全运村高清数字电视服务平台设计与应用

马云志

（辽宁省广播电视传输发射中心，辽宁 沈阳 110016）

全运村高清数字电视服务平台设计与应用

马云志

（辽宁省广播电视传输发射中心，辽宁 沈阳 110016）

简要介绍了建设全运村高清数字电视平台的具体思路，以平台的实际需求为出发点，从组成结构、设计原则、设备配置和业务规划等方面阐述了全运村高清数字电视平台的建设特点，从信源接收、转码以及复用加扰等多个方面探讨了平台的升级扩容能力，以及整个平台备份机制的实现和监控系统的组成，并介绍了系统的推广应用情况。

高清数字电视；转码；复用；核心路由；调制

为办好全运会，完善全运村服务保障措施，使全运村的工作人员和运动员在赛事之余能收看到高清体育赛事和高清数字电视节目。从高效、节约成本的角度出发，设计和规划了基于IP的高清数字电视服务平台，并为后期扩容辽宁省网高清数字电视服务平台奠定基础，同时也满足了省网数字电视用户收看高清数字电视节目的需求，进一步丰富有线网的节目内容，增加市场竞争力。

1 平台建设需求

从中星6A、6B上接收由MPEG-2编码的15套高清频道卫星节目（包括中央6），解密解扰后进行转码，采用H.264的编码方式，以压缩带宽，节省频点资源；从中星6A上接收3套中央台H.264编码的高清节目（中央3、5、8）；接收9套来自光缆干线网的付费高清节目，直接以组播的形式进行节目复用和调制处理；对本地2套SDI高清节目信号直接进行H.264的编码，整个平台共接收处理29套高清电视节目。

平台的搭建采用IP组网架构，卫星接收、转码、编码复用加扰采用数码视讯第三代媒体综合处理平台EMR组建，要求具有主备2路GbE接口，同时至少1路ASI输入和多路ASI输出接口，IPQAM调制部分要求采用高品质可靠性设备，采用数码视讯的IPQAM调制器10K511完成高清平台节目的调制输出，每个频点选用64QAM调制，符号率6.875 Mbaud，使用8个频点完成平台所有节目的调制操作，系统需与省网标清平台的EPG系统、CA系统兼容，支持EPG信息的插入和高清节目加扰，并支持4家CAS的同密。

核心路由设备采用Cisco三层交换设备，通过千兆接口与其他设备进行IP数据交换和信息处理，要求具备1+1冗余热备份；避免有“单点故障、全线崩溃”的故障瓶颈，提升平台的安全等级，系统应具有很高的稳定性和可靠性，并充分考虑未来平台扩容的需求，能够每天24小时运行，对于故障能快速恢复。

2 平台方案设计

2.1 平台系统组成

系统采用模块化设计，由信源接收、转码、编码复用加扰、信号调制混合这4部分组成。平台系统框图见图1。

2.1.1 信源接收

系统中14套高清卫星节目通过EMR配置专用卫星接收卡进行接收，每张接收卡可以接收一路高清节目流，共配置4台主用EMR实现，并以IP形式输出，其中EMR1～EMR3各配置5块卫星接收卡和1块ASI 5输入输出卡，EMR4配置3块卫星接收卡、1块ASI 5输入输出卡，并预留2个槽位，每块ASI输入输出卡为监测与TS平台预留，另外添加1台EMR设备作为N+1备份，配置1块卫星接收卡和1块ASI 5输入输出卡，并预留4个槽位。

图1 平台系统框图

中央3、5、6、8套节目通过专用接收机进行接收，中央3、5、8套节目原编码方式为H.264，所以不需再进行转码，接收输出的IP流直接进入核心交换模块进行信息交换，进行相应的复用加扰与调制处理，后期如果中央3、5、8套改成AVS+的视频方式，可通过卫星接收机先转换成高清串行数字信号，通过HD-SDI接口输出至备用转码板进行H.264的编码，再进行复用加扰和调制处理。

光缆干线网的9套付费高清节目（新视觉和DOXTV高清频道），由路由器转换成IP信号进入平台进行处理，本地节目的SDI信号直接输入编码板进行H.264编码处理。

2.1.2 转码

共配置6台转码EMR，其中3台主用EMR，单机满配6块高清转码卡，每块转码卡可以完成1套MPEG-2高清节目到H.264格式的转码，接收的MPEG-2卫星高清节目码率在18～20 Mbit/s之间，转码后的带宽设置为8 Mbit/s，采用固定编码速率（CBR）的压缩方式，转码后的数据以IP形式输出给核心复用加扰设备，另外增加3台EMR设备（配置6块H.264高清转码卡）完成1+1备份。同时每台EMR具有互为备份的2个GbE接口，每个接口里边有若干端口，主备接口里边的端口可进行对应的备份。

2.1.3 编码及复用加扰

使用主备2台复用器来完成对节目的复用、加扰以及编码处理。本地自办的2套高清节目通过1台EMR上配置的2块H.264高清编码卡进行H.264编码，该卡具有HDMI与SDI双接口，应用灵活。另配置1台备用EMR设备（配置2块H.264高清编码卡实现编码）与主用设备构成1+1的备份。

数码视讯的EMR是DVB广播系统中一种重要的设备，集复用、加扰、编码、转码和IP输入输出等多种功能于一体，内置加扰模块，所有高清节目在设备背板中进行复用，将单节目码流（SPTS）复用成多节目码流（MPTS），并按照DVB标准加扰算法进行加扰，通过前置的CA接口接入省网前端CAS信息，实现对节目流的加密加扰，完成高清业务授权生成，实现数字电视节目的有偿广播和收视管理，平台现已与Irdeto、数码视讯、永新视博、天柏4家CA实现无缝对接，CA应用服务器、数据库服务器和加密机都采用了双机热备份，增加了系统的安全性，所有加扰节目的ECM、EMM信息与视音频信息一起复用成TS流后，以IP形式输出。同时为保证系统的可靠性，每台EMR具有互为主备关系的2个千兆IP接口，以实现网口备份。

同时，为满足EPG信息插入和TS流平台信号的需求，每台EMR除具备2路主备GbE接口外，还配置2块ASI 5输入输出卡，可提供10路ASI输入输出的任意设置。

2.1.4 调制

复用加扰后的节目流进入数码视讯IPQAM 2.0（10K511）进行调制处理，单台IPQAM满配可插6块QAM调制卡，每块调制卡具备2路RF输出，可完成12个频点的调制输出，整机最多可完成72个频点的邻频调制，数码视讯的最新IPQAM3.0整机最多可完成192个频点的全频段不邻频调制工作。在此系统方案中，采用2台IPQAM2.0调制设备互为主备，每台IPQAM配置1块QAM调制卡，空余槽位为后期扩容预留，完成12频点节目调制输出，同时每台IPQAM具有互为备份的2个千兆IP接口，单口数据吞吐最高960 Mbit/s，主备千兆接口的切换条件为：检测接口的码率或时钟同步情况，当码率存在异常或同步时间超出一定间隔后，判定为接口的连接断开或节目异常，此时自动切换到备路IP信号做为输入，主备切换不依赖于网管系统，切换时间小于1 s。

由于H.264转码后的高清码流带宽设置为8 Mbit/s，所以每个频点按4套H.264高清节目进行规划，占用8个频点，调制后的射频信号进入HFC网络进行传输，终端用户通过高清机顶盒接收。

2.1.5 核心交换

核心路由交换模块为本系统的核心设备，采用3层部署，支持多种单播路由协议和组播路由协议，IP包的转发能力、组播处理能力满足系统实时传输IP视频流的要求，对流量做到绝对可控，丢包率、时延、抖动达到IP视频传输要求，充分保证视频的应用，具有多GbE端口扩展能力，采用1+1冗余热备份，当主用核心交换机故障，备机可在200 ms内完全顶替主机，完成系统内全部的处理功能。

2.1.6 RF切换输出

配置1台射频切换器，完成RF信号切换，6块卡槽内现插2块切换卡，实现2组4路RF备份功能。单卡具备RF转ASI输出的监视接口。实现信号电平、码率、PID的全面监测，具有先进的掉电记忆功能，可真正保证在掉电时输出可靠的信号。

2.1.7 监测系统

高清平台监测系统采用IP架构，以监控服务器、交换机、解调解扰卡为主要组成部分，应用16路QAM解调监测卡（BHQA68）在高清节目调制输出点进行监测分析，支持对16路IP加扰流进行自动解扰或绑定节目解扰，监测系统硬件采用模块化板卡，单通道出现故障不影响其他模块正常工作，板卡支持热插拔，可以快速完成替换，支持通道热备份。

对系统的控制通过网管软件来实现，包括Display，Sig⁃nalEye，Agent，Alarmcenter，CardManager，这些软件之间通过千兆以太网交换机，以码流数据组播和控制数据组播两种方式进行信息交换，从而完成故障报警、监测信息显示、码流检测、画面组合显示等功能（见图2）。

图2 检测系统画面组合显示图（截图）

2.1.8 统一网管

平台网管系统采用数码视讯统一网管系统10KM02，EMR设备和IPQAM均通过自身的网管接口与网管交换机相连，网管服务器通过SNMP协议与相连的设备进行通信，完成对设备的控制和管理，GUI用户界面，操作简便直观，支持Web方式，操作人员可根据自己的使用权限，在网管上对系统内设备进行参数配置和状态查询等操作。

网管系统提供备份策略和快速恢复策略，设备的主备切换可在网管的控制下完成，其切换过程平稳快速，能够准确地切换至备份设备，此外，设备可在无网管控制的情况下正常运行，脱机不会对整个硬件系统的运行造成影响。系统网管拓扑图见图3。

2.2 信号处理流程

从卫星接收的高清节目、通过光缆接收的付费高清节目以及本地编码的高清节目，通过IP输出接口分别送入主备核心交换机，核心交换机将接收来的高清节目信号通过目标地址发送给相应的转码器进行转码，转码器将收到的节目信号送到转码卡的硬件处理芯片上进行视频编码格式的转换处理，将MPEG-2编码的高清信号转变为H.264的编码格式，然后将生成的H.264格式的高清信号通过核心交换机送到复用器，进行复用加扰，并与EPG系统发送过来的EPG信息进行复用，复用后的多节目流以UDP组播方式通过核心交换，最终将已完成复用加扰的节目流通过边缘QAM调制器进行64QAM调制，符号率为6.875 Mbaud，输出射频信号至RF混合器，通过分配器将一路信号送至高清监控系统，另一路进入本地HFC网络，用户通过高清机顶盒即可收看到高清数字电视节目。

图3 系统网管拓扑图（截图）

2.3 备份机制

2.3.1 硬件备份

核心交换机为本系统的核心设备，采用1+1热备份，当主用核心交换机故障，备机可在200 ms内替代主机，完成系统内全部的处理功能。

全部采用1+1交叉堆叠热备方式，此种组网方式为目前最安全的组网方式，不仅保证了系统1+1热备份，同时可以做到只要同一节点的主、备设备不同时损坏，系统就可以稳定播出信号。所以核心复用加扰设备、转码器、调制设备进行了1+1交叉热备份，这种交叉堆叠方案的优势在于主备路系统不同设备都出现故障时仍可保证系统稳定运行，如主路的核心复用加扰设备和备路的调制设备出现故障，整个系统仍可通过备路核心复用加扰设备和主路的调制设备继续稳定播出，相比于链路方式的备份，交叉备份方式容错率更高，可以同时允许主备系统各有部分设备故障。

卫星接收部分采用N+1备份模式。

2.3.2 网口备份

主千兆卡实现网口级备份，主千兆卡的4个GbE网口，网口1和3是一组1+1的备份，网口2和4也是一组1+1的备份。当做输入网口备份时，主备网口中的输入内容必须是一致的，主备网口同时接收相同的数据，但接收IP和端口可以不同。当输出网口备份时，主备网口同时输出一样的节目流，主备网口输出时可设置不同的目的IP和端口。

当发现网口未连接、系统码率、有效码率为零或接收的码率在设置的阈值以外，则认为网口异常。进行主备切换，切换延时小于2 s，其中大部分时间用于切换条件的判断，执行切换动作的时间为毫秒级。

2.3.3 端口备份

进入背板的2个IP端口间，可进行1+1的端口备份切换。最多支持256组1+1端口备份。某一端口作为备端口后，则该端口不能使用，如复用和透传，主备两个端口支持透传的类型必须一致，内容也完全相同，主备端口各有码率上下限的限制，统计到的端口码率超出设置的上下限，则认为端口异常，要进行端口切换。

3 平台功能及特点

全运村高清数字电视平台，作为辽宁有线高清数字电视平台的过渡，充分考虑了系统未来的扩容性，并以节省投资成本、节省频点资源为原则，是基于系统稳定、安全，从既经济又实用的角度来设计解决方案，该系统的主要功能特点如下所述。

3.1 对信源进行转码压缩，节省带宽和频点资源

从卫星接收的MPEG-2压缩编码的高清频道，带宽都在18 Mbit/s以上，每个频点只能放2套高清节目，29套节目要占用15个频点，造成频点资源的极大浪费，为以后有线网的扩容增加了难度。本系统在不影响节目质量的前提下，将原高清节目转码为H.264的编码格式，单节目带宽缩减为8 Mbit/s，带宽降低50%，这样1个频点可复用4套节目，29套高清节目占用了8个频点，节省了50%的频点资源。

3.2 系统集成度高，综合成本低

该方案中的设备选型均采用集成式设备，具有高密度、高灵活性、更简洁的特点。整套方案相比于传统单机设备，空间节省75%，成本节约30%，通过对媒体综合处理平台配置不同的功能板卡即可实现在1U设备中完成多路信源接收、适配、复用加扰、编码或IP输入输出等多种功能，设备组网简单，在2个机柜中完成全部组网，在出现故障时，维护人员可在很短的时间内发现问题、解决问题，运营维护成本也大大降低，同时在正常运行中集成设备对机房环境的要求也比较低。

3.3 系统扩展性强

此次方案中，充分考虑到未来发展的需求，尤其是面对NGB和三网融合的不断推进，集成式IP组网方案更能满足未来系统多业务承载的需求和业务灵活调度、扩展的需要，系统提供了通用的GbE接口，方便开展数字电视新业务，能够实现信号的集中调度和任意路由分配，可任意完成频点规划。同时为配合信号内容的检测，保证安全播出，给设备提供ASI和IP检测点，卫星接收、编码复用加扰、调制设备都有相应槽位的预留，可实现扩容的平滑升级，保证系统建设完成后在相当长的一段时间内能适应技术发展变化、满足业务开展多样性要求。

3.4 设备管理能力突出

整个硬件平台采用统一网络管理系统，所有设备均采用EMR3.0实现，GUI用户界面简单直观，操作简捷，核心设备EMR和IPQAM除支持统一网管外还支持Web网管。任意配置端口为输入或输出，并根据需要配置ASI传输网络或者千兆以太网传输网络，可通过网管或单机Web界面配置任意端口的输入节目流，实现对全网节目的统一监控、配置、调度和管理，提高了管理效率。

3.5 能够实现AVS+到H.264的转码

AVS是我国具备自主知识产权的信源编码标准，随着数字视频技术的广泛应用和多种网络资源的融合，实现各种视频编码格式之间的转码要求变得非常具有实际意义。本系统能够实现AVS+到H.264的视频转码，在保证图像质量的同时，大大提高了视频流的转换效率。

3.6 强大的冗余备份机制，使系统的安全性更强

本项目充分考虑到备份系统的安全性特点，实现多层次备份机制，包括设备、端口、组播、节目备份，方案的所有核心设备均具备冗余备份机制，采用智能备份解决方案。

4 推广应用

该高清数字电视平台经历了全运会的实践检验，系统各项技术指标都达到了预期的设计要求，系统运行稳定可靠，目前已送入省网的市内各分公司前端，通过HFC网络覆盖了市内各分公司的所有用户，随着高清电视机的普及，以及高清机顶盒的推广，高清用户将逐步增多，项目的建设为辽宁有线电视网增添了新的活力，极大丰富了人民物质文化生活，促进了高清数字电视的推广。

[1]吴恩学.数字电视实用技术[M].北京：教育科学出版社，2009.

[2] 王明臣，姜秀华，张永辉.数字电视与高清晰度电视[M].北京：中国广播电视出版社，2005.

责任编辑：薛 京

HDTV Service Platform Design and Application of QuanYun Village

MA Yunzhi
（Liaoning Radio and TV Transmitting Center，Shenyang 1100116，China）

The concrete ideas of HDTV platform construction in QuanYun Village are proposed in this paper.As a starting point of the actual demand in the platform,the construction characteristics about the HDTV platform from the aspects of structure,design principle,equipment configuration and business planning are introduced.The receiving of source,transcoding and multiplexing scrambling,the upgrading ability platform,and the composition about the whole platform to realize backup mechanism and monitoring system are discussed,and the application situation of system is introduced.

HDTV；transcoding；multiplexing；core routing；modulation

TN943.5

B

10.16280/j.videoe.2015.04.003

2014-10-30

【本文献信息】马云志.全运村高清数字电视服务平台设计与应用[J].电视技术，2015，39（4）.