有线数字电视前端系统基础知识

数字电视广播(DVB)分为有线数字电视广播(DVB-C)、卫星数字电视广播(DVB-S)和地面数字电视广播(DVB-T)，其信源编码都是MPEG-2标准的数据传输流，信道调制分别采用QAM、QPSK和COFDM(或VSB)方式。基于MPEG-2标准的DVB-C以有线电视网作为传输介质，当采用64-QAM正交调幅调制时，一个8MHz 模拟PAL电视频道可供6-8套数字电视节目复用传输。地市级有线数字电视广播系统(以下简称DVB-C系统)主要由DVB前端、宽带传输网络、用户终端DVB接收系统三大部分组成。

1 DVB前端

DVB前端是DVB-C系统的信息交换中心，负责信号的接收、处理和控制，完成信号输入、信号处理、信号输出和条件接收、节目管理、用户管理、系统管理等功能。为提高DVB-C系统的安全可靠性，DVB前端中重要的设备可采用“用1备1”自动切换的热备份，一般的设备可用“用N 备1”自动切换备份。

1.1 信号源

DVB前端的信号源有：本地播出的模拟和数字电视信号、模拟和数字卫星电视信号、演播室信号、Internet数据流、SDH网络的模拟和数字电视信号等。DVB/MPEG-2数字卫星电视接收机(解码器)负责对DVB-S节目进行QPSK解调，输出标准的数字电视节目传输流(TS)。而TS码流输入器则负责接收、选出上级广电SDH光纤传输网的多节目传输流(MPTS)中相应节目并与其它TS传输流复用成一路MPTS。

1.2 视频服务器

视频服务器负责将接收或采集到的不同信号源、不同格式(文本、数据流、视音频)的信息转换为符合DVB/MPEG-2标准的TS传输流数据，并采用大容量的硬盘阵列，用于存储和传输DVB/MPEG-2 TS传输流数据。视频服务器还负责对本地数字电视节目素材数据库进行有效的管理，并由自动播控系统控制，实现多路节目的自动(或人工手动)播出。

1.3 自动播控系统

自动播控系统负责将本地电视节目上载录入并存储在视频服务器的硬盘阵列中，并编制节目播出列表，在指定的时间按自动播控软件进行定时自动(或人工手动)控制、调用和播出视频服务器硬盘阵列中的数据或节目，自动播控系统主要由上载工作站、播控工作站及其相应控制和管理软件组成。

1.4 DVB/MPEG-2实时编码器

DVB/MPEG-2实时编码器负责对模拟视音频信号源进行数字化采集和MPEG-2压缩编码，输出符合DVB标准的MPEG-2 数字视音频基本流(ES)，再进行视频实时数字预处理、时基校正、打包(分组)等处理，打包后的视音频ES 流称为视音频PES流，然后将视音频PES流送往节目复用器。MPEG-2编码器由视音频接口、视音频压缩编码和复用三个模块组成。视音频接口模块是将模拟视音频输入信号转换为数字格式输入至编码模块，视频接口支持模拟复合信号、S-Video模拟信号、YUV模拟分量信号和SDI串行数字分量信号，并支持PAL、NTSC和SECAM 三大制式。音频接口支持一路模拟立体声或两路单声道模拟音频。音频编码由音频编码软件将音频接口输入的模拟音频信号按MPEG-2标准进行编码，得到音频ES基本流送往音频打包器打包成音频PES流，打包后的音频PES流也送往节目复用器。节目复用器将视频PES流、音频PES流和辅助数据PES流复用(节目级复用)成单节目传输流(SPTS)，再将SPTS送至DVB/MPEG-2传输流复用器。

1.5 DVB/MPEG-2传输流复用器

DVB/MPEG-2的复用分为节目级复用和系统级复用两个层次，节目级复用指从PES流到SPTS 流的复用，系统级复用指从SPTS流到多节目传输流(MPTS)的复用，DVB/MPEG-2实时编码器中节目复用器的复用是节目级复用，DVB/MPEG-2传输流复用器的复用是系统级复用。

DVB/MPEG-2传输流复用器负责将来自视频服务器、DVB/MPEG-2实时编码器和DVB-S的多路DVB/MPEG-2 SPTS(单节目传输流)复用(系统级复用)为一路MPTS(多节目传输流)，也就是将多个SPTS复用为一个MPTS，以节省和优化带宽资源，提高信道容量，实现在一个8MHz 模拟PAL电视频道上传输6-8套数字电视节目。DVB/MPEG-2传输流复用器的每路SPTS输入中包括视频PES、音频PES和辅助数据PES，其输出为MPTS，MPTS中包括多个节目源的不同信号，为了区分这些信号，在系统级复用时需要加入业务信息(SI)，使接收端可以识别不同的节目。DVB/MPEG-2传输流复用器在接收多路SPTS并将其复用成一路MPTS的同时，需去除零或不需要的包，必要时重新变换包识别符(PID)，并抽取和处理所收到的节目说明信息(PSI)和业务信息(SI)，将其和DVB前端产生的本地这类数据传输流集成起来，由条件接收(CA)系统进行加扰处理，已加扰的数字电视信号输出到QAM调制器。

1.6 DVB前端EPG子系统

DVB前端EPG(电子节目指南)子系统由SI Server(SI服务器)负责完成DVB前端SI数据的组织和生成，SI数据的组织要符合DVB-SI的语法定义和MPEG-2的语法定义，同时要涵盖所有的业务信息，并把生成的SI数据与节目的其它数据进行系统级复用，在TS传输流中传输。在DVB前端，SI数据段可以三种方式送入复用器：(1)将SI数据段通过复用器的API(应用程序接口)，由复用器插入节目码流。其优点是结构简单、系统稳定，缺点是需要复用器厂家提供硬件支持和接口资料，对不同厂家复用器需要编写不同的软件。(2)将SI数据段按MPEG-2标准打包，通过码流播出卡输出只包含SI信息的MPEG-2码流，再将之送入复用器的ASI(异步串行接口)与节目码流复用。其优点是不需要复用器厂家支持，有一定的通用性，缺点是系统复杂，稳定性、可靠性不如方式(1)。(3)加扰器厂家在复用器后端的加扰器提供接口，将SI数据段送入加扰器，由加扰器向节目码流中插入SI数据。其优缺点与方式(1)类似。

1.7 DVB前端CA服务器

条件接收(CA)系统(简称CAS)是数字电视广播实行收费所必须采用的系统，也是数字电视综合利用不可缺少的部分，CAS负责完成用户授权控制与管理信息的获取、生成、加密、发送以及节目调度控制等工作，保证只有已付费的被授权的用户才能收视节目，从而保护节目制作商和广播运营商的利益。

CAS 在DVB前端采用CA服务器负责ECM(授权控制信息)及EMM(授权管理信息)的获取、生成、发送等处理。(1)CARouter(CA路由器)负责CAS的中心调度工作，对请求连接的SMS(用户管理系统)和EPG系统进行安全性认证，实现CAS 和 SMS、EPG系统之间的接口，以便接收SMS的授权信息和EPG系统的节目计划信息。(2)CA加密机存储有运营商的根密钥，通过CA加密程序及加密算法对授权信息进行加密。(3)ECMG(ECM发生器)和EMMG(EMM发生器)根据CARouter的命令，读取CAS数据库后生成ECM和EMM，并将ECM、EMM发送给加扰与复用模块。(4)加扰与复用模块负责定义与ECMG、EMMG、SI Server等的接口，对视频、音频和辅助数据进行加扰处理，并与ECM、EMM复用在一起从发送端传送给接收端用户。(5)CAS数据库服务器则负责存储和管理CAS数据库，CAS数据库包含节目信息、节目分组信息、智能卡(Smart Card)个人化信息和分组信息、智能卡授权信息、系统日志等。(6)集成管理系统(IMS)负责设置CAS系统参数，连接CAS中各组成部分，查看CAS系统日志，监测CAS各个部分运行状态，管理和控制CAS的运行。

1.8 CAS的CA管理功能

CAS 的CA管理功能分为节目管理和用户管理两大类，节目管理负责提供数字电视运营的各种收视付费方式，用户管理负责对用户智能卡和用户收费等进行收视控制和管理。

(1)按频道付费收视(PPC):运营商指定某些数字频道供用户按月/季/年定购，运营商通过SMS将授权信息发送给智能卡，用户可以在指定的时间观看指定频道。(2)按次付费收视(PPV):运营商指定某些数字频道中的一次性节目单独收费，用户通过EPG选择想要观看的PPV节目，并通过电话、互联网等途径通知SMS要购买此节目，SMS将此节目的授权信息发送给对应的智能卡，不管用户有没有最终观看此节目，都要收费。(3)即兴点播按次付费收视(IPPV):运营商指定某些一次性节目为即兴点播按次付费收视，用户通过EPG查看、选择并购买感兴趣的IPPV节目，用户使用智能卡内的电子现金来购买，如果节目没有观看，则用户不需要付钱。即兴点播使用户可以直接购买节目，不需要和SMS交互，可以节约SMS的运营成本。IPPV可分为：(a)按节目即兴点播按次付费收视(IPPV/P)，用户只要收看了此节目，不管观看时间长短，都收同样的价格。(b)按时间段即兴点播按次付费收视(IPPV/T)，用户所花的费用和观看时间长短有关系，且运营商可以在前端设置各个时段的费率。(4)预订付费收视(OPV):运营商指定某些节目供用户进行预订付费收视，根据用户预订方式和CAS授权方式不同，OPV可分为按时间段预订付费收视(OPV/T)、按次预订付费收视(OPPV)等。(5)节目打包:运营商可以把一些节目或频道打包形成产品一起出售，用户购买单位是节目包(节目组)，节目打包可以减少运营商的管理成本。(6)免费预览:用户可以不缴费就观看节目中的一段，运营商可指定免费节目段的起始时刻和时间长度，也可在每天、每周或每月的固定短时间段提供免费预览。(7)回传功能：STB(机顶盒)通过回传通道将IPPV的收看和购买情况详细列表、PPC和PPV的收看情况详细列表、用户智能卡内的电子现金情况等发送给DVB前端。(8)区域控制：对某一指定范围的用户实施收视管制。(a)区域禁播：运营商可以控制某个区域的用户不能收看某个节目或频道。(b)区域准播：运营商可以控制某个节目或频道只能由某个区域的用户收看。(c)录像控制：运营商可以指定某个频道或节目不能被用户录制。(d)区域管制：对某一指定范围的用户实施收视管制，强制关闭或开启收视授权。(9)指纹技术：将用户的智能卡卡号显示在电视机屏幕上，可以控制集体用户不能使用个人用户智能卡来在公共场合播放节目或转播节目。(10)节目级别：运营商对每个节目或频道都指定一个家长级别，家长可以用遥控器通过密码设置和修改级别，控制节目的收看。(11)机卡配对：机卡配对由运营商激活或取消，一张智能卡只能应用于一个特定的STB，用户不能在多个STB上使用同一张卡，不能将智能卡带到其它区域使用，可以阻止盗版STB的发行，实现STB和智能卡的通讯加密，防止接收设备录制节目。(12)屏显信息(OSD)：OSD用于通知用户正在收看的节目的CA信息，如无权观看、现金不足、家长级别不足、其它即时应急消息等。(13)应用程序下载：下载应用程序到STB或智能卡上，改变STB的接收和控制功能，如集成EPG生成系统、PMS(节目管理系统)、SMS(用户管理系统)、智能卡发行与管理系统等。(14)用户管理：基于CA系统的SMS负责对用户信息、用户设备信息、节目预定信息、用户计费和结算及授权信息进行处理和管理，为CAS其它部件提供用户授权管理的基本数据。CAS通过SMS能迅速对大量用户进行控制，并利用DVB/MPEG-2标准码流将ECM和EMM等数据传送给接收端。(15)智能卡发行与管理系统：发行CAS中所需的各种智能卡，支持机卡配对，未配对的接收设备无权收视加密节目。

1.9 QAM调制器

QAM调制器负责对经过DVB/MPEG-2压缩编码、信道编码、复用、加扰等处理后的数字电视信号进行64-QAM调制。64-QAM调制器接收多节目数据传输流(MPTS)，对其进行帧交织、RS编码和64-QAM调制，输出中频调制信号到上变频器，变换为RF射频信号，与传统模拟电视RF射频信号以及扩展业务信号的RF射频信号一起送入混合器实现频分复用。

1.10 混合器

不同的已复用DVB/MPEG-2 TS流经过QAM调制后，将占用不同频带的8MHz 模拟电视频道，DVB前端的混合器负责对QAM调制器输出的DVB-C数字电视RF射频信号、扩展业务信号的RF射频信号和传统模拟电视RF射频信号进行混合(即进行频分复用)，混合器输出的混合RF射频信号送入广电宽带传输网络进行传输。1.11 系统管理

系统管理部分主要负责对DVB前端的输入和输出设备的工作状态、DVB前端的输入和输出信号进行实时监测和智能化、自动化控制和管理，以确保DVB前端安全可靠、高质量地运作。系统管理部分主要由DVB前端设备管理服务器、监测工作站、控制工作站及其相应控制和管理软件组成。