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)是整個有線數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)的核心系統(tǒng)，它包括信號輸入、信號處理、信號輸出、系統(tǒng)管理等功能。近年來廣電運營商新業(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)相對簡單、傳輸方式靈活、系統(tǒng)擴展性強等特點，基于諸多優(yōu)勢各地廣電運營商前端系統(tǒng)也逐步升級改造向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)計到設(shè)備選型中的一些特點與創(chuàng)新。

DVB前端系統(tǒng) 復用器 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(yè)務(wù)，滿足現(xiàn)代化的發(fā)展需求，2014年，天津泰達有線電視網(wǎng)絡(luò)有限公司對整個數(shù)字電視前端系統(tǒng)進行了提升改造。

1 系統(tǒng)設(shè)計原則和設(shè)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(yè)級高品質(zhì)的多通道專業(yè)接收機實現(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實現(xiàn)節(jié)目的復用加擾處理，最后通過通用邊緣 QAM平臺實現(xiàn)調(diào)制輸出。產(chǎn)品應采用先進的硬件架構(gòu)，在保證完全滿足當前系統(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)升級提供平滑過渡。

1.2 遵循標準選用設(shè)備，確保系統(tǒng)端到端連接

使用的設(shè)備應嚴格遵循DVB和相關(guān)的國內(nèi)外標準，這不僅可以保證與其他廠商符合標準的數(shù)字前端傳輸設(shè)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(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，提供系統(tǒng)和應用的擴容空間

在確保設(shè)備可靠性的同時，還兼顧設(shè)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(tǒng)規(guī)模大小，功能多少，均應保證系統(tǒng)功能的齊備。

1.4 針對性開展系統(tǒng)設(shè)計，確保有效投資

針對需求認真考察，給出有針對性的設(shè)計。系統(tǒng)設(shè)計從實際應用的角度出發(fā)，保證經(jīng)濟合理。這種經(jīng)濟性不僅表現(xiàn)在為系統(tǒng)提供經(jīng)濟合理的配置，從而節(jié)省對于系統(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 項目需求及分析

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

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

本方案設(shè)計的內(nèi)容是復用加擾、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

2.1.1 衛(wèi)星節(jié)目帶寬預留設(shè)定

節(jié)目帶寬：視具體節(jié)目而定；MPEG-2高清按照17～24,M 預留(當前國內(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)計預留，H.264高清直傳按照9～12,M預留設(shè)計，H.264標清按照3,M設(shè)計預留。

如果轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)目為統(tǒng)計復用流，并且該統(tǒng)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(jié)目的統(tǒng)計復用關(guān)系。如果轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)目為統(tǒng)計復用流中之一，并且該統(tǒng)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(tǒng)中，每個傳輸流包含的節(jié)目數(shù)量可根據(jù)實際傳輸?shù)墓?jié)目進行調(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)容進行調(diào)整，本設(shè)計中取視頻碼率平均值5,Mbps，通過編碼器內(nèi)置的DivitrackMX統(tǒng)計復用技術(shù)進行統(tǒng)計復用輸出VBR碼流，提高節(jié)目視頻質(zhì)量。

2.1.3 PSI/SI及CA信息開銷

每個頻點的 SI信息和 PSI信息按照 400,Kbps預留，具體數(shù)據(jù)由 SIG和 CAS廠家提供。預計每個CA系統(tǒng)需要800,Kbps。

2.1.4 調(diào)制星座設(shè)定和頻道數(shù)量計算

一般的有線數(shù)字電視的 QAM 調(diào)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?shù)墓?jié)目為：6個6,M的標清節(jié)目；4個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，全部的標清信源預計需要 62個衛(wèi)星通道計算，加上高清節(jié)目，預計需要10個衛(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，合計采用 16臺 4通道ProView,7100衛(wèi)星接收機，按照16∶1冷備份設(shè)計，合計使用17臺衛(wèi)星接收機。

2.2.2 復用、加擾、轉(zhuǎn)碼(按照200個節(jié)目設(shè)計)

采用 Prostream 9000作為核心的復用加擾轉(zhuǎn)碼設(shè)備，由于成本原因系統(tǒng)按照 2＋1熱備份設(shè)計，將來條件成熟更改成 N∶1設(shè)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(shè)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(quán)，合計40個加擾授權(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，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(shè)計。

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，構(gòu)建一套和現(xiàn)有前端完全獨立的系統(tǒng)。這樣可以將原系統(tǒng)作為容災備份系統(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。圖中標示出中心前端系統(tǒng)電視信號通過衛(wèi)星接收、編碼、復用、IP傳輸、加擾及本地QAM調(diào)制的過程；同時標示出系統(tǒng)與設(shè)備通過以太網(wǎng)集線器/交換機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、多功能碼流處理平臺和多功能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)星信號均通過 Proview 7100衛(wèi)星接收機接收，通過 DVB-S/S2接口接收衛(wèi)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(tǒng)中部分節(jié)目為加擾接收，每臺衛(wèi)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(shù)量問題。對于部分比較重要的節(jié)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(shè)置節(jié)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(shù)據(jù)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(shè)計，采用3臺配置相同的Prostream 9000碼流處理平臺為 100個節(jié)目進行復用加擾，每臺設(shè)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(jié)目加擾授權(quán)；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(diào)制

NSG 9000調(diào)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(jīng)過調(diào)制處理的信號送入混合器混合后輸出。NSG 9000設(shè)備每臺配置4個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。

3.2.5 網(wǎng)絡(luò)管理網(wǎng)絡(luò)

每臺哈雷的設(shè)備均有 1個專用于網(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個局域網(wǎng)內(nèi)即可通過NMX網(wǎng)管進行管理。

3.2.6 CA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

Promstream 9000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(tǒng)連接在同一個局域網(wǎng)內(nèi)，另外NMX網(wǎng)管也有1個專門用于CAS接入的網(wǎng)卡，將這些用于CA系統(tǒng)接入接口連接在1個專用的局域網(wǎng)內(nèi)，通過相關(guān)配置設(shè)置進行節(jié)目的加擾和EMM的插入。

3.2.7 EPG等ASI信號接入

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，直接接入到交換機上，通過 Prostream 9000的GbE端口插入到每個輸出TS上；如果EPG服務(wù)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(tǒng)備份方案和節(jié)目冗余保護機制

4.1 備份介紹

通過網(wǎng)管系統(tǒng)可實現(xiàn)接收機、復用器、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，其實現(xiàn)機理是通過對信號流程中各環(huán)節(jié)的矩陣或直接對設(shè)備進行控制，實現(xiàn)從故障設(shè)備到備份設(shè)備的信號切換。備份切換按照一定的順序進行，先組播或節(jié)目備份切換，再端口備份切換，最后才進行設(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)將實時監(jiān)測備份節(jié)目或備份組播源，當主路節(jié)目出現(xiàn)問題的時候，同時備路節(jié)目或者備份組播源正常的狀態(tài)下，將立即進行切換。該切換方式切換時間最短，對系統(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，當某個節(jié)目同時設(shè)置了組播備份和GE輸入端口備份，當IP鏈路出現(xiàn)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(jié)目將出現(xiàn)不到1,s的黑屏。

4.1.3 設(shè)備備份

當主設(shè)備本身出現(xiàn)問題的時候進行設(shè)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 NSG 9000,IPQAM支持板卡備份，設(shè)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(xiàn)問題，系統(tǒng)將自動進行板卡切換。

4.2 冗余IP鏈路設(shè)計

系統(tǒng)IP鏈路按照主備設(shè)計，采用2臺IP流轉(zhuǎn)發(fā)千兆交換機，每臺 Prostream 9000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(xiàn)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(tǒng)擴容

5.1 端口擴容

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板卡擴展 ASI端口到12個。

根據(jù)具體的輸入輸出數(shù)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(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 復用加擾的節(jié)目擴容

本方案采用碼流處理平臺 Prostream 9000，該設(shè)備采用模塊化設(shè)計，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)可有機銜接起來，形成一個耦合的前端系統(tǒng)。

本方案提供 3臺 Promstream,9000，目前按照2∶1冗余設(shè)計，每臺設(shè)備最大能夠處理的節(jié)目數(shù)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(quán)的增加，輕易擴展復用加擾能力。如果需要支持更多的節(jié)目，增加設(shè)備即可完成平滑擴容。

5.3 轉(zhuǎn)碼擴容

在本方案中每臺Prostream 9000內(nèi)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(zhuǎn)碼，配置4塊ACE卡可以對60路SD節(jié)目進行 H.264格式的轉(zhuǎn)碼，或者 20路 HD節(jié)目的轉(zhuǎn)碼。將來需要對高清節(jié)目進行轉(zhuǎn)碼或者對標清節(jié)目進行轉(zhuǎn)碼供時移系統(tǒng)使用時，即可采用現(xiàn)有的設(shè)備進行。

5.4 調(diào)制子系統(tǒng)擴容

在本方案中配置的NSG 9000后期，根據(jù)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(quán)即可。

6 結(jié) 語

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

［1］ 數(shù)字電視國家工程實驗室(北京). 數(shù)字電視前端系統(tǒng)[M]. 北京：科學出版社，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[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