IP化的數(shù)字電視前端系統(tǒng)探究
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摘要：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(yīng)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。
關(guān)鍵詞：DVB；前端系統(tǒng)；復(fù)用器；IPQAM
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(fù)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(yīng)采用先進的硬件架構(gòu)，在保證完全滿足當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)選用設(shè)備，確保系統(tǒng)端到端連接使用的設(shè)備應(yīng)嚴(yán)格遵循DVB和相關(guān)的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，這不僅可以保證與其他廠商符合標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(rèn)真考察，給出有針對性的設(shè)計。系統(tǒng)設(shè)計從實際應(yīng)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(biāo)包括：①系統(tǒng)支持200個節(jié)目的復(fù)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(fù)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(biāo)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(fù)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(yù)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(yù)留(當(dāng)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(biāo)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(yù)留，H.264高清直傳按照9～12,M預(yù)留設(shè)計，H.264標(biāo)清按照3,M設(shè)計預(yù)留。如果轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)目為統(tǒng)計復(fù)用流，并且該統(tǒng)計復(fù)用流帶寬未超過有線模擬通道的傳輸帶寬，復(fù)用器可保持節(jié)目的統(tǒng)計復(fù)用關(guān)系。如果轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)目為統(tǒng)計復(fù)用流中之一，并且該統(tǒng)計復(fù)用流帶寬超過有線模擬通道的傳輸帶寬，需要預(yù)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(fù)用技術(shù)進行統(tǒng)計復(fù)用輸出VBR碼流，提高節(jié)目視頻質(zhì)量。
2.1.3PSI/SI及CA信息開銷每個頻點的SI信息和PSI信息按照400,Kbps預(yù)留，具體數(shù)據(jù)由SIG和CAS廠家提供。預(yù)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(biāo)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
2.2.1PRV7100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(biāo)清信源預(yù)計需要62個衛(wèi)星通道計算，加上高清節(jié)目，預(yù)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(fù)用、加擾、轉(zhuǎn)碼(按照200個節(jié)目設(shè)計)采用Prostream9000作為核心的復(fù)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)NSG9000-6,G將廣播網(wǎng)關(guān)NSG9000-6,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(zāi)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(biāo)示出中心前端系統(tǒng)電視信號通過衛(wèi)星接收、編碼、復(fù)用、IP傳輸、加擾及本地QAM調(diào)制的過程；同時標(biāo)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。
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Proview7100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(fù)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(fù)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(fù)用器上直接采用ASI輸入。
3.2.3復(fù)用加擾
按照2∶1設(shè)計，采用3臺配置相同的Prostream9000碼流處理平臺為100個節(jié)目進行復(fù)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
NSG9000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(dāng)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。NSG9000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。
3.2.6CA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)
Promstream9000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(fù)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。
3.2.7EPG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Prostream9000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(fù)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(fù)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(dāng)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(dāng)某個節(jié)目同時設(shè)置了組播備份和GE輸入端口備份，當(dāng)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(dāng)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NSG9000,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Prostream9000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(dāng)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Prostream9000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(fù)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(fù)用加擾的節(jié)目擴容
本方案采用碼流處理平臺Prostream9000，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(fù)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Prostream9000內(nèi)部可以再插4塊ACE卡，每個ACE卡可對15個標(biāo)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(biāo)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NSG9000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(yīng)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。
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作者:魏巍 翁向明 單位:天津泰達有線電視網(wǎng)絡(luò)有限公司