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有线电视中数字电视前端设计

时间:2011-11-20


有线电视中数字电视前端设计
在有线电视中,技术上先进的数字电视系统必然会取代模拟电视系统。模拟电 视传输质量不容易保证,频道数有限,难以提供高速信息服务,特别是很难提供 大范围的条件接收和用户管理功能。采用数字方式,则可以有效地克服这些缺点。 数字电视系统的优点在于: (1)大大提高现有电视节目的音像质量。数字电视采用数字传输和误码保护 技术,在加工制作、复制、存储和传输交换过程中受噪波和失真的叠加影响少, 接收端的信号质量可与发送端的原始信号质量相比拟。 (2)传输的节目多。数字电视采用先进的图像压缩编码技术,每套节目占用 的频带窄, 可以充分利用频谱资源。 例如在有线电视中, 传输 1 套模拟电视的 8 MHz 频道可以传输 4~8 套具有标准清晰度的数字电视(SDTV)节目。 (3)容易开展各种综合业务和交互式业务。电视系统全面数字化加强了广播 电视、通信与计算机业务的一体化,原本是完全不同媒体的广播、电视、通信和 计算机在全部数字化后,图像、声音、图文、数据等都以数字方式按一定规则被 复接成数据流进行传送,可实现视频点播(VOD,NVOD)、高速上网、电视购物、 电子游戏等增值服务。 (4)容易加密/加扰,开展信息安全/收费业务。条件接收系统(CA)是数字 电视收费的技术保障系统。条件接收的基本目的是在电视系统中对用户进行授权 控制及授权管理,从而实现收费系统的有偿服务。由于数字信号的易操作性,在 前端对信号加密和加扰都比较容易实现。数字传输收费系统保密性高,信号质量 好,操作方便。

以上这些优点使得发展数字电视的意义已远远超出了数字电视本身。但数字 电视是一个复杂的系统工程,在加快发展我国数字电视的同时,鉴于数字电视产 业发展的自身规律和我国的特定国情,必须分阶段、分层次循序渐进地推进,逐 步从模拟系统向数字系统过渡。 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。数字电视前 端包括许多关键性的数字设备和技术,如 MPEG- 2 压缩编码器、数字多路复用器、 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/音频技术、通信 技术、条件接收技术、网络技术及微电子技术等。因此,数字电视前端的管理模 式比模拟前端复杂,在进行数字电视前端设计之前,必须了解和掌握它的组成及 设备功能。 2 有线电视中数字电视前端的组成 数字电视前端不同于传统的模拟电视前端,对应于一个频点(即 8 MHz 模拟 电视频道)的数字电视前端组成如图 1 所示。 (1)信号源 我国从 1996 年开始通过卫星传输数字电视信号,目前,中央电视台的 12 套 节目和全国省市区电视台 30 几套节目都使用 DVB-S 数字电视技术标准。利用卫星 的一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 Per Carrier,即多路单载波) 方式。SCPC 方式的每个载波只传输 1 套广播电视信号,这样一个转发器内同时存 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。各省市区上星的数字压缩电视节目 几乎都是采用 SCPC 方式,中央电视台 8 套数字压缩电视节目则采用 MCPC 方式在 北京地球站上星。 (2)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。由于目前的 卫星已经可以将数字电视节目传送到各家各户,相应的国家标准也已颁布,可以 说,卫星电视系统的数字过渡已经完成。数字卫星接收应选用带 ASI 标准基带数 字信号传输接口的综合 IRD(符合 MPEG-2/DVB 标准)数字卫星接收机,这就保证 了与各种设备之间,以及与其他公司的设备之间的相互连接性。 (3) 数字多路复用器 复用是数字前端中的一个重要组成部分,它将所有接收到的信号以多个 ASI 传输流的方式加到复用器的输入,再将所需要的节目从传输流中提取,然后再将 提取的所有节目建立一个新的 TS 传输流,再加上附加信息以便引导机顶盒的正常 接收和解码。复用处理可以重新组织与更新它所取得节目的服务信息(SI),它 可实现在 1 个物理频道上传输 4~8 套数字电视节目。复用器可以通过前面板设置 参数,单独使用,也可以由前端系统主控机通过以太网进行控制。再复用处理应 该是易于操作的,也应该是非常可靠的,在对数字多路复用器选型时应考虑它的 扩展是否灵活。 (4) QAM 调制器 QAM 调制器实际包括基于 DVB-C 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; 调制是对经过信道编码的数字电视信号 QAM 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。 (5)上变频器 上变频器主要是将调制器输出的数字中频(IF)信号变为射频(RF)信号后 输出。上变频器在有些设备中是与调制器综合在一起的。 (6) MPEG-2 数字编码器 MPEG-2 编码器就是将模拟音视频信号(A/V)按照 MPEG-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-2 编码器压缩为 2~15 Mbps,一般采用 6 Mbps 可获得较好的效果。编码器具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 PAL/NTSC 模拟电视信号按 MPEG-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。 3 有线电视中数字电视前端的设计 有线电视中数字电视前端与模拟电视前端的设计有着很大的不同。在模拟电 视前端中,8 MHz 带宽只能传送 1 套电视节目,只需将 1 台卫星接收机与 1 个调制 器相连接就可以了。在数字电视前端中, 8 MHz 带宽可以传送 4~8 套数字电视节 目,传送节目的套数与哪些条件、设备有关,是设计中必须考虑的因素。 (1)与信道编码和 QAM 调制器有关 在有线网络传输中,一个 8 MHz 模拟电视频道最多可传输 6.9 Msps 的数字调 制信号,即 8/(1+0.15)=6.9 Msps。采用 64 QAM 调制方式,前向纠错 FEC 为 RS (204,188),最多可传输有效数字信号 6.9×6×188/204=38.1 Mbps。如采用 256 QAM 调制方式,最多可传输有效数字信号为 6.9×8×188/204=50.8 Mbps。 虽然传输有效数字信号增多,但抗干扰能力下降,所以目前普遍采用 64 QAM 调制 器,即对应于一个 8 MHz 模拟电视频道,调制器的输入码率惟 38.1 Mbps。

(2)与节目信号的传送方式和有效传输码率有关 在卫星信道传输中,我国上星的 DVB-S 节目多数为 SCPC 方式,符号率为 4.42 Msps,采用 RS(204,188)编码、3/4 卷积码、QPSK 调制方式,1 套节目的有效 传输码率为 4.42×2×3/4×188/204=6.11 Mbps,复用器可传送 6 套节目,即 6.11×6=36.66 Mbps,距最多传输码率 38.1 Mbps 还有裕量,复用器会自动以填 空包加以补足。如传输码率超过 38.1 Mbps,设有 7 套节目信号,第 7 套将不予传 送。因此,一个频点只能传送 1 套模拟电视信号,但能传送 6 套 4.42 Msps 数字 电视信号。 由此可见, 传送全国 30 几套省市区的数字电视节目, 也只占用 6 个 8 MHz 的模拟电视频道。 对采用 MCPC 方式传输的信号, 如中央电视台 8 套节目, 符号率为 41.53 Msps, 传输码率是 57.4 Mbps,超过 38.1 Mbps,复用器就选择其中的几路信号传送。 有线电视中数字电视前端设计与模拟电视前端设计的另一个不同是数字电视 前端中需要卫星接收机的台数与接收节目信号的传送方式有关。SCPC 方式接收 1 套节目需要 1 台数字卫星接收机,而 MCPC 方式 1 台数字卫星接收机就可接收多套 数字电视节目,因此在设计时要根据接收电视节目的套数确定所需要的接收机的 台数。 有线电视中数字电视前端的设计还应注意: 一是关于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, 模拟信号和数字信号是混合输出的,由于两者的调制方式不同,它们输出电平的 标准也不同。模拟电视的载波调制是 VSB 即残留单边带调幅制,数字有线电视的 64 QAM 调制具有类似双边带的特征,它们的峰值功率和平均功率是不同的,通常 数字调制器的输出电平比模拟调制器的输出电平低 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坦度直接影响到网络的系统指标。对前 端来说,除按线路设计控制输出电平外,高低电平差的大小也要控制好,频道间 电平差越小,系统平坦度就越好。一般前端模拟与模拟相邻频道、数字与数字相 邻频道之间电平差不要超过±0.5 dBμV。 二是关于调制器的频率设置。由于模拟信号和数字信号的调制方式不同,它 们输出频率的设置也有所不同,模拟电视调制器的频率是按图像载波频率设置的, 而数字电视调制器的频率要按照该频道的中心频率来设置。 4 结束语 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。 和传统的模拟电视相比,数字电视技术中软件技术占有更为重要的位置,电 视内容的重现及电子节目指南(EPG),用户管理系统和 CA 系统的建立等都要由 软件来实现。因此,数字电视前端设计远不能满足于硬件设备的完成,建立一个 数字化的安全高效管理体系,才是我们要追求的目标。


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