IP化的数字电视前端系统探究

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摘要：DVB数字电视前端系统是整个有线数字电视网络的核心系统，它包括信号输入、信号处理、信号输出、系统管理等功能。近年来广电运营商新业务需求不断增加，传统ASI传输方式已不能满足技术更新的速度及多业务的应用需求，这就要求电视前端必须转型，在有线前端引入ip技术，使传统ASI前端向IP化前端过渡，以打破ASI前端在业务拓展方面的限制。IP前端具有系统结构相对简单、传输方式灵活、系统扩展性强等特点，基于诸多优势各地广电运营商前端系统也逐步升级改造向IP化过渡。介绍了DVB数字电视前端系统IP化改造的一种技术方案，分析了从方案设计到设备选型中的一些特点与创新。

关键词：DVB；前端系统；复用器；IPQAM

引言随着数字电视技术的不断发展，传统的基于ASI传输的DVB数字电视传输平台已不能满足数字电视新业务的发展需求，而基于IP传输方式的数字电视前端经过近几年的不断发展凭借其集成度高、可扩展性强、冗余备份机制强等特点，已完全取代了原有的ASI平台。为拓展公司平台业务，满足现代化的发展需求，2014年，天津泰达有线电视网络有限公司对整个数字电视前端系统进行了提升改造。

1系统设计原则和设计思想

1.1搭建成熟可靠的实用平台，确保项目顺利实施选用专业级高品质的多通道专业接收机实现节目的卫星接收处理，采用专业的多功能码流处理平台实现节目的复用加扰处理，最后通过通用边缘QAM平台实现调制输出。产品应采用先进的硬件架构，在保证完全满足当前系统需求的前提下，确保后续业务开展，为功能、系统、业务升级提供平滑过渡。

1.2遵循标准选用设备，确保系统端到端连接使用的设备应严格遵循DVB和相关的国内外标准，这不仅可以保证与其他厂商符合标准的数字前端传输设备之间的互通互连，同时可以确保与任何符合标准的CAS、STB、EPG、视频服务器以及中间件等第三方功能组件的顺利集成。

1.3选用开放的核心平台，提供系统和应用的扩容空间在确保设备可靠性的同时，还兼顾设备功能的齐备和拓展。应选用一个开放的核心平台，无论目前的系统规模大小，功能多少，均应保证系统功能的齐备。

1.4针对性开展系统设计，确保有效投资针对需求认真考察，给出有针对性的设计。系统设计从实际应用的角度出发，保证经济合理。这种经济性不仅表现在为系统提供经济合理的配置，从而节省对于系统兴建的有形投资，还表现在为安排合理的带宽，节省带宽的无形投资。

2项目需求及分析

泰达有线数字电视前端系统建设的整体目标包括：①系统支持200个节目的复用加扰能力；②支持40个QAM调制能力；③前端系统内信息处理纯IP化；④复用器按照N∶1设计，将来可灵活过渡到1＋1备份方式；⑤IPQAM按照1∶1热备设计；⑥卫星接收设备按照62个卫星接收流设计，设备N∶1冷备；⑦全系统设备网管监控同时具有安全播出及指标监测能力；⑧各个IP输出均需要支持双IP输出，为冗余的IP网络设计提供基础，汇聚交换机必须按照1＋1设计，目前具备1台设备，将来会扩展成2个交换机。本方案设计的内容是复用加扰、QAM调制、第三方系统接入(CA、EPG等)等节目处理部分。

2.1系统设计

2.1.1卫星节目带宽预留设定节目带宽：视具体节目而定；MPEG-2高清按照17～24,M预留(当前国内高清节目上星的带宽基本为18,M每节目)；MP2标清节目按照6,M设定，H.264高清再编码节目按照9,M设计预留，H.264高清直传按照9～12,M预留设计，H.264标清按照3,M设计预留。如果转发节目为统计复用流，并且该统计复用流带宽未超过有线模拟通道的传输带宽，复用器可保持节目的统计复用关系。如果转发节目为统计复用流中之一，并且该统计复用流带宽超过有线模拟通道的传输带宽，需要预留其变化带宽的最大值。实际系统中，每个传输流包含的节目数量可根据实际传输的节目进行调整。

2.1.2本地编码频道每路节目按1路视频和1路立体声音频考虑。音频编码码率为256,Kbps。视频编码码率可根据节目的内容进行调整，本设计中取视频码率平均值5,Mbps，通过编码器内置的DivitrackMX统计复用技术进行统计复用输出VBR码流，提高节目视频质量。

2.1.3PSI/SI及CA信息开销每个频点的SI信息和PSI信息按照400,Kbps预留，具体数据由SIG和CAS厂家提供。预计每个CA系统需要800,Kbps。2.1.4调制星座设定和频道数量计算一般的有线数字电视的QAM调制星座均按64,QAM进行，本项目同样采用64,QAM。在64,QAM的模式下，每个频道能够容纳38,Mbps的速率。这样一来，每个频点可以传输的节目为：6个6,M的标清节目；4个H.264格式的高清节目。

2.2需求分析和设备选型

2.2.1PRV7100综合解码器根据国内卫视、中数传媒、上海文广等卫星节目的传输情况，全部的标清信源预计需要62个卫星通道计算，加上高清节目，预计需要10个卫星通道。采用ProView,7100的4通道卫星接收解扰设备作为信源接收使用，合计采用16台4通道ProView,7100卫星接收机，按照16∶1冷备份设计，合计使用17台卫星接收机。

2.2.2复用、加扰、转码(按照200个节目设计)采用Prostream9000作为核心的复用加扰转码设备，由于成本原因系统按照2＋1热备份设计，将来条件成熟更改成N∶1设计。每台配置2个GbE板卡，1个ASI卡，合计4个GE接口按照双向传输设计，4个ASI输入接口用于接入EPG和Loader流；每台配置100个TS流加扰授权，合计40个加扰授权，主备设备配置完全一致。

2.2.3广播网关NSG9000-6,G将广播网关NSG9000-6,G作为QAM调制器，采用2台，配置如下：双电源模块；4块RF板卡(每个板卡2个端口，每个端口支持6个QAM频道输出)；采用1∶1冗余备份设计。

3系统方案

3.1系统结构

本方案按照完全新建一套前端设计，构建一套和现有前端完全独立的系统。这样可以将原系统作为容灾备份系统，新系统作为主用系统使用。根据系统功能和设备需求，系统结构图如图1所示。图中标示出中心前端系统电视信号通过卫星接收、编码、复用、IP传输、加扰及本地QAM调制的过程；同时标示出系统与设备通过以太网集线器/交换机的连接以及视频广播流的系统连接。

3.2系统流程说明

此次方案提供的前端系统设备包括4通道卫星接收解扰机、多功能码流处理平台和多功能QAM调制器。系统节目设备接口规划具体描述如下：

3.2.1卫星接收

所有卫星信号均通过Proview7100卫星接收机接收，通过DVB-S/S2接口接收卫星信号，然后通过双路IP接口分别输出到主备份交换机。由于系统中部分节目为加扰接收，每台卫星接收机配置了4个大卡，在工程实施时将清流和加扰流交叉穿插使用，每台接收机接2～3个清流和1～2个加扰流，这样部分加扰流需要2个大卡时即可解决大卡数量问题。对于部分比较重要的节目，如CCTV-1可以重复接收，即在中星6,B上接收作为主用信源，在中星6,A再次接收，作为备份信源，复用器端可以设置节目的组播备份功能，以小于1,s的时间对信源进行自动切换。

3.2.2本地ASI信源接入

本地ASI信源如EPG数据广播等，可以在复用器上直接采用ASI输入。

3.2.3复用加扰

按照2∶1设计，采用3台配置相同的Prostream9000码流处理平台为100个节目进行复用加扰，每台设备配置2个GbE板卡，合计4个GE接口，其中2个接主交换机，另外2个接备交换机；每台配置100个节目加扰授权；此外每台配置1个ASI卡，4个ASI接口，用于ASI信号接入。

3.2.4信号调制

NSG9000调制器通过GbE端口将信号接入；每个GE口支持960,Mbps输入(相当于25个QAM)，这样为每台NSG配置4个GbE端口，2个接主核心交换机，2个接备份核心交换机，最终将经过调制处理的信号送入混合器混合后输出。NSG9000设备每台配置4个RF模块，支持40路QAM调制输出，设备按照1∶1热备份设计。

3.2.5网络管理网络

每台哈雷的设备均有1个专用于网络管理的管理接口，接口形式为RJ45，将这些设备连接在1个局域网内即可通过NMX网管进行管理。

3.2.6CA系统网络

Promstream9000具备1个单独的用于CAS接入的管理接口，接口形式为RJ45，将复用器的CAS接口与CA系统连接在同一个局域网内，另外NMX网管也有1个专门用于CAS接入的网卡，将这些用于CA系统接入接口连接在1个专用的局域网内，通过相关配置设置进行节目的加扰和EMM的插入。

3.2.7EPG等ASI信号接入

电子节目指南系统(EPG信息)的输出如果为IP格式的TS流，直接接入到交换机上，通过Prostream9000的GbE端口插入到每个输出TS上；如果EPG服务器播出为ASI格式的TS流，则通过复用器的ASI接口插入到每个输出TS流。

4系统备份方案和节目冗余保护机制

4.1备份介绍

通过网管系统可实现接收机、复用器、加扰调制器等主要前端系统设备的1∶1、N∶1和N∶M备份，其实现机理是通过对信号流程中各环节的矩阵或直接对设备进行控制，实现从故障设备到备份设备的信号切换。备份切换按照一定的顺序进行，先组播或节目备份切换，再端口备份切换，最后才进行设备切换。

4.1.1节目备份和组播(Socket)备份

如果某节目设置了备份节目或者备份组播源，系统将实时监测备份节目或备份组播源，当主路节目出现问题的时候，同时备路节目或者备份组播源正常的状态下，将立即进行切换。该切换方式切换时间最短，对系统影响最小，基本一闪而过。

4.1.2端口备份

ASI输入端口或者GbE输入备份，信源分成2路分别接入主备端口上，当某个节目同时设置了组播备份和GE输入端口备份，当IP链路出现问题的时候，主输入端口存在问题，则组播备份将不起作用，此时进行端口切换，切换至备份端口接入信号。该切换方式的时间比组播备份稍微长一点，节目将出现不到1,s的黑屏。4.1.3设备备份当主设备本身出现问题的时候进行设备的主备切换，切换时间大约在1～3,s。4.1.4板卡备份哈雷公司的NSG9000,IPQAM支持板卡备份，设备支持9个RF模块，其中第9个模块可为其他8个模块做8∶1的热备，一旦其中的一个模块出现问题，系统将自动进行板卡切换。

4.2冗余IP链路设计

系统IP链路按照主备设计，采用2台IP流转发千兆交换机，每台Prostream9000输入和输出均为2个GbE口，这两个GbE口互为冗余，分别接入到主备交换机上。对于输入来说，当某一交换机或者线缆出现问题时，均可以从备份链路(端口)获取信号；对输出来说，后级的IPQAM均能从冗余的另外一个链路上获取信号资源。

5系统扩容

5.1端口扩容

本方案中Prostream9000配置在后期根据业务需要，可以通过增加ASI板卡扩展ASI端口到12个。根据具体的输入输出数量来配置I/O；同时每台复用器的输出均具备冗余千兆IP输出，在后续业务开展过程中，可以平滑接入适于业务融合需求的IP前端系统。

5.2复用加扰的节目扩容

本方案采用码流处理平台Prostream9000，该设备采用模块化设计，可以根据需要逐步增加新的模块以及功能，且各设备之间通过网管系统可有机衔接起来，形成一个耦合的前端系统。本方案提供3台Promstream,9000，目前按照2∶1冗余设计，每台设备最大能够处理的节目数量为256个，最大的输出能力为26个TS流(38,M)。如果具备IP信源，可以通过授权的增加，轻易扩展复用加扰能力。如果需要支持更多的节目，增加设备即可完成平滑扩容。

5.3转码扩容

在本方案中每台Prostream9000内部可以再插4块ACE卡，每个ACE卡可对15个标清或者5个高清进行转码，配置4块ACE卡可以对60路SD节目进行H.264格式的转码，或者20路HD节目的转码。将来需要对高清节目进行转码或者对标清节目进行转码供时移系统使用时，即可采用现有的设备进行。

5.4调制子系统扩容

在本方案中配置的NSG9000后期，根据需要可以扩展到108个QAM输出，只需要简单增加射频模块和授权即可。6结语此次IP前端升级改造采用国内较成熟的系统平台，并结合自身特点融入本地特色，建成了一个稳定可靠、应用灵活、兼容强、冗余备份机制强大的数字电视前端系统。同时，将原有系统重新配置，作为备份系统，在射频端可进行该数字电视前端系统的无缝切换，做到了IP＋ASI两套系统的并行运行，使其安全性、可靠性大大提升。

参考文献：

［1］数字电视国家工程实验室(北京).数字电视前端系统[M].北京：科学出版社，2012.

［2］梁山，张金城.多功能有线数字电视前端系统[J].中国有线电视，2006(11)：1020-1023.

［3］杨逸明.数字电视前端系统的概念和设计[J].中国有线电视，2006(16)：1629-1632.

作者:魏巍 翁向明 单位:天津泰达有线电视网络有限公司