数字有线电视系统传送流探讨 本文关键词：有线电视，传送，探讨，数字，系统
数字有线电视系统传送流探讨 本文简介：摘要：数字有线电视主要包括媒资存储、有线网传输、机顶盒交互等内容，本文详细介绍了数字电视从采集端到显示端的传输链路，并分别说明了各个组成环节的技术构成。关键词：数字；有线；存储；调制；传送流数字电视的三大传统标准为美国数字电视标准ATSC、欧洲数字电视标准DVB、日本数字电视标准ISDB，每个标准下
数字有线电视系统传送流探讨 本文内容：
摘要：数字有线电视主要包括媒资存储、有线网传输、机顶盒交互等内容，本文详细介绍了数字电视从采集端到显示端的传输链路，并分别说明了各个组成环节的技术构成。
关键词：数字；有线；存储；调制；传送流
数字电视的三大传统标准为美国数字电视标准ATSC、欧洲数字电视标准DVB、日本数字电视标准ISDB，每个标准下按传输途径可分为数字卫星电视、数字有线电视和数字地面广播电视三类。我国使用的数字电视标准主要借鉴欧洲DVB标准，数字卫星电视使用DVB-S，数字有线电视使用DVB-C，数字地面广播电视使用国家标准GB20600-2006《数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制》，即DTMB。数字有线电视作为受众观看广播电视节目的主要方式，主要通过广电主干有线网或混合光纤同轴电缆网进入用户机顶盒，实现交互视频/数据信息服务的授权。
1数字有线电视框架
数字电视涉及的技术主要包括信源压缩编码、存储技术、信道传输复用和调制技术、机顶盒解码技术等。目前国内数字卫星、有线、无线传输方式，标清或高清视频都是采用MPEG-2（ISO/IEC13818-2）进行编码。音频方面，美国采用AAC先进音频编码，高清用杜比AC-3环绕立体声，我国卫星和有线电视声音编码都采用MPEG-1的Layer2（ISO/IEC11172-3）。图像、声音、数据业务等复用原理也基本相同，主要区别在于信道编码和调制方式的不同。数字卫星采用MPEG-2/DVB-S技术，正交相移键控QPSK调制，信道编码调制符合国标GB/T17700-1999《卫星数字电视广播信道编码和调制标准》。数字有线采用MPEG-2/DVB-C技术，多进制正交幅度调制MQAM，信道编码调制符合行标GY/T170-2001《有线数字电视广播信道编码与调制规范》。数字地面广播电视采用MPEG-2/DVB-T技术，编码正交频分复用COFDM多载波调制，每个载波又采用QAM及QPSK调制，信道编码调制符合国标GB20600-2006《数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制》。数字电视传输链路如图1所示，演播室生成节目内容的数字基带信号，高清信号直接送至播出服务器，4K信号经转码服务器后也送至播出服务器，由播出服务器负责节目的编单、控制及存储。根据传输途径的不同，分别送往卫星地球站、广联传输中心和地面发射中心，提供数字电视的卫星传输、有线传输和无线传输（地面广播电视）。4K等超高清开始在广播电视领域投放和使用以来，有线电视网络也迎来新一轮的发展契机。对有线传输而言,首先是总前端要升级，视频压缩要升级为更高效的编解码模式；其次是网络要升级，要支持更高带宽的视频流稳定传输，特别是4K等超高清码流；最后是终端机顶盒要升级，要支持4K的编解码等。
2媒资存储
媒资系统是一个以管理为核心的计算机网络化应用系统，涉及网络平台及系统管理、视音频压缩编码技术、存储系统及管理、数据的迁移管理、编目和检索等，核心包括海量数据存储技术（分级存储管理）、存储网络技术（存储技术架构）和媒体数据压缩技术。总的来说，存储技术通常包括主机与存储系统两大部分。存储技术架构分为封闭系统的存储和开放系统的存储，开放系统的存储分为内置存储和外挂存储，外挂存储又分为直连式存储（DAS）和网络存储（FAS），其中网络存储分为网络接入存储（NAS）和存储区域网络（SAN）。主机访问存储系统的方式方面，常用的三种存储技术架构为直接附加存储DAS、网络附加存储NAS、存储区域网络SAN，其中SAN根据传输介质的不同分为FC-SAN和IP-SAN。常用存储方式对比如图2所示。DAS存储设备与服务器之间通过SCSI线相连，访问通常仅限于单个主机（处理器），有时可供小型集群配置中的两台主机访问。NAS采用网络（TCP/IP、ATM、FDDI）技术，通过网络交换机连接存储系统和服务器主机，使用传统以太网协议。SAN是一种通过集线器、路由器、交换机等连接设备将磁盘阵列等存储设备与相关服务器连接起来的存储专用高速网络。NAS每个应用服务器通过NFS/CIFS等网络共享协议，使用同一个文件管理系统；SAN结构中文件管理系统FS分别在每一个应用服务器上。FC-SAN通过FC通道来连接磁盘阵列，数据通过SCSI命令来直接与硬件进行通信；IP-SAN使用标准的TCP/IP协议，应用iSCSI技术的SAN网络，传输介质为IP网。海量数据存储策略引入分级存储管理，即提高每种存储设备的利用率，在满足用户需求的前提下节约整体的存储成本，将存储系统分为在线存储On-Line、离线存储Off-Line和近线存储Near-Line三种。在线存储，即随时保持实时快速访问状态，较高的I/O速度和良好的访问能力，指能够实现高带宽数据传输的设备，例如磁盘阵列RAID、NAS。离线存储，即平时与存储系统无连接，存储时需要将设备或介质临时装载到系统中，访问完成后再脱开连接，指用于数据备份的大容量存储介质，例如软盘、光盘、磁带。近线存储，即介于在线和离线之间，采用自动化手段与在线设备间发生频繁的数据交换，指带宽相对窄但数据容量大的设备，例如数据流磁带库、光盘塔。
3有线电视网传输
有线网传输涉及信源压缩编码、信道传输复用及调制技术。由于数字基带信号的码率太大，现有传输通道无法满足多套高码率数字信号的传输，在画面质量没有显著下降的前提下，需要对信源做压缩编码处理，以适应带宽需求。信道编码是为了保证信号传输质量，接收端能准确恢复发送端的码元，对误码率进行有效控制。调制是为了进行卫星、有线、无线等远距离传输，将经过压缩编码及前向纠错后的信号调制到载波上，再经由不同的传输途径抵达用户端。MPEG-2码流复用形式如图3所示。数字有线电视采用MPEG-2信源压缩编码，图像和声音信号分别经编码后生成了各自的基本流ES，视频和音频的ES流分别按一定格式打包，构成具有某种格式的打包的基本流PES，打包的步骤在打包器内实现。将视频、音频的PES流以及辅助数据如PCR时钟等按不同的格式再打包，即生成了特定节目的节目流PS。许多个视音频PES流及PSI/SI等系统数据复用而成的即是传输流TS，其中节目特定信息PSI包括节目关联表PAT、节目映射表PMT、条件接收表CAT、网络信息表NIT和传送流描述表TSDT；业务信息SI包括业务群关联表BAT、业务描述表SDT、事件信息表SIT、运行状态表RST、时间和日期标TDT、时间偏移标TOT、填充标ST、选择信息表SIT和间断信息表DIT，这些辅助信息可供接收端解码器还原节目及为自动搜索提供相关信息。PS包和TS包在结构上的差异，导致了它们对传输误码具有不同的抵抗能力，因而应用的环境也有所不同。PS流的包结构长度是可变的，任何一个PS包中的数据只属于某个固定节目，如果发生同步信息丢失的情况，接收机无法确定下一个PS包的起始位置，容易发生严重的数据丢失，一般适合误码情况较少、距离较短的演播室环境；TS流的包结构长度是固定封装的188字节，分为包头（PID、PCR等）和净荷（视音频PES流、辅助数据），当某个TS包同步信息丢失时，接收端可以在固定位置检测到其他包的同步字节，因此TS流的抗误码能力比PS流大大提高，在一些长距离传输、信道环境恶劣的情况下，比如光缆、有线电视、卫星等长距离的传输方式，均采用TS码流。MPEG-2传输码流分析基本内容如图4所示。根据MPEG传输码流的构成，可以把MPEG协议分析从上到下分为三个层面：针对传输码流的分析如节目服务信息PSI/SI、节目时钟基准PCR以及轮播分析等；针对打包的基本码流PES分析包括对视频、音频以及时间标记等；针对基本码流ES的协议分析包括视频基本码流、音频基本码流以及数据基本码流分析。考虑到传输互操作性，包括包之间的链接，以及对未来多媒体网络传输，TS接口既有适合数字电视的异步串行接口ASI、同步并行接口SPI，又有数字网络接口协议G.703（相当于E1）、异步转移模式ATM和适合长途骨干网SDH的接口（相当于DS3或E3）。DVB-C信道编码系统框图如图5所示。由于有线电视传输信道的途径较短，信号的衰减和受到外界的干扰较小，因此DVB-C系统中的误码较其他系统（如DVB-S、DVB-T）中的少，所以信道中仅采用一级纠错编码和一级交织。除此之外，DVB-C系统的数字调制方式通常采用频谱利用率较高的64QAM调制和256QAM调制方式，与多进制幅度调制MASK、多进制相位调制MPSK相比，多进制正交幅度调制MQAM充分利用了信号平面。因为随着调制进制数的增多，MQAM能使得在不减少信号矢量端点之间的最小距离的情况下，尽量增加端点的数目，也可在不增加解调难度的情况下，一个码元能包含尽可能多的信息，但是并不能无限制地通过增加电平级数来增加传输数码率信道编码的主要作用包含两点：将传输码流频谱特性转为适应通道频谱特性，从而提高信噪比；进行误码控制，包括误码检测及误码校正。前向纠错码FEC经历了三代发展，第一代主要指汉明码、BCH码、RS码，适用于10G以内的码流传输；第二代主要指级联、交织、迭代、卷积，适用于10G~40G内的码流传输；第三代主要指LDPC码、TURBO码、TPC码，适用于40G~100G以上的码流传输。新一代的数字电视标准，无论是卫星、有线还是无线，信道编码基本都采用BCH（外码）+LDPC（内码）的级联编码模式，调制方式采用COFDM或其他变种。
4机顶盒交互
数字电视机顶盒的工作流程大致如下：高频头接受来自有线网的高频RF信号，进行选频、降频调谐处理后转换成中频IF信号，经过QAM解码器完成信道解码，从载波中分离出视音频数据和其他数据信息的传送流TS，一般包含多个节目的视音频信息及数据信息，再通过解复用器提取相应的视频数据流，送入MPEG-2解码器分离出视频数据和音频数据，完成特定节目内容模拟视频和模拟音频的重现。对于付费电视，条件接收CA模块完成对视音频流的解扰，采用含有用户信息识别和计费管理的智能卡，保障用户的正常收听收看。数字机顶盒结构如图6所示。为了使数字电视在有线网络中传输，必须将数字信号调制到模拟载波上，常见的方法是将数字电视信号进行正交幅度调制，成为QAM调制信号。QAM调制是幅度、相位联合调制技术，利用了载波的幅度和相位来传递比特信息，不同的幅度和相位代表不同的编码信号。通常QAM调制方式有4QAM、16QAM、64QAM、256QAM，调制等级数M=2m，其中m代表每一个符号的比特数，例如当m=3、4、5、6、7、8、9时，调制等级分别能达到8QAM、16QAM、32QAM、64QAM、128QAM、256QAM、512QAM。调制等级数越小抗干扰能力越强，但调制效率越低，等级数越大抗干扰能力越弱，但调制效率越高，但其抗干扰能力也会有所降低，相应的会对传输网络提出更高的要求。兼顾调制效率和传输信道条件等方面因素，基于DVB-C的数字有线电视大都选用64QAM调制方式。QAM解码为调制的逆过程。与数字有线接入机顶盒不同的是，电信厂商等IPTV网络机顶盒虽然也能实现常规频道的直播、点播和其他信息的交互，但因为通过IP网络，无法看到传输节目的频点、符号率、调制方式等信息，与数字有线电视有着本质的区别。
5结束语
无论模拟电视信号还是数字电视信号，在传输过程中都不可避免要受到噪声、失真等干扰。模拟电视的噪声干扰直观地对图像产生影响，如雪花点、滚动、水平波纹等现象，而在数字电视上信道噪声干扰不会直接对图像产生影响，没有模拟电视图像劣化的渐变过程，而是在误码率达到一定程度时图像质量产生断崖式突变，产生马赛克、静帧或者图像中断现象。眼图等接口特性测量只能检测传输质量，无法判断图像信号质量好坏，常用的方法是利用星座图分析判断数字电视系统或信道中的缺陷和畸变，找出故障原因、噪声特征和来源。除此之外日常维护和查修还可关注平均功率PL、比特误码率BER、调制误差率MER、误差向量幅度EVM等指标，确保调制信号正常。DVB-C2采用新的编码和调制技术，在同等部署情况下频率利用率可提高30%，全数字化改造完成后，下行容量可提升60%以上。而且采用BCH（外码）+LDPC（内码）的级联编码模式，编码正交频分复用COFDM多载波调制，更好地支持业务自适应和动态分配，能有效解决当前DVB-C标准单频点带宽的扩容问题。在4K超高清领域，拓展包括电子节目指南EPG业务、视频点播VOD业务、数据广播业务、互动游戏业务、信息查询业务等，数字有线电视都将发挥不可替代的作用。
作者：林凡 单位：浙江广播电视集团
数字有线电视系统传送流探讨 来源：网络整理
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