IP化的數字電視前端系統探究

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摘要：DVB數字電視前端系統是整個有線數字電視網絡的核心系統，它包括信號輸入、信號處理、信號輸出、系統管理等功能。近年來廣電運營商新業務需求不斷增加，傳統ASI傳輸方式已不能滿足技術更新的速度及多業務的應用需求，這就要求電視前端必須轉型，在有線前端引入ip技術，使傳統ASI前端向IP化前端過渡，以打破ASI前端在業務拓展方面的限制。IP前端具有系統結構相對簡單、傳輸方式靈活、系統擴展性強等特點，基于諸多優勢各地廣電運營商前端系統也逐步升級改造向IP化過渡。介紹了DVB數字電視前端系統IP化改造的一種技術方案，分析了從方案設計到設備選型中的一些特點與創新。

關鍵詞：DVB；前端系統；復用器；IPQAM

引言隨著數字電視技術的不斷發展，傳統的基于ASI傳輸的DVB數字電視傳輸平臺已不能滿足數字電視新業務的發展需求，而基于IP傳輸方式的數字電視前端經過近幾年的不斷發展憑借其集成度高、可擴展性強、冗余備份機制強等特點，已完全取代了原有的ASI平臺。為拓展公司平臺業務，滿足現代化的發展需求，2014年，天津泰達有線電視網絡有限公司對整個數字電視前端系統進行了提升改造。

1系統設計原則和設計思想

1.1搭建成熟可靠的實用平臺，確保項目順利實施選用專業級高品質的多通道專業接收機實現節目的衛星接收處理，采用專業的多功能碼流處理平臺實現節目的復用加擾處理，最后通過通用邊緣QAM平臺實現調制輸出。產品應采用先進的硬件架構，在保證完全滿足當前系統需求的前提下，確保后續業務開展，為功能、系統、業務升級提供平滑過渡。

1.2遵循標準選用設備，確保系統端到端連接使用的設備應嚴格遵循DVB和相關的國內外標準，這不僅可以保證與其他廠商符合標準的數字前端傳輸設備之間的互通互連，同時可以確保與任何符合標準的CAS、STB、EPG、視頻服務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，提供系統和應用的擴容空間在確保設備可靠性的同時，還兼顧設備功能的齊備和拓展。應選用一個開放的核心平臺，無論目前的系統規模大小，功能多少，均應保證系統功能的齊備。

1.4針對性開展系統設計，確保有效投資針對需求認真考察，給出有針對性的設計。系統設計從實際應用的角度出發，保證經濟合理。這種經濟性不僅表現在為系統提供經濟合理的配置，從而節省對于系統興建的有形投資，還表現在為安排合理的帶寬，節省帶寬的無形投資。

2項目需求及分析

泰達有線數字電視前端系統建設的整體目標包括：①系統支持200個節目的復用加擾能力；②支持40個QAM調制能力；③前端系統內信息處理純IP化；④復用器按照N∶1設計，將來可靈活過渡到1＋1備份方式；⑤IPQAM按照1∶1熱備設計；⑥衛星接收設備按照62個衛星接收流設計，設備N∶1冷備；⑦全系統設備網管監控同時具有安全播出及指標監測能力；⑧各個IP輸出均需要支持雙IP輸出，為冗余的IP網絡設計提供基礎，匯聚交換機必須按照1＋1設計，目前具備1臺設備，將來會擴展成2個交換機。本方案設計的內容是復用加擾、QAM調制、第三方系統接入(CA、EPG等)等節目處理部分。

2.1系統設計

2.1.1衛星節目帶寬預留設定節目帶寬：視具體節目而定；MPEG-2高清按照17～24,M預留(當前國內高清節目上星的帶寬基本為18,M每節目)；MP2標清節目按照6,M設定，H.264高清再編碼節目按照9,M設計預留，H.264高清直傳按照9～12,M預留設計，H.264標清按照3,M設計預留。如果轉發節目為統計復用流，并且該統計復用流帶寬未超過有線模擬通道的傳輸帶寬，復用器可保持節目的統計復用關系。如果轉發節目為統計復用流中之一，并且該統計復用流帶寬超過有線模擬通道的傳輸帶寬，需要預留其變化帶寬的最大值。實際系統中，每個傳輸流包含的節目數量可根據實際傳輸的節目進行調整。

2.1.2本地編碼頻道每路節目按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節目的內容進行調整，本設計中取視頻碼率平均值5,Mbps，通過編碼器內置的DivitrackMX統計復用技術進行統計復用輸出VBR碼流，提高節目視頻質量。

2.1.3PSI/SI及CA信息開銷每個頻點的SI信息和PSI信息按照400,Kbps預留，具體數據由SIG和CAS廠家提供。預計每個CA系統需要800,Kbps。2.1.4調制星座設定和頻道數量計算一般的有線數字電視的QAM調制星座均按64,QAM進行，本項目同樣采用64,QAM。在64,QAM的模式下，每個頻道能夠容納38,Mbps的速率。這樣一來，每個頻點可以傳輸的節目為：6個6,M的標清節目；4個H.264格式的高清節目。

2.2需求分析和設備選型

2.2.1PRV7100綜合解碼器根據國內衛視、中數傳媒、上海文廣等衛星節目的傳輸情況，全部的標清信源預計需要62個衛星通道計算，加上高清節目，預計需要10個衛星通道。采用ProView,7100的4通道衛星接收解擾設備作為信源接收使用，合計采用16臺4通道ProView,7100衛星接收機，按照16∶1冷備份設計，合計使用17臺衛星接收機。

2.2.2復用、加擾、轉碼(按照200個節目設計)采用Prostream9000作為核心的復用加擾轉碼設備，由于成本原因系統按照2＋1熱備份設計，將來條件成熟更改成N∶1設計。每臺配置2個GbE板卡，1個ASI卡，合計4個GE接口按照雙向傳輸設計，4個ASI輸入接口用于接入EPG和Loader流；每臺配置100個TS流加擾授權，合計40個加擾授權，主備設備配置完全一致。

2.2.3廣播網關NSG9000-6,G將廣播網關NSG9000-6,G作為QAM調制器，采用2臺，配置如下：雙電源模塊；4塊RF板卡(每個板卡2個端口，每個端口支持6個QAM頻道輸出)；采用1∶1冗余備份設計。

3系統方案

3.1系統結構

本方案按照完全新建一套前端設計，構建一套和現有前端完全獨立的系統。這樣可以將原系統作為容災備份系統，新系統作為主用系統使用。根據系統功能和設備需求，系統結構圖如圖1所示。圖中標示出中心前端系統電視信號通過衛星接收、編碼、復用、IP傳輸、加擾及本地QAM調制的過程；同時標示出系統與設備通過以太網集線器/交換機的連接以及視頻廣播流的系統連接。

3.2系統流程說明

此次方案提供的前端系統設備包括4通道衛星接收解擾機、多功能碼流處理平臺和多功能QAM調制器。系統節目設備接口規劃具體描述如下：

3.2.1衛星接收

所有衛星信號均通過Proview7100衛星接收機接收，通過DVB-S/S2接口接收衛星信號，然后通過雙路IP接口分別輸出到主備份交換機。由于系統中部分節目為加擾接收，每臺衛星接收機配置了4個大卡，在工程實施時將清流和加擾流交叉穿插使用，每臺接收機接2～3個清流和1～2個加擾流，這樣部分加擾流需要2個大卡時即可解決大卡數量問題。對于部分比較重要的節目，如CCTV-1可以重復接收，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，復用器端可以設置節目的組播備份功能，以小于1,s的時間對信源進行自動切換。

3.2.2本地ASI信源接入

本地ASI信源如EPG數據廣播等，可以在復用器上直接采用ASI輸入。

3.2.3復用加擾

按照2∶1設計，采用3臺配置相同的Prostream9000碼流處理平臺為100個節目進行復用加擾，每臺設備配置2個GbE板卡，合計4個GE接口，其中2個接主交換機，另外2個接備交換機；每臺配置100個節目加擾授權；此外每臺配置1個ASI卡，4個ASI接口，用于ASI信號接入。

3.2.4信號調制

NSG9000調制器通過GbE端口將信號接入；每個GE口支持960,Mbps輸入(相當于25個QAM)，這樣為每臺NSG配置4個GbE端口，2個接主核心交換機，2個接備份核心交換機，最終將經過調制處理的信號送入混合器混合后輸出。NSG9000設備每臺配置4個RF模塊，支持40路QAM調制輸出，設備按照1∶1熱備份設計。

3.2.5網絡管理網絡

每臺哈雷的設備均有1個專用于網絡管理的管理接口，接口形式為RJ45，將這些設備連接在1個局域網內即可通過NMX網管進行管理。

3.2.6CA系統網絡

Promstream9000具備1個單獨的用于CAS接入的管理接口，接口形式為RJ45，將復用器的CAS接口與CA系統連接在同一個局域網內，另外NMX網管也有1個專門用于CAS接入的網卡，將這些用于CA系統接入接口連接在1個專用的局域網內，通過相關配置設置進行節目的加擾和EMM的插入。

3.2.7EPG等ASI信號接入

電子節目指南系統(EPG信息)的輸出如果為IP格式的TS流，直接接入到交換機上，通過Prostream9000的GbE端口插入到每個輸出TS上；如果EPG服務器播出為ASI格式的TS流，則通過復用器的ASI接口插入到每個輸出TS流。

4系統備份方案和節目冗余保護機制

4.1備份介紹

通過網管系統可實現接收機、復用器、加擾調制器等主要前端系統設備的1∶1、N∶1和N∶M備份，其實現機理是通過對信號流程中各環節的矩陣或直接對設備進行控制，實現從故障設備到備份設備的信號切換。備份切換按照一定的順序進行，先組播或節目備份切換，再端口備份切換，最后才進行設備切換。

4.1.1節目備份和組播(Socket)備份

如果某節目設置了備份節目或者備份組播源，系統將實時監測備份節目或備份組播源，當主路節目出現問題的時候，同時備路節目或者備份組播源正常的狀態下，將立即進行切換。該切換方式切換時間最短，對系統影響最小，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，當某個節目同時設置了組播備份和GE輸入端口備份，當IP鏈路出現問題的時候，主輸入端口存在問題，則組播備份將不起作用，此時進行端口切換，切換至備份端口接入信號。該切換方式的時間比組播備份稍微長一點，節目將出現不到1,s的黑屏。4.1.3設備備份當主設備本身出現問題的時候進行設備的主備切換，切換時間大約在1～3,s。4.1.4板卡備份哈雷公司的NSG9000,IPQAM支持板卡備份，設備支持9個RF模塊，其中第9個模塊可為其他8個模塊做8∶1的熱備，一旦其中的一個模塊出現問題，系統將自動進行板卡切換。

4.2冗余IP鏈路設計

系統IP鏈路按照主備設計，采用2臺IP流轉發千兆交換機，每臺Prostream9000輸入和輸出均為2個GbE口，這兩個GbE口互為冗余，分別接入到主備交換機上。對于輸入來說，當某一交換機或者線纜出現問題時，均可以從備份鏈路(端口)獲取信號；對輸出來說，后級的IPQAM均能從冗余的另外一個鏈路上獲取信號資源。

5系統擴容

5.1端口擴容

本方案中Prostream9000配置在后期根據業務需要，可以通過增加ASI板卡擴展ASI端口到12個。根據具體的輸入輸出數量來配置I/O；同時每臺復用器的輸出均具備冗余千兆IP輸出，在后續業務開展過程中，可以平滑接入適于業務融合需求的IP前端系統。

5.2復用加擾的節目擴容

本方案采用碼流處理平臺Prostream9000，該設備采用模塊化設計，可以根據需要逐步增加新的模塊以及功能，且各設備之間通過網管系統可有機銜接起來，形成一個耦合的前端系統。本方案提供3臺Promstream,9000，目前按照2∶1冗余設計，每臺設備最大能夠處理的節目數量為256個，最大的輸出能力為26個TS流(38,M)。如果具備IP信源，可以通過授權的增加，輕易擴展復用加擾能力。如果需要支持更多的節目，增加設備即可完成平滑擴容。

5.3轉碼擴容

在本方案中每臺Prostream9000內部可以再插4塊ACE卡，每個ACE卡可對15個標清或者5個高清進行轉碼，配置4塊ACE卡可以對60路SD節目進行H.264格式的轉碼，或者20路HD節目的轉碼。將來需要對高清節目進行轉碼或者對標清節目進行轉碼供時移系統使用時，即可采用現有的設備進行。

5.4調制子系統擴容

在本方案中配置的NSG9000后期，根據需要可以擴展到108個QAM輸出，只需要簡單增加射頻模塊和授權即可。6結語此次IP前端升級改造采用國內較成熟的系統平臺，并結合自身特點融入本地特色，建成了一個穩定可靠、應用靈活、兼容強、冗余備份機制強大的數字電視前端系統。同時，將原有系統重新配置，作為備份系統，在射頻端可進行該數字電視前端系統的無縫切換，做到了IP＋ASI兩套系統的并行運行，使其安全性、可靠性大大提升。

參考文獻：

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

［3］楊逸明.數字電視前端系統的概念和設計[J].中國有線電視，2006(16)：1629-1632.

作者:魏巍 翁向明 單位:天津泰達有線電視網絡有限公司