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              1. 首頁 > 典型應用 > 技術服務 >

                南京有線數字電視前端的設計與建設

                2004-01-08

                    一、建立以數字技術、網絡技術為基礎的廣播影視技術新體系是"十五"期間廣播影視業科技創新的目標和任務。隨著技術的發展,數字電視的主要技術已日臻成熟,國際國內主要的技術標準已陸續頒布,相關的核心設備也已定型,系統集成方案多種多樣。根據總局《廣播影視科技發展"十五"計劃和2010年遠景規劃》,要率先在有線電視網絡中推進數字電視的應用。同時為了實現南京市政府"數字南京"的設想,及解決人民群眾日益增長的影視文化需求(--電視節目既要看的多又要看的好)與現有的有線電視傳輸方式帶來的頻譜資源緊缺、傳輸質量不高的矛盾,有線數字電視的研究與推廣就顯得極為重要和迫切。數字有線電視是一個系統工程,它的關鍵技術包括:數字壓縮、信道編碼與調制、條件接收CA、用戶管理系統SMS、中間件技術、機頂盒技術STB等。它們的成熟度不盡相同,在做系統集成方案時必須考慮到上述關鍵技術的彼此關聯度及現實的應用與發展,并遵循總局對數字電視平臺的統一規劃,有重點的、分階段的實施.

                 

                    二、 總體設計思想

                    指導思路:統一平臺、能互聯互通、充分考慮到技術發展及可能帶來的運營風險,分期分層,先技術成熟、先硬后軟、先廣播式后交互式。

                    業務目標:在現有南京地區有線電視HFC網絡上支持大于50萬用戶的數字電視業務及其它交互式業務??紤]到模、數過渡期的長期性及平滑性,數字平臺必須支持現有模擬平臺的所有節目。

                 

                    系統硬件平臺的設計必須遵循以下原則:

                    應符合現有的國家標準、總局的行業標準、或國際標準

                    系統和設備必須是可配置的,可根據業務需求進行多種配置

                    設備必須滿足高可靠性,系統有冗余備份

                    系統和設備必須有可擴展性,在不中斷業務的前提下,可實行平滑升級

                    必須具有可管理性,能實現網絡化管理

                    具有可兼容性和互通性,能根據需要與指定的CA、SMS互通

                     根據上述設計思想近期數字電視實驗平臺主要提供廣播式的視頻服務,具體為中央、各省、及本地的56套數字電視節目,EPG、視頻圖文信息及實時股市信息服務等。

                     

                    三、 系統設備的技術要求

                    數字有線電視前端的核心設備主要有壓縮編碼設備、碼流復用設備、信道編碼與QAM調制設備、加擾設備、數字衛星接收設備IRD及網管系統等。根據設計思想對各個單元的功能及性能必須做出明確的定義和要求。

                    1、 編碼設備的技術要求

                    視音頻編碼 首先必須遵循國標GB/T 17975-2000,國家標準中未明確定義的部分,遵循ISO/IEC 13818-2與ISO/IEC 13818-3標準。音頻編碼必須支持MPEG Musicam編碼,可以支持Dolby AC3方式。接口必須符合DVB ASI規范或可以支持DVB SPI、DVB SSI、DVB PDH等規范,同時必須具有模擬視音頻接口,必須提供SDI接口。視頻編碼格式必須支持MPEG-2 MP&ML 4:2:0,壓縮碼率可以在1.5Mbps到15Mbps之間可調,必須支持MPEG-2 P&ML 4:2:2;支持統計復用功能,支持可變的圖像組(GOP);能夠處理VBI數據(WST、VPS、21行數據等);可以支持測試信號的生成;可以支持非業務數據的插入(如臺標等);可以提供適合用于數字音頻輸入、編碼器級聯、復用器控制、DVB CA的選件。

                 

                    2、復用設備的技術要求 

                    遵循DVB關于PSI/SI處理的標準,與傳輸流有關的所有參數要求必須以DVB-C和MPEG-2標準為準,如DVB-C和MPEG-2對參數的要求相沖突,則必須以DVB-C標準為準。數據編碼遵循DVB-DATA標準。復用設備接口必須符合DVB ASI規范,可以支持DVB SPI、DVB SSI;復用設備必須支持MPTS與SPTS輸入。必須支持傳輸流的統計復用與傳輸流的再次復用;支持各種PSI/SI生成,支持PSI/SI的替換;支持PID的重新映射;支持EPG的插入;提供對綜合數據封裝并復用的支持,數據傳輸格式符合TCP/IP標準,提供IP到DVB的轉換設備或轉換接口。

                    3、調制設備的技術要求

                    信道編碼與調制部分必須遵循《有線電視信道編碼與調制》的廣電總局行業標準,國家標準與廣電總局行業標準沒有明確定義的部分必須遵循ETS /EN 300 429標準。 

                    接口要求 編碼調制設備輸入接口必須符合DVB ASI規范,可以支持DVB SPI、DVB SSI;輸出接口可以是射頻輸出或中頻輸出。調制設備必須支持16、32、64、128、256QAM,必須支持0-6.96MS/s可調符號率;必須支持可調的輸出增益。

                   

                    4、有條件接收系統(CAS)的技術要求

                    CAS必須遵循《商用密碼管理條例》(國務院第273號令,1999年10月7日發布)和國家有關信息安全法規。CAS必須支持"統一管理、分級授權"的多級CA機制,CAS的設計和實現必須充分考慮全國或廣大區域內使用統一的有CA體制的可能性;CAS必須支持DVB公共加擾算法和DVB公共接口(CI);支持ECM、EMM的插入;支持CA系統的要求在同一平臺上實現Simulcrypt,必須能夠支持2家以上的CA系統。

                 

                    5、網絡管理系統的要求

                    網管應包括以下功能 

                    配置管理:網絡節點、插板和端口的增加、刪除、改變及拓撲結構的顯示;在初始化的安裝時應對參數進行配置,對軟硬件進行檢查;配置各個模塊,包括I/O卡、端口和冗余配置等;每個模塊上支持的協議、訪問限制配置;節點管理權限口令的設置和修改。

                    性能管理:記錄、統計并報告系統資源利用情況,并形成性能管理日志文件。應能夠對資源監測的門限值、告警的門限值進行設置;網管系統應對歷史性能數據提供圖形報表。 

                    安全管理:網管系統應具有配置用戶識別符、口令、訪問控制級別和范圍的功能,對用戶權限進行鑒定,防止非法訪問,記錄全部登錄過程和操作過程,提供安全日志,提供超時管理,安全注銷等安全管理功能。

                    故障管理:網管系統應能在設備失效、指標劣化到一定程度時發出告警;網管系統應能利用環回測試等手段對故障進行定位;網管系統應能夠以圖形方式顯示網絡的故障位置,并有聲光電告警;網管系統應保存一定階段的告警歷史記錄,以便對告警報告進行檢索并詳細分析,同時可人工或自動地刪除告警報告。

                 

                    四、 設備測試選型

                    數字電視前端的基本構成:

                    對于7、8家公司選送的設備,我們主要進行了如下測試

                    1、 編碼與復用的PQR測試:采用TEK PQA 200 圖象質量分析儀發送不同的MEPG-2標準測試序列,對選送的多個樣本進行比對測試,檢查樣本對序列的損傷程度,同時變換不同的壓縮率和碼率,選擇最佳的設備。測試結果表明樣本之間有明顯的差異,這就為我們的選型提供了有利的證據。PQA測試圖例見附圖一

                     2、 QAM調制的測試:采用TEK DDS200、R&S EFA、HP8594Q 測試影響傳輸的主要指標如調制誤差比MER,信噪比SNR,載噪比CNR,誤碼率BER,噪聲余量與等效噪聲劣化。同時在不同的QAM調制下(32、64、128、256)比較其差異,提出選型依據和實際運用指導。QAM調制測試結果見附圖二

                     3、 MPEG-2碼流分析:這是一個DVB系統的穩定性、可靠性與可用性的測試。采用TEK MTS200 碼流分析儀,對DVB系統測試規定的三類優先級參數的前兩類的主要參數進行測試記錄,如同步出錯、PMT、PAT、PID出錯等,它考核各單機設備系統集成后系統的穩定性、可用性。這對系統集成方的硬件平臺是個考驗。

                      4、 網絡環境下的綜合測試:在實際的HFC網絡上抽取若干點,進行上述所有項目的測試,考驗樣本系統在實際網絡傳輸環境中的可用性,同時也考察我們的網絡對數字電視系統的適應性,及模擬、數字傳輸系統有無相互影響。測試結果見附表三。

                     通過測試比對,參測的幾家公司產品的性能、差異、系統的優缺點我們已心中有數??紤]到綜合性價比和系統的整體性及技術的發展,我們最終選擇了巴可公司的方案,及國內匯視源公司的部分產品。

                 

                    五、 南京電視臺數字有線電視前端設計及原理

                    1、 原理:

                    系統主要由信源編碼壓縮、碼流復用、信道編碼、QAM調制、網絡傳輸及接收等幾部分組成。編碼及復用模擬圖像和伴音經過抽樣、量化、編碼成為基本碼流ES,經過壓縮成為TS流,再進行傳輸。

                    壓縮編碼:主要包含離散余弦變換(DCT)、差分編碼、運動補償、熵編碼等。TS 包長度為188字節,其中包頭為4個字節,其余為載荷。包頭包括A)包同步:為TS 

                包第一個字節,用于信道解碼同步;B)誤碼指示和加擾控制:指示傳輸過程中有無不可糾正的誤碼和信號是否被加擾;C)包識別符(PID):為解碼器識別各種節目碼流的識別標志;D)節目基準時鐘(PCR):為解碼器的定時基準。E)連續/不連續計數:指示碼流的時間順序。TS流應監視的內容有:TS流同步是否丟失?同步字節是否正確?TS流是否連續?PAT、PMT、PID是否正確?這些是節目正確接收的重要依據。

                    MPEG-2定義了節目特定信息(PSI),由解碼器自動設置。PSI由以下4個表組成:節目相關表(PAT):說明TS流中有多少節目及其相應PMT表的PID。節目映射表(PMT):說明一個節目中有多少種碼流及其各自的PID。條件接收表(CAT):說明碼流是否加密,解碼器利用CAT表查找加密控制信息(ECM)和加密管理信息(EMM)。網絡信息表(NIT):說明提供節目的網絡信息。

                    復用:可分為一般復用和統計復用。一般復用為將輸入的多個TS流復接成一個比特率更高的TS流,但不改變各TS流中的比特率,所以輸出TS流比特率為輸入節目比特率之和。統計復用則對各輸入TS流進行分析,按需動態分配,輸出TS流中各TS流占用的比特率是動態變化的。

                    信道編碼和QAM調制 :信道編碼的目的是保證信號傳輸的準確性,提高整個系統的抗干擾能力。信道編碼有以下特性:A)具有一定的糾錯能力, B)編碼效率高,使用最小的校驗位;C)有與傳輸信道相匹配的頻譜特性,傳輸能量損失??;D)有同步信息和定時信息。DVB-C采用正交幅度平衡調制(QAM),有以下優點:正交調制;幅度平衡;完全抑制載波;無非線性失真。QAM調制器的要素有:頻率,電平,帶寬(符號率),QAM星座點數,是否填充,頻譜反轉等。

                    2、 設計描述 :

                     ①、 數字信源:衛星接收機(TITAN IRD)接收來自衛星的數字電視節目,采用ASI接口輸出SPTS/MPTS的ASI流信號進入切換矩陣,再到傳輸流復用器,設計使用31臺IRD,其中兩臺用于冗余備份。

                     ②、 模擬信源:采用編碼器(PYXIS)對所需傳輸的模擬信號進行壓縮編碼,用ASI接口輸出單節目流(SPTS),設計使用23臺編碼器,其中兩臺用于冗余備份,編碼器輸出的ASI信號進入切換矩陣,再到傳輸流復用器,進行復用。

                    ③、 傳輸流復用器(PEGASUS):將經過切換矩陣過來的衛星接收機和編碼器的TS流信號進行復用或再復用,輸出速率為38Mbps(選擇QAM64的調制方式),進入獨立擾碼器,進行加密,再到切換矩陣。使用10臺復用器,其中一臺用于冗余備份。

                    ④、 EPG播出系統,使用一臺專業工業計算機,安裝EPG播出軟件,使用專門的數據存儲器,接收、存儲來自編輯系統編輯好的EPG文件,由播出軟件完成編碼打包后,經過碼流播出卡,播出TS流信號,碼率為2Mbps左右進入傳輸流復用器。

                    ⑤、 數據廣播播出系統,使用一臺專業工業計算機,安裝數據廣播播出軟件,使用專門的數據存儲器,接收、存儲來自編輯系統編輯好的數據文件,由播出軟件完成編碼打包后,經過碼流播出卡,播出TS流信號,碼率為30Mbps左右進入切換矩陣再到QAM調制器。

                    ⑥、 機頂盒軟件自動更新系統,使用一臺專業工業計算機,安裝自動更新播放軟件,和對新版本進行打包的打包軟件,輸出碼率可調,設計在10M左右,進入復用器復用。

                    ⑦、 NVOD系統,使用1臺專業視頻服務器,安裝視頻播放軟件,使用大容量的數據存儲器,接收存儲來自采編系統的MPEG-2格式的影視文件,由播放軟件完成編碼打包后,使用多路并發數據流視頻播放卡,在視頻服務器內部完成節目流的復用,播出3路多節目流的TS信號,每路碼率為38Mbps左右進入,占用3個標準模擬頻道的帶寬。進入獨立擾碼器,進行加密。由NVOD管理系統進行播出管理。

                    ⑧、 條件接收系統:由獨立加擾器(KRYPTON)、控制系統服務器和用戶管理系統組成,前端系統軟件由用戶授權系統(SAS),EMM控制器、EMM注入器、ECM注入器等構成,EMM信息和ECM信息注入到獨立擾碼器完成節目加密。

                    ⑨、 系統備份自動切換:為應變突發的故障,需要將冗余備份設備自動切換到工作狀態,使用兩級矩陣切換,利用網管系統控制。為防止矩陣失效,矩陣出入口都配置了跳線。 

                    ⑩、 ROSA網絡管理系統:通過各種不同的接口(RS 485、RS 232及以太網),實現與系統中所有設備的通信,監控各個環節的運行情況。它可以提供有效的差錯管理,系統配置管理,網絡模型,系統狀態管理以及安全管理。1).配置管理:ROSA便于設備、網絡和服務的安裝和配置。用ROSA可以方便設定特定的硬件設備參數和印射網絡的邏輯的結構。2).差錯管理:詳細的可視化差錯情況可以便于快速地診斷和維護。ROSA 網絡地圖可以直觀網絡和服務的狀態。通過ROSA可以直接判定一個差錯條件的嚴重性和精確指出的原因。如果配置了備份裝置,ROSA的自動化任務可以對差錯提供立刻的響應。3).系統狀態管理:ROSA 系統提供有力的狀態管理功能,可以在網絡及其附件的狀態上產生各種報告,滿足不同需要。4).安全管理:ROSA有能控制并且限制用戶敏感的配置設置、信息閱讀和分析和報導工具的特征。ROSA系統主管能指定軟件系統的用戶不同的訪問權限??梢陨?quot;技術員"、"操作員"或"主管"的訪問組。對于每一組,主管可以規定特定的ROSA 操作,一個特定的用戶的存取權利能被限制為某個地點或設備。

                 系統原理框圖見下圖

                 

                    六、 結束語

                    南京有線數字電視實驗平臺的建成標志著數字電視在南京普及的開始,經過幾個月的運行,在社會上產生了很大的反響,產生良好的社會效應。當然要走的路還很長,如何建立一個與模擬方式不同的前端監控、管理體系;在數字平臺上如何開展多業務;技術上CA、SMS及中間件、機頂盒等都還有待深入研究。而傳輸體制及節目交換方式的變化,必將影響到管理體制的變化。如何建立數字電視的運營體系,則是一個更大的課題。我們還要繼續努力。

                 

                 

                    摘自:<<廣播與電視技術>>


                設計開發:聯合企邦
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