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数字化卫星传输线路

2/14/2005来源:卫星通信人气:9110

作者:Peter Lude著 陈 菲译 王剑明校
  与前些年的宽带设备相比较,新的窄带和压缩设备提供更高品质的画面及声音。

  如果你曾经在Ku波段卫星转播车上呆过,就会知道那里的工作情形。下午3点接到大型转播任务,某事件必须在下午播出,毫无疑问必须进行现场拍摄,再把信号从现场送入网络,经过简要核查,证实摄像地点超出微波传输范围。3:15分,卫星转播车从台里匆匆出发,经过长途跋涉到达现场-这时离5:00的新闻时间只差15分钟了。

  因为以前有过经验,你知道这是可行的,找好方向停下转播车,这样抛物面天线能对准相应的卫星,然后放下转播车的固定支架,启动信号发生器,预热HPA,架起抛物面天线根据卫星进行定位和极性调整以获取信号。如果你运气好,卫星公司将自动地在适当的时候提供电视台的IFB,并指示你合适的转发器使用时间。

  如果曾经到过转播现场,你定会觉得我的想法太天真,在Ku转播车里任何怪事都可能发生,且按时间计算的转发器使用费用正迅速提高。在现场,第一摄像师比你早到了20分钟,第二摄像师正在拍摄,一次双机四路麦克风的现场拍摄就这样安排好了。第一摄像师已准备好10分钟的节目素材馈送到电视台,但是仅仅只有5分钟卫星窗口可以使用,然后最糟糕的情况出现了-天开始下雨。

  要在这样一场"压力测试"中降低血压,何不尝试一下采用数字卫星线路?无疑你一定听到过对数字化的称赞,因为它在传输线路中能防止信号劣化,而且数字卫星新闻采访(DSNG)有几种工具能改进这个现场转播方案。

一、数字卫星传输

  引进这种新思路必须懂得数字传输过程,它把数字视频信号流当成数据,在传输线路中它变成强制性的。与基带信号比较起来RF卫星线路可能会严重地破坏数字信号。卫星发射可以和电话调制解调器进行比较,调制解调器带有许多标准,包括那些对调制方法和带宽的定义。对于数字传输,波特率也适用。波特率必须小于信道带宽。波特率也可以称作符号率。通常人们会误以为波特率和每秒比特是同义词-事实上不是。调制技术允许每个符号多于一个比特,这使得每秒比特率大于波特率。在卫星线路中也是一样的。

  影响卫星传输质量的因素比电话多得多。一种检验卫星链路是否正常的参数叫做接收载噪比(C/N)。对于数字卫星传输,通常采用每比特能量与噪音之比(Eb/N)的参数。Eb/N发射值和Eb/N接收值之差是通常所说的链路余量。

  卫星传输线路损耗通常为200dB。上行线路和卫星放大器的增益范围在50dB到70dB。收发天线的增益范围在40dB到50dB。从这些数字来看,并没有为预测不到的信号劣化留下多少余地。因为雨衰Ku传输的上行链路和下行链路又要再减去10dB。传输过程中的等效全向辐射功率(EIRP)必须尽可能最高,接收信号功率也尽可能最高,而噪声功率尽可能最低。

  与接收信号和噪音相关的一个参数叫做天线增益与系统噪音温度比值,通常取值为>30dB/k。在北半球,因为天线倾角更靠近地平线,噪音增大。因为倾角越大,大气吸收信号越多,地面辐射的噪音也越大。

  为消除噪音需采用Cassegrain馈送系统,在该系统中,馈源喇叭指向天空。卫星收发天线增益在美国本土中部要比在南北国界和沿海地区大,所以在国界边缘可获得较低的链路容限,增益差可达到6dB到8dB。

二、基带视频信号从模拟到数字的转化

  从模拟视频信号产生分量数字比特流意味着这个信号不再"适合"于地面6MHz AM信道或18MHz FM的半个卫星转发器信道。这种分量信号要求几百兆赫兹的基带带宽--至少540MHz。还需要某种形式的数字压缩,例如MPEG-2,MPEG-2有多种多样的层和级应用于不同的领域。MPEG的级规定了水平、垂直和时间分辨率,以及最终的数据流的比特率。MPEG-2的层描述的是可以用来保持数据率限值的特性,对I(内帧)、P(预测)帧或B(双向预测)帧和亮度色度比进行解码(4:2:2,4:2:0;等)。在MPEG-2压缩算法的各层各级中达到节目采集质量的是4:2:2层@主级(4:2:2取样,数据率从1.5Mb/s到50Mb/s)和主层@主级(4:2:0取样,数据率从1.5Mb/s到15Mb/s)。

  有了这些比特率,数字比特流就可能"插入"卫星转发器。转发器带宽从24MHz到110MHz不等。通常带宽是24MHz,36MHz和54MHz。110MHz转发器实际上包含两个转发器,它们是带有相连的馈送链接频率,具有同样的偏置频率,并馈入同一天线或二个类似的天线。然而,正如所有的卫星新闻采访(SNG)工程师所知,播发新闻使用一整个转发器十分浪费,实际上如果大家都这么做也不可能有足够的转发器空间。

  在卫星的上行和下行通路中,模拟视频信号已经过调频。采用半个转发器带宽的偏置方法从未确定过通用标准,由各个卫星公司自已决定。±7.50MHz的峰值频偏似乎很普遍,正常的白电平约为±6.85MHz。

  今天,一些卫星公司把转发器分为小块出售。频谱分配的根据是在信号衰落的边缘范围内。某些卫星公司认为卫星的占用范围在(峰值载波以下)-26dBc的衰降点内。卫星是一种贵重的商品,发射一颗卫星的费用在5千万到1亿之间,其中包括卫星本身的费用及发射升空的费用。

  市场要求我们合理有效地利用这些资源,将来也仍是一样。可以采用MPEG压缩方式把信号压缩进限定的带宽,并根据信号品质要求进一步缩减带宽。可以采用频率复用的方法将几股信号流输入一个转发器,或者也可采用时间复用的方式。在这种情况下,由多股基本信号流组成的一股MPEG数据流占用半个(或整个)转发器。   还记得现场的两台摄像机吗?采用MPEG压缩和数字调制,从两台摄像机出来的视频信号合成一路送回到电视台后,可作为独立的两路信号源进行处理。这样两路信号只要在电视台切换,而不需要在转播车里进行预切换。与发送两路不同信号源不同的是,一路信号源可以用高于实时的速度传送,这样就解决了10分钟的原始素材带和5分钟窗口的矛盾。最后,一路更高质量的信号能够被实时传送。

三、数字SNG技术

  数字SNG采用二相移键控(BPSK)四相移键控(QPSK)或新的八相移键控(8PSK)技术来代替模拟信号的调频技术。这些调制方式中,每周期看作一个符号,BPSK从一符号到下一个符号通过180°相移,每个符号送出一个比特来表示一个高位或低位。

  QPSK有四个相位态,每个符号或周期能传送四态中的一态,这样转换成每个符号代表2个比特。而8PSK是每个符号表示3个比特。QPSK的效益是BPSK的两倍,因此通常采用QPSK。这两类调制功率效率一样(功率效率是在给定Eb/N值情况下的比特误码率),但QPSK带宽效率更高。

  这些信号频谱中都没有载波分量,因此,本地的载波必须从接收机中得到。这就意味着Ku DSNG系统在接收端必须采用高品质高频头(LNBs),本振(LO)中采用旧的LNBs可能发生2MHz到3MHz的漂移。数字解码器需要70MHz中频输出或在某些情况下L波段漂移不会超过100KHz。较好的LNBs在锁相环路中采用温度补偿的晶体振荡器。这种LNB稳定性测量值叫做相位噪声,它测的是除了要求的LD频率之外各频点的能量。一例较好的相位噪声测量值是[email protected]">DSNG系统在接收端必须采用高品质高频头(LNBs),本振(LO)中采用旧的LNBs可能发生2MHz到3MHz的漂移。数字解码器需要70MHz中频输出或在某些情况下L波段漂移不会超过100KHz。较好的LNBs在锁相环路中采用温度补偿的晶体振荡器。这种LNB稳定性测量值叫做相位噪声,它测的是除了要求的LD频率之外各频点的能量。一例较好的相位噪声测量值是[email protected]

  另外需要考虑的是频谱倒置。与模拟信号一样,数字信号在上行链路中至少变频一次,然后在卫星里下变频,在接收端至少下变频一次。这些变频是通过外差的方法来实现的。根据基本通讯理论这个处理过程的产物就是原始信号和本振正弦波,以及这二者的和频与差频信号。它们的和频信号是原始信号的副本,但频率是新的。而差频信号频率也是新的,和、差频谱具有镜像的关系。

  一些变频器采用和频信号(滤除所有的其他信号),有的则采用差频信号。如果在线路上这种差频变换进行了偶数次则没有问题,两次倒相互相抵消。但是如果进行了奇数次,问题就来了。数字接收机必须能对付这个局面。模拟FM卫星信号似乎不受影响,因为一旦信号被识别出来,只需对信号进行简单的倒相就行了。多数新型接收机能自动识别这种倒相,并自动矫正。如果QPSK接收机用于数字信号,必须对I和Q信号进行倒相来解决这个问题。

  另一调制法是正交调幅(QAM)。在美国,正交调幅通常用在地面微波链路,不用于国内卫星。通常能达到有效使用要求的卫星转发器是具有行波管(TWT)类型功率输出的转发器,它具备固有的非线性振幅变换特性。调幅预失真已经试验过但是没有获得成功。所以只剩下加拿大卫星采用正交调幅。QAM相位图又称作星座图。QAM和NTSC/PAL彩色调制采用的相位和幅度一样。星座图里的样点数目,例如16,确定QAM的类型。16个样点表示这是16-QAM信号。星座图里每个样点表示一种状态。16-QAM有16态每4位规定16态中的1态。因此,16-QAM的每个符号或周期传送4位比特。使16-QAM的频谱效率达到QPSK的二倍。16-QAM要保持和QPSK同样的平均发射功率,星座图的点必须更密集。但是,随着星座图中点间距的缩小,误码概率会上升。16-QAM要获得和QPSK同样的纠错码性能,则需要更高的S/N比。一种把QAM的误码降到最小的方法是用"格雷码"对星座图中的点进行映射。这意味着星座图中任意点的值与任意相邻的点只差1位。很快我们就会看到在考虑链路方案,误码检测和纠错的时候,随着数据有效负载增加,抗误码性下降。具备较高的频谱效率的调制方案要求更高的S/N比。这就意味着增加卫星链路的投资,或者你可以选择较低的链路投资,但是必须用纠错比特来矫正接收误码。但这样会降低有用数据率。最后,不论采用哪一种方法都意味着你必须用数据率来换取误码率。   这种数据率/误码校正的折衷是采用前向纠错码,它与视频信号同时传送。这些码用于确定是否有误码发生,同时还提供误码纠正的必要信息。通用的码是里德-索罗门码和维特比编码,且二者通常一起使用,这时它们被看作一个串接码。里德-索罗门方式组成编码阵列,并在每行末尾添加误码校正信息。为增强这些误码校正码的性能,编码阵列的读出方法往往不同于其写入方法。这种阵列组成时,按时间顺序逐行写入,但读取时按列来读,这叫做交织。

  维特比编码涉及的因素更多。要解释它,我们必须先理解汉明距离,如果你有一个二进制数并把它和第二个二进制数进行比较,汉明距离就是要使第一个数和第二个数相等所必须改变的比特个数。如果添加的校正比特大于汉明距离那么在发生误码时。也不需要进行解码。信息位与误码校正比特的比值通常是1:2称为跨度3。在接收端,在任何点及时间,最后三位用于确定紧挨的三位应该是什么值?八个可能值中,仅仅二个可能有最小汉明距离。一个表示其次信息位是1时,另一个表示其次信息位是0。

  这个就是通常所说的格状编码,因为状态图看起来象格子结构或格子篱笆。维特比算法通过扩展跨度来确保正确的解码的方法提高了格状编码的级别。这处理过程分两步骤:以汉明距离为基准限定可能性,然后插入虚假零,再做一次格状查找,最后得到的是两个最短距离,一个表示1,第二个表示0。这样在信道中产生一股能与噪音抗衡的不易失真的数据流。所谓数据率换取误码率也就是说每送出三比特,只有一个是有效负载,其它二个是校验码。维特比编码能把需要的Eb/N降低5dB,因而减低链路开支。

  采用数字化的好处在于信号在传输过程中能保持透明除非有"误码悬崖"产生。对于卫星传输,当接收机的误码的检测与校正系统无法克服线路中的噪音时,才会产生这种"误码悬崖"。因为误码随载噪比的减小而增加,我们的目标就是保持尽可能高的载噪比。正确地了解和计算链路预算能帮助你保持高的载噪比指数,从而远离"误码悬崖"。

摘自《卫视周刊》