有线数字电视网络

    一．有线电视发展简史
    有线电视最初被称为CATV，是由美国宾夕法尼亚州的John Watson于1948年发明的。第一个有线电视网络采用同轴电缆将信号从天线所在的前端传输到最终用户处。由于同轴电缆的传输距离有限，因此对于长距离电缆传输，需要许多中继器来再生信号。
    1972年，HBO在美国的成立标志着有线电视发展的另一个重要里程碑——付费电视服务出现了。HBO等内容供应商很快发现需要保护自己拥有的内容。1986年HBO开始对其信号进行加扰处理，以防止未授权者使用其信号。
    在20世纪80年代，有线电视业的重点主要集中在增加频道容量。当时最领先的水平是550MHz容量的有线电视系统，采用了新的传输介质——光纤。这一突破导致1992年出现混合光纤/同轴电缆（HFC）技术，从而为有线电视网络的接入部分带来了革命。
    在1989年，数字电视的首次展示标志着一项将改变整个电视行业和有线电视行业的巨大突破。这时，唯一阻碍技术推广应用的因素就是缺少标准。1994年，MPEG-2标准的诞生解决了这一问题，现代有线数字电视时代开始了。

    二．为什么要发展有线数字电视？
    （一）更佳的图像质量
    所有的传输网络都会引入某种程度的噪声，而噪声会使信号质量变得比原始信号质量差。同时，信号强度也随着有线电视电缆传输的距离而成比例地衰减。噪声强度和信号衰减的速度随不同的传输介质而有所不同。对于模拟传输，为保证良好的图像质量，需要保证较高的信噪比。如果信噪比太低，那么图像质量会非常差，以至在图像中出现“雪花”。
    数字传输网络也必须考虑噪声问题。然而，在数字网络中，每个二进制信号（位）只有两个值：0和1。除非噪声非常严重以至0会被解释为1（或者反过来），那么噪声就不会影响到每一位的解释。由于这一特点，数字视频图像不会出现雪花效应，并且质量远远优于模拟视频。如果某个数字节目的信噪比低于最低水平，那么节目就完全看不到了。只要信噪比高于这一最低水平，图像质量就非常好。因此数字节目通常看上去要比模拟节目图像质量好。
    向数字视频网络过渡还带来另一项重大图像质量改善：高清电视（HDTV）。HDTV支持高达1920×1080的分辨率，其像素数量是标清电视甚至DVD720×480分辨率的6倍。尽管HDTV比标准数字电视的带宽需求更大，但高效的数字压缩技术仍然可以在传输一套模拟节目的带宽内传送2～3套压缩后的HDTV节目。
    （二）更高的频谱利用率
    MPEG-2在对视频流进行压缩时考虑到了相邻视频帧间的相似性，从而避免了重新传输许多经常冗余的信息。因此，在一套模拟节目所需的相同带宽内至少可传输10～12套标清数字电视节目。正交调幅（QAM）还可进一步提高频谱利用率，因为这种调制方案可利用每个脉冲传输多个数据位，最先进的有线电视系统通常可达到8位/Hz。
    随着有线电视供应商将节目从模拟传输转向数字传输，数字传输的高频谱利用率使得同样的模拟频谱可再利用，提供一些增值业务，如HDTV、数据广播、视频点播或更多数字电视节目。
    （三）传输距离更长
    利用波分复用等新的数字传输技术可以实现类似的效率提高。WDM系统通过光纤网络传输，同时利用多个具有不同波长的激光器极大地提高单条光纤可以传输的视频信道数量。 数字网络的传输距离比模拟网络要长得多。光纤所具有的优异噪声和损耗特性，以及数字传输的抗噪声特点使得WDM信号不需要中继器就可以传输100公里以上，完全消除了有线电视网络设计中的距离限制。
    （四）安全性优点
    模拟“付费电视”节目通常有两种方式保护内容。一是在每个没有订购付费节目的有线用户线路上安装一个滤波器来滤除收费节目。二是利用模拟电路进行加扰处理，而为每个付费电视用户提供一个“解扰器”来重建原来的信号。数字节目则可以利用一种算法对被保护内容进行加密，然后在用户端利用独特的密钥进行重构。密钥可以由有线电视供应商发送给订购了相应服务的付费电视用户。这一方法比模拟方面要安全得多，从而使得窃取数字节目更为困难或者根本不可能。

    三．有线数字电视网络的设计
    （一）前端合并
   

图1：合并前端架构

在过去，没有放大时视频信号的传输距离存在严重的技术限制。光纤上的模拟传输最长约60公里；而且，信噪比与距离成反比，对于长距离光纤传输，质量下降很快。由于这些限制，馈送电视信号的有线电视前端较小并且只能服务于有限数量的用户。
    与此相对比，CWDM和DWDM等数字传输技术的传输距离超过2000公里（在超长途DWDM系统中）。而且，数字视频信号的抗噪声特点使得在长距离传输后用户的观赏体验仍然不会受到影响。利用数字传输技术，单个前端现在可以高效地服务于数量极大增加的用户基础。有线电视运营商已经在利用这一优点，合并前端并提高单个前端所服务的用户数量，从而降低运营费用和资金成本。见图1。

    （二）冗余问题
    随着单个前端所服务的用户数量增加，保证前端的高可用性变得越来越重要。必须保证不存在会导致整个用户基础服务中断的单点故障。有3种不同类型的冗余。可以协调使用从而最大化总体网络可用性：
    1．设备冗余。在前端使用电信级高可用性设备可以实现设备冗余。正如网络本身一样，前端设备的设计也必须保证不存在单点故障。这意味着：所有机箱采用无源背板；风扇冗余；电源冗余；控制/管理冗余；交换构造冗余。
    2．网络级冗余。网络级冗余意味着网络设计中有足够的冗余链路。这样在光纤被切断、端口故障当站点出现灾难性设备故障时仍然不会导致用户节目中断。网络级冗余通常在OSI堆栈物理层实现。但第2层冗余（如以太网）或第3层冗余（如IP）也可保证网络级的可靠性。
   

图2：前端冗余

3．节目级冗余。节目级冗余比网络级冗余更进了一步，也是最高级最有效的冗余方案。对于网络级冗余，OSI模型7层堆栈中只有第1至3层被监控。如果基本连接仍在，但MPEG节目缺失，那么系统不会检测到任何故障，也不会采取任何冗余故障恢复措施。但是，视频敏感的网络设备可检查OSI堆栈的所有7层，从而可监控每个端口的每个节目。如果任何节目出现故障（如KBS或SBS），那么系统就会启动故障恢复。由于设备监控前端的每个节目，因此节目级冗余与电信级设备和良好的网络设计相结合可以使前端的总体可用性最大化。
    4．前端冗余。结合设备、网络和节目级冗余的一种最好方法是建设提供完全相同节目的冗余前端，每个前端都能够向一组不同的集线站点提供节目。节目级冗余（监控所有7层）可以监控和切换链路上的每套节目，并且仅切换出现故障的节目。见图2。通过在不同的物理地点建设主前端和辅助前端，即使在面临重大灾难（如地震将整个前端完全摧毁）的时候有线电视服务仍可继续。

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