数字电视(三)

七 有线电视前端。
㈠ 数字有线电视前端的功能：
数字电视信号在有线电视HFC网内的传输，核心是信号对网络的适配问题。模拟电视信号数
字化、压缩即信源编码，解决了用数字比特代表连续的模拟信号和速率对网络的适配。那么
如何解决传输对网络的适配，使用户达到满意的接收，这就是前端要解决的问题。
具体说，前端的主要功能是：
⑴组织节目。
节目为王。向用户提供多套数，高质量的节目是数字电视的生命所在。数字有线电视的节目
源主要有：来自卫星的节目；以SDH形式从光缆传来的节目；本地自办节目；由视频服务器
播出的NVOD、VOD 节目；由本台更新、增加的电子节目指南（EPG）等。前端的组织作用，
就是要把这些不同的节目进行数字化，压缩编码等过程，统一为MPEG-2 传输流（MPEG-2 TS）
和ASI接口格式。
⑵监视、调度和切换播出节目。

在有线电视HFC网中，数字电视也应当按每8Mhz带宽一个频道来传输。那么，哪个频道传
送哪几套节目，以及节目之间的切换、调度，都要在前端完成。完成这个任务的设备是一个
多输入口，多输出口的数字切换矩阵，也称路由器。它还可以为信号源的监视提供选择节目
的功能。
⑶系统管理。
数字有线电视节目是以一种新的付费方式提供给授权用户的。因而可靠的授权管理是数字有
线电视必备的功能。系统管理包括有条件接收系统CAS、用户管理系统SMS 和网络管理系
统NMS。
有条件接收系统CAS；对节目和数据进行加扰、加密，对用户进行授权管理，实现有偿服务。
用户（订户）管理系统SMS：对用户进行管理，包括用户信息、用户设备信息、数字产品信
息、订购信息、授权信息、财务信息等。
网络管理系统NMS：对前端和网络设备进行集中管理，包括规划、参数设置、检测报警等。
从信号形成、流向到质量进行控制，对系统运行状态、故障、错误进行报警，保证系统协调、
正常、安全运行。
⑷复用。
为了与模拟传输体制兼容，从多种渠道组织来的数字电视节目，都需要调制到8Mhz 带宽的
不同频道上。而每个频道不但载运不只一套节目，还必须载运引导接收机正确工作的节目专
用信息PSI、业务信息SI、电子节目指南EPG 以及授权管理信息ECM、EMM 等。这些都需
要在进入调制之前把它们复用到一起。
⑸进行信道编码和调制，实现与有线网络的传输适配。
㈡前端的组成。
比照模拟电视前端的组成，数字前端可以分为输入、处理和输出三部分。
⑴输入部分。
输入部分的主要功能，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。
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，信号的统一格式是什么样的？
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。
下面研究不同格式接口的节目如何统一成MPEG-2 传输流格式和ASI接口。
模拟视音频节目，经编码器完成数字化、压缩形成MPEG-2 格式。编码器输入视音频信号，
输出码率可在1.5?15Mbit/s 之间调整的MPEG-2 传输流，输出接口是ASI。
SDH 传送的数字电视节目，已经是MPEG-2 传输流。对应于电视的输出口是DS-3（或E3）
口，以45Mbit/s 的速率传送5?6 套复用的节目。把它纳入数字有线电视，只需在SDH 输出与
数字有线电视的输入之间加一个适配器完成DS-3到ASI 的转换就可以了。
点播类节目，如NVOD、VOD 也是数字电视的重要节目源。它是由视频服务器经硬盘播出设
备输出MPEG-2 码流的。将此类节目接入数字前端，需要作接口的转换。一般来说，用于HFC
网络播出的硬盘播放器，大都提供ASI 接口，甚至已经将码流调制到高频载波上形成64QAM
射频信号。输出为ASI接口的可以直接进切换矩阵，64QAM 输出的，只要频率和电平合适，
就直接与现有的模拟频道混合，进入HFC 传输。对于输出口为DS-3（45Mbit/s）、ATM
（155Mbit/s）以及高速以太网口，都需要经过适配器将接口转换为ASI，才能进数字切换矩
阵。
开展多媒体传输和因特网接入，还要通过数据广播服务器、IP 网关（代理服务器）等，组织
相关信号。
⑵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.
数字切换矩阵。切换矩阵也叫路由器。它有若干个输入口和输出口，可以实现任意输入端口
的信号从任意输出端口输出，可见它可以实现输入与输出节目的强大调配功能。在数字电视
里使用矩阵的意义更大。数字电视的一个载波频道，可以载运6 套以上电视节目，载运哪几
套，组合是灵活的，有时需要调整，有了矩阵就容易了。还有，在数字电视播出中，增加一
套节目，不是象模拟那样加一台调制器，它是在虚拟状态下进行的：只要把要增加的节目从
矩阵输入端接入，切换到一个复用器上，复用进某个频道就成了。
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。
复用方式有一般复用和统计复用。
一般复用是，多路信号复用后输出信号的码率等于各路输入信号码率之和，各路输入信号的
码率不变。
统计复用是，根据信号的特点，动态地调整每路信号的码率。例如体育节目，动作变化大，
需要占用较大的码率；教育节目静止画面多，不需要大的码率。二者使用一个复用器，互相
调剂码率，充分利用资源，又保证每套节目都达到满意效果。
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。
以上几点提示我们，有线电视里的许多数据，如与节目有关的信息EPG、PSI、SI，管理信息
ECM、EMM，加扰信息等都是从复用器加入的。
处理部分的另一个重要功能是加扰。因使用设备不同，加扰可以在有内置加扰模块的复用器
中进行，也可以外接独立的加扰器进行。
⑶输出部分：
前端输出部分的功能，是把处理部分送来的，已按每8Mhz 带宽容量复用和加扰好了的多路
数字电视节目传输流（含节目、PSI、SI、EPG 及管理信息），变成可以在有线电视HFC网络
中传输的64QAM调制射频信号。
该在前端，信号的统一格式是什么样的？
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。
⑵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。
数字切换矩阵。切换矩阵也叫路由器。它有若干个输入口和输出口，可以实现任意输入端口
的信号从任意输出端口输出，可见它可以实现输入与输出节目的强大调配功能。在数字电视
里使用矩阵的意义更大。数字电视的一个载波频道，可以载运6 套以上电视节目，载运哪几
套，组合是灵活的，有时需要调整，有了矩阵就容易了。还有，在数字电视播出中，增加一
套节目，不是象模拟那样加一台调制器，它是在虚拟状态下进行的：只要把要增加的节目从
矩阵输入端接入，切换到一个复用器上，复用进某个频道就成了。
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。
复用方式有一般复用和统计复用。
一般复用是，多路信号复用后输出信号的码率等于各路输入信号码率之和，各路输入信号的
码率不变。
统计复用是，根据信号的特点，动态地调整每路信号的码率。例如体育节目，动作变化大，
需要占用较大的码率；教育节目静止画面多，不需要大的码率。二者使用一个复用器，互相
调剂码率，充分利用资源，又保证每套节目都达到满意效果。
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。
以上几点提示我们，有线电视里的许多数据，如与节目有关的信息EPG、PSI、SI，管理信息
ECM、EMM，加扰信息等都是从复用器加入的。
处理部分的另一个重要功能是加扰。因使用设备不同，加扰可以在有内置加扰模块的复用器
中进行，也可以外接独立的加扰器进行。
⑶输出部分：
前端输出部分的功能，是把处理部分送来的，已按每8Mhz 带宽容量复用和加扰好了的多路
数字电视节目传输流（含节目、PSI、SI、EPG 及管理信息），变成可以在有线电视HFC网络
中传输的64QAM调制射频信号。
该功能由信道编码和调制两部分完成，但二者都装在调制器里边。
QAM 调制器的主要接口。
QAM 调制器的信号输入是经复用的MPEG-2 传输流TS。输入物理接口是异步串行口ASI。
型式为BNC 75欧同轴卡口。一般还带有一个ASI输出口，它与输入ASI口是环通的（电平
相等，有源的），供另外的设备使用。
如果需要DS-3（E-3）或PSI（同步并行接口）输入接口时，可以定制。有DS-3 接口，可以
直接与SDH 的DS-3 输出连接，省去了DS-3/ASI的适配器，因为适配器内置于里边了（如华
为的调制器）。
调制器的主输出口是电视频道RF 输出。每频道8Mhz带宽，中心频率可以捷变，输出电平可
调，都是通过前面板的菜单设置。物理接口是75 欧同轴F 座。一般还设有-20dB 测试口。
调制器还有中频IF 输入/输出口。输入口输入已经QAM 调制的中频IF 信号，这时候调制器
只起变频率的作用，把中频IF 转移到电视频道上去。中频输出口输出经本调制器调制的QAM
中频信号，供另外的设备使用。使用时要注意中频的频率。
还有遥控接口，一般是Sub-9 RS485口。
综上所述，数字电视在HFC网络中的传输是三个环节，即信源——信道——信宿。对应的就
是前端——网络——机顶盒和信源适配、信道适配。机顶盒成为数字电视传输的一个重要环
节是一大特色，将来，机顶盒的维修可能纳入网络维护工作中。
网络传输中要注意的几个概念：
1、64QAM 调制频道传输实质上是数字信号的模拟传输，HFC网络可以不做任何改动，包括
电放大器、光设备、无源器件等。
2、关于传输电平：与模拟传输相同，都受限于有源器件的非线性动态范围。现在设为比模拟
低10dB，是由于二者功率分布不同，前者为峰值，后者为平均功率。全网整体平移后，虽全
部传输数字调制信号了，电平仍然低10dB是合理的。
3、在模拟传输时忽略了的网络和设备相位特性，在传输数字QAM 信号是成为重要矛盾。