中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 多孟龍

在經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展過(guò)程中，推動(dòng)了信息化時(shí)代的到來(lái)，使現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡慕M成部分，而衛(wèi)星通信視頻傳輸技術(shù)就是其中比較關(guān)鍵的一項(xiàng)技術(shù)，其一般是借助衛(wèi)星信號(hào)傳播來(lái)達(dá)到播放廣播節(jié)目的效果。本文將會(huì)對(duì)衛(wèi)星通信視頻傳輸技術(shù)進(jìn)行全方位的介紹，并探究了其未來(lái)的發(fā)展前景，以期更好的推動(dòng)衛(wèi)星通信視頻傳輸技術(shù)的發(fā)展。

對(duì)于衛(wèi)星通信而言，從廣義的角度來(lái)講是指借助衛(wèi)星來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線電通信站間的通信，其最突出的特點(diǎn)便是通信范圍大，只要衛(wèi)星發(fā)射電波可以覆蓋到的范圍均能夠完成通信，很少受到外界因素的影響，因此具有比較高的可靠性。同時(shí)，衛(wèi)星通信可在多個(gè)地方完成信息接收，且具有多址通信特點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高。對(duì)現(xiàn)有廣播電視傳輸和流媒體直播而言，衛(wèi)星通信可以有效接收和傳播公共衛(wèi)星電視資源，進(jìn)而具有較高的可靠性和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。因此，對(duì)基于衛(wèi)星通信過(guò)程中，對(duì)視頻傳輸技術(shù)進(jìn)行研究至關(guān)重要[1]。

1 衛(wèi)星通信視頻傳輸技術(shù)

1.1 編碼技術(shù)

通常情況下，傳統(tǒng)編碼技術(shù)涉及到Turbo碼、LDPC碼、BCH碼、級(jí)聯(lián)碼、RS碼和分組級(jí)前向糾錯(cuò)刪碼等。但是，與香農(nóng)理論進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)編碼技術(shù)存在2-3dB的差距，而Turbo碼差距僅為0.7dB，非常接近，因此Turbo碼是比較常見(jiàn)的編碼技術(shù)。

Turbo碼前稱為并行級(jí)聯(lián)卷積碼，其優(yōu)勢(shì)在于具備迭代譯碼特性，通過(guò)外譯碼器將輸出信息傳輸至內(nèi)譯碼器，從而保證相互獨(dú)立的兩個(gè)譯碼器間可以實(shí)現(xiàn)信息的相互利用，進(jìn)而達(dá)到長(zhǎng)碼的效果。Turbo碼一般涉及到雙重Turbo碼和多重Turbo碼，前者在衛(wèi)星通信中得到廣泛應(yīng)用，然而對(duì)香農(nóng)理論進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，如果信息速率大于一定信道容量時(shí)，就會(huì)持續(xù)增大編碼長(zhǎng)度，不僅可以提高其抗干擾性能，而且還可以實(shí)現(xiàn)無(wú)誤通信。同時(shí)，多重Turbo碼也可以有效控制信道中誤碼率，但是現(xiàn)階段還處于測(cè)試研發(fā)階段。實(shí)際上，在衛(wèi)星通信編碼過(guò)程中，選擇聯(lián)合卷積碼+Turbo串行方案，其既可以降低其復(fù)雜度，同時(shí)也能夠確保系統(tǒng)整體性能的發(fā)揮，進(jìn)而提高其運(yùn)行效率[2]。

1.2 調(diào)制技術(shù)

對(duì)于衛(wèi)星通信而言，以往的調(diào)制技術(shù)主要分為正交頻分復(fù)用（OFDM）、相移鍵控調(diào)制方式、正交幅度調(diào)制QAM調(diào)制技術(shù)以及頻移鍵控調(diào)制方式。對(duì)于衛(wèi)星通信系統(tǒng)而言，其中所采用的高功率放大器屬于非線性部件，這就使得該信道具備非線性和帶限特性。大部分廣播電視衛(wèi)星系統(tǒng)采用了相移鍵控調(diào)制方式，并且隨著相位調(diào)制階數(shù)的提高，雖然可以提高頻帶利用率，但是將會(huì)導(dǎo)致抗干擾性能降低，進(jìn)而提高了解調(diào)設(shè)備復(fù)雜性。因此，現(xiàn)有數(shù)字廣播衛(wèi)星電視系統(tǒng)選擇了八進(jìn)制相移鍵控調(diào)制、四進(jìn)制相移鍵控調(diào)制以及二進(jìn)制相移鍵控調(diào)制等調(diào)制解調(diào)方式，此時(shí)一般需要結(jié)合頻帶利用率、抗干擾能力和調(diào)制解調(diào)器成本等特點(diǎn)來(lái)對(duì)調(diào)制解調(diào)方式進(jìn)行合理選擇，以此來(lái)更好的發(fā)揮其作用。

1.3 多址連接技術(shù)

這里所提及到的多址連接主要是在多個(gè)地球站通過(guò)共用的衛(wèi)星信道來(lái)構(gòu)建各自的信道，以確保各地球站間完成通信的一種方式。通常情況下，傳統(tǒng)多址連接方式如下：

(1)FDMA。將分配的頻帶按照一定方式分割成若干段，并結(jié)合各站業(yè)務(wù)特點(diǎn)來(lái)對(duì)頻率段進(jìn)行分配，其具有設(shè)備簡(jiǎn)單、可靠性高、技術(shù)先進(jìn)、不需網(wǎng)同步（定時(shí)）等特點(diǎn)，并且可以與地面頻分制線路直接連接，并且在大容量線路中具有較高的工作效率，在容量大且站少的場(chǎng)合中得到廣泛應(yīng)用。

(2)TDMA。其將特定的時(shí)間間隔（即所謂的時(shí)隙）分配給各地球站，而不再是特定頻率的載波。在定時(shí)同步系統(tǒng)下，只能在指定時(shí)隙內(nèi)各地球站才可以將信號(hào)傳輸給衛(wèi)星，而且還可以避免時(shí)間重疊問(wèn)題的發(fā)生。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(guò)程中各站一般采用的載波頻率相同。其優(yōu)點(diǎn)是擴(kuò)容方便、使用靈活、無(wú)需上行鏈路功率控制、可以充分利用衛(wèi)星功率，并對(duì)數(shù)字語(yǔ)音內(nèi)插DSI技術(shù)給予了合理應(yīng)用。

(3)CDMA。結(jié)合地質(zhì)碼的正交性特點(diǎn)來(lái)完成信號(hào)分割處理。其中發(fā)送過(guò)程中的地址信息采用了周期性碼序列，其能夠?qū)Ρ挥脩粜畔⒄{(diào)制后的載波實(shí)現(xiàn)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)，要對(duì)本地產(chǎn)生的已知地址信息進(jìn)行考慮，并根據(jù)相關(guān)性的差異來(lái)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行鑒別和選擇，其可以借助寬帶進(jìn)行傳輸，存在比較理想的保護(hù)性和隱蔽性，同時(shí)具有較強(qiáng)的抗干擾能力。缺點(diǎn)在于容量沒(méi)有硬性限制，碼同步時(shí)間較長(zhǎng)，從而隨著用戶的增加將會(huì)對(duì)其性能產(chǎn)生不利影響。

1.4 傳輸質(zhì)量（差錯(cuò)）控制技術(shù)

作為對(duì)地靜止軌道衛(wèi)星而言，其所對(duì)應(yīng)的單程時(shí)延為270ms。然而，因?yàn)槎嗥绽疹l移和白噪聲的存在，將會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)誤碼，進(jìn)而降低TCP控制協(xié)議性能，對(duì)其傳輸效率產(chǎn)生不利影響，此時(shí)最好采用基于傳輸?shù)牟铄e(cuò)控制。通常情況下，在進(jìn)行DVB-S視頻傳輸階段，可以選擇MPEG-2數(shù)據(jù)包格式，信道傳輸選擇了RS編解碼方式，并且在188個(gè)字節(jié)中涵蓋了1個(gè)同步字段。實(shí)際上，丟幀問(wèn)題的誘因如下：

(1)由于幀頭改變而導(dǎo)致同步失敗，進(jìn)而出現(xiàn)丟幀現(xiàn)象。

(2)由于誤碼現(xiàn)象而誘發(fā)丟幀[3]。

在衛(wèi)星通信過(guò)程中，為了避免上述問(wèn)題的發(fā)生，選擇了傳輸質(zhì)量（差錯(cuò)）控制技術(shù)，其涵蓋的具體內(nèi)容如下：

(1)重傳技術(shù)。對(duì)于丟幀問(wèn)題，一般會(huì)選擇重傳技術(shù)進(jìn)行差錯(cuò)控制，其一般有三種：選擇性重傳機(jī)制SR_ARQ。對(duì)部分可靠的ARQ進(jìn)行有限次選擇性重傳，并且緩存在衛(wèi)星鏈路接收端，等待排序；自動(dòng)重傳機(jī)制ARQ。如果發(fā)現(xiàn)當(dāng)前一幀丟失后，將會(huì)對(duì)當(dāng)前一幀進(jìn)行重傳，并且不會(huì)對(duì)后續(xù)幀的傳輸產(chǎn)生影響；主動(dòng)性重傳機(jī)制CA_ARQ。借助誤幀緩存器來(lái)校驗(yàn)誤幀，如果未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)將會(huì)立即重傳，以免在誤幀緩存器中累計(jì)，因?yàn)楫?dāng)累計(jì)到一定門(mén)限后將會(huì)要求重傳所有誤幀，該技術(shù)是自動(dòng)重傳和選擇性重傳兩者的結(jié)合體。

(2)FEC前向糾錯(cuò)技術(shù)。在TS視頻數(shù)據(jù)流中，PES屬于打包的基礎(chǔ)視頻碼流，ES流屬于基礎(chǔ)音頻視頻碼流，其中PES可以對(duì)ES實(shí)施拆分打包。在DVB-S中，從PES到TS階段融入了FEC糾錯(cuò)碼，且選擇了不同的FEC速率。在相同功率下，如果解碼門(mén)限比較低時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的天線直徑較小，便于接受，反之天線直徑較大，存在較高的接受難度。

(3)HEC混合糾錯(cuò)技術(shù)。該技術(shù)屬于重傳技術(shù)與FEC技術(shù)的結(jié)合體，主要包括以下兩種方法：1）先糾錯(cuò)譯碼，隨后查看是否存在誤碼，當(dāng)發(fā)現(xiàn)誤碼時(shí)，將會(huì)反饋給信道進(jìn)行重傳，從而降低了誤碼率；2）先檢錯(cuò)，在FEC可以解決的情況下，隨機(jī)差錯(cuò)和突發(fā)差錯(cuò)采用前向糾錯(cuò)，如果無(wú)法以FEC方式進(jìn)行糾錯(cuò)時(shí)，將會(huì)重傳。

對(duì)上述差錯(cuò)控制技術(shù)進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，重傳技術(shù)和HEC混合糾錯(cuò)技術(shù)由于需要反饋信道，一旦受到外界干擾時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)重發(fā)消息，進(jìn)而降低消息的實(shí)時(shí)性和連續(xù)性。而在用戶數(shù)多或信道質(zhì)量差時(shí)，將會(huì)增加反饋信道流量，并且導(dǎo)致其吞吐量降低，且因?yàn)橹貍骷夹g(shù)和HEC混合糾錯(cuò)技術(shù)均應(yīng)用了反饋信道，以此在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信中得到廣泛應(yīng)用，不利于廣播或以視頻類為主的廣播業(yè)務(wù)。因此，F(xiàn)EC前向糾錯(cuò)技術(shù)在視頻類廣播業(yè)務(wù)中得到廣泛應(yīng)用。

1.5 衛(wèi)星天線系統(tǒng)

通常情況下，衛(wèi)星天線需要具備一定的抗阻特性，盡可能多的將高頻電流能量轉(zhuǎn)化為電磁波能量，并且要求具備方向特性，以便將電磁波盡可能集中在所需方向上。同時(shí)，還需要具備極化特性，以便對(duì)極化的電磁波進(jìn)行發(fā)射或接收。在衛(wèi)星通信中，一般會(huì)采用天線增益計(jì)算方式，進(jìn)而決定天線的增益。實(shí)際上，天線增益越大，需要配備越大的天線直徑，這就對(duì)工作頻率進(jìn)行調(diào)整，將會(huì)達(dá)到降低天線直徑的目的。

傳統(tǒng)地球站天線類型比較多，具體有拋物面天線、偏置型天線、環(huán)焦天線、格里戈倫天線和卡塞格倫天線。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，拋物面天線相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但是其具有比較高的噪音影響，加之在天線主反射面前方需要安裝低噪聲放大器和饋源，導(dǎo)致其饋線長(zhǎng)而并未得到廣泛應(yīng)用。格里戈倫天線和卡塞格倫天線存在方向圖好、效率高、噪聲溫度低等特性，在大多數(shù)地球站中得到應(yīng)用。環(huán)焦天線、偏置型天線使拋物面天線、格里戈倫天線和卡塞格倫天線中一部分電波能量被阻擋而導(dǎo)致天線增益下降問(wèn)題得到解決，因此在尺寸較小的地球站中得到應(yīng)用。通常情況下，廣播電視地球站相對(duì)比較大，一般會(huì)選擇格里戈倫天線和卡塞格倫天線。

1.6 流媒體傳輸技術(shù)

在衛(wèi)星通信過(guò)程中，ISMA和TS是主流的流媒體傳輸協(xié)議，而廣播電視一般會(huì)選擇TS流方式。其中ISMA和TS封裝方式比較如圖1所示。

通過(guò)對(duì)圖1進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，MPEG-2 TS/UDP方式可以將音頻、視頻和其他媒體數(shù)據(jù)以MPEG-2 TS的格式進(jìn)行封裝，并承載于UDP和IP協(xié)議上，其既能夠承載不同編碼標(biāo)準(zhǔn)媒體數(shù)據(jù)，同時(shí)也能夠在一個(gè)流上完善視頻和音頻數(shù)據(jù)的有效傳輸，并保證了音頻、視頻同步，然而MPEG-2 TS采用了單向廣播設(shè)計(jì)方式，未達(dá)到控制協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化要求，這就使得其在點(diǎn)播等雙向交互式過(guò)程中存在較差的實(shí)用性。

圖1 ISMA和TS封裝方式比較Fig.1 Comparison of ISMA and TS packaging methods

通常情況下，ISMA RTP/UDP方式能夠相關(guān)要求將音頻、視頻數(shù)據(jù)以RTP格式進(jìn)行分開(kāi)封裝，并在一個(gè)或多個(gè)UDP傳輸流上進(jìn)行承載，其具有較好的適應(yīng)性，從而使其傳輸效率大大提高。但是，無(wú)法在同一個(gè)流上進(jìn)行視頻和音頻數(shù)據(jù)傳輸，并且要匹配同步機(jī)制[4]。

2 衛(wèi)星通信視頻傳輸技術(shù)發(fā)展前景

2.1 衛(wèi)星智能天線

要想使多媒體傳輸特點(diǎn)得到充分發(fā)揮，要保證通信系統(tǒng)帶寬大于2500MHz，這就要求多媒體通信系統(tǒng)選擇Ku甚至KA波段，但是K以上波段存在明顯的雨衰問(wèn)題，進(jìn)而導(dǎo)致衛(wèi)星通信功率受到影響。此時(shí)，為了避免上述問(wèn)題的影響，需要采用性能較高的智能天線系統(tǒng)，其中最常見(jiàn)的便是天線陣列，其通過(guò)軟件控制來(lái)達(dá)到波束成形的目的，進(jìn)而形成多個(gè)子波束，其不僅可以在一個(gè)方向上實(shí)現(xiàn)能量集中，而且還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地面范圍的準(zhǔn)確覆蓋。在時(shí)空聯(lián)合算法下，按照一定準(zhǔn)則來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)波束指向和零點(diǎn)的調(diào)整，從而使天線處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，以期達(dá)到提高系統(tǒng)容量，節(jié)約能量的目的。雖然智能天線能夠?qū)崿F(xiàn)波束調(diào)零抗干擾效果，但是如果從某個(gè)波束主瓣產(chǎn)生干擾時(shí)，將會(huì)削弱調(diào)零的效果，此時(shí)最好將其他抗干擾技術(shù)和智能天線結(jié)合在一起形成高效綜合抗干擾系統(tǒng)，其中智能天線和擴(kuò)頻是首選方案，其中智能天線可以避免接收機(jī)解擴(kuò)模塊中進(jìn)入大多數(shù)干擾信號(hào)，進(jìn)而提高了擴(kuò)頻抗干擾效果[5]。

2.2 衛(wèi)星激光通信

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)率提出了較高要求，希望可以達(dá)到高清以及超高清視頻質(zhì)量。通常情況下，衛(wèi)星與地面、衛(wèi)星與衛(wèi)星間的信息傳輸主要是以微波通信來(lái)完成，然而因?yàn)槭茌d波頻率影響，使得單通道傳輸速率提升至每秒百兆比特?cái)?shù)量級(jí)，可以更好的滿足視頻圖像傳輸質(zhì)量。通常情況下，激光通信能夠達(dá)到無(wú)線通信與大容量激光相融合的目的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全球無(wú)縫連接覆蓋的效果。在衛(wèi)星通信過(guò)程中，借助激光通信技術(shù)還可以避免大氣層的影響，進(jìn)而使激光的優(yōu)點(diǎn)得到充分發(fā)揮。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信視頻傳輸技術(shù)存在一定的局限性，如發(fā)射容量小、覆蓋率低、廣播節(jié)目類型傳輸少等，無(wú)法滿足時(shí)代發(fā)展需求?；谛畔⒒瘯r(shí)代背景下，則需要對(duì)先進(jìn)的衛(wèi)星通信視頻傳輸技術(shù)進(jìn)行全面、系統(tǒng)的分析，并探究其未來(lái)發(fā)展前景，以此在保證信號(hào)輸送質(zhì)量的同時(shí)，提高衛(wèi)星通信視頻傳輸效率。