南京有线数字电视前端的设计与建设

南京有线数字电视前端的设计与建设

一、建立以数字技术、网络技术为基础的广播影视技术新体系是"十五"期间广播影视业科技创新的目标和任务。随着技术的发展，数字电视的主要技术已日臻成熟，国际国内主要的技术标准已陆续颁布，相关的核心设备也已定型，系统集成方案多种多样。根据总局《广播影视科技发展"十五"计划和2010年远景规划》，要率先在有线电视网络中推进数字电视的应用。同时为了实现南京市政府"数字南京"的设想，及解决人民群众日益增长的影视文化需求（--电视节目既要看的多又要看的好）与现有的有线电视传输方式带来的频谱资源紧缺、传输质量不高的矛盾，有线数字电视的研究与推广就显得极为重要和迫切。数字有线电视是一个系统工程，它的关键技术包括：数字压缩、信道编码与调制、条件接收CA、用户管理系统SMS、中间件技术、机顶盒技术STB等。它们的成熟度不尽相同，在做系统集成方案时必须考虑到上述关键技术的彼此关联度及现实的应用与发展，并遵循总局对数字电视平台的统一规划，有重点的、分阶段的实施.
二、 总体设计思想
指导思路：统一平台、能互联互通、充分考虑到技术发展及可能带来的运营风险，分期分层，先技术成熟、先硬后软、先广播式后交互式。
业务目标：在现有南京地区有线电视HFC网络上支持大于50万用户的数字电视业务及其它交互式业务。考虑到模、数过渡期的长期性及平滑性，数字平台必须支持现有模拟平台的所有节目。
系统硬件平台的设计必须遵循以下原则：
应符合现有的国家标准、总局的行业标准、或国际标准
系统和设备必须是可配置的，可根据业务需求进行多种配置
设备必须满足高可靠性，系统有冗余备份
系统和设备必须有可扩展性，在不中断业务的前提下，可实行平滑升级
必须具有可管理性，能实现网络化管理
具有可兼容性和互通性，能根据需要与指定的CA、SMS互通
根据上述设计思想近期数字电视实验平台主要提供广播式的视频服务，具体为中央、各省、及本地的56套数字电视节目，EPG、视频图文信息及实时股市信息服务等。
三、 系统设备的技术要求
数字有线电视前端的核心设备主要有压缩编码设备、码流复用设备、信道编码与QAM调制设备、加扰设备、数字卫星接收设备IRD及网管系统等。根据设计思想对各个单元的功能及性能必须做出明确的定义和要求。
1、 编码设备的技术要求
视音频编码 首先必须遵循国标GB/T 17975-2000，国家标准中未明确定义的部分，遵循ISO/IEC 13818-2与ISO/IEC 13818-3标准。音频编码必须支持MPEG Musicam编码，可以支持Dolby AC3方式。接口必须符合DVB ASI规范或可以支持DVB SPI、DVB SSI、DVB PDH等规范，同时必须具有模拟视音频接口，必须提供SDI接口。视频编码格式必须支持MPEG-2 MP&ML 4:2:0，压缩码率可以在1.5Mbps到15Mbps之间可调，必须支持MPEG-2 P&ML 4:2:2；支持统计复用功能，支持可变的图像组（GOP）；能够处理VBI数据（WST、VPS、21行数据等）；可以支持测试信号的生成；可以支持非业务数据的插入（如台标等）；可以提供适合用于数字音频输入、编码器级联、复用器控制、DVB CA的选件。
2、复用设备的技术要求
遵循DVB关于PSI/SI处理的标准，与传输流有关的所有参数要求必须以DVB-C和MPEG-2标准为准，如DVB-C和MPEG-2对参数的要求相冲突，则必须以DVB-C标准为准。数据编码遵循DVB-DATA标准。复用设备接口必须符合DVB ASI规范，可以支持DVB SPI、DVB SSI；复用设备必须支持MPTS与SPTS输入。必须支持传输流的统计复用与传输流的再次复用；支持各种PSI/SI生成，支持PSI/SI的替换；支持PID的重新映射；支持EPG的插入；提供对综合数据封装并复用的支持，数据传输格式符合TCP/IP标准，提供IP到DVB的转换设备或转换接口。
3、调制设备的技术要求
信道编码与调制部分必须遵循《有线电视信道编码与调制》的广电总局行业标准，国家标准与广电总局行业标准没有明确定义的部分必须遵循ETS /EN 300 429标准。
接口要求 编码调制设备输入接口必须符合DVB ASI规范，可以支持DVB SPI、DVB SSI；输出接口可以是射频输出或中频输出。调制设备必须支持16、32、64、128、256QAM，必须支持0-6.96MS/s可调符号率；必须支持可调的输出增益。
4、有条件接收系统（CAS）的技术要求
CAS必须遵循《商用密码管理条例》（国务院第273号令，1999年10月7日发布）和国家有关信息安全法规。CAS必须支持"统一管理、分级授权"的多级CA机制，CAS的设计和实现必须充分考虑全国或广大区域内使用统一的有CA体制的可能性；CAS必须支持DVB公共加扰算法和DVB公共接口(CI)；支持ECM、EMM的插入；支持CA系统的要求在同一平台上实现Simulcrypt，必须能够支持2家以上的CA系统。
5、网络管理系统的要求
网管应包括以下功能
配置管理：网络节点、插板和端口的增加、删除、改变及拓扑结构的显示；在初始化的安装时应对参数进行配置，对软硬件进行检查；配置各个模块，包括I/O卡、端口和冗余配置等；每个模块上支持的协议、访问限制配置；节点管理权限口令的设置和修改。
性能管理：记录、统计并报告系统资源利用情况，并形成性能管理日志文件。应能够对资源监测的门限值、告警的门限值进行设置；网管系统应对历史性能数据提供图形报表。
安全管理：网管系统应具有配置用户识别符、口令、访问控制级别和范围的功能，对用户权限进行鉴定，防止非法访问，记录全部登录过程和操作过程，提供安全日志，提供超时管理，安全注销等安全管理功能。
故障管理：网管系统应能在设备失效、指标劣化到一定程度时发出告警；网管系统应能利用环回测试等手段对故障进行定位；网管系统应能够以图形方式显示网络的故障位置，并有声光电告警；网管系统应保存一定阶段的告警历史记录，以便对告警报告进行检索并详细分析，同时可人工或自动地删除告警报告。

四、 设备测试选型
数字电视前端的基本构成：
对于7、8家公司选送的设备，我们主要进行了如下测试
1、 编码与复用的PQR测试：采用TEK PQA 200 图象质量分析仪发送不同的MEPG-2标准测试序列，对选送的多个样本进行比对测试，检查样本对序列的损伤程度，同时变换不同的压缩率和码率，选择最佳的设备。测试结果表明样本之间有明显的差异，这就为我们的选型提供了有利的证据。PQA测试图例见附图一
2、 QAM调制的测试：采用TEK DDS200、R&S EFA、HP8594Q 测试影响传输的主要指标如调制误差比MER，信噪比SNR，载噪比CNR，误码率BER，噪声余量与等效噪声劣化。同时在不同的QAM调制下（32、64、128、256）比较其差异，提出选型依据和实际运用指导。QAM调制测试结果见附图二
3、 MPEG-2码流分析：这是一个DVB系统的稳定性、可靠性与可用性的测试。采用TEK MTS200 码流分析仪，对DVB系统测试规定的三类优先级参数的前两类的主要参数进行测试记录，如同步出错、PMT、PAT、PID出错等，它考核各单机设备系统集成后系统的稳定性、可用性。这对系统集成方的硬件平台是个考验。
4、 网络环境下的综合测试：在实际的HFC网络上抽取若干点，进行上述所有项目的测试，考验样本系统在实际网络传输环境中的可用性，同时也考察我们的网络对数字电视系统的适应性，及模拟、数字传输系统有无相互影响。测试结果见附表三。
通过测试比对，参测的几家公司产品的性能、差异、系统的优缺点我们已心中有数。考虑到综合性价比和系统的整体性及技术的发展，我们最终选择了巴可公司的方案，及国内汇视源公司的部分产品。
五、 南京电视台数字有线电视前端设计及原理
1、 原理：
系统主要由信源编码压缩、码流复用、信道编码、QAM调制、网络传输及接收等几部分组成。编码及复用模拟图像和伴音经过抽样、量化、编码成为基本码流ES，经过压缩成为TS流，再进行传输。
压缩编码：主要包含离散余弦变换（DCT）、差分编码、运动补偿、熵编码等。TS 包长度为188字节，其中包头为4个字节，其余为载荷。包头包括A）包同步：为TS
包第一个字节，用于信道解码同步；B）误码指示和加扰控制：指示传输过程中有无不可纠正的误码和信号是否被加扰；C）包识别符（PID）：为解码器识别各种节目码流的识别标志；D）节目基准时钟（PCR）：为解码器的定时基准。E）连续/不连续计数：指示码流的时间顺序。TS流应监视的内容有：TS流同步是否丢失？同步字节是否正确？TS流是否连续？PAT、PMT、PID是否正确？这些是节目正确接收的重要依据。
MPEG-2定义了节目特定信息（PSI），由解码器自动设置。PSI由以下4个表组成：节目相关表（PAT）：说明TS流中有多少节目及其相应PMT表的PID。节目映射表（PMT）：说明一个节目中有多少种码流及其各自的PID。条件接收表（CAT）：说明码流是否加密，解码器利用CAT表查找加密控制信息（ECM）和加密管理信息（EMM）。网络信息表（NIT）：说明提供节目的网络信息。
复用：可分为一般复用和统计复用。一般复用为将输入的多个TS流复接成一个比特率更高的TS流，但不改变各TS流中的比特率，所以输出TS流比特率为输入节目比特率之和。统计复用则对各输入TS流进行分析，按需动态分配，输出TS流中各TS流占用的比特率是动态变化的。
信道编码和QAM调制 ：信道编码的目的是保证信号传输的准确性，提高整个系统的抗干扰能力。信道编码有以下特性：A）具有一定的纠错能力， B）编码效率高，使用最小的校验位；C）有与传输信道相匹配的频谱特性，传输能量损失小；D）有同步信息和定时信息。DVB-C采用正交幅度平衡调制（QAM），有以下优点：正交调制；幅度平衡；完全抑制载波；无非线性失真。QAM调制器的要素有：频率，电平，带宽（符号率），QAM星座点数，是否填充，频谱反转等。
2、 设计描述 ：
①、 数字信源：卫星接收机（TITAN IRD）接收来自卫星的数字电视节目，采用ASI接口输出SPTS/MPTS的ASI流信号进入切换矩阵，再到传输流复用器，设计使用31台IRD，其中两台用于冗余备份。
②、 模拟信源：采用编码器（PYXIS）对所需传输的模拟信号进行压缩编码，用ASI接口输出单节目流（SPTS），设计使用23台编码器，其中两台用于冗余备份，编码器输出的ASI信号进入切换矩阵，再到传输流复用器，进行复用。
③、 传输流复用器（PEGASUS）：将经过切换矩阵过来的卫星接收机和编码器的TS流信号进行复用或再复用，输出速率为38Mbps（选择QAM64的调制方式），进入独立扰码器，进行加密，再到切换矩阵。使用10台复用器，其中一台用于冗余备份。
④、 EPG播出系统，使用一台专业工业计算机，安装EPG播出软件，使用专门的数据存储器，接收、存储来自编辑系统编辑好的EPG文件，由播出软件完成编码打包后，经过码流播出卡，播出TS流信号，码率为2Mbps左右进入传输流复用器。
⑤、 数据广播播出系统，使用一台专业工业计算机，安装数据广播播出软件，使用专门的数据存储器，接收、存储来自编辑系统编辑好的数据文件，由播出软件完成编码打包后，经过码流播出卡，播出TS流信号，码率为30Mbps左右进入切换矩阵再到QAM调制器。
⑥、 机顶盒软件自动更新系统，使用一台专业工业计算机，安装自动更新播放软件，和对新版本进行打包的打包软件，输出码率可调，设计在10M左右，进入复用器复用。
⑦、 NVOD系统，使用1台专业视频服务器，安装视频播放软件，使用大容量的数据存储器，接收存储来自采编系统的MPEG-2格式的影视文件，由播放软件完成编码打包后，使用多路并发数据流视频播放卡，在视频服务器内部完成节目流的复用，播出3路多节目流的TS信号，每路码率为38Mbps左右进入，占用3个标准模拟频道的带宽。进入独立扰码器，进行加密。由NVOD管理系统进行播出管理。
⑧、 条件接收系统：由独立加扰器（KRYPTON）、控制系统服务器和用户管理系统组成，前端系统软件由用户授权系统（SAS），EMM控制器、EMM注入器、ECM注入器等构成，EMM信息和ECM信息注入到独立扰码器完成节目加密。
⑨、 系统备份自动切换：为应变突发的故障，需要将冗余备份设备自动切换到工作状态，使用两级矩阵切换，利用网管系统控制。为防止矩阵失效，矩阵出入口都配置了跳线。
⑩、 ROSA网络管理系统：通过各种不同的接口（RS 485、RS 232及以太网），实现与系统中所有设备的通信，监控各个环节的运行情况。它可以提供有效的差错管理，系统配置管理，网络模型，系统状态管理以及安全管理。1)．配置管理：ROSA便于设备、网络和服务的安装和配置。用ROSA可以方便设定特定的硬件设备参数和印射网络的逻辑的结构。2)．差错管理：详细的可视化差错情况可以便于快速地诊断和维护。ROSA 网络地图可以直观网络和服务的状态。通过ROSA可以直接判定一个差错条件的严重性和精确指出的原因。如果配置了备份装置，ROSA的自动化任务可以对差错提供立刻的响应。3)．系统状态管理：ROSA 系统提供有力的状态管理功能，可以在网络及其附件的状态上产生各种报告，满足不同需要。4)．安全管理：ROSA有能控制并且限制用户敏感的配置设置、信息阅读和分析和报导工具的特征。ROSA系统主管能指定软件系统的用户不同的访问权限。可以生成"技术员"、"操作员"或"主管"的访问组。对于每一组，主管可以规定特定的ROSA 操作，一个特定的用户的存取权利能被限制为某个地点或设备。

系统原理框图见下图

六、 结束语
南京有线数字电视实验平台的建成标志着数字电视在南京普及的开始，经过几个月的运行，在社会上产生了很大的反响，产生良好的社会效应。当然要走的路还很长，如何建立一个与模拟方式不同的前端监控、管理体系；在数字平台上如何开展多业务；技术上CA、SMS及中间件、机顶盒等都还有待深入研究。而传输体制及节目交换方式的变化，必将影响到管理体制的变化。如何建立数字电视的运营体系，则是一个更大的课题。我们还要继续努力。


摘自：<<广播与电视技术 >>