基于IP技術的數(shù)字電視前端系統(tǒng)研究

羅曉松

（江西廣播電視臺播出部，南昌 330006）

在科技的快速發(fā)展下，廣播電視技術得到較大的發(fā)展，IP技術與數(shù)字化技術的應用，使數(shù)字電視前端系統(tǒng)發(fā)生了較大的變化。數(shù)字電視提供了資訊、電視節(jié)目等多種內容和服務，并且具有一定的交互功能，其主要是以有線電視網(wǎng)為載體，以電視為終端設備，集多項技術于一體，更好地向用戶提供豐富的信息，這就需要一個完善的前端系統(tǒng)。在三網(wǎng)融合的背景下，傳統(tǒng)的數(shù)字電視前端系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足實際需求，必須加以革新，IP技術在數(shù)字電視前端系統(tǒng)中的應用已經(jīng)成為必然。

1 IP數(shù)字電視前端系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)介紹

數(shù)字電視前端系統(tǒng)集編碼、復用等多種信號處理技術于一體，還包括監(jiān)控、用戶管理等多種輔助性系統(tǒng)。在數(shù)字電視業(yè)務的快速發(fā)展中，數(shù)字系統(tǒng)需要升級，以更好地滿足新媒體業(yè)務需求，而傳統(tǒng)的ASI接口傳輸模式無法滿足，在IP技術的不斷發(fā)展中，數(shù)字電視前端機房中引入IP技術，從而滿足新業(yè)務的需求。IP數(shù)字電視前端系統(tǒng)將以往系統(tǒng)中穩(wěn)定播出這一特點保留了下來，將原有系統(tǒng)中的缺陷部分摒棄。

1.2 系統(tǒng)優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的前端系統(tǒng)相比，IP數(shù)字電視前端系統(tǒng)具有較多的優(yōu)點，特別是在數(shù)字點數(shù)的新功能、新業(yè)務等方面，具有明顯的優(yōu)勢。其一，系統(tǒng)的結構比較簡化，隨著核心設備集成度的提高，設備之間的連接實現(xiàn)無線化，系統(tǒng)逐漸簡化，有效節(jié)省了機房、機架的空間。其二，系統(tǒng)安全性能不斷提升，IP化升級之后，只需要對核心設備備份，便可以在網(wǎng)管系統(tǒng)中自動主備切換，使系統(tǒng)更加安全，為節(jié)目播出提供保障。其三，系統(tǒng)的擴展性增強，傳統(tǒng)的前端系統(tǒng)擴容有限，而IP數(shù)字電視前端系統(tǒng)可以開展數(shù)字電視業(yè)務，例如視頻點播等。其四，系統(tǒng)的調度靈活性不斷提升，能夠依據(jù)物理連接情況，設置鏈路級別的自動切換，或者依據(jù)UDP端口設置端口級別的自動切換，或者手動設置。調度信號極為便捷，對設備的物理位置沒有過高的要求，既可以在遠端，也能夠在前端，依據(jù)信號傳輸，布置鏈路。其五，系統(tǒng)的投資資金可以有效節(jié)省，切換器、ASI分配器等專用設備，價格相對較貴，而以太交換機，則能夠實現(xiàn)多種功能，如信號調度、分配等，并且屬于通用設備，價格優(yōu)惠，更換容易。交換機輸出的信號可以直接進入OTN，傳輸接口不用再增加網(wǎng)關等其他設備。IP信號可以完成遠程傳輸，不再需要適配信號，分前端設備及用房投資等成本大大降低[1]。

1.3 系統(tǒng)構建因素

數(shù)字電視屬于一種新興信息技術，在規(guī)劃時應結合多種因素綜合考慮，充分利用新技術，保證安全播出，構建具有可拓展的數(shù)字電視前端系統(tǒng)。在系統(tǒng)規(guī)劃層面，應從多種方面考慮。其一，先進性，采用創(chuàng)新、超前技術；其二，安全性，采用可靠安全的設備；其三，開放性，采用子系統(tǒng)設計，便于設備擴容、排障；其四，標準化，符合國際標準，具有較強的兼容性。

2 IP數(shù)字電視前端系統(tǒng)的關鍵技術

2.1 IP組播技術

對于IP組播地址，由于其使用的是虛擬組地址，所以，數(shù)據(jù)包的目標地址是一個組，而不是單獨某個，相同IP組播地址的主機組成IP組播地址。對于IP組播協(xié)議的結構，從協(xié)議的作用范圍來劃分，主要分為2種，一種是路由器之間的組播路由協(xié)議，另一種是主機、路由器之間的組成員關系協(xié)議。組成員關系協(xié)議（IGMP）用于主機、路由器之間的通信，組播內的主機、路由器都需要使用該協(xié)議，且IGMP消息只能夠在本地網(wǎng)段傳送，路由器不能轉發(fā)。路由器通過該協(xié)議，查詢組播組成員的實際狀態(tài)，有效維護組成員之間的關系。組播路由協(xié)議分為2種，即域內、域間。域內組播路由協(xié)議又分為2種，其一為協(xié)議獨立組播－密集模式，比較適用于小范圍網(wǎng)絡，另一種為協(xié)議獨立組播－稀疏模式，比較適用于大范圍網(wǎng)絡；域間組播路由協(xié)議也分為2種，即組播源發(fā)現(xiàn)協(xié)議、多邊協(xié)議邊界網(wǎng)關協(xié)議。組播路由數(shù)據(jù)轉發(fā)使用RPF檢查機制，路由器接收到組播數(shù)據(jù)包的時候，先對單播路由表進行檢查，明確返回的最佳路徑接口。若數(shù)據(jù)包以最佳路徑返回，則表示檢查成功，便可以轉發(fā)數(shù)據(jù)包，否則表示失敗，丟棄該組數(shù)據(jù)包。

2.2 TS Over IP技術

TS Over IP技術是將TS流換成IP流，在傳輸層，一般采取2種傳輸協(xié)議，即傳輸控制協(xié)議（TCP）、用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP），前者可靠的面向連接，后者不可靠的面向無連接。傳輸數(shù)據(jù)通常使用TCP協(xié)議，但由于其報文頭可達字節(jié)較長，而UDP協(xié)議報文頭可達字節(jié)非常少，兩者相差較大，TCP協(xié)議很難與信息輸出的速率進行匹配。在此基礎上，UDP協(xié)議雖然不支持可靠傳輸，但面向無連接，沒有較多額外的開銷，更加適用于實時流媒體傳輸[2]。由此可見，基于TS流的實時特性，使用UDP協(xié)議，且將UDP和RTP相結合，更加適用于高寬帶需求的音視頻傳輸。實時傳輸協(xié)議（RTP）最初是為了數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕M播，只用在單播中應用較多，其主要提供傳輸控制、同步等服務，和實時控制協(xié)議（RTCP）密切相關，RTP和RTCP結合可以獲得數(shù)據(jù)傳輸控制信息，優(yōu)化傳輸效率，比較適用于網(wǎng)絡實時數(shù)據(jù)的傳輸。圖1為RTP協(xié)議在TCP/IP模型中的位置，RTP在UDP之上，屬于應用型傳輸層協(xié)議，二者共同完成傳輸層協(xié)議的功能，借助UDP端口，利用其傳輸延時比較短這一優(yōu)勢，實現(xiàn)傳輸實時流媒體。

圖1 RTP協(xié)議在TCP/IP模型中的位置

2.3 MDI技術

結合IP網(wǎng)絡傳輸視頻的特點，抖動、延時和丟包是影響視頻質量的3大因素，IP網(wǎng)絡設備的線路出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，或者性能降低，都可能造成抖動現(xiàn)象，根據(jù)抖動的情況能夠判斷視頻流傳輸鏈路的實際狀態(tài)；IP網(wǎng)絡傳輸視頻的延時只是觀看時間的延時，不會對視頻的觀看產生影響；丟包直接影響觀看質量，視頻質量會根據(jù)丟失的幀有所下降。MDI是IP網(wǎng)絡視頻流傳輸質量的檢測標準，通過實際應用能夠有效反映出報文的丟失或者抖動情況。MDI是IP承載傳輸TS流質量的重要指標，分為延遲因素、媒體丟包速率2部分，延遲因素的值隨著視頻流抖動的增大而增大，延遲因素值越大，對于終端解碼器緩沖區(qū)的要求就越高，反之，要求則越低[3]。

2.4 編碼技術

數(shù)字電視前端系統(tǒng)對于音頻、視頻的編碼要求很高，編碼格式應有較高壓縮效率，當壓縮效率提高，傳輸占用帶寬則越小，運營商便可以最大程度提供多樣化的節(jié)目。同時，在確保壓縮比的同時，還需要保證傳輸質量，質量越高，用戶的觀看體驗則越好。編碼技術主要涉及3種格式，其一，MPEG-2，這一標準是數(shù)字電視高質量圖像、聲音的編碼標準，屬于一種基本的數(shù)字編碼格式，也是在MPEG-1的基礎上提升了性能，增加各行掃描電視等各種編碼；其二，H.264，這一標準是在MPEG之后出現(xiàn)的音視頻編碼標準，其壓縮性能極佳，并且提升了信道適應能力，對于信號傳輸中出現(xiàn)的丟包等現(xiàn)象，能夠有效處理，該編碼具有較為廣泛的應用范圍，可以滿足多項傳輸需求；其三，AVS+，這是我國自主研發(fā)的一種編碼格式，其壓縮性能和H.264大致一樣，該編碼的優(yōu)勢為我國自主研發(fā)，在專利費方面占據(jù)優(yōu)勢[4]。

2.5 復用技術

在數(shù)字電視系統(tǒng)中，復用主要分為節(jié)目級和系統(tǒng)級2種。例如MPEG-2，在音視頻編碼之后，輸出的為基本碼流，在打包輸出之后，則形成數(shù)字電視基本碼流，經(jīng)過復用打包后，分別成為節(jié)目流、傳輸流。系統(tǒng)級復用是把多個單節(jié)目傳輸流復用為多節(jié)目傳輸流，在復用中，最重要的是把不同節(jié)目專有信息提取出來，依據(jù)系統(tǒng)要求，完成重構，例如修改重復信息，重新規(guī)劃等。此外，還要將插入業(yè)務信息，才能夠使接收端識別節(jié)目。復用器在接收多路傳輸流，并將其復用為一路時，將重復或者不需要的信息去掉，并重新規(guī)劃。

2.6 接收技術

數(shù)字電視條件接收技術指的是加擾、解擾技術，也是運營商獲利的方式，主要是在復用中的傳輸流中增添CW加擾字符，打亂傳輸流中的數(shù)據(jù)，這一過程便叫做加擾過程。經(jīng)過傳輸網(wǎng)，將節(jié)目傳輸?shù)接脩舳藭r，機頂盒會根據(jù)隨機字符將傳輸流中被打亂的順序還原，借助解調器完成解調，將ECM、EMM信息分離出來，這時并未解擾，再利用智能卡中的解密器，將加擾字符恢復，并發(fā)送至解擾器，用戶便可以正常觀看電視，這一過程則叫做解擾過程[5]。

3 基于IP技術的數(shù)字電視前端系統(tǒng)技術方案

3.1 項目概述

以某項目為例，其IP數(shù)字電視前端系統(tǒng)技術方案是在ASI接口傳輸方式基礎上實現(xiàn)的，ASI接口傳輸方式的數(shù)字電視前端系統(tǒng)支持30多個頻點，大概200多套數(shù)字電視節(jié)目，滿足了整體轉換及群眾的收看要求。在多年的不斷發(fā)展中，前端系統(tǒng)已經(jīng)很難符合多項業(yè)務的發(fā)展需求，因此，運營商在IP技術基礎上建設數(shù)字電視前端系統(tǒng)，更好地適應業(yè)務的運營需求，進而保證數(shù)字電視的順利播出。

3.2 項目設計

該項目是由核心處理、信號監(jiān)錄等多個系統(tǒng)組成，系統(tǒng)包含多個部分，例如信號接收與分配，信號的處理與加擾等，前端西永的設計需要嚴格按照相關規(guī)范要求。數(shù)字電視前端西永主要負責節(jié)目信源的接收、處理等，必須保證所涵蓋區(qū)域的節(jié)目信源可靠。因此，在實際構建中應遵循相應的原則，即標準化原則，采取標準接口；先進性原則，結合市場發(fā)展趨勢，采取先進的技術水平；成熟性原則，采取比較成熟的技術，降低運行風險；可靠性原則，選擇可靠性較強的技術、產品，確保系統(tǒng)的安全性；可擴展性原則，具有一定的升級能力，對新業(yè)務有兼容作用。系統(tǒng)應具有接收主備衛(wèi)星信號的能力，具有處理播出200套電視節(jié)目的能力，具有調制輸出大概35個頻點信號的能力。系統(tǒng)的設備主要包括衛(wèi)星接收機、光接收機和編碼器等，通過建立衛(wèi)生信號監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控信源，避免非法信號產生干擾，確保信源信號的正常；電視節(jié)目的信源通過主備衛(wèi)星鏈路及光纜鏈路，傳輸?shù)角岸藱C房，信號切換包含自動、手動2種模式；核心交換機、預復用器等都能夠借助切換器等保護節(jié)目信號，對于節(jié)目內容相同、組播地址不同的兩路節(jié)目信號，通過設置兩路節(jié)目，互為備份，一旦主路發(fā)生故障現(xiàn)象，則會自動播放備路信號[6]。

3.3 系統(tǒng)架構設計

信源系統(tǒng)接收前端系統(tǒng)的節(jié)目信號，并將其分配至數(shù)字前端核心處理系統(tǒng)、清流備份系統(tǒng)，該系統(tǒng)是由編碼器、SDH適配器和功分器等多種設備構成，該系統(tǒng)接收2個天線陣衛(wèi)星信號，接收的其余信源總共有3種。核心處理系統(tǒng)各根據(jù)信號的處理流程，劃分為3個環(huán)節(jié)：①預處理環(huán)節(jié)，信源系統(tǒng)的信號經(jīng)過ASI接口信號輸出到預復用器組上，在處理完AS接口節(jié)目碼流之后，借助GbE接口，通過組播的形式傳輸?shù)降谝唤M核心交換機，對于處理過的IP組播信號，經(jīng)過核心交換機完成數(shù)據(jù)交換，并輸出至核心復用加擾器組[7]。②核心處理環(huán)節(jié)，主備核心復用加擾器接收IP組播節(jié)目信號，2組信號進行端口級、節(jié)目級和業(yè)務級備份保護。對于預復用之后的IP組播節(jié)目，通過復用加擾處理傳輸?shù)降诙M主備核心交換機，并將其借助SFP光接口傳至節(jié)目分發(fā)復用器。③前端射頻處理環(huán)節(jié)，接收第二組主備核心交換機傳來的IP組播節(jié)目信號，并進行端口級備份。清流備份系統(tǒng)主要是為了避免核心處理系統(tǒng)出現(xiàn)故障，不加密節(jié)目，為了防止同品牌設備同時發(fā)生故障，使用其他廠商的復用器及調制器。網(wǎng)管系統(tǒng)根據(jù)1∶1比例熱備份配置，將RJ45接口連接前端設備和網(wǎng)管平臺，有效監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)與設備，核心網(wǎng)管系統(tǒng)實現(xiàn)多種設備集中化管理。同時，系統(tǒng)之間的時間同步性非常重要，通過連接NTP時鐘同步服務器，實現(xiàn)系統(tǒng)時鐘同步。

3.4 設備選型

數(shù)字衛(wèi)星接收機，也叫做數(shù)字解碼器，主要是將接收的射頻信號轉化為碼流信號，參數(shù)設置集中在天線、轉發(fā)器等有關參數(shù)色設置上。數(shù)字編碼器主要是按照相應的標準實現(xiàn)模擬信號、數(shù)字音視頻信號的壓縮編碼，完成壓縮之后，碼率越大，那么圖像便會越清楚，反之，圖像會越模糊。復用加擾器中的復用技術是把節(jié)目傳輸流復用成TS傳輸流，復用技術的重點在于置換PID以及調整PCR，完成PSI或者SI信息的重構，將修改的標準信息傳至復用之后的TS傳輸流中。加擾技術有助于保證運營商的效益，通過在系統(tǒng)中加密節(jié)目流，并根據(jù)條件接收系統(tǒng)，使用戶借助機頂盒觀看節(jié)目。核心交換機主要是交換數(shù)據(jù)，實現(xiàn)預復用器、加擾復用器等之間的設備聯(lián)通，并提升信號的發(fā)送效率，保證信號的安全傳輸。

3.5 安全與監(jiān)測

數(shù)字電視前端系統(tǒng)的安全播出非常重要，通過監(jiān)控每一環(huán)節(jié)的設備與信號，應用于故障排查，以保證節(jié)目的順利播出。一些非法干擾的信號會降低衛(wèi)星信號的接收質量，通過監(jiān)控衛(wèi)星信號的接收情況是電視業(yè)務順利播出的關鍵。通過采取“技防+人防”的方案有效防止非法信號的入侵，通過使用監(jiān)控系統(tǒng)，對實時數(shù)據(jù)進行采集，并和碼流參數(shù)進行對比，實現(xiàn)實時監(jiān)控，當正常衛(wèi)星信號受干擾時，監(jiān)控音頻信號會出現(xiàn)黑場、丟失及馬賽克等現(xiàn)象，根據(jù)音視頻的狀態(tài)有效監(jiān)測干擾情況。同時，監(jiān)控機房配置多塊電視墻，通過采取實時監(jiān)控及輪看方式，提供精準的監(jiān)看告警，包括聲音或者畫面等方式。

4 結束語

科技的快速發(fā)展，使得基于IP技術的數(shù)字電視前端系統(tǒng)設計成為必然。我國已經(jīng)出現(xiàn)多個試點城市，正在大力推動數(shù)字電視網(wǎng)絡的發(fā)展，構建新型數(shù)字電視前端系統(tǒng)，更好地滿足多項業(yè)務的運行需求，且運行比較安全穩(wěn)定，進而確保節(jié)目信號的播出安全與穩(wěn)定。IP數(shù)字電視前端系統(tǒng)的投入運行取得較好的經(jīng)濟、社會效益，與以往的前端系統(tǒng)相比，節(jié)目質量、容量，以及技術的可靠性等，都得到較大地提升，并且系統(tǒng)造價降低，可靠性與安全性增強，為三網(wǎng)融合提供了系統(tǒng)平臺。