IP化的數(shù)字電視前端系統(tǒng)探究

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摘要：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(lái)廣電運(yùn)營(yíng)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(guò)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(jiǎn)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(yíng)商前端系統(tǒng)也逐步升級(jí)改造向IP化過(guò)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。

關(guān)鍵詞：DVB；前端系統(tǒng)；復(fù)用器；IPQAM

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(guò)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(zhuān)業(yè)級(jí)高品質(zhì)的多通道專(zhuān)業(yè)接收機(jī)實(shí)現(xiàn)節(jié)目的衛(wèi)星接收處理，采用專(zhuān)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(guò)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(kāi)展，為功能、系統(tǒng)、業(yè)務(wù)升級(jí)提供平滑過(guò)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(guó)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(kāi)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(kāi)放的核心平臺(tái)，無(wú)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(kāi)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(wú)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(lái)可靈活過(guò)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(xiāo)∶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(lái)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(guó)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(guò)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(guò)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(guò)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。

2.1.3PSI/SI及CA信息開(kāi)銷(xiāo)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(lái)，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

2.2.1PRV7100綜合解碼器根據(jù)國(guó)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Prostream9000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(lái)?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)NSG9000-6,G將廣播網(wǎng)關(guān)NSG9000-6,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(guò)衛(wèi)星接收、編碼、復(fù)用、IP傳輸、加擾及本地QAM調(diào)制的過(guò)程；同時(shí)標(biāo)示出系統(tǒng)與設(shè)備通過(guò)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。

3.2系統(tǒng)流程說(shuō)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(guò)Proview7100衛(wèi)星接收機(jī)接收，通過(guò)DVB-S/S2接口接收衛(wèi)星信號(hào)，然后通過(guò)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(wèn)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Prostream9000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

NSG9000調(diào)制器通過(guò)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(guò)調(diào)制處理的信號(hào)送入混合器混合后輸出。NSG9000設(shè)備每臺(tái)配置4個(gè)RF模塊，支持40路Q(chēng)AM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(zhuān)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(guò)NMX網(wǎng)管進(jìn)行管理。

3.2.6CA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

Promstream9000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(zhuān)門(mén)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(zhuān)用的局域網(wǎng)內(nèi)，通過(guò)相關(guān)配置設(shè)置進(jìn)行節(jié)目的加擾和EMM的插入。

3.2.7EPG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(guò)Prostream9000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(guò)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(guò)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(guò)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(wèn)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(guò)。

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(wèn)題的時(shí)候，主輸入端口存在問(wèn)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(zhǎng)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(wèn)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NSG9000,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(wèn)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)Prostream9000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(lái)說(shuō)，當(dāng)某一交換機(jī)或者線纜出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，均可以從備份鏈路(端口)獲取信號(hào)；對(duì)輸出來(lái)說(shuō)，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Prostream9000配置在后期根據(jù)業(yè)務(wù)需要，可以通過(guò)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(lái)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(kāi)展過(guò)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)Prostream9000，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(guò)網(wǎng)管系統(tǒng)可有機(jī)銜接起來(lái)，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(guò)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)Prostream9000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(lái)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NSG9000后期，根據(jù)需要可以擴(kuò)展到108個(gè)QAM輸出，只需要簡(jiǎn)單增加射頻模塊和授權(quán)即可。6結(jié)語(yǔ)此次IP前端升級(jí)改造采用國(guó)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(wú)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。

參考文獻(xiàn)：

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作者:魏巍 翁向明 單位:天津泰達(dá)有線電視網(wǎng)絡(luò)有限公司