有线电视前端系统设备设计.doc

摘 要有线电视的前端是有线电视系统的核心，也是整个HFC网络的心脏。而前端系统是有线电视网络的信息源、交换中心，常被业界誉为“心脏”，其地位和作用是不言而喻的，当今数字电视前端包含的内容却更加广泛。数字电视的前端系统一般由数字卫星接收机、视频服务器、编解码器、复用器、QAM调制器、各种管理服务器以及控制网络部分等设备组成。数字电视前端系统一般可分为四个主要部分：信源部分、处理部分、传输部分和管理部分。每一个部分都有其特定的功能，最终组成完整的数字有线电视前端系统。目前，在我国的数字广播电视系统中，卫星传输部分已经确定采用DVBS标准，数字有线电视部分正在试行DVBC标准，而在地面传输的实验中有关部门正在进行6个标准的比较测试，目前尚未最后做出决定。本文着重谈数字有线电视前端系统，主要从数字有线电视系统的特点、前端系统主经组成部分及其作用和特点。关键词： 数字有线电视 前端分析 设备分析AbstractCable TV in front of cable television system and the core of the Whole HFC network in the heart. The former port system is a cable TV network of sources of information, exchange center, are often the industry as an heart, the status and role of it goes without saying that today s digital television front cover is more widely. digital television system before the end digital satellite receivers, Video Server, codecs, after a device, QAM modulation, management and control network server, such as part of equipment. Digital TV front system can be divided into four main parts, namely, inputs, signal processing, output signal and system management, each of the specific functions, and eventually form a complete digital cable front system.At present, the country s digital broadcasting and television systems, satellite transmission has confirmed that DVB-S standard, digital cable television is on a trial basis DVB-C standards, and the terrestrial transmission of the experiment was being carried out six standards more tests, no final decision. This focus on digital cable end system, mainly from digital cable system features, the former port system Main components, and its role and character.KEY WORDS Digital cable TV Front end analyzes Equipment analysis目 录第一章 绪言1第一节 有线电视系统技术发展的阶段性1第二节 有线电视的发展前景1第三节 数字电视前端系统2第二章 硬件系统及相关技术3第一节 数字卫星接收机3第二节 MPEG一2数字编码器3第三节 复用器3第四节 QAM调制器3第三章 软件系统及硬件系统5第一节 条件接收系统(CAS)5一、用户管理系统(SMS)5二、数据库管理系统(DBMS)5第二节 系统设计5一、 硬件设计要求5二、 软件的选择上要求6第四章 数字有线电视的原理及数字电视系统前端7第一节 数字电视的原理7第二节 数字有线电视系统前端主要组成部分8一、信源部分8二、处理部分9三、传输部分10四、管理部分11结束语12谢 辞13参考文献14第一章 绪言第一节 有线电视系统技术发展的阶段性世界通信与信息技术的迅猛发展将引发整个电视广播产业链的变革，数字电视是这一变革中的关键环节。电视系统首先出现40年代的美国，最初的的系统是用在公寓大厦的共享天线电视；由于共享天线电视系统一样有宽频放大器和传输信号的电缆、信号分配器，可以看成是后来城市范围有线电视的前身。1964年，原中央广播事业局立项对共用天线系统进行研究，拉开了中国发展有线电视的序幕。1964年至1974年，为中国有线电视技术研究和系统建设的准备阶段； 1974年，原中央广播事业局设计院等单位在北京饭店安装中国第一个共用天线电视系统，标志着中国有线电视的诞生； 1974年至1983年，共用天线出现在各个居民楼或平房顶上，这一阶段可视为有线电视的 初级阶段即共用天线阶段；这一阶段的技术特点是全频道隔频传输，一个共用天线系统可以传输五六套电视节目。 1983年至1990年，北京燕山石化建设1万户的有线电视网络，1985年沙市建成有线电视网，标志着有线电视跨出共用天线阶段。这一阶段发展的技术特点是以电缆方式建企业或城域网络、邻频传输，传输的节目套数在十套左右。有的地方开始用光缆作为远程传输； 1990年11月颁布“有线电视管理暂行办法”标志着中国有线电视进入了高速、规范、法制的管理轨道，朝大容量、数字化、双向功能、区域联网等方向发展。 到1997年底，经广电总局批准的有线电视台1300家；有线电视网络长度超过200万公里，其中光缆干线26万公里；近2000个县建设了有线电视网络，其中400多个县已实现了光缆到乡镇或到乡村；有线电视用户数8000万户。 第二节 有线电视的发展前景世界通信与信息技术的迅猛发展将引发整个电视广播产业链的变革，数字电视是这一变革中的关键环节。伴随着电视广播的全面数字化，传统的电视媒体将在技术、功能上逐步与信息、通信领域的其它手段相互融合，从而形成全新的、庞大的。这一新兴产业已经引起广泛的关注，各发达国家根据自己的国情，已分别制定出由向数字电视过渡的方案和产业目标。数字电视被各国视为新世纪的战略技术。数字电视成了继引爆之后的又一大“热点”。 电视数字化是电视发展史上又一次重大的技术革命。数字电视不但是一个由标准、设备和节目源生产等多个部分相互支持和匹配的技术系统，而且将对相关行业产生影响并促进其发展。 第三节 数字电视前端系统数字电视是指节目摄制、节目编辑、发送、传输、存储、接收和显示等环节全部采用数字处理的全新的电视系统。采用数字技术的设备可获得比原有模拟设备更高的技术性能，以及具有模拟技术不能实现的新功能。前端系统是有线电视网络的信息源、交换中心，是整个有线电视系统的核心。数字有线电视前端包含的内容更加广泛，是电视数字化的重要环节之一。数字有线电视前端包括许多关键性的数字设备和技术，如编码器、多路复用器、数字调制器等。数字电视集成了许多领域的新技术，如数字视频，音频、通信、条件接收、网络、微电子技术及软件工程等。因此，数字有线电视前端的管理模式比模拟前端复杂，在进行数字有线电视前端设计之前，必须了解和掌握它的组成原理。第二章 硬件系统及相关技术有线数字电视前端硬件系统主要包括数字卫星接收机、编码器、多路复用器和数字调制器。第一节 数字卫星接收机数字电视传送有地面、有线、卫星3种系统，卫星数字化最快。卫星电视系统的数字过渡已经完成。卫星的个转发器传送多套数字压缩电视信号有SCPC(Single Channel Per Carrier，即单路单载波)方式和McPC(Multiple Channel PerCarrier，即多路单载波)方式。scPc方式的每个载波只传输l套广播电视信号，这样个转发器内同时存在多个载波，其特点是各套节目可在不同地点上星。MCPC方式的每个载波可同时传输多套广播电视信号，特点是1个转发器只有1个载波，频带和功率的利用率较高，多套节目要经复接后在同一地点上星。中央台上星的数字压缩电视节目几乎都是采用MCPC方式。数字卫星接收机应选用带ASI标准基带数字信号传输接口的综合IRD(彳年合MPEG一2DVB标准)数字卫星接收机，这就保证了与其它设备之问的相互连接陛。第二节 MPEG一2数字编码器MPEG一2编码器就是将模拟音视频信号(A厂v)按照MPEG一2标准进行压缩编码，然后转换成数字传输流的一种设备。模拟电视节目可用MPEG一2编码器压缩为215 Mbps，一般采用6Mbps可获得较好的效果。编码器其有视频实时数字预处理、时基校正等功能，对各种类型和不同图像质量的PALNTSC模拟电视信号按MPEG一2的标准进行数字化编码，产生标准的数字电视节目传输流。第三节 复用器在数字电视中，复用器把音频、视频、辅助数据的码流通过打包器打包(数据分组)，然后再复合成单路。复用器可对打包的节目信息进行加扰，使其随机化，接收机具有密钥才能解扰，复用器可外接独立加扰机。第四节 QAM调制器QAM调制器实际包括基于DVBC标准的信道编码和QAM调制两部分功能。信道编码的目的是保证信号传输的可靠性；QAM调制是对经过信道编码的数字电视信号进行调制，输出中频信号，使其具有很高的抗干扰能力，便于在有线电视模拟网中传输。第三章 软件系统及硬件系统数字有线电视前端软件系统主要包括条件接收系统(CAS)、用户管理系统(SMS)、电子节目指南(EPG)和数据库管理系统(DBMs)。第一节 条件接收系统(CAS)CAS就是要保证合法用户能正确接收其预定的服务，并屏蔽非法用户的存取。实现的方式是在前端对节目进行由11密，在用户端进行可寻址解密。可根据用户的身份分组授权，并根据用户的付费隋况，提供不同的服务组合。一、用户管理系统(SMS)SMS是指采用数字技术及计算机网络技术，对用户收看数字电视节目进行多功能信息服务的运营管理系统。数字电视SMS通过对用户订购信息的记录与处理，形成数据库需要的数据，并由与cA的接口，向CAS发送用户授权管理(EMM)的基本数据，CAS由此实现对用户收看数字电视节目的控制。43电子节H椭(EPG)数字化技术使得在播出数字信号源的I哥时，还可以插入大量的服务信息，EPG就是一项重要的应用。在前端；EPG可配合节目的管理和播放控制，使用EPG编辑器将EPG信息编辑完成后，传递给条件接收的信息管理子系统，EPG广播器从信息管理子系统中实时读取EPG信息，并打包成EPG传输数据流输出至复用系统，用户通过机顶盒接收EPG信息，可使用户对播放的节目进行查询、检索和设定，并可随时查看与节目相关的信息。二、数据库管理系统(DBMS)DBMS是位于用户和操作系统之间的一层数据管理软件。主要有数据定义、数据操纵、数据库的运行管理、数据库的建立和维护功能。数据库在建立、运用和维护时由DBMS统一管理、统一控制，以保证数据的安全性、完整性、多用户对数据的并发使用及发生故障后的系统恢复。数据库的原始数据输入、转换功能，数据库的转储、恢复、数据库的重组和性能监视分析等功能，通常由一些应用软件完成的。第二节 系统设计一、 硬件设计要求各种前端设备指标符合标准，系统各设备之间的接口应具开放陛。关键设备如加扰器与复用器应支持同密。系统配置应充分考虑播出的安全睦，并应有合-理的备份。系统主要设备的故障可实现自动切换。播出的可靠性与维护的方便性。选择不同厂商的设备时综合考虑网管系统。二、 软件的选择上要求有线电视中对数字电视前端的设计除了设备（硬件）之外，管理（软件）也很重要。在大型网络中，网络管理是数字电视前端的一个重要功能，主要对前端数字设备进行监控，对保证信号质量、降低维护成本等有十分重要的意义。按国际标准化组织ISO的定义，网络管理是指关于规划、监督、设计和控制网络资源的使用和网络的各种活动，网管设计的要求是使网络性能达到最优。它具体的要求有：安全性、可靠性、高效性、开放性、可扩展性。设计还应考虑，调制器的输出电平调整，在整个有线电视前端系统的信号输出部分，数字信号与模拟信号由于两者的调制方式不同，它们输出电平的标准也不同。调制方式一般采用64 QAM，这样能兼颐误码率和频带利用率。通常数字调制器的输出电平比溪拟调制器的输出电乎低10 dB。另外，模拟与模拟频道、数字与数字频道之间输出电平的大小和平垣度直接影响到网络的系统指标。第四章 数字有线电视的原理及数字电视系统前端第一节 数字电视的原理将电视的视音频信号后，其数据量是很大的，非常不利于传输，因此成为关键。实现数据压缩技术方法有两种：一是在信源编码过程中 卫星接收机AV矩阵编码器ASI矩阵ASI分配放大器主复用器SI信息备复用器ASI分配放大器主加扰器CA备加扰器ASI分配放大器QAM适配器卫星信号AV信号DS3(SDH)图4-1 数字有线电视原理图CASSMSEPGDBMSQS(操作系统)硬件设备表4-1 数字有线电视前端软件结构进行压缩，IEEE的MPEG专家组已发展制订了ISO/IEC13818(MPEG-2)国际标准，MPEG-2采用不同的层和级组合即可满足从家庭质量到广播级质量以及将要播出的高清晰度电视质量不同的要求，其应用面很广，它支持标准分辨率宽屏及高清晰度电视等多种格式，从进入家庭的DVD到卫星电视、广播电视微波传输都采用了这一标准。二是改进，发展新的数字调制技术，提高单位频宽数据传送速率。如，在DVB数字电视系统中，数字电视系统(DVB-S)采用正交相移键控调制(QPSK)；数字系统()采用正交调幅调制(QAM)；数字地面开路电视系统就()采用更为复杂的正交调制(C)。第二节 数字有线电视系统前端主要组成部分数字广播电视前端系统可分成四部分：信源部分、处理部分、传输部分和管理部分如图4-2。用户回传信号数字电视信源系统数字电视业务系统存储播出系统复用加扰系统条件接收系统用户管理系统数字有线电视调制系统信源部分处理部分传输部分管理部分图4-2 数字有线电视前端系统的结构图数字电视信源系统、业务系统、存储播出系统属于数字电视前端的信号输入部分，而复用加扰系统、用户管理系统、条件接收系统则属于数字有线前端的信息处理部分。一、信源部分（1）信号源是有线电视前端向干线、分配网传输电视节目的源头。它一般包括电视接收天线、调频广播接收天线、卫星地面接收天线、微波接收天线接收，或其它有线电视网送来的节目以及本台的自办电视节目等。本台的信号源除自办节目和其它有线电视网(市)送来的电视节目外，主要是接收卫星传送的电视节目。信源部分就是把来自不同渠道、不同格式的视音频信号，进行数字化、压缩编码或码流适配，统一为符合DVB-C 标准的MPEG-2 传输流格式和ASI 接口的传输流，输出到处理部分。（2）数字电视的节目源有：卫星接收（数字或模拟）、数字干线SDH、本地自办、视频服务器或媒体播放器输出的数字节目（本地自办、NVOD、VOD）、各类数据广播节目等。与节目相关的PSI、SI、EPG以及各种管理信息，也都是必须进入网络和节目一起向用户传输的。前端，信号的统一格式是DVB-C 标准规定的MPEG-2 传输流。由长度为188 字节的传输包组成。每个包有4 个字节的包头，可变字节长度的适配域和有效载荷。在传输链路里，这些MPEG-2 传输包一个包一个包的串行传输。实际上，为了提高系统的纠错能力，每个包增加了长度为16 个字节的R-S 纠错码，包长变成了204 字节。在整个数字有线电视系统中，设备与设备间，设备与线路间的传输接口，被规定为ASI（异步串行接口）。它的传输速率为270Mbit/s，可以轻松地承载8Mhz带宽，64QAM 调制的数据流。ASI物理接插形式，用得最多的是BNC卡口。二、处理部分信号处理部分是前端的核心。它的功能是：对所有输入的节目码流进行切换、调度、分组、复用（再复用）；插入（更新）节目专用信息PSI、业务信息SI、电子节目指南EPG、各种管理信息（ECM、EMM）等，把它们与节目信号一起复用进数字传输通道；对条件接收节目进行加扰；进行节目管理、用户管理和系统管理.主要是对各种数字信号进行处理，通过这些处理使系统提供的附加服务具有多样性和灵活性，并使广播电视运营商能方便地控制各种设备，其主要包括传输流处理器、传输流复用器、条件接收系统等。信号处理部分包括：传输码（TS）的监视，解扰，复用与业务信息（SI）处理等，它是数字前端的核心。在这部分主要完成的是对所有节目进行解扰，截取，复用等处理。业务年升毫 随时更新，以保证正确的引导机顶盒的正常工作，并且所有的应用数据均能正确的插入。在模拟前端中，若要增加一套节目，只需简单地将一台接收机与一个调制器连接就可以了；在数字前端中，增加一套节目是以虚拟方式进行的，该节目是被加到某个复用器中。至于是在整个通路中的什么地方加入的并不重要，机顶盒会自动的用每个传输流的业务信息找到它。另外，信号处理部分的管理，必须采用继承的管理系统，在所有的前端处理部分，均以异步串行接口（ASI）作为标准接口，这样以后就能容易地增加任何厂商所提供的设备，具有良好的兼容性。传输流解扰器可以是基于嵌入的内置解扰，也可以是开放标准的，像DVB的公共界面或美国的Open Cable标准，在这两种标准中，那些与某种CA系统有关的特定因素都与机顶盒的合用部分无关，而是放在可插/取的PCMPIA卡上。这种TS解扰技术的最大优点是，能很容易改变CA系统，并无需变换完全的解扰设备。如果将这种TS解扰器做成一个ASI输入，输出接口的小插件，可以方便地把它插到前端的任何接收设备中去。复用器：所谓复用，是使多路信号共享一条物理信道。例如，一个载波频道可以载运6 套节目，首先要在未调制前将六套节目的传输码流按时分复用的方法复用到一起。时分复用（TDM），是把传输通路分成若干个时间段（时隙），每段时隙分配给一套节目或一个特定的码流。在分配的这段时隙内，节目唯一的占有整个频带，各节目周期的轮流占用。完成复用功能的设备叫复用器。复用器可以把多路单节目传输流（SPTS），按时分复用成一路多节目传输流（MPTS），这叫做复接。也可以把输入的一路MPTS，分开成多路SPTS，这叫做分接。复用器可以输入节目传输流，也可以输入PSI、SI、EPG 等数据流，实现复用。总的说，复用器要有如下功能：接口为ASI；可以输入单节目传输流SPTS，也可以输入多节目传输流MPTS；有PSI/SI 生成、替换功能；支持PID重新映射（可以改变PID）；可以插入EPG：有数据接口TCP/IP。复用在复用器中进行。复用器的功能有：对每个输入码流进行检测，包括TS流同步是否丢失，同伴字节是否错误，TS 流是否连续，PAT、PMT表和PID 值是否正确等。从输入的MPEG-2 TS 中过滤出基本流ES，提取PSI/SI。将基本流复用成符合MPEG-2 标准的TS 流，同时生成PSI/SI。已经加扰的码流不再解扰，直接以加扰形式与其它码流复用，包括ECM、EMM。三、传输部分主要是进行信道编码调制，针对不同的传输媒体采用不同的调制方式，如QAM、QPSK等调制方式。信号输出部分将已经处理的信息，利用调制器，把它变成传输网络所需的信号格式，因而调制器是前端系统的重要组成部分。在有线电视网一般采用64QAM调制器。QAM调制器负责对经过DVB/MPEG-2压缩编码，信道编码，复用，加扰等处理后的数字电视信号进行64QAM调制，以便在广电宽带传输网络中进行传输。64QAM调制器接收多节目数据传输流（MPTS），对其进行帧交织，RS编码和64QAM调制，输出中频调制信号到上变频器，变换为射频信号，与传统模拟电视射频信号以及扩展业务信号的射频信号一起送入混合器。QAM调制器可用模拟方案或数字滤波器法两种方案实现。数字滤波器是实现数字滤波的核心器件，数字滤波，包括自适应数字滤波，是数字电视系统中最基本的数字信号处理方式之一。通过对离散信号的滤波，去除信号噪声，提取信息，改变离散信号的取样率并采取某种形式或关系来修改输入信息。Barco公司的QAM调制器属于数字方案，赫斯曼公司的QAM调制器属于模拟方案。数字方案有以下优点：完美的正交调制；没有幅度不平衡；载波完全抑制；无线性失真等。数字电视前端的混合器负责对QAM调制器输出的DVB-C数字电视射频信号，扩展业务信号的射频信号和传统模拟电视射频信号进行混合（既进行频分复用），混合器输出的混合射频信号送入广电宽带传输网络进行传输。接口转换器完成HFC网络DVB接口和SDH网络E3/DS3接口的相互转换，以便使远程网络与本地网络互连互通。它广泛运用与SDH/ATM，PDH，HFC数字微波MMDS，8GHz系统连接。接口转换器主要由3大模块组成：输入接口接收DVB ASI或SDH E3或DS3信号，完成信号输入处理；数据处理进行相关数据处理，妄称协议转换；输出接口按要求输出接口信号。四、管理部分是控制复杂化的数字前端的关键，要满足差错管理、设置管理、性能管理、安全性管理和用户管理等网络运行的基本要求。各种管理服务器主要完成一些用户信息管理和计费工作，以及影视材料的管理工作和全保密等，控制网络部分主要完成各种服务器中的信息传递工作及后台的影视材料和数据的交换。在进入数字前端输出部分前的最后处理是“加扰授权”，而加扰器的工作是与CA系统密切相关的，加扰器应可支持现在时常上的主要CA系统并基于开放性标准的，传输流的输入与输出采用ASI口，它的设计是基于DVB的“同密”标准的