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第3章 有线电视前端系统 3.1 有线电视前端系统功能与组成 3.2 有线数字电视前端系统结构与功能 3.3 有线数字电视前端主要设备
3.1 有线电视前端系统功能与组成 3.2 有线数字电视前端系统结构与功能 3.3 有线数字电视前端主要设备 3.4 有线电视系统前端下行信号的混合与分配
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3.1 有线电视前端系统功能与组成 3.1.1 有线电视前端的功能任务 3.1.2 有线电视前端的基本组成
3.1 有线电视前端系统功能与组成 3.1.1 有线电视前端的功能任务 3.1.2 有线电视前端的基本组成 3.1.3 有线电视前端主要功能体介绍
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3.1.1 有线电视前端的功能任务 前端是信号源接收端与干线传输之间的设备组合。它是各种信号的汇集点，在有线电视广播系统中，是多频道复合信号下行传输的起始点，在有线电视交互系统中，也是上行信号的汇聚点，起着系统核心和整个网络信息交换处理中心的作用。由于我国地域广阔，发展情况各不相同，前端的规模、种类、功能和设备差异很大。 随着网络的建设和改造，前端不仅传输模拟电视、模拟广播业务，还开展数字电视、数据广播和双向数据等业务。与此相适应，前端的结构、功能、规模和复杂程度也不断发展。 前端的任务包括： ① 将来自各种信号源的信号经接收、处理、变换、调制和混合，转换成射频信号或光信号，送给传输和分配系统； ② 接收来自上行通道的回传信号，进行相应的处理。 前端系统的正常运行还要求配备相应的供电系统、温湿度控制系统等基础设施保证系统。
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3.1.2 有线电视前端的基本组成 (1) 完整的有线电视前端包括三个组成部分： (2) 综合前端的典型框图
(1) 完整的有线电视前端包括三个组成部分： ① 模拟前端部分：主要完成模拟广播电视各类信号源的接收和下行模拟电视信号和调频广播信号的加工处理，并将各路信号混合成复合 RF 信号送给传输干线。 ② 数字前端部分：主要完成数字广播电视各类信号源的接收和下行数字电视信号和数字声音广播信号的加工处理，并将各路信号混合成复合 RF 信号送给传输干线。 ③ 数据前端部分：主要完成交互业务数据的变换和传送。 (2) 综合前端的典型框图
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3.1.3 有线电视前端主要功能体介绍 ( 1 ）前端的信号源 卫星传送的广播电视节目信号和数据广播信号。
经光缆、电缆或微波传送的广播电视节目信号和数据广播信号。 数据业务信号。 本地节目信号。
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( 2 ）模拟电视前端 模拟前端处理的对象是信号源给出的模拟电视信号、模拟声音信号。主要功能包括信号放大、频率变换、调制解调、邻频处理、电平调整与控制混合。 模拟电视前端由调制器、信号接收设备、信号处理器、射频混合器、解调器、卫星接收机等设备组成。模拟电视信号的处理过程是接收来自各种信号源的模拟信号，经过处理、变换、调制，产生的射频信号经混频后输出。
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( 3 ）数字电视前端 数字电视前端主要应用于数字电视节目的接收、复用、加解扰、调制混频，各种多媒体数据信息的采编、制作和播出，准视频点播节目的调度、编排和播出，节目的接收、存储、管理、加密、播出以及对用户的授权、管理、计费等。 数字电视信号处理主要过程是：接收来自各种信号源的信号，经协议转换、接口变换或编码后，统一为 MPEG 一 2 格式的传输流数字信号。然后进行信号的复用调制，信号的同步等。信号的控制包括流量控制、误码控制、故障控制、性能管理和安全管理等。 数字电视前端由数字卫星接收机、编码器、视频服务器、适配器、复用器、 QAM 调制器等设备组成。完整的数字电视前端一般可分为四个主要部分：信号输人部分、信号处理部分、信号输出部分和系统管理部分，每一个部分都有其特定的功能。
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( 4 ）数据前端 数据前端完成双向网络中交互业务数据的传送和交换。
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3.2 有线数字电视前端系统结构与功能 3.2.1 有线数字电视前端系统组成结构 3.2.2 数字前端各子系统的功能作用
3.2 有线数字电视前端系统结构与功能 3.2.1 有线数字电视前端系统组成结构 3.2.2 数字前端各子系统的功能作用 3.2.3 有线数字电视前端系统案例
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3.2.1 有线数字电视前端系统组成结构 （1）有线数字电视系统典型结构
有线数字电视系统是基于有线电视网络开展数字电视业务的综合系统，根据系统的功能设计和选择，其构成有所不同。一个典型的有线数字电视系统由前端信源、SI/PSI生成、数据广播、复用和加扰、条件接收、用户管理、传输、用户终端和网管等部分构成，典型的结构如图3－2所示。 在图3－2中，各模块均为功能实体。一个功能实体可能由一个或者多个物理实体来实现，而一个物理实体也可能实现一个或者多个功能实体。在实际中，根据系统功能选择的不同，特定的某些有线数字电视系统可能不包括图中的某些部分。
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（2）有线数字电视前端系统组成 有线数字电视前端系统按功能来分，可以分为信源子系统、 SI /PSI 生成子系统、数据广播子系统、复用和加扰子系统、条件接收子系统、用户管理子系统、网络管理子系统和传输子系统中的 QAM 调制及混合部分。其原理图如图 3--3所示。
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3.2.2 数字前端各子系统的功能作用 （1）信源子系统
前端信源子系统为整个系统提供音视频节目，包括编码器、卫星接收机、网络适配器、存储播出等设备，分别对模拟／数字的基带信号、数字卫星信号、 SDH 心 WDM 江 P 网络信号以及传输码流或文件进行编码、接收、适配和存储处理，为下一级提供 TS 码流信号。 其中，存储播出设备对有线电视前端本地播放的数字视音频节目进行存储、管理、调度和播出。典型的存储播出设备包括视频服务器、节目存储库等。
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(2) SI/PSI生成子系统 (3) 数据广播子系统
SI/PSI生成子系统根据有线电视节目信息产生各种SI/PSI表，包括生成 EPG 基本信息等。 对于个性化的 EPG 扩展信息，用户可以根据具体情况通过专门的方式传送。 (3) 数据广播子系统 数据广播子系统是指对数据广播业务进行管理和播出的系统。此系统通常包括数据广播服务器。数据广播子系统常用于传输文字、图像、音视频片段、数据等多媒体内容。
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（4）复用和加扰子系统 复用和加扰子系统按照营运的要求对各类节目和控制信息进行业务组合，完成对各路 TS 码流的复用和加扰。该系统通常包括复用器、加扰器以及负责 TS 码流分配调度的数字矩阵等设备。 （5）条件接收子系统 条件接收子系统实现数字电视业务的授权管理和接收控制，使被授权的用户可以使用相应业务，而未经授权的用户不能使用相应业务。 条件接收子系统包括前端CA部分和用户终端CA部分。典型的前端CA部分包括ECMG、EMMG、加密单元等设备，用户终端CA部分包括用户终端的CA模块和智能卡等。
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（6） 用户管理子系统 用户管理子系统主要是对有线数字电视用户进行管理、计费、收费和授权的系统，包括对用户信息、产品信息、设备信息、授权信息、账务信息等进行记录、处理、维护和管理。它通常与条件接收子系统联合使用。 （7）信道编码调制 信道编码调制属于传输子系统中的一部分，在前端中主要包括 QAM 调制器和混合器。 通常 QAM 调制器的功能是对从复用器来的 MPEG 一 2 TS 码流进行信道的编码和调制。
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（8） 用户终端子系统 用户终端子系统完成对有线数字电视信号的解调、解复用、解密解扰、解码和多种业务的处理，也可以包括不同的交互和上行传输等功能。 （9） 网管子系统 网管子系统包括前端网络设备管理和HFC网络设备管理两部分。它们分别对前端设备和HFC网络设备进行管理和调度；能实时监控设备的运行状态、运行参数，实现配置参数等；并且在出现故障时，能迅速进行诊断、定位和调度，在较短时间内使系统恢复正常工作。
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3.2.3 有线数字电视前端系统案例 (1) 有线数字电视前端系统案例1
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（2）有线数字电视前端系统 案例2
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（3）有线数字电视前端系统 案例3
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3.3 有线数字电视前端主要设备 3.3.1 MPEG 编码器 3.3.2 复用器 3.3.3 加扰器 3.3.4 QAM调制器
3.3 有线数字电视前端主要设备 3.3.1 MPEG 编码器 3.3.2 复用器 3.3.3 加扰器 3.3.4 QAM调制器 3.3.5 矩阵切换器
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3.3.1 MPEG 编码器 MPEG 编码器包括视频编码器、音频编码器和数据编码器。
视频编码器把输入的模拟视频信号按 4 : 2 : 2 格式经 A/Ｄ转换变成 270Mbit/ s 的数字信号，再经编码压缩成码率为5 Mbit/ s的数字信号； 音频编码器把输入的模拟音频信号进行 A 乃转换、编码压缩成为 2 X 256kbit/ s 的数字信号； 数据编码器对 19.2 kbit/ s 的服务数据和业务数据（包括图文电视）进行编码。
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(１) MPEG 编码器的组成及工作原理 MPEG编码器是将模拟电视音、视频信号进行编码压缩，输出实时 TS 的数字前端设备，主要由包括音、视频 A /Ｄ转换器在内的音视频接口、音、视频编码器、节目复用器、输出接口和系统控制等部分组成，组成方块图如图 3 一 8 所示。目前，编码器整机产品都采用超大规模的专用集成电路即编码芯片，只需附加一些外围电路就可对采集来的音视频信号进行压缩编码。
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(2) MPEG 编码器实例1――某品牌单路MPEG-2编码器
1功能描述 MPEG-2编码器完全符合DVB标准的广播级实时视频和音频MPEG-2压缩编码设备，其功能是将模拟视音频或者音视频数字分量输入的信号，进行数字采样、并经过压缩编码后复接为单路TS节目传输流（SPTS）输出。 它采用4:2:0视频编码方式，通过高精度12bit的视频量化和24bit的音频量化、27MHz的视频采样和32、44.1、48KHz音频过采样等AD转换，并经过高度集成、且具有数字降噪功能的单编码芯片的数字压缩编码处理，其码率利用率高，可实现最大的带宽利用率，且应用灵活，完全可以提供高质量的视音频压缩服务。
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此外，还可以通过其高效码率和缓存的控制，使在高或低码率下，均可确保得到完美的画质。其输出压缩码流率在1～15Mbps内可调，两路ASI口的TS输出，可通过以太网进行远程控制和升级。
广泛应用于各种CATV有线电视数字、MMDS数字前端和骨干分配网络、远程监控等节目的压缩传输，以及视频网络数字化的应用领域； 在各有线台站、宾馆酒店、企事业单位、城市小区等CATV前端中，进行模拟节目信号的数字化转换。
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3 原理框图
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3.3.2 复用器 复用器用来将来自各节目源的数字音频、视频和数据进行合成、滤波，形成复用的传输流输出。复用器不仅能将多个单节目流根据用户需要合成为一路传输流，还可在输出码流中插入 EPG 以及数据广播等各种数据信息。 由于来自卫星电视广播、数字通信干线、地面数字电视广播的数字节目的服务信息表 ( SI ）与 DVB 一 C 分配系统所需要的 PSI、 SI 不同，所以必须更新 PSI、 SI的内容。来自不同节目源的节目经过取、舍，重新组合、复用成新的 TS 码流后，其节目关联表（ PAT ）、节目构成表（ PMT ）必须更新。而且不同节目源的 TS 码流的包识别符 PID 之间可能会有冲突，因此新的 TS 码流中的 PID 也需要重新定义。对于经过 MPEG 一 2 编码压缩的本地节目所形成的 TS 码流，则需要进行 SI 的编辑，使之具备完整的服务信息，以便终端机顶盒能正确接收。
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（1） 复用器的组成及工作原理 传输流再复用器是有线电视数字前端设备中的重要组成部分之一，根据需要有六路、八路、十二路等之分。它们的基本组成部分都是一样的，只是输入接口的数量不同。传输流再复用器由若干个 ASI 输入接口、先进先出移位寄存器（ FIFO ）、 CPU 及逻辑控制、通信接口和 ASI 输出接口等组成。传输流再复用器的组成框图如图 3 一 16 所示。
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（2） 复用器实例――某品牌双输出复用器
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1 概述 该品牌双输出复用器是数字广播电视系统TS流再复用器。双输出复用器将前端经过压缩、编码和复用后得到的多个单节目或多节目传输流根据用户需要合成为两路传输流，并可在输出码流中插入EPG(Electronic Program Guide)、CA(Conditional Access)以及数据广播等信息。它最多可同时对8路输入码流进行复用，支持串行ASl接口，输入码流的码率最高为214Mbps，具有两组独立输出通道，每组两个相同的ASI输出，输出码率则可达108Mbps。通过设备辅助数据输入通道，可将外部SI(Service Information)服务器上生成的SI TabIe等数据实时插入输出码流，从而实现EPG及数据广播等增值业务。其体积为标准1U机箱，通过前面板液晶显示屏可实现完全的脱机设置和运行。
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可外接独立加扰器，能对指定的节目或服务进行加扰 产生PSl/SI信息 支持PCR校正和PID重映射 超大缓存，抗突发码流
2 主要特性 符合ISO13818和EN 标准 支持MPEG-2传输流再复用 对SPTS和MPTS码流均可进行复用 可外接独立加扰器，能对指定的节目或服务进行加扰 产生PSl/SI信息 支持PCR校正和PID重映射 超大缓存，抗突发码流 可插入数据，并且能够对各种数据进行复用和传输 支持多台设备之间的级联 高可靠性设计，运行稳定 具有报警功能 支持网络远程升级功能 两组(每组2个)独立输出通道，支持两组不同码流输出 支持PSI/SI编辑 支持液晶&按键操作 支持网络管理(NMS)
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3 技术指标
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3.3.3 加扰器 (1) 加扰器功能原理 加扰机要符合ISO/IEC 标准的DVB TS 码流处理器，加扰采用DVB Common Scrambling 通用加扰算法，对来自复用器和其它数字前端设备（数字卫星接收机、数字编码器、视频服务器等设备）的数字电视传输码流TS （Transport Stream）信号进行加密处理，结合用户管理系统SMS，插入条件接收CA的EMM 和ECM 信息，实现有线或无线数字电视节目的条件接收，用于防止非授权用户得到加密的视频流和数据流。
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(2) 加扰器的功能特点 支持单节目码流（SPTS）和多节目码流（MPTS）的输入 输入TS流解析功能 能对指定的节目和基本码流进行加扰。
可分别对音频、视频及数据实施单独或者任意组合加扰 符合DVB通用加扰算法，支持同密模式，兼容多个条件接收(CA)系统 密钥周期可调 输出码率可调 输入码率1-54Mbps，码率自适应 204/188包长自适应 PCR校正 支持远程实时监控 支持在线升级
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（3）接口介绍 输入：2个，BNC，75Ω 输出：2个，BNC，75Ω 网管：10/100BaseT 电源：220V~50Hz
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（4）加扰器实例――前、后面板示意图
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3.3.4 QAM调制器 （1） QAM调制器功能作用 QAM调制器是有线数字电视前端的主要设备之一，接收来自编码器、复用器、DVB 网关、加扰器、视频服务器等设备的DVB传输码流，进行RS编码，卷积交织和QAM 调制等信道处理，提供中频输出或者射频输出。 TS 传输流在送入信道传输前必须将数字码流调制到适合信道传输的载波上或变换为适合信道传输的形式。为了提高频谱利用率，必须采用多进制的调制方法，这样在一个码元上可以传输多个比特，以降低码率和信道带宽。正交幅度调制（ QAM ）就是常用的多进制调制方法，它采用幅度、相位联合调制的技术，利用载波的幅度和相位来传递信息比特。正交幅度调制也称为正交幅移键控，这种键控由两路数字基带信号对正交的两个载波调制合成而得到。
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（2）有线数字电视广播QAM调制器技术要求
有线数字电视广播QAM调制器技术要求符合GY/T 198—2003 标准，技术要求见表3－4。
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（3） QAM调制器实例
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2 主要特点 可工作在QPSK﹑16QAM、32QAM、64QAM、128QAM、256QAM方式 输入接口：ASI/SPI
有效输入数据的比特率范围:2Mbaud/s～56MBaud/s 输出数据的比特率范围:2Mbaud/s～56Mbaud/s 输出信号的带宽（BW）范围：1.15MHz～8.05MHz 输出数据符号率范围：1 MBaud/s～7MBaud/s 面板显示采用LCD 有远程管理与控制接口（选件） 具有掉电记忆功能
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3 主要技术规格
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3.3.5 矩阵切换器 (1) SDI/ASI矩阵切换器功能原理
所谓切换，是指一个信号通路或设备的一部分为另一个信号通路或设备所替代的操作。切换后系统或设备在新状态下仍能正常运行。有线电视前端信号的切换，是属于弱信号的切换，通常利用集成电路芯片内部的电子开关进行信号切换。切换操作可以是自动控制的，也可以是手动控制的。 SDI/ASI 矩阵切换器矩阵切换器能将多个SDI和ASI输入接口的高速数据进行数据切换处理并选择切换输出到其中指定的端口进行输出，用于多个DVB ASI接口和多个数字视频信号接口的切换选择输出。
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(2) SDI/ASI矩阵切换器实例―― 科迪 Kd7000SD-SDI数字标清矩阵
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3.4 有线电视系统前端下行信号的混合与分配 3.4.1 概述 3.4.2 有线数字电视HFC 系统前端下行信号的组成及特点
3.4 有线电视系统前端下行信号的混合与分配 3.4.1 概述 3.4.2 有线数字电视HFC 系统前端下行信号的组成及特点 3.4.3 HFC 系统前端下行信号的混合、分配方式与调试分析
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3.4.1 概述 有线数字电视 HFC 系统前端是有线电视系统的心脏，选择性能和技术指标好的设备来搭建系统的前端，是保证系统指标满足国家标准要求的前提，也是确保系统稳定可靠运行不可缺少的硬件基础。合理地选择下行信号的混合、分配与调试方式，不仅是充分发挥系统硬件的性能、确保系统指标在前端不被劣化（相当于透传）的关键环节，而且是保证系统稳定可靠运行的软件，同时也影响到建成后的系统升级是否具有操作容易性、实施可行性、维护方便等一系列的可持续发展问题。 对于上述问题，可以概括为：一是前端设备的选型问题；二是前端系统的结构选择与调试问题。在经济条件允许的条件下，相对来说设备的选型不是十分困难，只要选择上档次的厂家生产的高性能指标的前端设备就可以达到设备选型的要求，所以选择系统的结构和调试问题变成系统搭建的关键问题。下面就有线数字电视 HFC 系统前端下行搭建中信号的混合、分配与调试方式进行讨论。
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3.4.2 有线数字电视HFC 系统前端下行信号的组成及特点
( l ）系统前端下行信号由信源混合、信源放大、信源分配 3 个部分组成。 ( 2 ）下行信号经前置放大前有三次混合、两次分配，经前置放大后可以再进行一次混合、一次分配，非常有利于系统的升级、扩容和信号的分配。 ( 3 ）混合器的型号有 3 种（八路混合器、四路混合器、二路混合器），分配器的型号最多也只有 3 种（八路分配器、四路分配器、二路分配器）。由于器件的一致性强、互易性好，非常有利于系统的备份。
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( 4 ）在信源混合方面，系统第一次混合可以混合的频点为8 x l = 8 （个） , 第二次混合可以混合的频点为 8 x 8 ＝64 （个），第三次可以混合的频点为 64 x 2 = 128 （个）。按每个频点所占用的带宽为 8MHz 计算，系统的带宽应为 128 x 8MHz = 1 024MHz ，所以系统具有 1GHz 的带宽扩展能力，完全满足系统的可扩展性要求。
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( 5 ）在信号分配方面，图 中的下行信号可以提供的信源为 8 x 8 x 2 = 128 （个）。假如设定所有的信源除留出 1 ~ 3 路用于前端的监控外，可用至少 125 路来推动下行的光发射机。如果光发射机的额定光功率为 10dBm ，按每个光发射机可以带 8 ~ 10 个光节点计算，可以带的光节点数为 ~ 个；如果再按每个光节点覆盖 200 ~500 户计算，则可以覆盖的用户数为 20 万~ 62 万户之间。如此大规模的网络只有一个前端，从网络的可靠性和稳定性以及网络的经济性综合考虑，都应该设立若干的分前端。
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( 6 ）考虑到部分市、县有线广播电视 HFC 网络所传输的节目不多，用户也在 1 万户左右，此时可以将图 的结构进行简化得到图 的网络结构图。由图 可以看到此时可混合的频点数为 64 个，相应的最大带宽为 512MHz 。
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( 7 ）不管是图 还是图 的系统结构，在信源的混合端无论增加或减少系统传输的频点数，都可以在不中断现有网络传输节目的情况下实施，在信源的分配端也一样，这就非常有利下行系统的扩容和维护。
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( 8 ）由于系统的器件的一致性好，使得系统在信号混合端的每个端口间既互为独立又互为备份，同时每一个调制器的输出电平的幅度差异也不大；在信号的分配端由于器件也具有一致性，所以所有输出端口的电平基本一致，各端口相互独立又互为备份。在进行系统调试时，只需对某一个频点进行细调，其他频点的电平可以根据该频点的调制器输出电平大小在各个调制器面板上调试一致，就能保证一次调试后各频点间的电平差不大于 2dB ，使维护和调试变得非常容易。无论是系统的信号混合点还是信号分配点具有互易性，系统的可扩展性和维护可操作性强。
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3.4.3 HFC 系统前端下行信号的混合、分配方式与调试分析
(1) 概述 有线电视 HFC 下行系统的搭建模式是任意的，没有强制的模式。但可以肯定的是，不管以何种方式搭建有线数字电视 HFC 前端下行系统，其目的只有一个，即在最大限度的不劣化系统传输指标的前提下，保证输入下行光发系统的射频信号满足光发射机需要的射频输入电平的要求。对有线数字电视 HFC 系统前端下行信号电平进行分析，首先要考虑的是系统三个关键点的电平的大小，它们分别是：调制器输出电平大小、前置放大器输入与输出电平的大小、下行光发系统的光发射机需要输入电平的大小，如图 3 ――28 中的 A 点、 F 点、 G 点、 I 点和图 3――29中的 A 点和 D 点。所以要做的第一件事是，了解系统中使用器件的主要技术参数，如调制器的输出电平范围、混合器和分配器的衰减、前置放大器的标称输入和输出电平的大小、前置放大器的增益和非线性失真指标以及系统使用的电缆在各个频率的衰减常数等。这些参数是系统分析和搭建的基础，也是系统日常维护的依据。
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（2）设备技术参数的选定 设备技术参数的选定可以在设备购买前和设备购买后进行。设备购买前的技术参数的选定，是按照一定的技术要求进行相应的设计，然后得出相应的设备所必须达到或必须满足的技术条件，再按参数要求选择符合要求的相应设备即可。设备购买后技术参数的选定是指根据现有设备的技术参数，合理地选择设备的技术参数值的问题。下面以广东省广州从化市广播电视台前端下行系统为例讨论这个问题。
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（3） 系统的电平分析 所搭建的系统是否满足要求，就要对搭建的系统的电平进行分析，然后找出相应的原因和对策进行设计上或搭建上的调整。以广东省广州从化市搭建的 1GHz 和 550MHz 系统为例，在不考虑电缆损耗的情况下，图 和图 输入下行光发射机的电平分别是 77 dBμV和 79 dBμV ；若考虑电缆的衰减，图 的电平为 74 dBμV ，图 的电平为77dBμV ，完全达到下行光发射机输入电平的要求。
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（4） 系统的调试 系统的调试是建立在系统的电平分析的基础上进行的。以图 为例，如果考虑等电平输入前置放大器和下行的光发射机，则应以图中的 F 点和 I 点为测试点，按图中的、电平要求分别粗调和细调调制器和前置放大器的输出电平，直到满足要求。
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