基于IP技術(shù)的數(shù)字電視前端系統(tǒng)研究

羅曉松

（江西廣播電視臺(tái)播出部，南昌 330006）

在科技的快速發(fā)展下，廣播電視技術(shù)得到較大的發(fā)展，IP技術(shù)與數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，使數(shù)字電視前端系統(tǒng)發(fā)生了較大的變化。數(shù)字電視提供了資訊、電視節(jié)目等多種內(nèi)容和服務(wù)，并且具有一定的交互功能，其主要是以有線電視網(wǎng)為載體，以電視為終端設(shè)備，集多項(xiàng)技術(shù)于一體，更好地向用戶提供豐富的信息，這就需要一個(gè)完善的前端系統(tǒng)。在三網(wǎng)融合的背景下，傳統(tǒng)的數(shù)字電視前端系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法滿足實(shí)際需求，必須加以革新，IP技術(shù)在數(shù)字電視前端系統(tǒng)中的應(yīng)用已經(jīng)成為必然。

1 IP數(shù)字電視前端系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)介紹

數(shù)字電視前端系統(tǒng)集編碼、復(fù)用等多種信號(hào)處理技術(shù)于一體，還包括監(jiān)控、用戶管理等多種輔助性系統(tǒng)。在數(shù)字電視業(yè)務(wù)的快速發(fā)展中，數(shù)字系統(tǒng)需要升級(jí)，以更好地滿足新媒體業(yè)務(wù)需求，而傳統(tǒng)的ASI接口傳輸模式無(wú)法滿足，在IP技術(shù)的不斷發(fā)展中，數(shù)字電視前端機(jī)房中引入IP技術(shù)，從而滿足新業(yè)務(wù)的需求。IP數(shù)字電視前端系統(tǒng)將以往系統(tǒng)中穩(wěn)定播出這一特點(diǎn)保留了下來(lái)，將原有系統(tǒng)中的缺陷部分摒棄。

1.2 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)的前端系統(tǒng)相比，IP數(shù)字電視前端系統(tǒng)具有較多的優(yōu)點(diǎn)，特別是在數(shù)字點(diǎn)數(shù)的新功能、新業(yè)務(wù)等方面，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。其一，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)化，隨著核心設(shè)備集成度的提高，設(shè)備之間的連接實(shí)現(xiàn)無(wú)線化，系統(tǒng)逐漸簡(jiǎn)化，有效節(jié)省了機(jī)房、機(jī)架的空間。其二，系統(tǒng)安全性能不斷提升，IP化升級(jí)之后，只需要對(duì)核心設(shè)備備份，便可以在網(wǎng)管系統(tǒng)中自動(dòng)主備切換，使系統(tǒng)更加安全，為節(jié)目播出提供保障。其三，系統(tǒng)的擴(kuò)展性增強(qiáng)，傳統(tǒng)的前端系統(tǒng)擴(kuò)容有限，而IP數(shù)字電視前端系統(tǒng)可以開(kāi)展數(shù)字電視業(yè)務(wù)，例如視頻點(diǎn)播等。其四，系統(tǒng)的調(diào)度靈活性不斷提升，能夠依據(jù)物理連接情況，設(shè)置鏈路級(jí)別的自動(dòng)切換，或者依據(jù)UDP端口設(shè)置端口級(jí)別的自動(dòng)切換，或者手動(dòng)設(shè)置。調(diào)度信號(hào)極為便捷，對(duì)設(shè)備的物理位置沒(méi)有過(guò)高的要求，既可以在遠(yuǎn)端，也能夠在前端，依據(jù)信號(hào)傳輸，布置鏈路。其五，系統(tǒng)的投資資金可以有效節(jié)省，切換器、ASI分配器等專用設(shè)備，價(jià)格相對(duì)較貴，而以太交換機(jī)，則能夠?qū)崿F(xiàn)多種功能，如信號(hào)調(diào)度、分配等，并且屬于通用設(shè)備，價(jià)格優(yōu)惠，更換容易。交換機(jī)輸出的信號(hào)可以直接進(jìn)入OTN，傳輸接口不用再增加網(wǎng)關(guān)等其他設(shè)備。IP信號(hào)可以完成遠(yuǎn)程傳輸，不再需要適配信號(hào)，分前端設(shè)備及用房投資等成本大大降低[1]。

1.3 系統(tǒng)構(gòu)建因素

數(shù)字電視屬于一種新興信息技術(shù)，在規(guī)劃時(shí)應(yīng)結(jié)合多種因素綜合考慮，充分利用新技術(shù)，保證安全播出，構(gòu)建具有可拓展的數(shù)字電視前端系統(tǒng)。在系統(tǒng)規(guī)劃層面，應(yīng)從多種方面考慮。其一，先進(jìn)性，采用創(chuàng)新、超前技術(shù)；其二，安全性，采用可靠安全的設(shè)備；其三，開(kāi)放性，采用子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，便于設(shè)備擴(kuò)容、排障；其四，標(biāo)準(zhǔn)化，符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，具有較強(qiáng)的兼容性。

2 IP數(shù)字電視前端系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 IP組播技術(shù)

對(duì)于IP組播地址，由于其使用的是虛擬組地址，所以，數(shù)據(jù)包的目標(biāo)地址是一個(gè)組，而不是單獨(dú)某個(gè)，相同IP組播地址的主機(jī)組成IP組播地址。對(duì)于IP組播協(xié)議的結(jié)構(gòu)，從協(xié)議的作用范圍來(lái)劃分，主要分為2種，一種是路由器之間的組播路由協(xié)議，另一種是主機(jī)、路由器之間的組成員關(guān)系協(xié)議。組成員關(guān)系協(xié)議（IGMP）用于主機(jī)、路由器之間的通信，組播內(nèi)的主機(jī)、路由器都需要使用該協(xié)議，且IGMP消息只能夠在本地網(wǎng)段傳送，路由器不能轉(zhuǎn)發(fā)。路由器通過(guò)該協(xié)議，查詢組播組成員的實(shí)際狀態(tài)，有效維護(hù)組成員之間的關(guān)系。組播路由協(xié)議分為2種，即域內(nèi)、域間。域內(nèi)組播路由協(xié)議又分為2種，其一為協(xié)議獨(dú)立組播－密集模式，比較適用于小范圍網(wǎng)絡(luò)，另一種為協(xié)議獨(dú)立組播－稀疏模式，比較適用于大范圍網(wǎng)絡(luò)；域間組播路由協(xié)議也分為2種，即組播源發(fā)現(xiàn)協(xié)議、多邊協(xié)議邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議。組播路由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)使用RPF檢查機(jī)制，路由器接收到組播數(shù)據(jù)包的時(shí)候，先對(duì)單播路由表進(jìn)行檢查，明確返回的最佳路徑接口。若數(shù)據(jù)包以最佳路徑返回，則表示檢查成功，便可以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，否則表示失敗，丟棄該組數(shù)據(jù)包。

2.2 TS Over IP技術(shù)

TS Over IP技術(shù)是將TS流換成IP流，在傳輸層，一般采取2種傳輸協(xié)議，即傳輸控制協(xié)議（TCP）、用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP），前者可靠的面向連接，后者不可靠的面向無(wú)連接。傳輸數(shù)據(jù)通常使用TCP協(xié)議，但由于其報(bào)文頭可達(dá)字節(jié)較長(zhǎng)，而UDP協(xié)議報(bào)文頭可達(dá)字節(jié)非常少，兩者相差較大，TCP協(xié)議很難與信息輸出的速率進(jìn)行匹配。在此基礎(chǔ)上，UDP協(xié)議雖然不支持可靠傳輸，但面向無(wú)連接，沒(méi)有較多額外的開(kāi)銷，更加適用于實(shí)時(shí)流媒體傳輸[2]。由此可見(jiàn)，基于TS流的實(shí)時(shí)特性，使用UDP協(xié)議，且將UDP和RTP相結(jié)合，更加適用于高寬帶需求的音視頻傳輸。實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議（RTP）最初是為了數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕M播，只用在單播中應(yīng)用較多，其主要提供傳輸控制、同步等服務(wù)，和實(shí)時(shí)控制協(xié)議（RTCP）密切相關(guān)，RTP和RTCP結(jié)合可以獲得數(shù)據(jù)傳輸控制信息，優(yōu)化傳輸效率，比較適用于網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸。圖1為RTP協(xié)議在TCP/IP模型中的位置，RTP在UDP之上，屬于應(yīng)用型傳輸層協(xié)議，二者共同完成傳輸層協(xié)議的功能，借助UDP端口，利用其傳輸延時(shí)比較短這一優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)傳輸實(shí)時(shí)流媒體。

圖1 RTP協(xié)議在TCP/IP模型中的位置

2.3 MDI技術(shù)

結(jié)合IP網(wǎng)絡(luò)傳輸視頻的特點(diǎn)，抖動(dòng)、延時(shí)和丟包是影響視頻質(zhì)量的3大因素，IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的線路出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，或者性能降低，都可能造成抖動(dòng)現(xiàn)象，根據(jù)抖動(dòng)的情況能夠判斷視頻流傳輸鏈路的實(shí)際狀態(tài)；IP網(wǎng)絡(luò)傳輸視頻的延時(shí)只是觀看時(shí)間的延時(shí)，不會(huì)對(duì)視頻的觀看產(chǎn)生影響；丟包直接影響觀看質(zhì)量，視頻質(zhì)量會(huì)根據(jù)丟失的幀有所下降。MDI是IP網(wǎng)絡(luò)視頻流傳輸質(zhì)量的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)實(shí)際應(yīng)用能夠有效反映出報(bào)文的丟失或者抖動(dòng)情況。MDI是IP承載傳輸TS流質(zhì)量的重要指標(biāo)，分為延遲因素、媒體丟包速率2部分，延遲因素的值隨著視頻流抖動(dòng)的增大而增大，延遲因素值越大，對(duì)于終端解碼器緩沖區(qū)的要求就越高，反之，要求則越低[3]。

2.4 編碼技術(shù)

數(shù)字電視前端系統(tǒng)對(duì)于音頻、視頻的編碼要求很高，編碼格式應(yīng)有較高壓縮效率，當(dāng)壓縮效率提高，傳輸占用帶寬則越小，運(yùn)營(yíng)商便可以最大程度提供多樣化的節(jié)目。同時(shí)，在確保壓縮比的同時(shí)，還需要保證傳輸質(zhì)量，質(zhì)量越高，用戶的觀看體驗(yàn)則越好。編碼技術(shù)主要涉及3種格式，其一，MPEG-2，這一標(biāo)準(zhǔn)是數(shù)字電視高質(zhì)量圖像、聲音的編碼標(biāo)準(zhǔn)，屬于一種基本的數(shù)字編碼格式，也是在MPEG-1的基礎(chǔ)上提升了性能，增加各行掃描電視等各種編碼；其二，H.264，這一標(biāo)準(zhǔn)是在MPEG之后出現(xiàn)的音視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，其壓縮性能極佳，并且提升了信道適應(yīng)能力，對(duì)于信號(hào)傳輸中出現(xiàn)的丟包等現(xiàn)象，能夠有效處理，該編碼具有較為廣泛的應(yīng)用范圍，可以滿足多項(xiàng)傳輸需求；其三，AVS+，這是我國(guó)自主研發(fā)的一種編碼格式，其壓縮性能和H.264大致一樣，該編碼的優(yōu)勢(shì)為我國(guó)自主研發(fā)，在專利費(fèi)方面占據(jù)優(yōu)勢(shì)[4]。

2.5 復(fù)用技術(shù)

在數(shù)字電視系統(tǒng)中，復(fù)用主要分為節(jié)目級(jí)和系統(tǒng)級(jí)2種。例如MPEG-2，在音視頻編碼之后，輸出的為基本碼流，在打包輸出之后，則形成數(shù)字電視基本碼流，經(jīng)過(guò)復(fù)用打包后，分別成為節(jié)目流、傳輸流。系統(tǒng)級(jí)復(fù)用是把多個(gè)單節(jié)目傳輸流復(fù)用為多節(jié)目傳輸流，在復(fù)用中，最重要的是把不同節(jié)目專有信息提取出來(lái)，依據(jù)系統(tǒng)要求，完成重構(gòu)，例如修改重復(fù)信息，重新規(guī)劃等。此外，還要將插入業(yè)務(wù)信息，才能夠使接收端識(shí)別節(jié)目。復(fù)用器在接收多路傳輸流，并將其復(fù)用為一路時(shí)，將重復(fù)或者不需要的信息去掉，并重新規(guī)劃。

2.6 接收技術(shù)

數(shù)字電視條件接收技術(shù)指的是加擾、解擾技術(shù)，也是運(yùn)營(yíng)商獲利的方式，主要是在復(fù)用中的傳輸流中增添CW加擾字符，打亂傳輸流中的數(shù)據(jù)，這一過(guò)程便叫做加擾過(guò)程。經(jīng)過(guò)傳輸網(wǎng)，將節(jié)目傳輸?shù)接脩舳藭r(shí)，機(jī)頂盒會(huì)根據(jù)隨機(jī)字符將傳輸流中被打亂的順序還原，借助解調(diào)器完成解調(diào)，將ECM、EMM信息分離出來(lái)，這時(shí)并未解擾，再利用智能卡中的解密器，將加擾字符恢復(fù)，并發(fā)送至解擾器，用戶便可以正常觀看電視，這一過(guò)程則叫做解擾過(guò)程[5]。

3 基于IP技術(shù)的數(shù)字電視前端系統(tǒng)技術(shù)方案

3.1 項(xiàng)目概述

以某項(xiàng)目為例，其IP數(shù)字電視前端系統(tǒng)技術(shù)方案是在ASI接口傳輸方式基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，ASI接口傳輸方式的數(shù)字電視前端系統(tǒng)支持30多個(gè)頻點(diǎn)，大概200多套數(shù)字電視節(jié)目，滿足了整體轉(zhuǎn)換及群眾的收看要求。在多年的不斷發(fā)展中，前端系統(tǒng)已經(jīng)很難符合多項(xiàng)業(yè)務(wù)的發(fā)展需求，因此，運(yùn)營(yíng)商在IP技術(shù)基礎(chǔ)上建設(shè)數(shù)字電視前端系統(tǒng)，更好地適應(yīng)業(yè)務(wù)的運(yùn)營(yíng)需求，進(jìn)而保證數(shù)字電視的順利播出。

3.2 項(xiàng)目設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目是由核心處理、信號(hào)監(jiān)錄等多個(gè)系統(tǒng)組成，系統(tǒng)包含多個(gè)部分，例如信號(hào)接收與分配，信號(hào)的處理與加擾等，前端西永的設(shè)計(jì)需要嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范要求。數(shù)字電視前端西永主要負(fù)責(zé)節(jié)目信源的接收、處理等，必須保證所涵蓋區(qū)域的節(jié)目信源可靠。因此，在實(shí)際構(gòu)建中應(yīng)遵循相應(yīng)的原則，即標(biāo)準(zhǔn)化原則，采取標(biāo)準(zhǔn)接口；先進(jìn)性原則，結(jié)合市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)，采取先進(jìn)的技術(shù)水平；成熟性原則，采取比較成熟的技術(shù)，降低運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)；可靠性原則，選擇可靠性較強(qiáng)的技術(shù)、產(chǎn)品，確保系統(tǒng)的安全性；可擴(kuò)展性原則，具有一定的升級(jí)能力，對(duì)新業(yè)務(wù)有兼容作用。系統(tǒng)應(yīng)具有接收主備衛(wèi)星信號(hào)的能力，具有處理播出200套電視節(jié)目的能力，具有調(diào)制輸出大概35個(gè)頻點(diǎn)信號(hào)的能力。系統(tǒng)的設(shè)備主要包括衛(wèi)星接收機(jī)、光接收機(jī)和編碼器等，通過(guò)建立衛(wèi)生信號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控信源，避免非法信號(hào)產(chǎn)生干擾，確保信源信號(hào)的正常；電視節(jié)目的信源通過(guò)主備衛(wèi)星鏈路及光纜鏈路，傳輸?shù)角岸藱C(jī)房，信號(hào)切換包含自動(dòng)、手動(dòng)2種模式；核心交換機(jī)、預(yù)復(fù)用器等都能夠借助切換器等保護(hù)節(jié)目信號(hào)，對(duì)于節(jié)目?jī)?nèi)容相同、組播地址不同的兩路節(jié)目信號(hào)，通過(guò)設(shè)置兩路節(jié)目，互為備份，一旦主路發(fā)生故障現(xiàn)象，則會(huì)自動(dòng)播放備路信號(hào)[6]。

3.3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

信源系統(tǒng)接收前端系統(tǒng)的節(jié)目信號(hào)，并將其分配至數(shù)字前端核心處理系統(tǒng)、清流備份系統(tǒng)，該系統(tǒng)是由編碼器、SDH適配器和功分器等多種設(shè)備構(gòu)成，該系統(tǒng)接收2個(gè)天線陣衛(wèi)星信號(hào)，接收的其余信源總共有3種。核心處理系統(tǒng)各根據(jù)信號(hào)的處理流程，劃分為3個(gè)環(huán)節(jié)：①預(yù)處理環(huán)節(jié)，信源系統(tǒng)的信號(hào)經(jīng)過(guò)ASI接口信號(hào)輸出到預(yù)復(fù)用器組上，在處理完AS接口節(jié)目碼流之后，借助GbE接口，通過(guò)組播的形式傳輸?shù)降谝唤M核心交換機(jī)，對(duì)于處理過(guò)的IP組播信號(hào)，經(jīng)過(guò)核心交換機(jī)完成數(shù)據(jù)交換，并輸出至核心復(fù)用加擾器組[7]。②核心處理環(huán)節(jié)，主備核心復(fù)用加擾器接收IP組播節(jié)目信號(hào)，2組信號(hào)進(jìn)行端口級(jí)、節(jié)目級(jí)和業(yè)務(wù)級(jí)備份保護(hù)。對(duì)于預(yù)復(fù)用之后的IP組播節(jié)目，通過(guò)復(fù)用加擾處理傳輸?shù)降诙M主備核心交換機(jī)，并將其借助SFP光接口傳至節(jié)目分發(fā)復(fù)用器。③前端射頻處理環(huán)節(jié)，接收第二組主備核心交換機(jī)傳來(lái)的IP組播節(jié)目信號(hào)，并進(jìn)行端口級(jí)備份。清流備份系統(tǒng)主要是為了避免核心處理系統(tǒng)出現(xiàn)故障，不加密節(jié)目，為了防止同品牌設(shè)備同時(shí)發(fā)生故障，使用其他廠商的復(fù)用器及調(diào)制器。網(wǎng)管系統(tǒng)根據(jù)1∶1比例熱備份配置，將RJ45接口連接前端設(shè)備和網(wǎng)管平臺(tái)，有效監(jiān)測(cè)系統(tǒng)參數(shù)與設(shè)備，核心網(wǎng)管系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多種設(shè)備集中化管理。同時(shí)，系統(tǒng)之間的時(shí)間同步性非常重要，通過(guò)連接NTP時(shí)鐘同步服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)鐘同步。

3.4 設(shè)備選型

數(shù)字衛(wèi)星接收機(jī)，也叫做數(shù)字解碼器，主要是將接收的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為碼流信號(hào)，參數(shù)設(shè)置集中在天線、轉(zhuǎn)發(fā)器等有關(guān)參數(shù)色設(shè)置上。數(shù)字編碼器主要是按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)、數(shù)字音視頻信號(hào)的壓縮編碼，完成壓縮之后，碼率越大，那么圖像便會(huì)越清楚，反之，圖像會(huì)越模糊。復(fù)用加擾器中的復(fù)用技術(shù)是把節(jié)目傳輸流復(fù)用成TS傳輸流，復(fù)用技術(shù)的重點(diǎn)在于置換PID以及調(diào)整PCR，完成PSI或者SI信息的重構(gòu)，將修改的標(biāo)準(zhǔn)信息傳至復(fù)用之后的TS傳輸流中。加擾技術(shù)有助于保證運(yùn)營(yíng)商的效益，通過(guò)在系統(tǒng)中加密節(jié)目流，并根據(jù)條件接收系統(tǒng)，使用戶借助機(jī)頂盒觀看節(jié)目。核心交換機(jī)主要是交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)預(yù)復(fù)用器、加擾復(fù)用器等之間的設(shè)備聯(lián)通，并提升信號(hào)的發(fā)送效率，保證信號(hào)的安全傳輸。

3.5 安全與監(jiān)測(cè)

數(shù)字電視前端系統(tǒng)的安全播出非常重要，通過(guò)監(jiān)控每一環(huán)節(jié)的設(shè)備與信號(hào)，應(yīng)用于故障排查，以保證節(jié)目的順利播出。一些非法干擾的信號(hào)會(huì)降低衛(wèi)星信號(hào)的接收質(zhì)量，通過(guò)監(jiān)控衛(wèi)星信號(hào)的接收情況是電視業(yè)務(wù)順利播出的關(guān)鍵。通過(guò)采取“技防+人防”的方案有效防止非法信號(hào)的入侵，通過(guò)使用監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并和碼流參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)正常衛(wèi)星信號(hào)受干擾時(shí)，監(jiān)控音頻信號(hào)會(huì)出現(xiàn)黑場(chǎng)、丟失及馬賽克等現(xiàn)象，根據(jù)音視頻的狀態(tài)有效監(jiān)測(cè)干擾情況。同時(shí)，監(jiān)控機(jī)房配置多塊電視墻，通過(guò)采取實(shí)時(shí)監(jiān)控及輪看方式，提供精準(zhǔn)的監(jiān)看告警，包括聲音或者畫(huà)面等方式。

4 結(jié)束語(yǔ)

科技的快速發(fā)展，使得基于IP技術(shù)的數(shù)字電視前端系統(tǒng)設(shè)計(jì)成為必然。我國(guó)已經(jīng)出現(xiàn)多個(gè)試點(diǎn)城市，正在大力推動(dòng)數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，構(gòu)建新型數(shù)字電視前端系統(tǒng)，更好地滿足多項(xiàng)業(yè)務(wù)的運(yùn)行需求，且運(yùn)行比較安全穩(wěn)定，進(jìn)而確保節(jié)目信號(hào)的播出安全與穩(wěn)定。IP數(shù)字電視前端系統(tǒng)的投入運(yùn)行取得較好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益，與以往的前端系統(tǒng)相比，節(jié)目質(zhì)量、容量，以及技術(shù)的可靠性等，都得到較大地提升，并且系統(tǒng)造價(jià)降低，可靠性與安全性增強(qiáng)，為三網(wǎng)融合提供了系統(tǒng)平臺(tái)。