魏 巍，翁向明

(天津泰達(dá)有線電視網(wǎng)絡(luò)有限公司 天津300457)

基于IP化的數(shù)字電視前端系統(tǒng)組成

魏 巍，翁向明

(天津泰達(dá)有線電視網(wǎng)絡(luò)有限公司 天津300457)

DVB數(shù)字電視前端系統(tǒng)是整個(gè)有線數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)的核心系統(tǒng)，它包括信號(hào)輸入、信號(hào)處理、信號(hào)輸出、系統(tǒng)管理等功能。近年來廣電運(yùn)營商新業(yè)務(wù)需求不斷增加，傳統(tǒng)ASI傳輸方式已不能滿足技術(shù)更新的速度及多業(yè)務(wù)的應(yīng)用需求，這就要求電視前端必須轉(zhuǎn)型，在有線前端引入IP技術(shù)，使傳統(tǒng)ASI前端向IP化前端過渡，以打破ASI前端在業(yè)務(wù)拓展方面的限制。IP前端具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單、傳輸方式靈活、系統(tǒng)擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，基于諸多優(yōu)勢(shì)各地廣電運(yùn)營商前端系統(tǒng)也逐步升級(jí)改造向IP化過渡。介紹了DVB數(shù)字電視前端系統(tǒng)IP化改造的一種技術(shù)方案，分析了從方案設(shè)計(jì)到設(shè)備選型中的一些特點(diǎn)與創(chuàng)新。

DVB前端系統(tǒng) 復(fù)用器 IPQAM

0 引 言

隨著數(shù)字電視技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的基于 ASI傳輸?shù)腄VB數(shù)字電視傳輸平臺(tái)已不能滿足數(shù)字電視新業(yè)務(wù)的發(fā)展需求，而基于 IP傳輸方式的數(shù)字電視前端經(jīng)過近幾年的不斷發(fā)展憑借其集成度高、可擴(kuò)展性強(qiáng)、冗余備份機(jī)制強(qiáng)等特點(diǎn)，已完全取代了原有的ASI平臺(tái)。為拓展公司平臺(tái)業(yè)務(wù)，滿足現(xiàn)代化的發(fā)展需求，2014年，天津泰達(dá)有線電視網(wǎng)絡(luò)有限公司對(duì)整個(gè)數(shù)字電視前端系統(tǒng)進(jìn)行了提升改造。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想

1.1 搭建成熟可靠的實(shí)用平臺(tái)，確保項(xiàng)目順利實(shí)施

選用專業(yè)級(jí)高品質(zhì)的多通道專業(yè)接收機(jī)實(shí)現(xiàn)節(jié)目的衛(wèi)星接收處理，采用專業(yè)的多功能碼流處理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)節(jié)目的復(fù)用加擾處理，最后通過通用邊緣 QAM平臺(tái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制輸出。產(chǎn)品應(yīng)采用先進(jìn)的硬件架構(gòu)，在保證完全滿足當(dāng)前系統(tǒng)需求的前提下，確保后續(xù)業(yè)務(wù)開展，為功能、系統(tǒng)、業(yè)務(wù)升級(jí)提供平滑過渡。

1.2 遵循標(biāo)準(zhǔn)選用設(shè)備，確保系統(tǒng)端到端連接

使用的設(shè)備應(yīng)嚴(yán)格遵循DVB和相關(guān)的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，這不僅可以保證與其他廠商符合標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字前端傳輸設(shè)備之間的互通互連，同時(shí)可以確保與任何符合標(biāo)準(zhǔn)的 CAS、STB、EPG、視頻服務(wù)器以及中間件等第三方功能組件的順利集成。

1.3 選用開放的核心平臺(tái)，提供系統(tǒng)和應(yīng)用的擴(kuò)容空間

在確保設(shè)備可靠性的同時(shí)，還兼顧設(shè)備功能的齊備和拓展。應(yīng)選用一個(gè)開放的核心平臺(tái)，無論目前的系統(tǒng)規(guī)模大小，功能多少，均應(yīng)保證系統(tǒng)功能的齊備。

1.4 針對(duì)性開展系統(tǒng)設(shè)計(jì)，確保有效投資

針對(duì)需求認(rèn)真考察，給出有針對(duì)性的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，保證經(jīng)濟(jì)合理。這種經(jīng)濟(jì)性不僅表現(xiàn)在為系統(tǒng)提供經(jīng)濟(jì)合理的配置，從而節(jié)省對(duì)于系統(tǒng)興建的有形投資，還表現(xiàn)在為安排合理的帶寬，節(jié)省帶寬的無形投資。

2 項(xiàng)目需求及分析

泰達(dá)有線數(shù)字電視前端系統(tǒng)建設(shè)的整體目標(biāo)包括：

①系統(tǒng)支持200個(gè)節(jié)目的復(fù)用加擾能力；②支持40個(gè) QAM調(diào)制能力；③前端系統(tǒng)內(nèi)信息處理純 IP化；④復(fù)用器按照 N∶1設(shè)計(jì)，將來可靈活過渡到1＋1備份方式；⑤IPQAM按照1∶1熱備設(shè)計(jì)；⑥衛(wèi)星接收設(shè)備按照 62個(gè)衛(wèi)星接收流設(shè)計(jì)，設(shè)備 N∶1冷備；⑦全系統(tǒng)設(shè)備網(wǎng)管監(jiān)控同時(shí)具有安全播出及指標(biāo)監(jiān)測(cè)能力；⑧各個(gè) IP輸出均需要支持雙 IP輸出，為冗余的 IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)，匯聚交換機(jī)必須按照 1＋1設(shè)計(jì)，目前具備 1臺(tái)設(shè)備，將來會(huì)擴(kuò)展成 2個(gè)交換機(jī)。

本方案設(shè)計(jì)的內(nèi)容是復(fù)用加擾、QAM 調(diào)制、第三方系統(tǒng)接入(CA、EPG等)等節(jié)目處理部分。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1 衛(wèi)星節(jié)目帶寬預(yù)留設(shè)定

節(jié)目帶寬：視具體節(jié)目而定；MPEG-2高清按照17～24,M 預(yù)留(當(dāng)前國內(nèi)高清節(jié)目上星的帶寬基本為 18,M 每節(jié)目)；MP2標(biāo)清節(jié)目按照 6,M 設(shè)定，H.264高清再編碼節(jié)目按照9,M設(shè)計(jì)預(yù)留，H.264高清直傳按照9～12,M預(yù)留設(shè)計(jì)，H.264標(biāo)清按照3,M設(shè)計(jì)預(yù)留。

如果轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)目為統(tǒng)計(jì)復(fù)用流，并且該統(tǒng)計(jì)復(fù)用流帶寬未超過有線模擬通道的傳輸帶寬，復(fù)用器可保持節(jié)目的統(tǒng)計(jì)復(fù)用關(guān)系。如果轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)目為統(tǒng)計(jì)復(fù)用流中之一，并且該統(tǒng)計(jì)復(fù)用流帶寬超過有線模擬通道的傳輸帶寬，需要預(yù)留其變化帶寬的最大值。實(shí)際系統(tǒng)中，每個(gè)傳輸流包含的節(jié)目數(shù)量可根據(jù)實(shí)際傳輸?shù)墓?jié)目進(jìn)行調(diào)整。

2.1.2 本地編碼頻道

每路節(jié)目按 1路視頻和 1路立體聲音頻考慮。音頻編碼碼率為 256,Kbps。視頻編碼碼率可根據(jù)節(jié)目的內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，本設(shè)計(jì)中取視頻碼率平均值5,Mbps，通過編碼器內(nèi)置的DivitrackMX統(tǒng)計(jì)復(fù)用技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)復(fù)用輸出VBR碼流，提高節(jié)目視頻質(zhì)量。

2.1.3 PSI/SI及CA信息開銷

每個(gè)頻點(diǎn)的 SI信息和 PSI信息按照 400,Kbps預(yù)留，具體數(shù)據(jù)由 SIG和 CAS廠家提供。預(yù)計(jì)每個(gè)CA系統(tǒng)需要800,Kbps。

2.1.4 調(diào)制星座設(shè)定和頻道數(shù)量計(jì)算

一般的有線數(shù)字電視的 QAM 調(diào)制星座均按64,QAM 進(jìn)行，本項(xiàng)目同樣采用 64,QAM。在64,QAM的模式下，每個(gè)頻道能夠容納38,Mbps的速率。這樣一來，每個(gè)頻點(diǎn)可以傳輸?shù)墓?jié)目為：6個(gè)6,M的標(biāo)清節(jié)目；4個(gè)H.264格式的高清節(jié)目。

2.2 需求分析和設(shè)備選型

2.2.1 PRV7100綜合解碼器

根據(jù)國內(nèi)衛(wèi)視、中數(shù)傳媒、上海文廣等衛(wèi)星節(jié)目的傳輸情況，全部的標(biāo)清信源預(yù)計(jì)需要 62個(gè)衛(wèi)星通道計(jì)算，加上高清節(jié)目，預(yù)計(jì)需要10個(gè)衛(wèi)星通道。

采用ProView,7100的4通道衛(wèi)星接收解擾設(shè)備作為信源接收使用，合計(jì)采用 16臺(tái) 4通道ProView,7100衛(wèi)星接收機(jī)，按照16∶1冷備份設(shè)計(jì)，合計(jì)使用17臺(tái)衛(wèi)星接收機(jī)。

2.2.2 復(fù)用、加擾、轉(zhuǎn)碼(按照200個(gè)節(jié)目設(shè)計(jì))

采用 Prostream 9000作為核心的復(fù)用加擾轉(zhuǎn)碼設(shè)備，由于成本原因系統(tǒng)按照 2＋1熱備份設(shè)計(jì)，將來?xiàng)l件成熟更改成 N∶1設(shè)計(jì)。每臺(tái)配置 2個(gè) GbE板卡，1個(gè)ASI卡，合計(jì)4個(gè)GE接口按照雙向傳輸設(shè)計(jì)，4個(gè) ASI輸入接口用于接入 EPG和 Loader流；每臺(tái)配置100個(gè)TS流加擾授權(quán)，合計(jì)40個(gè)加擾授權(quán)，主備設(shè)備配置完全一致。

2.2.3 廣播網(wǎng)關(guān)NSG 9000-6,G

將廣播網(wǎng)關(guān)NSG 9000-6,G作為QAM調(diào)制器，采用 2臺(tái)，配置如下：雙電源模塊；4塊 RF板卡(每個(gè)板卡 2個(gè)端口，每個(gè)端口支持 6個(gè) QAM頻道輸出)；采用1∶1冗余備份設(shè)計(jì)。

3 系統(tǒng)方案

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本方案按照完全新建一套前端設(shè)計(jì)，構(gòu)建一套和現(xiàn)有前端完全獨(dú)立的系統(tǒng)。這樣可以將原系統(tǒng)作為容災(zāi)備份系統(tǒng)，新系統(tǒng)作為主用系統(tǒng)使用。

根據(jù)系統(tǒng)功能和設(shè)備需求，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。圖中標(biāo)示出中心前端系統(tǒng)電視信號(hào)通過衛(wèi)星接收、編碼、復(fù)用、IP傳輸、加擾及本地QAM調(diào)制的過程；同時(shí)標(biāo)示出系統(tǒng)與設(shè)備通過以太網(wǎng)集線器/交換機(jī)的連接以及視頻廣播流的系統(tǒng)連接。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System architecture

3.2 系統(tǒng)流程說明

此次方案提供的前端系統(tǒng)設(shè)備包括 4通道衛(wèi)星接收解擾機(jī)、多功能碼流處理平臺(tái)和多功能QAM調(diào)制器。系統(tǒng)節(jié)目設(shè)備接口規(guī)劃具體描述如下：

3.2.1 衛(wèi)星接收

所有衛(wèi)星信號(hào)均通過 Proview 7100衛(wèi)星接收機(jī)接收，通過 DVB-S/S2接口接收衛(wèi)星信號(hào)，然后通過雙路 IP接口分別輸出到主備份交換機(jī)。由于系統(tǒng)中部分節(jié)目為加擾接收，每臺(tái)衛(wèi)星接收機(jī)配置了4個(gè)大卡，在工程實(shí)施時(shí)將清流和加擾流交叉穿插使用，每臺(tái)接收機(jī)接2～3個(gè)清流和1～2個(gè)加擾流，這樣部分加擾流需要 2個(gè)大卡時(shí)即可解決大卡數(shù)量問題。對(duì)于部分比較重要的節(jié)目，如 CCTV-1可以重復(fù)接收，即在中星6,B上接收作為主用信源，在中星6,A再次接收，作為備份信源，復(fù)用器端可以設(shè)置節(jié)目的組播備份功能，以小于1,s的時(shí)間對(duì)信源進(jìn)行自動(dòng)切換。

3.2.2 本地ASI信源接入

本地ASI信源如EPG數(shù)據(jù)廣播等，可以在復(fù)用器上直接采用ASI輸入。

3.2.3 復(fù)用加擾

按照2∶1設(shè)計(jì)，采用3臺(tái)配置相同的Prostream 9000碼流處理平臺(tái)為 100個(gè)節(jié)目進(jìn)行復(fù)用加擾，每臺(tái)設(shè)備配置2個(gè)GbE板卡，合計(jì)4個(gè)GE接口，其中2個(gè)接主交換機(jī)，另外 2個(gè)接備交換機(jī)；每臺(tái)配置100個(gè)節(jié)目加擾授權(quán)；此外每臺(tái)配置 1個(gè) ASI卡，4個(gè)ASI接口，用于ASI信號(hào)接入。

3.2.4 信號(hào)調(diào)制

NSG 9000調(diào)制器通過GbE端口將信號(hào)接入；每個(gè)GE口支持960,Mbps輸入(相當(dāng)于25個(gè)QAM)，這樣為每臺(tái)NSG配置4個(gè)GbE端口，2個(gè)接主核心交換機(jī)，2個(gè)接備份核心交換機(jī)，最終將經(jīng)過調(diào)制處理的信號(hào)送入混合器混合后輸出。NSG 9000設(shè)備每臺(tái)配置4個(gè)RF模塊，支持40路QAM調(diào)制輸出，設(shè)備按照1∶1熱備份設(shè)計(jì)。

3.2.5 網(wǎng)絡(luò)管理網(wǎng)絡(luò)

每臺(tái)哈雷的設(shè)備均有 1個(gè)專用于網(wǎng)絡(luò)管理的管理接口，接口形式為RJ45，將這些設(shè)備連接在1個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)即可通過NMX網(wǎng)管進(jìn)行管理。

3.2.6 CA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

Promstream 9000具備1個(gè)單獨(dú)的用于CAS接入的管理接口，接口形式為 RJ45，將復(fù)用器的 CAS接口與CA系統(tǒng)連接在同一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)，另外NMX網(wǎng)管也有1個(gè)專門用于CAS接入的網(wǎng)卡，將這些用于CA系統(tǒng)接入接口連接在1個(gè)專用的局域網(wǎng)內(nèi)，通過相關(guān)配置設(shè)置進(jìn)行節(jié)目的加擾和EMM的插入。

3.2.7 EPG等ASI信號(hào)接入

電子節(jié)目指南系統(tǒng)(EPG信息)的輸出如果為 IP格式的TS流，直接接入到交換機(jī)上，通過 Prostream 9000的GbE端口插入到每個(gè)輸出TS上；如果EPG服務(wù)器播出為 ASI格式的 TS流，則通過復(fù)用器的ASI接口插入到每個(gè)輸出TS流。

4 系統(tǒng)備份方案和節(jié)目冗余保護(hù)機(jī)制

4.1 備份介紹

通過網(wǎng)管系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)接收機(jī)、復(fù)用器、加擾調(diào)制器等主要前端系統(tǒng)設(shè)備的 1∶1、N∶1和 N∶M 備份，其實(shí)現(xiàn)機(jī)理是通過對(duì)信號(hào)流程中各環(huán)節(jié)的矩陣或直接對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)從故障設(shè)備到備份設(shè)備的信號(hào)切換。備份切換按照一定的順序進(jìn)行，先組播或節(jié)目備份切換，再端口備份切換，最后才進(jìn)行設(shè)備切換。

4.1.1 節(jié)目備份和組播(Socket)備份

如果某節(jié)目設(shè)置了備份節(jié)目或者備份組播源，系統(tǒng)將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)備份節(jié)目或備份組播源，當(dāng)主路節(jié)目出現(xiàn)問題的時(shí)候，同時(shí)備路節(jié)目或者備份組播源正常的狀態(tài)下，將立即進(jìn)行切換。該切換方式切換時(shí)間最短，對(duì)系統(tǒng)影響最小，基本一閃而過。

4.1.2 端口備份

ASI輸入端口或者GbE輸入備份，信源分成2路分別接入主備端口上，當(dāng)某個(gè)節(jié)目同時(shí)設(shè)置了組播備份和GE輸入端口備份，當(dāng)IP鏈路出現(xiàn)問題的時(shí)候，主輸入端口存在問題，則組播備份將不起作用，此時(shí)進(jìn)行端口切換，切換至備份端口接入信號(hào)。該切換方式的時(shí)間比組播備份稍微長一點(diǎn)，節(jié)目將出現(xiàn)不到1,s的黑屏。

4.1.3 設(shè)備備份

當(dāng)主設(shè)備本身出現(xiàn)問題的時(shí)候進(jìn)行設(shè)備的主備切換，切換時(shí)間大約在1～3,s。

4.1.4 板卡備份

哈雷公司的 NSG 9000,IPQAM支持板卡備份，設(shè)備支持 9個(gè) RF模塊，其中第 9個(gè)模塊可為其他8個(gè)模塊做 8∶1的熱備，一旦其中的一個(gè)模塊出現(xiàn)問題，系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)行板卡切換。

4.2 冗余IP鏈路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)IP鏈路按照主備設(shè)計(jì)，采用2臺(tái)IP流轉(zhuǎn)發(fā)千兆交換機(jī)，每臺(tái) Prostream 9000輸入和輸出均為2個(gè)GbE口，這兩個(gè)GbE口互為冗余，分別接入到主備交換機(jī)上。對(duì)于輸入來說，當(dāng)某一交換機(jī)或者線纜出現(xiàn)問題時(shí)，均可以從備份鏈路(端口)獲取信號(hào)；對(duì)輸出來說，后級(jí)的IPQAM均能從冗余的另外一個(gè)鏈路上獲取信號(hào)資源。

5 系統(tǒng)擴(kuò)容

5.1 端口擴(kuò)容

本方案中 Prostream 9000配置在后期根據(jù)業(yè)務(wù)需要，可以通過增加 ASI板卡擴(kuò)展 ASI端口到12個(gè)。

根據(jù)具體的輸入輸出數(shù)量來配置 I/O；同時(shí)每臺(tái)復(fù)用器的輸出均具備冗余千兆 IP輸出，在后續(xù)業(yè)務(wù)開展過程中，可以平滑接入適于業(yè)務(wù)融合需求的IP前端系統(tǒng)。

5.2 復(fù)用加擾的節(jié)目擴(kuò)容

本方案采用碼流處理平臺(tái) Prostream 9000，該設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)，可以根據(jù)需要逐步增加新的模塊以及功能，且各設(shè)備之間通過網(wǎng)管系統(tǒng)可有機(jī)銜接起來，形成一個(gè)耦合的前端系統(tǒng)。

本方案提供 3臺(tái) Promstream,9000，目前按照2∶1冗余設(shè)計(jì)，每臺(tái)設(shè)備最大能夠處理的節(jié)目數(shù)量為256個(gè)，最大的輸出能力為26個(gè)TS流(38,M)。如果具備IP信源，可以通過授權(quán)的增加，輕易擴(kuò)展復(fù)用加擾能力。如果需要支持更多的節(jié)目，增加設(shè)備即可完成平滑擴(kuò)容。

5.3 轉(zhuǎn)碼擴(kuò)容

在本方案中每臺(tái)Prostream 9000內(nèi)部可以再插4塊ACE卡，每個(gè)ACE卡可對(duì)15個(gè)標(biāo)清或者5個(gè)高清進(jìn)行轉(zhuǎn)碼，配置4塊ACE卡可以對(duì)60路SD節(jié)目進(jìn)行 H.264格式的轉(zhuǎn)碼，或者 20路 HD節(jié)目的轉(zhuǎn)碼。將來需要對(duì)高清節(jié)目進(jìn)行轉(zhuǎn)碼或者對(duì)標(biāo)清節(jié)目進(jìn)行轉(zhuǎn)碼供時(shí)移系統(tǒng)使用時(shí)，即可采用現(xiàn)有的設(shè)備進(jìn)行。

5.4 調(diào)制子系統(tǒng)擴(kuò)容

在本方案中配置的NSG 9000后期，根據(jù)需要可以擴(kuò)展到108個(gè)QAM輸出，只需要簡單增加射頻模塊和授權(quán)即可。

6 結(jié) 語

此次 IP前端升級(jí)改造采用國內(nèi)較成熟的系統(tǒng)平臺(tái)，并結(jié)合自身特點(diǎn)融入本地特色，建成了一個(gè)穩(wěn)定可靠、應(yīng)用靈活、兼容強(qiáng)、冗余備份機(jī)制強(qiáng)大的數(shù)字電視前端系統(tǒng)。同時(shí)，將原有系統(tǒng)重新配置，作為備份系統(tǒng)，在射頻端可進(jìn)行該數(shù)字電視前端系統(tǒng)的無縫切換，做到了 IP＋ASI兩套系統(tǒng)的并行運(yùn)行，使其安全性、可靠性大大提升。■

［1］ 數(shù)字電視國家工程實(shí)驗(yàn)室(北京). 數(shù)字電視前端系統(tǒng)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2012.

［2］ 梁山，張金城. 多功能有線數(shù)字電視前端系統(tǒng)[J]. 中國有線電視，2006(11)：1020-1023.

［3］ 楊逸明. 數(shù)字電視前端系統(tǒng)的概念和設(shè)計(jì)[J]. 中國有線電視，2006(16)：1629-1632.

Composition of IP-based Digital TV Front End System

WEI Wei，WENG Xiangming
(TEDA Cable Television Network CO.，LTD.，Tianjin 300457，China)

DVB digital TV front-end system is a core system of the cable digital TV network，which includes signal input，signal processing，signal output，system management and other functions．In recent years，as radio and television operators’ demand on new businesses is increasing，the traditional ASI transfer mode has been unable to meet the requirements of both the speed of technology updating and the application of multiple services．This requires the transformation of TV front end，including the introduction of CATV head end to push forward the transition from traditional ASI front-end to the IP of the front to break the ASI in front of business development constraints．IP front end has the characteristics of relatively simple system structure，flexible transmission mode and system scalability．Based on many advantages，the radio and television operator front-end system is also gradually upgrading to IP．This paper introduces a technical scheme of IP digital TV front end system DVB transformation，analyzes some characteristics and innovation from the scheme design to equipment selection.

DVB front end system；MUX；IPQAM

TN949.197

A

1006-8945(2016)07-0073-04

2016-06-03