有线数字电视前端播出系统

第３章有线数字电视的前端播出系统　　按照如图１－１所示的数字广播电视系统的基本模式，前面２章讲述的内容已经将数字电视系统中信源端的基本任务完成。即模拟信号或其他信息经过数字化处理、信源压缩编码、信道差错控制编码和ＱＡＭ调制这样几个关键的处理程序，信号已经可以进入传输网络传输到数字电视机顶盒。但这仅仅从数字电视传输信号产生的基本原理这一角度进行讨论，作为一个正常运营的系统，还有许多问题尚待讨论，因为一个投资很大的有线电视系统不可能只传几套节目，不可能不考虑投资回报和用户管理的问题。因此，本章将讨论作为一个实际运营的有线数字电视前端播出系统还必须解决的一些问题，而这些问题最终也会从用户的数字电视机顶盒中反映出来。３畅１　有线电视前端播出系统概述　　有线电视系统目前正处在由“模拟”到“数字”的技术变革之中，这种变革进程必然会集中地从系统的心脏———前端体现出来，其基本特征是数／模并存。　　３畅１畅１　数／模并存时期的有线电视播出系统简介　　数／模并存时期的有线电视播出系统的主要特征是：传统的模拟电视信号和不断增加的数字电视信号同时播出，同时传输，其基本结构如示意图３－１所示。　　由于数字电视和模拟电视是两种不同的技术体制，所以模拟信号和数字信号在处理方法上的差别很大，这就使得数／模并存时期的有线电视前端系统必须拥有模拟和数字两套播出设备，形成模拟和数字两个相对独立的部分，它们分别占用不同的频段，形成数字和模拟两个信道，并存于一个传输系统中。　　在目前的变革时期，作为有线电视信号接收端的家庭用户，分成了两个部分：一部分用户通过配置数字电视机顶盒，由模拟电视用户“整体转换”为数字电视用户；一部分尚未配置数字电视机顶盒的用户，仍然作为模拟电视用户，收看传统的模拟电视，随着“整体转换”工作的不断进行，这一部分用户也将最终转换成数字电视用户。只有当全部用户都转换成数字电视用户之后，模拟电视信号才能停止播出，前端系统中的模拟设备也将最终拆除。　　３畅１畅２　模拟电视节目的播出　　模拟电视节目的播出相对比较简单，如图３－１顶部所示，主要包括模拟信号源和模拟调85　　　第３章　有线数字电视的前端播出系统图３－１　数／模并存时期的电视广播系统示意图制器两大部分。模拟信号源主要是指未经数字化处理的原模拟音频（Ａ）和视频（Ｖ）信号，包括电视台自己通过原模拟摄像机拍摄、制作的各类电视节目，及通过卫星地面站和各种传输网络得到的各类Ａ／Ｖ电视节目信号。虽然我国的广播卫星早已实现数字化，但大多数卫星接收设备都可同时提供模拟Ａ／Ｖ信号和数字ＴＳ信号，所以广播卫星仍然是重要的模拟信号源。这些Ａ／Ｖ信号都需要进入模拟调制器，将其调制到射频载波ＲＦ上，使其适于在传输系统中进行传输。　　在规模较大的有线电视播出系统中，模拟调制一般都选用中频调制器，它由中频调制、中频处理和上变频三个部分组成。其特点是音频（Ａ）和视频（Ｖ）都不是一次就调制到某个频道的高频载波上，而是将所有待播出的节目都先采用统一的中频调制，图像中频为３８ＭＨｚ、伴音中频为３１畅５ＭＨｚ；然后再对输出信号进行中频处理；最后才上变频到预定的电视播出ＲＦ频道上。由于中频处理（残留边带滤波）都是在较低的单一频率上进行，可以采用性能优良的声表86　　　第一篇　数字电视基础知识面波滤波器，使输出信号严格控制在８ＭＨｚ的带宽范围之内，具有良好的边带特性，从而实现ＲＦ每８ＭＨｚ安排一套节目的邻频传输的指标要求。现假设需要传送ＴＶ１～ＴＶ６的６套模拟电视节目，其频谱占用如示意图３－２所示，即它们在ＲＦ频段中共计需要占用４８ＭＨｚ的频带宽度，而且每个频道必须配一个调制器。如果需要播出３０套模拟电视节目，共计需要占用２４０ＭＨｚ的频带宽度，必须配置３０个调制器。图３－２　模拟电视节目的频谱占用示意图　　３畅１畅３　数字电视节目的播出　　数字电视节目的播出相对比较复杂，如图３－１中部及下部所示。在目前的数字电视播出系统中，大体上可以分为数字电视信号源、复用、加扰（图中的授权）、调制及各种管理系统等几大部分。随着数字电视双向网络的开通和交互业务的拓展，数字电视节目的播出部分将会变得越来越复杂，更多的设备和控制系统将会进入数字电视前端，目前仅仅是按照播出普通标准清晰度数字电视节目和高清晰度数字电视节目的需要进行相关知识的介绍，待数字电视业务全面开展起来之后再介绍更多的相关知识。　　数字电视信号源主要是指经过数字化和压缩编码后的标准ＴＳ传输流。由于目前大部分的有线数字电视播出系统中仍然采用ＭＰＥＧ－２的编码方式，因此，这一部分最重要的设备是ＭＰＥＧ－２压缩编码器，它的基本原理及基本结构在第一章中已经简要介绍，此处不再重复。　　由图３－１可以看到，从ＭＰＥＧ－２编码器输出的ＴＳ传输流没有直接进入ＱＡＭ调制器，而是增加了复用和加扰（有的称为授权）两个管理环节，这正是作为一个实际运营的有线数字电视播出系统所不可缺少的部分。由图中的信号连接线还可以看到，“复用”和“授权”都是在条件接收系统、用户管理系统、信源管理系统和自动播控系统等计算机管理系统的控制下进行的，由此可见其重要性和复杂性。数字电视播出系统所能提供的节目和信息不仅是质量更高，数量更大，而且在经营管理上也大大有别于模拟电视系统，数字电视节目的接收是有条件限制的，即必须先“授权”然后才能收看。如果说用于码流复用和调度的复用系统是为了解决节目量和信息量太大的问题，而授权管理和条件接收等系统的使用则是为了解决经营管理中由“粗放”走向“精细”所面临的复杂问题。这两部分的设备选用和内部功能模块的复杂程度，会随着网络规模和经营管理水平的不同而呈现出很大的差异，在有的系统中这两部分合在一起称为“复用加扰”系统，有的系统则采用单独的复用器和独立加扰器。在后面的课程中，将根据数字电视机顶盒中信号处理的需要，对可能会涉及的问题进行一些必要的讨论。　　经复用和授权处理后的信号送到ＱＡＭ调制器。在实际的播出设备中信道编码和调制输出87　　　第３章　有线数字电视的前端播出系统这两部分功能都集中在ＱＡＭ调制器内，由它对复用后的多节目传输流进行同步取反、随机化处理、ＲＳ编码、卷积交织、字节到符号映射等处理，最后完成数字信号的载波调制并将射频信号ＲＦ输出到混合放大器。图３－３　数字电视节目的频谱占用示意图　　在数字电视发展的初期，编码、复用、加扰（授权）、调制这几个关键设备之间的一般配置方案是：４～８台ＭＰＥＧ－２编码器输出的单一节目ＴＳ传输流送到一台复用器，然后接一台独立加扰器，加扰器输出的多节目传输流送给一个６４ＱＡＭ的调制器，一个调制器的输出在射频ＲＦ中占用一个８ＭＨｚ的模拟标准频道，从而实现一个物理电视频道上传输４～８套数字电视节目的目的。这样配置的好处是一旦复用器或调制器出现故障，不至于影响到其他频道，同时自动备份也较容易实现。由于目前单个节目的带宽常设定为５～６ＭＨｚ，而６４ＱＡＭ调制方式的有效带宽为３８ＭＨｚ，因此，最典型的应用是“六复一”，即由６个标准清晰度数字电视节目（假设为ＴＶ１～ＴＶ６）复用成一路传输流，然后送给一个６４ＱＡＭ的调制器，占用一个８ＭＨｚ的模拟标准频道，其频谱占用如图３－３所示。　　如果将图３－２所示的６套模拟电视节目改用数字信号进行传输，即使采用一般复用方式，也只需占用一个８ＭＨｚ的标准频道，如果需要播出３０套标准清晰度数字电视节目，则只需要占用４０ＭＨｚ的频带宽度，配置５个６４ＱＡＭ调制器，频道资源的利用率大大提高。　　３畅１畅４　数／模并存期间的频谱配置及节目安排　　需要注意的是，图３－１中模拟调制器输出的ＲＦ和ＱＡＭ调制器输出的ＲＦ实际上是在不同的频段，而且模拟调制器的ＲＦ频点一般是指所占用频道的图像载波频率；而ＱＡＭ调制器的ＲＦ频点一般是指所占用频道的中心频率。为了使模拟电视向数字电视的过渡能够有计划有步骤地进行，广播电视主管部门对过渡期间的频谱分配作了必要的技术规定。要求首先用频分法划定上行、下行通道的频率范围，如图３－４所示；然后又对过渡期间下行通道中模拟电视和数字电视的频段占用及逐步变更制作了方案，如图３－５所示。图３－４　有线电视传输系统的频谱分配（共计８８个模拟频道）88　　　第一篇　数字电视基础知识图３－５　模拟向数字电视过渡期间下行通道的频段配置　　图３－４所示的下行通道是指信号从播出前端向用户接收端传送信息的通道，其频率范围为１１１～８６２ＭＨｚ，今后上限可扩展到１ＧＨｚ；上行通道是指信号从用户端向前端传送信息的通道，其频率范围为５～６５ＭＨｚ。由于上、下行通道的功能差异使上、下行通道的宽度很不对称，而且信号特征也存在较大差异：下行信号中主要传送的是广播电视节目信息，同时还包括许多其他扩展业务和增值业务信息，因而是连续的，带宽和幅度相对稳定；而上行信号中主要是开展交互业务时用户点播节目的信息或网络中ＣＭ（线缆调制解调器）发送的信息，所以信号是单独的、突发的、带宽和幅度也是不稳定的。本书的重点是讲解普及型数字电视机顶盒，因而主要研究下行通道中与之相关的信号，对上行通道暂不作深入讨论。　　由于数字电视业务是在原模拟电视的基础上逐步拓展的，因此，频谱配置中的基本单位仍然为“频道”，频道与频道之间的差别以频道号或中心频率标识，用于传输电视节目时每个频道的标准带宽为８ＭＨｚ，用于纯粹的数据传输时频道的带宽可小于８ＭＨｚ。数字电视节目的传输仍然采用邻频配置，即各传输流的中心频率以８ＭＨｚ的间隔一个接一个排列。在图３－４中用ＤＳ或Ｚ表示频道，ＤＳ沿用了模拟电视无线广播时的频道编号，如果上限定为８６２ＭＨｚ，应有５６个频道，由于１～５频道已经让给上行通道，因而目前能用的只有５１个频道，其频道编号为ＤＳ６～ＤＳ５６；Ｚ表示增补频道，是无线电视广播频段以外，仅供有线电视广播系统使用的补充频道，共有３７个，其频道编号为Ｚ１～Ｚ３７。ＤＳ＋Ｚ为目前能够使用的最高频道数，共计８８个，但是由于存在无线电通信或工业电器等干扰问题，实际能够使用的频道数小于８８个。　　模拟电视向数字电视的过渡采用分段转换的方式，即现阶段仍保留一定数量的模拟频道，如图３－５所示的Ａ频段、Ｂ１频段和Ｃ１频段；最先用于传输数字电视节目的频段为Ｄ频段、Ｂ２频段和Ｃ２频段，逐步向模拟频段扩展，最后实现数字化的为Ａ频段。当接收端的用户都配置了数字电视机顶盒后将停止模拟信号的播出。　　在模拟电视向数字电视过渡的时间段内，频道资源是最紧张的，因为原有的模拟电视节目已经占用了许多频道，而数字电视业务的拓展又势在必行，尤其是高清晰度数字电视业务的开展必须有频道资源的支持，这就要求不断提高码流复用的技术水平，利用有限的频道资源，尽可能多地开展业务，多传输节目，多传输信息。89　　　第３章　有线数字电视的前端播出系统３畅２　数字电视播出系统中的码流复用　　由上一节的前端简述可知，复用器在实际运营的有线数字电视播出系统中担负着十分重要的任务，由图３－１的示意图可以看到，它位于多路数字码流的汇聚中心，是数字电视传输平台上的码流集散地，担负着码流的复用与转发，码流时间信息的调整和服务信息的重新编辑等多种功能。本节重点讨论复用器最基本的功能，即码流的复用与转发功能。　　３畅２畅１　码流复用器的基本功能及基本原理　　复用器最基本的功能就是将多种信源设备（如ＭＰＥＧ－２编码器、卫星接收机、视频服务器、数据广播服务器等）输出的ＴＳ流进行优化整合，将它们合并成若干个传输码流，经加扰（加密）处理后送到调制器进行信道编码与调制，最终进入传输网络，基本功能方框结构如图３－６所示。图３－６　码流复用器的基本功能　　在实际的有线数字电视前端系统中，数据码流的复用与转发是很复杂的，尤其是在大型的有线数字电视前端系统中，将涉及数十个甚至数百个节目流、信息流、数据流的分组，汇集和输出，从而构成一个以数据码流的监视、处理与复用为中心的信号处理系统，如图３－７所示。　　由图３－７可以看到，信号处理系统的前面是一个庞大的信号输入系统，来自各种渠道的ＴＳ传输流以异步串行的形式通过ＡＳＩ接口加到复用器的输入端，为了能够高效率地进行码流的调度和切换，在