有线电视网络doc-有线电视网络的数字化概念

1有线电视网络的数字化金国钧2002.4.10众所周知，广播电视的数字化已历经三十多年，大致已走过了节目制作系统的数字化和演播室系统的数字化两个阶段，目前已进入了传输系统的数字化阶段，以最终全面实现广播电视系统的数字化。换言之，广播电视系统的数字化，是一个从信源传输到信宿的全面数字化过程，缺一不可。亦即，是一个全部以“0”和“1”两个数字符号表征的过程，尽管人们看到的、听到的都仍是模拟的。我国广播电视传输系统目前主要有卫星、地面和有线电视三大系统。卫星系统已实现数字化，采用DVB-S标准。有线电视系统的数字化刚刚开始，其中数字电视广播系统采用了DVB-C标准（已发布行业标准），前不久全国数据广播已开播；双向数据业务传输系统标准正在制订。地面电视广播系统正处于试验阶段。1、什么是有线电视网络的数字化？1．1什么是有线电视网络？*国际标准中（DOCSIS）的定义：它是基于同轴电缆共享媒介、树枝型结构、点对多点的宽带接入网络。它可以是全同轴电缆的或是光纤同轴电缆混合（HFC）结构的模拟传输网络。*我国标准中（GY/T106-1999）的定义：它是用射频电缆、光缆、多路微波或其组合来传输、分配和交换声音、图像及数据信号的电视系统。1．2需要建立的网络概念*有线电视网络无论采用何种网络结构、传输媒介及技术体制，其组成都应包括前端、传输系统及分配系统三大部分。*有线电视网络视传输环境、规模大小的不同，其传输系统（干线、支干线系统）可以是同轴电缆（局域网）、光缆（城域网）、多路微波MMDS（局域网或城域网）或它们的组合而成。*有线电视网络的分配系统是基于同轴电缆、树枝型结构的宽带接入网络。即采用树枝型结构来实现点对多点的用户接入，并在一根同轴电缆上采用非对称2的频谱分割来实现非对称双向业务的传输。*有线电视网络的功能，是传输、分配及交换图像、声音及数据业务信号。即以传输分配广播电视节目为基本业务，亦可传输、交换多媒体业务，即所谓的扩展业务和增值业务。1．3HFC有线电视网络1．3．1HFC的发展历程：*1988.2加拿大试验成功AM-VSB光纤系统，点对点光纤传送20套N制电视节目，传输距离13Km；*1988.4美国ATC公司试验成功AM-VSB光纤系统；*1991.12美国Timewarner在纽约皇后区建成150个频道（N制）的HFC局域网Quantum,设计用户规模1万户.*1993年,美国AT&T公司提出HFC网络结构.*1994年后,HFC被有线电视业广为采用,成为有线电视城域网发展阶段的主要结构模式。目前在中国＞80%城域网采用，在美国＞95%。1．3．2HFC结构模式：*“星树型”——小型城镇可采用“星”型光纤干线、“树枝”型同轴电缆分配接入；中型城市可采用“多星”（FTF）光纤干线、“树枝”型同轴电缆分配接入。*“环—星—树”型——“环”型主干光纤（自愈环）、“星”型支干光纤及“树枝”型同轴电缆分配接入，适用于人口密集的大中型城市。1．3．3HFC有线电视网络的带宽优势由表可见，HFC网络利用光缆干线、支干线延长网络的传输距离（DOCSIS规定前端到终端的最大距离为160Km）；并利用了共享媒介的同轴电缆的射频特性（1GHz）确保网络的宽带接入，其优势与采用铜双绞线接入的电信网和以太网相比十分明显：3表1.1地面有线网物理底层传输带宽比较网络类别接入介质物理带宽接入方式传输速率（Mb/s）传输距离（Km）备注电信网铜双绞线4KHz（300～3400Hz）NISDN0.128几十HDSL0.784约3.6DSL已商用ADSL1.5（下行）0.256（上行）约5.4SDSL1.5（上/下行）约3.6DSL未商用VDSL26（下行）1（上行）约0.3DSL未商用有线电视网同轴电缆1000MHz（5～860MHz）HFC41/55（8MHz，下行）0.32～10.24（0.2～6MHz，上行）几十64/256QAMQPSK计算机五类线/超五类线100MHz以太网10局域网（LAN）10BaseT*传输容量大——其物理带宽是电信网双绞线的20多万倍、以太网五类线的10倍；按现行HFC频谱分割，下行接入总容量（64QAM）＞3Gb/S，上行（QPSK）＞500Mb/S;*传输距离远——铜双绞线的传输距离随传输速率的提高而减少；HFC可在较长的传输距离上保持高速数据传输。*信道成本低——在DOCSIS标准中，推荐用[IEEE802.1d]以太网标准采用的公式进行比较。[IEEE802.1d]中使用的公式为：信道成本=1000/已连接的局域网速度（Mb/S）HFC采用CableModem接入的公式为：信道成本=1000/（上行符号率×长数据授权的每个符号的bit数）即上行采用不同调制方式（QPSK或16QAM）的符号率决定了标准的信道成本，按照DOCSIS规定的五种上行速率可算出信道成本如下表：4表1-2CM的信道成本符号率缺省信道成本ksym/sQPSK16QAM1603125156332015637816407813911280391195256019598对CMTS，该公式变为：信道成本＝1000/（下行符号率﹡每个符号的bit数）*业务适应性强——HFC的非对称结构对非对称信息业务的适应性的优于对称结构的电信网（ADSL/VDSL正是将对称结构的双绞线接入网转变成具有非对称结构的传输特性，来适应非对称信息业务的）；HFC的非对称结构对视音频广播业务的适应性，至今仍是电信网和以太网所难以满足的。由此可见，HFC网络是一个传输容量大、传输距离远、信道成本低、业务适应性强、结构简单、运行可靠、建设成本低的宽带接入网络。1．4有线电视网络的数字化上述情况说明，有线电视网络的数字化，应是指从前端、传输、分配及整个处理过程的数字化。即前端必须具有信源的数字处理能力，并以数字视音频及数据信号的下载，经数字化传输、分配系统由数字终端接收（STB或CM）鉴于对有线电视网络数据传输系统的研究和相关标准的制订，有线电视网络的数字化将是一个由模拟向数字技术体制的过渡过程。即目前是模拟的，将来最终是数字的，其间则是两者兼容的。过渡期间，模拟和数字将共存于HFC网络，且互不干扰。当然，涉及到传输系统的数字化，本来就广播电视系统数字化中技术难度最大、涉及面最广、运作最复杂的发展阶段。然而，有线电视网络的数字化已为期不远了。2、为什么有线电视网络要数字化？2．1数字化的好处如果从受众视听特征考虑，包括有线电视网络在内的任何广播电视传输系统5的输入/输出信号，在本质上都应是模拟的。然而，从数字化所能带来的好处看，还必须进行网络的数字化改造。网络数字化至少有三大好处：其一，是提高网络传输质量。即数字信号的抗干扰性和保真度要优于模拟信号：这是由于模拟信号在时间和幅度上都是连续的，因而在信号的采、编、录、制、播及接收的整个过程中，所产生的非线性失真和引入的附加噪声，都是“累加”的，保真度再好的系统亦难以使信号“复原”。而数字信号是只有两个电平值（“1”和“0”）的离散信号，即是在时间上和幅度上都离散化的信号，尽管在传输过程亦会衰减并受到噪声干扰，但由于两个电平值构成的数字脉冲序列，在传输过程中可经“判定”而再生，只要“判定”无差错，接收端的“再生”的数字信号并非“原”信号的复制，因而在理论上可以认为相当于将传输过程中引入的失真和噪声完全去除了。其二，是增强网络传输功能。即数字信号可以“会聚”，使系统的传输功能优于模拟系统。这是由于数字信号的比特流可以在一个传输信道内复接、交织，因而可以使辅助信号或数字信号与视音频一起被发送、存储或处理，从而使原来的广播电视频道具有拓展综合信息业务的能力。这就是实现了所谓图像、声音、数据在网上的“会聚”，或叫做“融合”。其三，是加大网络传输容量。即数字信号可以“压缩”，使系统的传输容量要远大于模拟系统。这是由于数字信号可以使用冗余度缩减的压缩编码（MPEG）技术，来提高频谱利用率；并利用前向纠错（FEC）编码技术，来增加系统传输的可靠性。因而使系统能以较低的运行成本，传送成百套高质量的数字声音、标清电视（SDTV）乃至高清电视（HDTV）节目。例如，现行的模拟电视信号（PAL-D）的传输带宽为8MHz，按CCIR601建议进行数字化处理：若亮度（Y）信号取样频率为13.5MHz，色差信号（R-Y,B-Y）的取样频率各为6.75MHz；按均匀量化PCM编码方式，每个取样按10比特量化（视频带宽为6MHz）；6则可算得：亮度信号的码率为13.5×10=135（Mb/S）色差信号的码率为6.75×2×10=135（Mb/S）亦即，编码后的数字电视信号为270Mb/S。显然，要传送这样数字化处理的电视信号占用的信道带宽太大[（0.5～1）270MHz]。然而，若采用压缩比大致在140：1的MPEF-1编码，则一路视频信号可控制码率在1.5/2/3Mb/S，其图像清晰度相当于VCD水平；若采用压缩比大致在70：1的MPEG-2编码，则一路视频信号可控制在码率在2/3/4/5/6/8Mb/S，其图像清晰度相当于DVD水平（码率的选取视图像活动程度而定）。由于8MHz带宽的信道经信道编码处理后的有效速率为38Mb/S（64QAM）/52Mb/S(256QAM)，则传送6Mb/S的MPEG活动图像，就可传送6套（64QAM）～8套（256QAM），其图像质量高于专业级，要好于目前的模拟电视接收质量。上述三大好处，最终将导致网络带宽资源的优化分配和最佳利用，使资源的利用率提高、成本下降。2．2广播电视数字化进程加快*模拟电视终止由日——世界上发达国家和地区，全面实现数字广播电视、终止模拟电视体制的时间表已基本确定在2010年前后。美国宣布在2006年，加拿大2007年，澳大利亚2008年，英、法、德、日、西班牙、新加坡、韩国等在2010年。*有线电视数字化先行——国家广电总局规划在2015年全面实现数字化电视广播。2005年数字有线电视广播将率先实现，目前正在进行13省市的试验。2．3数据业务市场急剧增长——从上个世纪90年代中期兴起的因特网推动下的信息革命，已风云全球。其网民数量以每6～9个月翻番的速度急剧增长，我国从1997年至今的发展速度亦有过之而无不及。据美国国际数据公司最近的报告预测，今年底全球网民将突破6亿，我国将接近3500万（2002年1月是3370万）。美国加特电子产品公司预测，到2003年，我国的网民将超过日本；届时，中国和日本的因特网用户总数将达到1.515亿户，占亚太地区的61%（预测亚太地区的市场价值约172亿美7元）。——因特网推动下的信息革命，在个性化通信上至少带来两方面的直接效果。家庭PC机拥有率急剧增长：据对全国31个大中城市的调查表明，我国家庭PC机的拥有率，从1999年的21.2%增长到2001年的38%。其中，北京高达64.7%，厦门50.5%，广州49.7%，上海49.1%，杭州45.4%，南京41.5%，郑州40.9%，长沙40.6%，济南39.7%，昆明39.6%，南宁39.2%，均高于全国城市平均数。*网站数量急剧增长：据统计，我国2001年的网站总数已达约24万个，其中在北京占20%以上。——数据业务急剧增长，必然导致对网络带宽的急切追求，造就网络运行商的巨大商机。于是：*电信业在改造城市电话网的基础上，采用ISDN（一线通）或ADSL（超一线通）来开发数据业务市场，满足用户需求。据报道，2001年全球ISDN用户约为1.04亿，我国约100万户（其中北京近22万户）。预计VDSL在明、后年亦将推出商用。从表1.1可以看出，这些DSL技术是基于窄带的铜双绞线上来拓宽等效带宽的，尽管有其局限性（速度越高，传输距离越短），但在开发数据业务市场上无疑是有贡献的。*专业通信业，如联通、网通、铁网、吉通等，亦都在各自独有的网络基础上，通过不同方式组建城域接入网，以图直接拥有数据业务市场份额。*有线电视业开始了数据业务的试运营。据了解全国有约20多个城市、地区的有线电视系统开始了数据业务的运营。其经济