全運村高清數字電視服務平臺設計與應用

馬云志

（遼寧省廣播電視傳輸發射中心，遼寧 沈陽 110016）

全運村高清數字電視服務平臺設計與應用

馬云志

（遼寧省廣播電視傳輸發射中心，遼寧 沈陽 110016）

簡要介紹了建設全運村高清數字電視平臺的具體思路，以平臺的實際需求為出發點，從組成結構、設計原則、設備配置和業務規劃等方面闡述了全運村高清數字電視平臺的建設特點，從信源接收、轉碼以及復用加擾等多個方面探討了平臺的升級擴容能力，以及整個平臺備份機制的實現和監控系統的組成，并介紹了系統的推廣應用情況。

高清數字電視；轉碼；復用；核心路由；調制

為辦好全運會，完善全運村服務保障措施，使全運村的工作人員和運動員在賽事之余能收看到高清體育賽事和高清數字電視節目。從高效、節約成本的角度出發，設計和規劃了基于IP的高清數字電視服務平臺，并為后期擴容遼寧省網高清數字電視服務平臺奠定基礎，同時也滿足了省網數字電視用戶收看高清數字電視節目的需求，進一步豐富有線網的節目內容，增加市場競爭力。

1 平臺建設需求

從中星6A、6B上接收由MPEG-2編碼的15套高清頻道衛星節目（包括中央6），解密解擾后進行轉碼，采用H.264的編碼方式，以壓縮帶寬，節省頻點資源；從中星6A上接收3套中央臺H.264編碼的高清節目（中央3、5、8）；接收9套來自光纜干線網的付費高清節目，直接以組播的形式進行節目復用和調制處理；對本地2套SDI高清節目信號直接進行H.264的編碼，整個平臺共接收處理29套高清電視節目。

平臺的搭建采用IP組網架構，衛星接收、轉碼、編碼復用加擾采用數碼視訊第三代媒體綜合處理平臺EMR組建，要求具有主備2路GbE接口，同時至少1路ASI輸入和多路ASI輸出接口，IPQAM調制部分要求采用高品質可靠性設備，采用數碼視訊的IPQAM調制器10K511完成高清平臺節目的調制輸出，每個頻點選用64QAM調制，符號率6.875 Mbaud，使用8個頻點完成平臺所有節目的調制操作，系統需與省網標清平臺的EPG系統、CA系統兼容，支持EPG信息的插入和高清節目加擾，并支持4家CAS的同密。

核心路由設備采用Cisco三層交換設備，通過千兆接口與其他設備進行IP數據交換和信息處理，要求具備1+1冗余熱備份；避免有“單點故障、全線崩潰”的故障瓶頸，提升平臺的安全等級，系統應具有很高的穩定性和可靠性，并充分考慮未來平臺擴容的需求，能夠每天24小時運行，對于故障能快速恢復。

2 平臺方案設計

2.1 平臺系統組成

系統采用模塊化設計，由信源接收、轉碼、編碼復用加擾、信號調制混合這4部分組成。平臺系統框圖見圖1。

2.1.1 信源接收

系統中14套高清衛星節目通過EMR配置專用衛星接收卡進行接收，每張接收卡可以接收一路高清節目流，共配置4臺主用EMR實現，并以IP形式輸出，其中EMR1～EMR3各配置5塊衛星接收卡和1塊ASI 5輸入輸出卡，EMR4配置3塊衛星接收卡、1塊ASI 5輸入輸出卡，并預留2個槽位，每塊ASI輸入輸出卡為監測與TS平臺預留，另外添加1臺EMR設備作為N+1備份，配置1塊衛星接收卡和1塊ASI 5輸入輸出卡，并預留4個槽位。

圖1 平臺系統框圖

中央3、5、6、8套節目通過專用接收機進行接收，中央3、5、8套節目原編碼方式為H.264，所以不需再進行轉碼，接收輸出的IP流直接進入核心交換模塊進行信息交換，進行相應的復用加擾與調制處理，后期如果中央3、5、8套改成AVS+的視頻方式，可通過衛星接收機先轉換成高清串行數字信號，通過HD-SDI接口輸出至備用轉碼板進行H.264的編碼，再進行復用加擾和調制處理。

光纜干線網的9套付費高清節目（新視覺和DOXTV高清頻道），由路由器轉換成IP信號進入平臺進行處理，本地節目的SDI信號直接輸入編碼板進行H.264編碼處理。

2.1.2 轉碼

共配置6臺轉碼EMR，其中3臺主用EMR，單機滿配6塊高清轉碼卡，每塊轉碼卡可以完成1套MPEG-2高清節目到H.264格式的轉碼，接收的MPEG-2衛星高清節目碼率在18～20 Mbit/s之間，轉碼后的帶寬設置為8 Mbit/s，采用固定編碼速率（CBR）的壓縮方式，轉碼后的數據以IP形式輸出給核心復用加擾設備，另外增加3臺EMR設備（配置6塊H.264高清轉碼卡）完成1+1備份。同時每臺EMR具有互為備份的2個GbE接口，每個接口里邊有若干端口，主備接口里邊的端口可進行對應的備份。

2.1.3 編碼及復用加擾

使用主備2臺復用器來完成對節目的復用、加擾以及編碼處理。本地自辦的2套高清節目通過1臺EMR上配置的2塊H.264高清編碼卡進行H.264編碼，該卡具有HDMI與SDI雙接口，應用靈活。另配置1臺備用EMR設備（配置2塊H.264高清編碼卡實現編碼）與主用設備構成1+1的備份。

數碼視訊的EMR是DVB廣播系統中一種重要的設備，集復用、加擾、編碼、轉碼和IP輸入輸出等多種功能于一體，內置加擾模塊，所有高清節目在設備背板中進行復用，將單節目碼流（SPTS）復用成多節目碼流（MPTS），并按照DVB標準加擾算法進行加擾，通過前置的CA接口接入省網前端CAS信息，實現對節目流的加密加擾，完成高清業務授權生成，實現數字電視節目的有償廣播和收視管理，平臺現已與Irdeto、數碼視訊、永新視博、天柏4家CA實現無縫對接，CA應用服務器、數據庫服務器和加密機都采用了雙機熱備份，增加了系統的安全性，所有加擾節目的ECM、EMM信息與視音頻信息一起復用成TS流后，以IP形式輸出。同時為保證系統的可靠性，每臺EMR具有互為主備關系的2個千兆IP接口，以實現網口備份。

同時，為滿足EPG信息插入和TS流平臺信號的需求，每臺EMR除具備2路主備GbE接口外，還配置2塊ASI 5輸入輸出卡，可提供10路ASI輸入輸出的任意設置。

2.1.4 調制

復用加擾后的節目流進入數碼視訊IPQAM 2.0（10K511）進行調制處理，單臺IPQAM滿配可插6塊QAM調制卡，每塊調制卡具備2路RF輸出，可完成12個頻點的調制輸出，整機最多可完成72個頻點的鄰頻調制，數碼視訊的最新IPQAM3.0整機最多可完成192個頻點的全頻段不鄰頻調制工作。在此系統方案中，采用2臺IPQAM2.0調制設備互為主備，每臺IPQAM配置1塊QAM調制卡，空余槽位為后期擴容預留，完成12頻點節目調制輸出，同時每臺IPQAM具有互為備份的2個千兆IP接口，單口數據吞吐最高960 Mbit/s，主備千兆接口的切換條件為：檢測接口的碼率或時鐘同步情況，當碼率存在異常或同步時間超出一定間隔后，判定為接口的連接斷開或節目異常，此時自動切換到備路IP信號做為輸入，主備切換不依賴于網管系統，切換時間小于1 s。

由于H.264轉碼后的高清碼流帶寬設置為8 Mbit/s，所以每個頻點按4套H.264高清節目進行規劃，占用8個頻點，調制后的射頻信號進入HFC網絡進行傳輸，終端用戶通過高清機頂盒接收。

2.1.5 核心交換

核心路由交換模塊為本系統的核心設備，采用3層部署，支持多種單播路由協議和組播路由協議，IP包的轉發能力、組播處理能力滿足系統實時傳輸IP視頻流的要求，對流量做到絕對可控，丟包率、時延、抖動達到IP視頻傳輸要求，充分保證視頻的應用，具有多GbE端口擴展能力，采用1+1冗余熱備份，當主用核心交換機故障，備機可在200 ms內完全頂替主機，完成系統內全部的處理功能。

2.1.6 RF切換輸出

配置1臺射頻切換器，完成RF信號切換，6塊卡槽內現插2塊切換卡，實現2組4路RF備份功能。單卡具備RF轉ASI輸出的監視接口。實現信號電平、碼率、PID的全面監測，具有先進的掉電記憶功能，可真正保證在掉電時輸出可靠的信號。

2.1.7 監測系統

高清平臺監測系統采用IP架構，以監控服務器、交換機、解調解擾卡為主要組成部分，應用16路QAM解調監測卡（BHQA68）在高清節目調制輸出點進行監測分析，支持對16路IP加擾流進行自動解擾或綁定節目解擾，監測系統硬件采用模塊化板卡，單通道出現故障不影響其他模塊正常工作，板卡支持熱插拔，可以快速完成替換，支持通道熱備份。

對系統的控制通過網管軟件來實現，包括Display，Sig?nalEye，Agent，Alarmcenter，CardManager，這些軟件之間通過千兆以太網交換機，以碼流數據組播和控制數據組播兩種方式進行信息交換，從而完成故障報警、監測信息顯示、碼流檢測、畫面組合顯示等功能（見圖2）。

圖2 檢測系統畫面組合顯示圖（截圖）

2.1.8 統一網管

平臺網管系統采用數碼視訊統一網管系統10KM02，EMR設備和IPQAM均通過自身的網管接口與網管交換機相連，網管服務器通過SNMP協議與相連的設備進行通信，完成對設備的控制和管理，GUI用戶界面，操作簡便直觀，支持Web方式，操作人員可根據自己的使用權限，在網管上對系統內設備進行參數配置和狀態查詢等操作。

網管系統提供備份策略和快速恢復策略，設備的主備切換可在網管的控制下完成，其切換過程平穩快速，能夠準確地切換至備份設備，此外，設備可在無網管控制的情況下正常運行，脫機不會對整個硬件系統的運行造成影響。系統網管拓撲圖見圖3。

2.2 信號處理流程

從衛星接收的高清節目、通過光纜接收的付費高清節目以及本地編碼的高清節目，通過IP輸出接口分別送入主備核心交換機，核心交換機將接收來的高清節目信號通過目標地址發送給相應的轉碼器進行轉碼，轉碼器將收到的節目信號送到轉碼卡的硬件處理芯片上進行視頻編碼格式的轉換處理，將MPEG-2編碼的高清信號轉變為H.264的編碼格式，然后將生成的H.264格式的高清信號通過核心交換機送到復用器，進行復用加擾，并與EPG系統發送過來的EPG信息進行復用，復用后的多節目流以UDP組播方式通過核心交換，最終將已完成復用加擾的節目流通過邊緣QAM調制器進行64QAM調制，符號率為6.875 Mbaud，輸出射頻信號至RF混合器，通過分配器將一路信號送至高清監控系統，另一路進入本地HFC網絡，用戶通過高清機頂盒即可收看到高清數字電視節目。

圖3 系統網管拓撲圖（截圖）

2.3 備份機制

2.3.1 硬件備份

核心交換機為本系統的核心設備，采用1+1熱備份，當主用核心交換機故障，備機可在200 ms內替代主機，完成系統內全部的處理功能。

全部采用1+1交叉堆疊熱備方式，此種組網方式為目前最安全的組網方式，不僅保證了系統1+1熱備份，同時可以做到只要同一節點的主、備設備不同時損壞，系統就可以穩定播出信號。所以核心復用加擾設備、轉碼器、調制設備進行了1+1交叉熱備份，這種交叉堆疊方案的優勢在于主備路系統不同設備都出現故障時仍可保證系統穩定運行，如主路的核心復用加擾設備和備路的調制設備出現故障，整個系統仍可通過備路核心復用加擾設備和主路的調制設備繼續穩定播出，相比于鏈路方式的備份，交叉備份方式容錯率更高，可以同時允許主備系統各有部分設備故障。

衛星接收部分采用N+1備份模式。

2.3.2 網口備份

主千兆卡實現網口級備份，主千兆卡的4個GbE網口，網口1和3是一組1+1的備份，網口2和4也是一組1+1的備份。當做輸入網口備份時，主備網口中的輸入內容必須是一致的，主備網口同時接收相同的數據，但接收IP和端口可以不同。當輸出網口備份時，主備網口同時輸出一樣的節目流，主備網口輸出時可設置不同的目的IP和端口。

當發現網口未連接、系統碼率、有效碼率為零或接收的碼率在設置的閾值以外，則認為網口異常。進行主備切換，切換延時小于2 s，其中大部分時間用于切換條件的判斷，執行切換動作的時間為毫秒級。

2.3.3 端口備份

進入背板的2個IP端口間，可進行1+1的端口備份切換。最多支持256組1+1端口備份。某一端口作為備端口后，則該端口不能使用，如復用和透傳，主備兩個端口支持透傳的類型必須一致，內容也完全相同，主備端口各有碼率上下限的限制，統計到的端口碼率超出設置的上下限，則認為端口異常，要進行端口切換。

3 平臺功能及特點

全運村高清數字電視平臺，作為遼寧有線高清數字電視平臺的過渡，充分考慮了系統未來的擴容性，并以節省投資成本、節省頻點資源為原則，是基于系統穩定、安全，從既經濟又實用的角度來設計解決方案，該系統的主要功能特點如下所述。

3.1 對信源進行轉碼壓縮，節省帶寬和頻點資源

從衛星接收的MPEG-2壓縮編碼的高清頻道，帶寬都在18 Mbit/s以上，每個頻點只能放2套高清節目，29套節目要占用15個頻點，造成頻點資源的極大浪費，為以后有線網的擴容增加了難度。本系統在不影響節目質量的前提下，將原高清節目轉碼為H.264的編碼格式，單節目帶寬縮減為8 Mbit/s，帶寬降低50%，這樣1個頻點可復用4套節目，29套高清節目占用了8個頻點，節省了50%的頻點資源。

3.2 系統集成度高，綜合成本低

該方案中的設備選型均采用集成式設備，具有高密度、高靈活性、更簡潔的特點。整套方案相比于傳統單機設備，空間節省75%，成本節約30%，通過對媒體綜合處理平臺配置不同的功能板卡即可實現在1U設備中完成多路信源接收、適配、復用加擾、編碼或IP輸入輸出等多種功能，設備組網簡單，在2個機柜中完成全部組網，在出現故障時，維護人員可在很短的時間內發現問題、解決問題，運營維護成本也大大降低，同時在正常運行中集成設備對機房環境的要求也比較低。

3.3 系統擴展性強

此次方案中，充分考慮到未來發展的需求，尤其是面對NGB和三網融合的不斷推進，集成式IP組網方案更能滿足未來系統多業務承載的需求和業務靈活調度、擴展的需要，系統提供了通用的GbE接口，方便開展數字電視新業務，能夠實現信號的集中調度和任意路由分配，可任意完成頻點規劃。同時為配合信號內容的檢測，保證安全播出，給設備提供ASI和IP檢測點，衛星接收、編碼復用加擾、調制設備都有相應槽位的預留，可實現擴容的平滑升級，保證系統建設完成后在相當長的一段時間內能適應技術發展變化、滿足業務開展多樣性要求。

3.4 設備管理能力突出

整個硬件平臺采用統一網絡管理系統，所有設備均采用EMR3.0實現，GUI用戶界面簡單直觀，操作簡捷，核心設備EMR和IPQAM除支持統一網管外還支持Web網管。任意配置端口為輸入或輸出，并根據需要配置ASI傳輸網絡或者千兆以太網傳輸網絡，可通過網管或單機Web界面配置任意端口的輸入節目流，實現對全網節目的統一監控、配置、調度和管理，提高了管理效率。

3.5 能夠實現AVS+到H.264的轉碼

AVS是我國具備自主知識產權的信源編碼標準，隨著數字視頻技術的廣泛應用和多種網絡資源的融合，實現各種視頻編碼格式之間的轉碼要求變得非常具有實際意義。本系統能夠實現AVS+到H.264的視頻轉碼，在保證圖像質量的同時，大大提高了視頻流的轉換效率。

3.6 強大的冗余備份機制，使系統的安全性更強

本項目充分考慮到備份系統的安全性特點，實現多層次備份機制，包括設備、端口、組播、節目備份，方案的所有核心設備均具備冗余備份機制，采用智能備份解決方案。

4 推廣應用

該高清數字電視平臺經歷了全運會的實踐檢驗，系統各項技術指標都達到了預期的設計要求，系統運行穩定可靠，目前已送入省網的市內各分公司前端，通過HFC網絡覆蓋了市內各分公司的所有用戶，隨著高清電視機的普及，以及高清機頂盒的推廣，高清用戶將逐步增多，項目的建設為遼寧有線電視網增添了新的活力，極大豐富了人民物質文化生活，促進了高清數字電視的推廣。

[1]吳恩學.數字電視實用技術[M].北京：教育科學出版社，2009.

[2] 王明臣，姜秀華，張永輝.數字電視與高清晰度電視[M].北京：中國廣播電視出版社，2005.

責任編輯：薛 京

HDTV Service Platform Design and Application of QuanYun Village

MA Yunzhi
（Liaoning Radio and TV Transmitting Center，Shenyang 1100116，China）

The concrete ideas of HDTV platform construction in QuanYun Village are proposed in this paper.As a starting point of the actual demand in the platform,the construction characteristics about the HDTV platform from the aspects of structure,design principle,equipment configuration and business planning are introduced.The receiving of source,transcoding and multiplexing scrambling,the upgrading ability platform,and the composition about the whole platform to realize backup mechanism and monitoring system are discussed,and the application situation of system is introduced.

HDTV；transcoding；multiplexing；core routing；modulation

TN943.5

B

10.16280/j.videoe.2015.04.003

2014-10-30

【本文獻信息】馬云志.全運村高清數字電視服務平臺設計與應用[J].電視技術，2015，39（4）.