重影響了信號質量和用戶體驗。以一次實際發生的電視直播事件為例，當時電視臺在高峰時段進行高清信號傳輸，但是信號傳輸路徑遭遇多個電磁干擾源的嚴重干擾。該突發狀況直接導致接收端的信號噪聲水平急劇攀升，原本維持在正常水平的信噪比（約為30dB）驟然降至20dB以下，部分區域甚至更低。其中，最大的噪聲幅度為-50dBm，遠超出系統設計的可接受范圍，導致電視畫面頻繁出現雪花點和閃爍現象，畫面質量大幅下降。同時，聲音信號中也明顯夾雜雜音，音質模糊不清。這一系列問題嚴重影響了觀眾的視覺享受和聽覺體驗，整體上降低了觀眾的收視滿意度和體驗質量。

4.2 試驗步驟

根據試驗需求，搭建光纖通信平臺。該平臺集成了信號發生器、信號分析儀、頻譜儀和噪聲測試儀等測量工具，以保證精確檢測信號質量。同時，嚴格遵循規范，在測試平臺中設計詳盡的光纖通信技術參數，包括光纖類型、衰減系數、色散系數、光纖芯徑、包層直徑、光纖數值孔徑、傳輸設備類型、傳輸速率、傳輸距離以及接收器靈敏度等多個方面，見表2。

為驗證本文方法的有效性，引進文獻[1]提出的基于空間音頻技術的傳輸方法、文獻[2]提出的基于超材料結構的傳輸方法作為對照。

在信號源端統一設置相同的信號參數（例如頻率、功率和調制方式等），按照試驗步驟進行信號傳輸試驗，并記錄傳輸過程中各關鍵指標的變化情況。

4.3 試驗結果與分析

在廣播電視信號的傳輸過程中，信號攜帶的噪聲水平是衡量本文方法可靠性與傳輸效果的關鍵指標之一。噪聲的存在會干擾信號正常傳輸，導致接收端信號質量下降，出現圖像模糊、聲音失真等現象。因此，噪聲越小，表名信號在傳輸過程中受到的干擾越少，傳輸效果越佳，能夠更好地保持信號的原始質量，提升觀眾的視聽體驗。相反，噪聲水平較高，表明傳輸方法在復雜環境或長距離傳輸過程中存在不足，需要進一步優化，以提升傳輸效果和可靠性。試驗結果如圖1～圖3所示。

從圖1可以看出，應用本文方法進行信號傳輸，信號攜帶的噪聲極低，不會對信號質量造成影響。

從圖2可以看出，應用文獻[1]方法進行信號傳輸，隨著傳輸距離增加，信號攜帶的噪聲越來越多，當距離為80km～90km時，噪聲水平極高。

從圖3可以看出，應用文獻[2]方法進行信號傳輸，信號噪聲水平一直處于持續狀態，即信號質量一般。

綜合所述，在3種方法中，只有本文方法適用于長距離傳輸場景，并且能夠在整個傳輸過程中保持信號穩定，即使傳輸距離增加，信號噪聲也不會顯著增加。

5 結語

光纖通信技術的出現，為信號的長距離傳輸提供了新的解決方案。該項技術不僅能夠實現信號的穩定、高質量傳輸，而且能支持高清、超高清甚至更高清晰度的視頻信號傳輸，顯著提升用戶的觀看體驗。目前，隨著高清、超高清內容需求不斷增長，廣播電視行業對信號傳輸技術的要求也越來越高。因此，本文基于光纖通信技術，進行信號壓縮與降噪處理、傳輸信號編碼、信號長距離傳輸與幅值重構，以提升廣播電視信號傳輸的整體質量，推動廣播電視行業的數字化和智能化發展，為廣播電視行業提供更穩定、高效且高質量的信號傳輸解決方案。

參考文獻

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