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 文章内容 日期  2015 年7月1  
主题 中央广播电视节目无线数字化前端信源处理技术方案
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2015中央广播电视节目无线数字化覆盖工程项目前端信源处理技术方案

贺胜青

1 概述
地面无线数字电视是广播电视传输覆盖网的重要组成部分,是各级政府提供广播电视公共服务的主要手段,是广大人民群众获取新闻信息、享受精神文化生活的重要渠道。


随着科技的进步与人民生活水平的不断提高,广播电视数字化已成为发展的必然趋势,加快推进地面数字电视发展,对于巩固和拓展党的宣传文化阵地,


提高广播电视公共服务的质量和水平,满足人民群众日益增长的精神文化需求,促使公共文化节服务体系迈上新台阶。


2006年8月30日,国家标准化管理委员会发布了地面数字电视传输国家标准GB 20600-2006《数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制》,2008年1月1日,国家广播电影电视总局正式批准在北京地区采用地面数字电视传输国家标准试验播出地面数字电视广播高清/标清业务,从而拉开了我国地面电视从模拟向数字过度的序幕。


为推动我国地面数字电视广播的应用普及,2012年12月18日,国家广播电影电视总局印发《地面数字电视广播覆盖网发展规划》通知(广发【2012】113号)。根据《发展规划》,到2020年,全国地面数字电视广播覆盖网基本建成,提供中央电视台第一套、第七套和本省第一套、本地第一套电视节目等高清、标清公共服务节目,地面数字电视接收机基本普及,更多的中央、本省、本地农业科教类电视节目和少数民族语言节目等其他电视节目进入地面电视频道,通过高、标清方式为城乡广大人民群众提供多套高质量的节目,公共服务水平得到较大提升。地面模拟电视信号停止播出,地面电视实现由模拟到数字的战略转型。


2008年至今,国家新闻出版广电总局(以下简称“总局”)组织完成了全国300多个地级以上城市地面数字电视广播覆盖网络的建设任务。在此基础上,为进一步加快我国地面电视的模数转换,2014年12月30日,总局和财政部联合印发了《关于实施中央覆盖工程由总局、财政部统一规划、统一标准、统一组织,各省(区、市)新闻出版广电局负责具体建设。中央覆盖工程计划分两步实施,第一步:2015年,利用全国无线广播电视骨干发射台基本实现12套中央电视节目的无线数字化覆盖,启动3套中央广播节目的无线数字化覆盖效果。第二步:2015-2016,根据中央电视节目无线数字化覆盖效果,继续补充完善覆盖建设,以进一步扩大覆盖、提高覆盖质量;同时,根据中央广播节目无线数字化覆盖试点情况,做出下一步中央广播节目无线数字化覆盖总体方案,再分年实施。


中央覆盖工程计划用2年时间,在全国2562个广播电视骨干发射台站部署符合GB 20600-2006《数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制》标准的地面数字电视广播设备,构建2个频道的地面数字电视广播覆盖网,基本实现除CCTV-3、5、6、8外的12套标清中央电视节目的全国无线数字化覆盖;同时采用GY/T 268.1-2013《调频频段数字声音广播 第1部分:数字广播信道帧结构、信道编码和调制》标准在全国300多个地级以上城市开展数字音频广播试点,转播3套中央广播节目。其中,中央覆盖工程中地面数字电视广播系统的主要技术参数如表1所示。

项目

主要参数

信源编码

视频编码标准:AVS+,视频(标清)码率:2.2Mbps/套节目

伴音音频编码标准:DRA,音频(立体声)码率:128Kbps/套节目

节目套数

1路含 CCTV-1 综合、CCTV-2 财经、CCTV-4 中文国际、CCTV-10 科教、CCTV-12 社会与法、CCTV-13 新闻、CCTV-14 少儿、CCTV-15 音乐等 8 套节目(总码率 18.624Mbps) ;

第二路含 CCTV-7 军事农业、 CCTV-9 纪录片、 CCTV-11 戏曲、 CCTV-news 4 套节目(总码率 9.312Mbps) 。

基于卫星传输的单频网信道工作模式

1TS码流:C=3780PN945、交织720FEC0.816QAM、码率19.251Mbps

2TS码流:C=1PN595、交织720FEC0.84QAM、码率10.396Mbps

工作频段

VHFUHF广播电视专用频段

组网方式

单频网或多频网

为了兼顾全国各省、市、区开展本地地面数字电视广播业务的需要,在中央覆盖工程实施过程中,12套标清中央电视节目打包复用成2个TS码流,分别在2个不同的地面数字电视频道中进行播出。在播出中央电视节目的同时,各地可根据每个频道中央电视节目的配置情况,结合本地电视节目播出的需求,插入适当的数量的本地节目。考虑到我国地面电视发展现状以及模数同播的需要,当前我国的无线广播电视频率资源非常紧张,为尽可能节省频道资源,中央覆盖工程采用“以省级单频网为主,区域单频网或多频网为辅”的地面数字电视组网方式。基于上述组网方式,2014年11月-12月,在总局科技司的统一安排下,广播电视规划院、广播科学研究院联合全国各省、市、区新闻出版社广电局共同完成了中央覆盖工程地面数字电视频率规划方案,为每个发射台站规划了2个地面数字电视频率,确保中央覆盖工程的顺利实施。在中央覆盖工程实施过程中,省级或区域性地面数字电视单频网的构建首先需要确保到达各个发射站点的节目保持同步,为此各省、市、区需要建设覆盖每个发射台站的、统一的节目传输链路,各发射台站可基于直接接收来自卫星的中央节目码流完成省级或区域性地面数字电视单频网/多频网的组建。各省、市、区若需在本地插入节目,此时,就无法使用卫星作为地面数字电视单频网的节目传输链路,需要启用本地的节目传输网络,将插入本地节目后的TS码流统一传输到各个发射站点,然后再进行调制发射。


为了保护中央电视节目的版权及确保中央电视节目的安全性,本次中央覆盖工程采用加密传输的方式,即电视节目加密后通过卫星链路传输到各个发射站点,各发射站点对接收到的卫星信号进行解调解密得到TS码流,然后进行调制发射。


受总局科技司委托,2014年11月,广播电视规划局牵头组织开展了中央覆盖工程地面数字电视单频网技术方案的研究制定及验证工程。2014年12月,在相关地面数字电视设备企业的大力配合下,广播电视规划研究院提出了基于卫星传输链路的地面数字电视单频网组网技术方案,并完成了该方案的试验验证工作。

2 组网技术方案


地面数字电视广播系统的一个最大特点在于他能够有效抵抗无线信道的多径干扰,因此,地面数字电视广播系统可以通过组建单频网来实现数字电视信号的有效覆盖。地面数字电视广播单频网是由多个位于不同地点、处于同步状态的地面数字电视发射机组成的广播网络,以相同频率,在可控的时刻发射相同的节目,以实现对特定服务器的可靠覆盖。传统的地面数字电视单频网网络结构,其实TS码流分配网络可采用光纤和数字微波等链路。


中央覆盖工程采用基于卫星传输链路的地面数字电视单频网的组网方式,中央覆盖工程地面数字电视单频网网格结构见图所示,中央覆盖工程信源前端采用AVS+编码,编码后的标清电视节目首先进行加扰加密及复用,形成1路加密的TS码流后送入地面数字电视广播单频网适配器进行适配,然后送入卫星调制器进行编码调制形成射频信号,再通过卫星链路进行传输,中央覆盖工程卫星传输采用DVB-S技术体系。全国各个发射台站直接接收卫星传输信号,通过专业的卫星接收机解调解扰后得到TS码流,最后送到本地的地面数字电视发射机进行调制发射。

相对传统的节目非加密传输的地面数字电视单频网,中央覆盖工程的地面数字电视单频网在节目传输过程中增加了加扰加密和解扰解密的环境,并且加扰加密在单频网适配器之前,解扰解密在地面数字电视发射机调制之前,从而对地面数字电视单频网的组建提出了新的更高要求。为了确保中央覆盖工程地面数字电视单频网的成功构建,包括加扰复用器、单频网适配器、卫星调制器、卫星链路、卫星解调解扰器在内的整个TS码流传输链路必须满足“透明传输”的要求,因此,解决TS码流先加扰加密,再适配传输(单频网适配+卫星传输适配)、最后解调解扰解密的端到端“透明传输”是中央覆盖工程地面数字电视单频网技术方案的难点和关键所在。

备用地面传输两路传送码流不加扰加密经光缆或数字微波等地面传输网络传输。对于光缆或微波无法覆盖的地方,采用中星6B/6A的MPEG2信号,通过AVS+转码器转码为AVS+信号,复用为主用信号相同的码流,主信号出问题后可以进行及时切换。


中央覆盖工程地面数字电视单频网主要包括解密复用加扰加密,单频网适配、卫星传输、单频网发射及单频网授时等系统。针对中央覆盖工程地面数字电视单频网组建建设的新要求,以下是相应的解决方案。

2.1 节目复用加扰加密系统


为了加强对中央电视节目版权的保护,防止非常接收,中央覆盖工程需要对卫星链路传输的TS码流采用加扰加密措施,即前端AVS+编码器输出的多路TS码流首先送入加扰复用器进行加扰加密和复用,形成1路加扰加密的TS码流再送入地面数字电视单频网适配器。中央覆盖工程中采用的加扰复用器无特殊要求。


2.2 单频网适配系统


单频网适配系统是组建地面数字电视单频网的关键环节。一般来说,单频网适配系统的主要功能是对前端输入的TS码流进行适配,即在输入的TS码流中插入秒帧初始化包(SIP包)同时完成码速率适配。根据中央覆盖工程基于卫星传输链路组建地面数字电视单频网的实际需要,在GB/T 28434-2012《地面数字电视广播单频网适配器技术要求和测量方法》基础上,广播电视规划院牵头编制了行业暂行技术文件GD/J066-2015《基于卫星传输地面数字电视单频网络适配器技术要求和测量方法》。根据该暂行技术文件要求,中央覆盖工程地面数字电视单频网适配系统除需要满足GB/T28434-2012《地面数字电视广播单频适配技术要求和测量方法》规定的适配器功能之外,还需具备以下功能。


1. 增加SIP包的CRC校验
考虑到中央覆盖工程实施过程中,全国各个发射站点发射机的配置及正常工作均依赖于卫星传输的TS码流,为此,必须要求接收到的适配码流中的SIP包准确无误。为了进一步加强对适配码流中SIP包的保护,中央覆盖工程地面数字电视单频网适配系统中增加了SIP包的CRC校验工程。中央覆盖地面数字电视单频适配TSD码流SIP包启用了传统单频网适配TS码流SIP中最后4个填充字节,共计32比特作为SIP包的CRC校验字。4字节校验字CRC32对从SIP包中从第一个字节OX47开始到CRC32校验字之前共184字节内容进行保护,CRC32多项式系数为OxED888320.


2.更换输入码流中空板及适配插入空包的格式
中央覆盖工程通过卫星链路将单频网适配后的TS码流传输到全国各个发射台站,考虑到在传输过程中卫星调制器也需要通过插入TS空包对输入的TS码流进行码率适配。为保证地面数字电视单频网的成功构建,各发射站点的卫星解调解扰器需且仅需将卫星调制器插入的TS空包删除即可。然而,输入单频网适配器TS码流中的空包、单频网适配插入的TS空包和卫星调制器适配插入的TS空包均为符合GB/T17975.1-2010《信息技术 运动图像及其伴音信息的通用编码第1部分:系统》规定的空包,PID为OX1FF,其中5-188填充字节均为OXFF。因此,为了适应卫星链路透明传输的要求,必须将输入单频网适配器TS码流中的空包、单频网适配器插入的TS空包与卫星调制器插入的TS空包分开,为此,中央覆盖工程地面数字电视单频网适配系统一方面将坚持到的输入码流中的TS空包替换为特定填充的单频网适配数据表,另一方面在码流适配过程中插入统一特定填充的单频网适配数据包,即将PID更改为OX1FFE,5-188填充字节的数据内容为随机序列,随机序列由PN11算法生成,取前1472比特,PN11的生成多项式为X11+X9+1,初始化值为0X400.


3.增加TS码流输出保持功能
对于传统的地面数字电视单频网而言,当外部基准参考信号丢失时,单频网适配器无TS码流输出。然而,中央覆盖工程全国2000多个发射台站均以总前端唯一的单频网适配器输出的TS码流作为信号源,若采用传统的处理方法,外部基准参考信号丢失必将造成全国所有的地面数字电视广播网络无法工作。为此,主要覆盖工程单频网适配系统中增加了TS码流输出保持功能,即在外部即在参考信号丢失后,总前端单频网适配器传输入的TS码流(此时无SIP包),从而保证TS码流人能传送到全国各个发射台站,确保地面数字电视发射机的工作。


2.3 卫星传输系统
  用于中央覆盖工程节目纷纷的卫星传输系统主要包括:卫星调制器、卫星链路和卫星解调解扰接收机。中央覆盖工程卫星传输系统采用DVB-S标准,在整个节目麻溜传输过程中,卫星调制器首先对单频网适配后的加扰加密TS码流(含SIP)进行编码调制,上变频后通过卫星传输链路分发到全国各个发射站点,各发射站点利用卫星解调解扰接收机在本地直接接收卫星信号,解调解扰解密后得TS码流,然后将TS码流送入本地的地面数字电视发射机进行编码调制发射。


  在发送端,为了匹配DVB-S传输系统,卫星调制器会在输入的TS码流中插入TS空包进行码速率适配。考虑到送入卫星调制器的单频网适配TS码流中自身亦带有TS空包。为了防止卫星解调解扰接收机误删单频网适配TS码流自身也带的TS空包,单频网适配系统需要对适配码流中的TS空包进行特殊处理,从而确保收端卫星解调解扰接收机删除且仅删除卫星调制器插入的TS空包。卫星调制器在对TS码流进行适配、编码调制过程中不改变输入TS码流中数据包的内容和顺序、不改变TS码流中的PCR信息。中央覆盖工程节目传输用卫星调制器除不得改变TS码流中的PCR信息外无其他特殊要求。


中央覆盖工程节目TS码流在传输过程中需要进行解扰解密,导致地面数字电视单频网适配器输入TS码流(含SIP包)与送入地面数字电视发射机的TS码流(含SIP)内容不同,因此,无法实现TS码流真正的透明传输。为了保证地面数字电视单频网的成功构建。要求送入各地面数字电视发射机的TS码流应保存完全一致。即码流中TS包的内容和顺序完全相同,且包含标准间隔的SIP包,此种情况即可视为“透明传输”。为了实现上述目标,在收端解调解扰过程中,卫星解扰解扰接收机应满足以下要求:1、删除且仅删除卫星调制器插入的TS空包;2.仅对加扰加密的TS包进行解扰解密,不改变解扰解密后TS包的顺序;3、保留加扰加密过程中插入的EMM和ECM包。在完成上述操作后,卫星解调解扰接收机最后将包含SIP包的TS码流送入地面数字电视发射机进行编码调制发射。


2.4 单频网发射系统
由于采用基于卫星传输链路的地面数字电视单频网组网技术方案,因此,中央覆盖工程的地面数字电视单频网发射系统与传输的地面数字单频网发射系统略有区别。为此,在GB/T28436-2012《地面数字电视广播激励器技术要求和测量方法》基础上,广播电视规划院牵头编制了行业暂行技术文件GD/J 06J 067-2015《基于卫星传输地面数字电视单频网激励器技术要求和测量方法》。该暂行技术文件对激励器技术要求的编号主要体现对TS码流的处理,具体如下:中央覆盖工程中全国各发射台站的地面数字电视单频网发射机首先根据检测到的SIP包的内容设置工作状态,并将SIP包更换为标准的TS空包;其次,将坚持到的特定填充的单频网适配数据表替换为标准的TS空包,然后再进行编码调制发射。


此外,由于前端存在时钟失效单频网适配器透传TS码流的情况,各发射台站的地面数字电视发射检测到输入的TS码流中不包含SIP包时,将及时从单频网模式切换到多频网模式继续工作,从而确保了地面数字电视发射机射频信号的正常温度输出。虽然此时地面数字电视单频网处于失步状态,但是对于所有非重叠覆盖区而言仍可实现由效覆盖,从而避免的全国地面数字电视广播的大范围停播,提高了安全播出的可靠性。待TS码流恢复正常后,地面数字电视发射机将重新切换至单频网工作状态。


2.5 单频网授时系统
 授时系统为地面数字电视单频网提供统一的时钟参考(秒脉冲)和频率参考(10MHz).是地面数字电视单频网能否成功构建的关键所在。考虑到授时系统的重要性以及工作的稳定性,中央覆盖工程地面数字电视单频网的授时系统需同时支持全球地位系统(GPS)和北斗系统(BD)同种授时方式,并且两种授时方式可实现自动无缝的切换。

 

3设备资料

3.1 免费卫星接收机DVS-2018TS
3.2 AVS+卫星专业接收机DVS-2018VS
3.3 AVS+编码器DVE-6A
3.4 AVS+转码器DVE-7B
3.5 授时器JZ-TSS100A
3.6 复用器
3.7 码流切换器

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