基于IP技术的数字电视前端系统研究

罗晓松

（江西广播电视台播出部，南昌 330006）

在科技的快速发展下，广播电视技术得到较大的发展，IP技术与数字化技术的应用，使数字电视前端系统发生了较大的变化。数字电视提供了资讯、电视节目等多种内容和服务，并且具有一定的交互功能，其主要是以有线电视网为载体，以电视为终端设备，集多项技术于一体，更好地向用户提供丰富的信息，这就需要一个完善的前端系统。在三网融合的背景下，传统的数字电视前端系统已经无法满足实际需求，必须加以革新，IP技术在数字电视前端系统中的应用已经成为必然。

1 IP数字电视前端系统概述

1.1 系统介绍

数字电视前端系统集编码、复用等多种信号处理技术于一体，还包括监控、用户管理等多种辅助性系统。在数字电视业务的快速发展中，数字系统需要升级，以更好地满足新媒体业务需求，而传统的ASI接口传输模式无法满足，在IP技术的不断发展中，数字电视前端机房中引入IP技术，从而满足新业务的需求。IP数字电视前端系统将以往系统中稳定播出这一特点保留了下来，将原有系统中的缺陷部分摒弃。

1.2 系统优势

与传统的前端系统相比，IP数字电视前端系统具有较多的优点，特别是在数字点数的新功能、新业务等方面，具有明显的优势。其一，系统的结构比较简化，随着核心设备集成度的提高，设备之间的连接实现无线化，系统逐渐简化，有效节省了机房、机架的空间。其二，系统安全性能不断提升，IP化升级之后，只需要对核心设备备份，便可以在网管系统中自动主备切换，使系统更加安全，为节目播出提供保障。其三，系统的扩展性增强，传统的前端系统扩容有限，而IP数字电视前端系统可以开展数字电视业务，例如视频点播等。其四，系统的调度灵活性不断提升，能够依据物理连接情况，设置链路级别的自动切换，或者依据UDP端口设置端口级别的自动切换，或者手动设置。调度信号极为便捷，对设备的物理位置没有过高的要求，既可以在远端，也能够在前端，依据信号传输，布置链路。其五，系统的投资资金可以有效节省，切换器、ASI分配器等专用设备，价格相对较贵，而以太交换机，则能够实现多种功能，如信号调度、分配等，并且属于通用设备，价格优惠，更换容易。交换机输出的信号可以直接进入OTN，传输接口不用再增加网关等其他设备。IP信号可以完成远程传输，不再需要适配信号，分前端设备及用房投资等成本大大降低[1]。

1.3 系统构建因素

数字电视属于一种新兴信息技术，在规划时应结合多种因素综合考虑，充分利用新技术，保证安全播出，构建具有可拓展的数字电视前端系统。在系统规划层面，应从多种方面考虑。其一，先进性，采用创新、超前技术；其二，安全性，采用可靠安全的设备；其三，开放性，采用子系统设计，便于设备扩容、排障；其四，标准化，符合国际标准，具有较强的兼容性。

2 IP数字电视前端系统的关键技术

2.1 IP组播技术

对于IP组播地址，由于其使用的是虚拟组地址，所以，数据包的目标地址是一个组，而不是单独某个，相同IP组播地址的主机组成IP组播地址。对于IP组播协议的结构，从协议的作用范围来划分，主要分为2种，一种是路由器之间的组播路由协议，另一种是主机、路由器之间的组成员关系协议。组成员关系协议（IGMP）用于主机、路由器之间的通信，组播内的主机、路由器都需要使用该协议，且IGMP消息只能够在本地网段传送，路由器不能转发。路由器通过该协议，查询组播组成员的实际状态，有效维护组成员之间的关系。组播路由协议分为2种，即域内、域间。域内组播路由协议又分为2种，其一为协议独立组播－密集模式，比较适用于小范围网络，另一种为协议独立组播－稀疏模式，比较适用于大范围网络；域间组播路由协议也分为2种，即组播源发现协议、多边协议边界网关协议。组播路由数据转发使用RPF检查机制，路由器接收到组播数据包的时候，先对单播路由表进行检查，明确返回的最佳路径接口。若数据包以最佳路径返回，则表示检查成功，便可以转发数据包，否则表示失败，丢弃该组数据包。

2.2 TS Over IP技术

TS Over IP技术是将TS流换成IP流，在传输层，一般采取2种传输协议，即传输控制协议（TCP）、用户数据报协议（UDP），前者可靠的面向连接，后者不可靠的面向无连接。传输数据通常使用TCP协议，但由于其报文头可达字节较长，而UDP协议报文头可达字节非常少，两者相差较大，TCP协议很难与信息输出的速率进行匹配。在此基础上，UDP协议虽然不支持可靠传输，但面向无连接，没有较多额外的开销，更加适用于实时流媒体传输[2]。由此可见，基于TS流的实时特性，使用UDP协议，且将UDP和RTP相结合，更加适用于高宽带需求的音视频传输。实时传输协议（RTP）最初是为了数据传输的组播，只用在单播中应用较多，其主要提供传输控制、同步等服务，和实时控制协议（RTCP）密切相关，RTP和RTCP结合可以获得数据传输控制信息，优化传输效率，比较适用于网络实时数据的传输。图1为RTP协议在TCP/IP模型中的位置，RTP在UDP之上，属于应用型传输层协议，二者共同完成传输层协议的功能，借助UDP端口，利用其传输延时比较短这一优势，实现传输实时流媒体。

图1 RTP协议在TCP/IP模型中的位置

2.3 MDI技术

结合IP网络传输视频的特点，抖动、延时和丢包是影响视频质量的3大因素，IP网络设备的线路出现堵塞现象，或者性能降低，都可能造成抖动现象，根据抖动的情况能够判断视频流传输链路的实际状态；IP网络传输视频的延时只是观看时间的延时，不会对视频的观看产生影响；丢包直接影响观看质量，视频质量会根据丢失的帧有所下降。MDI是IP网络视频流传输质量的检测标准，通过实际应用能够有效反映出报文的丢失或者抖动情况。MDI是IP承载传输TS流质量的重要指标，分为延迟因素、媒体丢包速率2部分，延迟因素的值随着视频流抖动的增大而增大，延迟因素值越大，对于终端解码器缓冲区的要求就越高，反之，要求则越低[3]。

2.4 编码技术

数字电视前端系统对于音频、视频的编码要求很高，编码格式应有较高压缩效率，当压缩效率提高，传输占用带宽则越小，运营商便可以最大程度提供多样化的节目。同时，在确保压缩比的同时，还需要保证传输质量，质量越高，用户的观看体验则越好。编码技术主要涉及3种格式，其一，MPEG-2，这一标准是数字电视高质量图像、声音的编码标准，属于一种基本的数字编码格式，也是在MPEG-1的基础上提升了性能，增加各行扫描电视等各种编码；其二，H.264，这一标准是在MPEG之后出现的音视频编码标准，其压缩性能极佳，并且提升了信道适应能力，对于信号传输中出现的丢包等现象，能够有效处理，该编码具有较为广泛的应用范围，可以满足多项传输需求；其三，AVS+，这是我国自主研发的一种编码格式，其压缩性能和H.264大致一样，该编码的优势为我国自主研发，在专利费方面占据优势[4]。

2.5 复用技术

在数字电视系统中，复用主要分为节目级和系统级2种。例如MPEG-2，在音视频编码之后，输出的为基本码流，在打包输出之后，则形成数字电视基本码流，经过复用打包后，分别成为节目流、传输流。系统级复用是把多个单节目传输流复用为多节目传输流，在复用中，最重要的是把不同节目专有信息提取出来，依据系统要求，完成重构，例如修改重复信息，重新规划等。此外，还要将插入业务信息，才能够使接收端识别节目。复用器在接收多路传输流，并将其复用为一路时，将重复或者不需要的信息去掉，并重新规划。

2.6 接收技术

数字电视条件接收技术指的是加扰、解扰技术，也是运营商获利的方式，主要是在复用中的传输流中增添CW加扰字符，打乱传输流中的数据，这一过程便叫做加扰过程。经过传输网，将节目传输到用户端时，机顶盒会根据随机字符将传输流中被打乱的顺序还原，借助解调器完成解调，将ECM、EMM信息分离出来，这时并未解扰，再利用智能卡中的解密器，将加扰字符恢复，并发送至解扰器，用户便可以正常观看电视，这一过程则叫做解扰过程[5]。

3 基于IP技术的数字电视前端系统技术方案

3.1 项目概述

以某项目为例，其IP数字电视前端系统技术方案是在ASI接口传输方式基础上实现的，ASI接口传输方式的数字电视前端系统支持30多个频点，大概200多套数字电视节目，满足了整体转换及群众的收看要求。在多年的不断发展中，前端系统已经很难符合多项业务的发展需求，因此，运营商在IP技术基础上建设数字电视前端系统，更好地适应业务的运营需求，进而保证数字电视的顺利播出。

3.2 项目设计

该项目是由核心处理、信号监录等多个系统组成，系统包含多个部分，例如信号接收与分配，信号的处理与加扰等，前端西永的设计需要严格按照相关规范要求。数字电视前端西永主要负责节目信源的接收、处理等，必须保证所涵盖区域的节目信源可靠。因此，在实际构建中应遵循相应的原则，即标准化原则，采取标准接口；先进性原则，结合市场发展趋势，采取先进的技术水平；成熟性原则，采取比较成熟的技术，降低运行风险；可靠性原则，选择可靠性较强的技术、产品，确保系统的安全性；可扩展性原则，具有一定的升级能力，对新业务有兼容作用。系统应具有接收主备卫星信号的能力，具有处理播出200套电视节目的能力，具有调制输出大概35个频点信号的能力。系统的设备主要包括卫星接收机、光接收机和编码器等，通过建立卫生信号监控系统，监控信源，避免非法信号产生干扰，确保信源信号的正常；电视节目的信源通过主备卫星链路及光缆链路，传输到前端机房，信号切换包含自动、手动2种模式；核心交换机、预复用器等都能够借助切换器等保护节目信号，对于节目内容相同、组播地址不同的两路节目信号，通过设置两路节目，互为备份，一旦主路发生故障现象，则会自动播放备路信号[6]。

3.3 系统架构设计

信源系统接收前端系统的节目信号，并将其分配至数字前端核心处理系统、清流备份系统，该系统是由编码器、SDH适配器和功分器等多种设备构成，该系统接收2个天线阵卫星信号，接收的其余信源总共有3种。核心处理系统各根据信号的处理流程，划分为3个环节：①预处理环节，信源系统的信号经过ASI接口信号输出到预复用器组上，在处理完AS接口节目码流之后，借助GbE接口，通过组播的形式传输到第一组核心交换机，对于处理过的IP组播信号，经过核心交换机完成数据交换，并输出至核心复用加扰器组[7]。②核心处理环节，主备核心复用加扰器接收IP组播节目信号，2组信号进行端口级、节目级和业务级备份保护。对于预复用之后的IP组播节目，通过复用加扰处理传输到第二组主备核心交换机，并将其借助SFP光接口传至节目分发复用器。③前端射频处理环节，接收第二组主备核心交换机传来的IP组播节目信号，并进行端口级备份。清流备份系统主要是为了避免核心处理系统出现故障，不加密节目，为了防止同品牌设备同时发生故障，使用其他厂商的复用器及调制器。网管系统根据1∶1比例热备份配置，将RJ45接口连接前端设备和网管平台，有效监测系统参数与设备，核心网管系统实现多种设备集中化管理。同时，系统之间的时间同步性非常重要，通过连接NTP时钟同步服务器，实现系统时钟同步。

3.4 设备选型

数字卫星接收机，也叫做数字解码器，主要是将接收的射频信号转化为码流信号，参数设置集中在天线、转发器等有关参数色设置上。数字编码器主要是按照相应的标准实现模拟信号、数字音视频信号的压缩编码，完成压缩之后，码率越大，那么图像便会越清楚，反之，图像会越模糊。复用加扰器中的复用技术是把节目传输流复用成TS传输流，复用技术的重点在于置换PID以及调整PCR，完成PSI或者SI信息的重构，将修改的标准信息传至复用之后的TS传输流中。加扰技术有助于保证运营商的效益，通过在系统中加密节目流，并根据条件接收系统，使用户借助机顶盒观看节目。核心交换机主要是交换数据，实现预复用器、加扰复用器等之间的设备联通，并提升信号的发送效率，保证信号的安全传输。

3.5 安全与监测

数字电视前端系统的安全播出非常重要，通过监控每一环节的设备与信号，应用于故障排查，以保证节目的顺利播出。一些非法干扰的信号会降低卫星信号的接收质量，通过监控卫星信号的接收情况是电视业务顺利播出的关键。通过采取“技防+人防”的方案有效防止非法信号的入侵，通过使用监控系统，对实时数据进行采集，并和码流参数进行对比，实现实时监控，当正常卫星信号受干扰时，监控音频信号会出现黑场、丢失及马赛克等现象，根据音视频的状态有效监测干扰情况。同时，监控机房配置多块电视墙，通过采取实时监控及轮看方式，提供精准的监看告警，包括声音或者画面等方式。

4 结束语

科技的快速发展，使得基于IP技术的数字电视前端系统设计成为必然。我国已经出现多个试点城市，正在大力推动数字电视网络的发展，构建新型数字电视前端系统，更好地满足多项业务的运行需求，且运行比较安全稳定，进而确保节目信号的播出安全与稳定。IP数字电视前端系统的投入运行取得较好的经济、社会效益，与以往的前端系统相比，节目质量、容量，以及技术的可靠性等，都得到较大地提升，并且系统造价降低，可靠性与安全性增强，为三网融合提供了系统平台。