双向有线数字电视网基础与设计

双向有线数字电视基础与设计焦方性中国广播电视协会技术工作委员会专家理事中国广播电视设备工业协会专家委员会委员中国广播电视设备工业协会有线电视分会专家组组长2010年5月1、必须符合国标、行标及各省、市、自治区的相关法规关于有线电视系统的部分国标、行标P-GB50200-1994《有线电视系统工程技术规范》GB/T6510-1996《电视和声音信号的电缆分配系统》GY5063-1998《市、县级有线广播电视网设计规范》GY/T106-1999《有线电视广播系统技术规范》GY/T170-2001《有线数字电视广播信道编码与调制规范》GY/T180-2001《HFC网络上行传输物理通道技术规范》GY5075-2005《城市有线广播电视网络设计规范》GY/T221-2006《有线数字电视系统技术要求和测量方法》2．有线电视在现有各种宽带网络中的位置除有线电视双向光纤电缆混合网CATVTWOWAYHFC以外，目前，具备规模的各种宽带网络还有：电信网，PSTN→ISDN→ADSL→VDSL；以太网，ETHERNET→FE→GE→TE；电力线通信网PLC。此外，还有无线局域网WLAN。存在即合理，各种网络均有各自的生存空间。事实上，各种网络各有优缺点，但是，都在进行着数据、声音、图像三网融合的工作，都在努力地争取着数字电视业务。各种网络之间，又竞争、又联合，形成了错综复杂的局面。各种宽带网络开展三网融合业务各有优缺点电信网数字用户多，但是，设备配置需升级、线路老化需更新。以太网是最集约化的网络，但是需全线更新为更高级别的线速路由交换机。移动网是最方便的随身网络，但是流量小、价格高。有线电视双向HFC是最佳大容量透明传输网、是最佳广播网、是唯一兼容模拟和数字信号的网络、是目前唯一可传输高清晰度电视HDTV的现实网络。其缺点是，非数字基带信号传输，必须使用大量调制解调器；信号幅度小，容易被干扰。必须充分认识各种宽带网络的优缺点，知己知彼、扬长避短，方能立于不败之地。交换式数字广播SDB数字电视总前端的全部广播、窄播信号，不进行多节目传输流MPTS的组合，不进行QAM调制，以数字基带单节目传输流SPTS群的方式输出；总前端至分前端，采用至少10千兆位的电信级城域以太网10GEMAN，大容量地向各分前端传输；各分前端只选择总前端送来SPTS群中的广播信号和与本分前端有关的窄播信号，组成若干MPTS，一一对应于边缘IP-QAM调制器群，向HFC网络传输。为尽量缓解MAN的压力，靠缓冲服务器解决重复点播的问题。电缆调制解调器终端系统CMTS设在分前端，负责双向通信。2．1广电系统数字化三步走的战略2003年开始，发展有线数字电视；2005年开始，开展卫星直播数字业务和地面数字电视；2008年开始，大力发展地面数字电视并开播高清晰度电视。卫星直播、网络电视，将成为有线电视强有力的主要竞争对手。卫星直播的优点是接收方便、节目量大；缺点是没有用户喜闻乐见的当地节目、难以交互。2．2有线电视从模拟整体转换为数字的时间表2005年，直辖市、东部地以上、中部部分地以上、西部省会；2008年，东部县以上、中部大部分县以上、西部少数县以上；2010年，中部县以上、西部大部分县以上；2015年，西部所有县。我国将关闭模拟电视。由于种种原因，有线数字电视计划2003年100万户、2004年1000万户、2005年3000万户的计划没有完成，至2006年底总共只完成了1000万户，但是，迫于残酷的竞争形势，经过上下努力，2007年必定是大发展的一年。美国原定2006年12月31日全境关闭模拟电视，现在已推迟到了2009年2月17日。令人欣喜的是，美国有线电视业从2000年起数字化改造，采用SDB、双向HFC结构，2004年起，收入已反超电信业。2．3有线数字电视的发展策略变化广电总局普及有线数字电视的策略：政府领导、广电实施、社会参与、群众认可、整体转换、市场运作。理念转变：网络为王→内容为王→服务为王。用户关心：内容、服务、性价比，不关心技术；努力做到使用户，需要，离不开。服务项目：视频服务，直播、点播、时移；信息服务，阳光政务、社区服务、网络游戏、互动广告、电视短信、交通服务；电子商务，家庭银行、电视商城、证卷交易、彩票业务；IP电话，可视电话。2．4卫星、地面、有线数字电视的调制方式卫星数字电视广播DVB-S，采用正交相移键控QPSK调制，效率低，但抗宇宙空间的干扰、噪声能力强；DVB-S2，HDTV采用H.264编码。地面数字电视广播DVB-T，采用编码正交频分复用COFDM调制；地面数字多媒体广播DMB-T，采用时域扩频同步正交频分复用TDSOFDM。均抗多途径干扰、适应临界区无缝换站接收，适用于地面移动接受和固定接收。有线数字电视广播DVB-C，采用多值正交调幅m-QAM调制，效率高（m值16、32、64、128、256、512、1024）。数字多路微波分配系统MMDS、数字多路超高频分配系统MUDS，采用与DVB-C相同的调制方式。用于地面固定接收，适用于分散、空旷、边远地区的固定接收。2．5交互式业务是必然趋势要满足用户不同的个性化需求，就必须互动，互动功能是开展增值业务的前提。有线电视系统中的各种互动方式可以是：双向HFC是主流。还有：单向HFC＋以太网、单向HFC＋无线局域网、单向HFC＋电话线、单向HFC预定可选、单向HFC用硬盘录像PVR等。数字电视广播可暂用单向，交互业务必须双向。2．6有线数字电视机顶盒为开展数字业务，有线数字电视机顶盒STB必不可少。带有用户管理系统SMS信息的IC卡，由当地有线数字电视网络运营商控制。为给用户提供方便，应有电子节目指南EPG、或电子信息指南EIG。为适应自由选用条件接受系统CAS，机顶盒应该通用，方向是软硬分离、机卡分离。目前，三个方案待市场选择：清华大卡USB2.0、国微大卡PCMCIA、交大小卡SC。电视机更新周期长、机顶盒更新周期短，两种更新周期不同的产品不宜合二为一，电视机内置机顶盒基本否定。机顶盒大体分为基本型、增强型、豪华型三类，但是三者之间无严格的界线。功能比较完善的机顶盒应该具备：Java中间键；既有下行解调器，又有上行调制器(DOCSIS2.0以上)；MPEG-Ⅱ、MPEG-Ⅳ、H.264解码，具有自主知识产权的AVS有望取代所有编解码洋标准，以便各种宽带网之间互连互通；SDTV、HDTV兼容；既有模拟音像输出，又有数字音像输出；具有存储功能；具有电缆调制解调器CM的功能；具有IP电话的功能；可以连接其他数字家庭终端设备。机顶盒更进一步的发展是家庭网关：具有RJ-11、RJ-45、USB、IEEE1394、HDMI（具有高带宽内容保护HDCP功能，2006年7月10日已升级至HDMIv1.3，由165MHz、4.95Gbps，升至340MHz、10.2Gbps）、电缆、光纤等各种入出接口；电缆接口具有QPSK、COFDM、TDSOFDM、m-QAM等解调功能；……。时移电视时移电视，没有特别严格的定义。一般意义上讲，就是实时存储、带时间标记的延时播放。有几种方法可以实现：1、实时存储+事后TVOD（自定时延时播放）；2、实时存储+事后NVOD（分时段延时播放）；3、无须前端存储，带硬盘录像的PVR机顶盒，也可以实现事先自主时移电视。3．频分复用FDM频谱配置3．1频谱配置及调制方式国内的四种上下行频率分割方式：30/47MHz；（原美标、原行标）42/54MHz；（现美标）55/70MHz；（现日标）65/87MHz。（现欧标、现行标）选择上下行频率分割方式的原则：首选现行标65/87MHz，原因是，符合行标、有效上行通带最宽；与当地有线电视网络采用的分割方式相同，以便对接。低端上行：5～65MHz，适应不同速率的业务，频道带宽分别为0.2、0.4、0.8、1.6、3.2、6.4MHz。送入STB或电缆调制解调器CM的时分复用TDM数字信号，经QPSK、或m-QAM调制器，符合FDM的要求。调频广播：87～108MHz，每频道0.2MHz，载频间隔≥0.4MHz，最多52个频道，调频FM调制。系统管理：108～111MHz，频移键控FSK调制。模拟电视：111～550MHz，每频道8MHz，最多54个频道，调幅残留侧边带AM-VSB调制。数字业务：550～862(750)将来87~862MHz，每频道8MHz，最多96个频道，TDM的数字信号，经m-QAM调制器符合FDM的要求。高端上行：900～1000MHz，预留。至今，高端上行国内外从未用过；而且，随着交互式数字电视业务的开展，下行带宽显得越来越紧张。2004年以来，一些国际大公司，已经将下行带宽上限扩展至1000MHz，下行又可以增加17个频道，变成了最多113个频道。3．2设备频率范围（MHz）前端光节点双向宽放下行：光发47～862、光收47～862、宽放47～862。上行：光收5～≥200、光发5～≥200、宽放5～65。无源设备5～1000。其中，上行光收发65~≥200MHz，用于在光节点通路口EXIT加入电缆接入网以外的信号，提高了上行通道的通信能力，模拟电视信号多时，用DFB上行光发；另一个用途是，光节点的各电缆端口均为5~65MHz输入，分别经频谱搬移至65~≥200MHz，再共用一台上行光发射机的技术，国内还无应用。3．3数字信号容量调制信号的占有带宽，即噪声带宽为BWocc=(1+)×fs。式中：α是滤波器的滚降系数。对M-QAM，α=0.15；对QPSK，α=0.35；fs是调制的符号率（或Rs）。每频道8MHz的M-QAM调制方式，fs=6.875Mbaud；得噪声带宽BWocc=（1+0.15）×6.875=7.91MHz。将星座图的符号点数记为M，总共比特率（或Ru）fb=m×fs。式中：m=10log2M=10logM/log2。M-QAM所载传输流的每个包长为204字节，减去每包16字节的RS（里德索罗门）纠错码，每包可用188字节。则：可用比特率fb=总共比特率fb×188/204。M（M-QAM点数）1632641282565121024m=10logM/10log245678910总共比特率fb（Mbps）=m×fs（8MHz频道fs=6.875）27.5034.3841.2548.1355.0061.8868.75可用比特率fb（Mbps）=m×fs×188/20425.431.738.044.450.757.063.4C/N门限（dB）17.720.723.726.729.732.735.7中国下行8MHz频道速率表（一）（二）0.8bps/Hz信号速率（r=6.4Mbps/8MHz）MbpsM（M-QAM点数）1632641282565121024m=10logM/10log245678910R=mr25.632.038.444.851.257.664.0C/N门限（dB）17.720.723.726.729.732.735.7上行频道速率表0.8bps/Hz信号速率（Mbps）M（M-QAM点数）rQPSK8163264128256m=10logM/10log212345678频道宽度MHz0.20.160.320.480.640.800.961.121.280.40.320.640.961.281.601.922.242.560.80.641.281.922.563.203.844.485.121.61.282.563.845.126.407.688.9610.243.22.565.127.6810.2412.8015.3617.9220.486.45.1210.2415.3620.4825.6030.7235.8440.96目前，下行全数字信号的最大容量：每台下行光发射机，64-QAM时，96×38=3.6Gbps、113×38=4.3Gbps；256-QAM时，96×50=4.8Gbps、113×50=5.7Gbps。64-QAM时，每户最高38Mbps；256-Q