Что внутри головной станции кабельного телевидения

На хабре есть пост про головную станцию IPTV. В нем было рассказано про способы приема и дальнейшей передачи сигнала со спутников по IP-сетям. Я же напишу про то, что входит в головную станцию именно кабельного телевидения и как все это работает. Осторожно, много фоток и текста.





Общая схема
Как я и писал в начале, в отличии от IPTV головная станция КТВ должна быть в каждом месте, где планируется обилие абонентов. Причина проста — в КТВ сигнал приходит абоненту уже совершенно в другой среде — коаксиальном кабеле, его не получится передать через IP сеть. В тоже время вещание, принятое со спутников, можно спокойно передавать от Магистральной Головной Станции (МГС) к Региональной (РГС) в виде Multicast'а через IP-сеть. Ниже пример с принципиальной схемы.


Конечно, у крупных операторов может быть несколько МГС с целью резервирования и принятия каналов с разных территориально удаленных спутников.

Еще где-то надо брать местные эфирные телеканалы. Вам нужно показывать местную погоду, рекламу, новости. На это есть два варианта — либо забрать их обычной эфирной антенной с эфира, оцифровать, преобразовать и передать абоненту, либо забрать непосредственно у правообладателей контента (РТПЦ).Второй вариант обычно более затратный — вам нужно стыковаться со сторонней организацией, размещать у нее свое оборудование. По-этому в основном местные канала берут с эфира.

Немного теории
У людей часто происходит путаница, что же они смотрят у себя телевизоре. Вообще сейчас распространено 3 типа вещания

1. Аналоговое — вы ловите его обычной антенной на чердаке или балконе, хотя может и оператор продавать его через кабель
2. Цифровое — DVB, теперь сигнал цифровой
3. IPTV — классический multicast, который приходит к вам в дом через интернет
4. «Телевидение через интернет» — под этим обычно понимают youtube, Smartv, в общем то, что вы смотрите через обычные запросы

У каждого типа есть свое преимущество.

Аналоговое телевидение хорошо тем, что заработает в любом старом телевизоре без использования каких-либо преобразователей. На каждый канал здесь выделяется полоса в 8MHz, если смотреть на измерения прибором спектра, вы отчетливо увидите несущую звука и изображения.

В цифровое телевидение (DVB) используются теже частоты, что и в аналоговым. Ключевым отличием будет то, что в полосу 8MHz может быть засунуто много каналов. Вы уже не увидите отдельной несущей в этой полосе, сигнал будет равномерно распределен по ней. Кроме того, за счет того, что сигнал теперь цифровой, появилась возможность шифровать его. С таким подходом стало возможно составлять абонентам пакеты каналов. Ничего хитрого в них нет — все каналы (на самом деле не все) к вам приходят в шифрованом виде, а карточка, вставленная в приставку, содержит ключ к их расшифровке.

Сам формат DVB определяет логику сжатия нескольких каналов в одну полосу частот. Существуют различные виды DVB, например DVB-C (кабельное), DVB-T (эфирное), DVB-S (спутниковое). К недостаткам DVB можно отнести то, что абоненту теперь обязательно ставить дополнительное оборудование и возиться с карточкой.

IPTV отлично подходит для абонентов, но провайдеру с ним работать тяжелее. Оно дает дополнительную нагрузку на существующую абонентскую IP-сеть. Здесь правит Multicast. Как и в DVB, вы можете принимать абсолютно все каналы, но часть будет зашифрована. В отличии от DVB, IP-сеть подразуменвает не только канал от провайдера к абоненту, но и обратный. Это позволяет использовать для расшифровки уже, например пару логин-пароль. В целом неплохо об IPTV написано здесь.

Про «интернет телевидение» говорить особо не о чем, оно вроде и так понятно большинству. Обычный видеоконтент передается в большинстве случаев через HTTP. Провайдер не несет никакой ответственности за его качество.

Ниже на изображении приведен пример совместного вещания аналогового и цифрового (DVB-C) телевидения в одной и той же частотной сетке.



В моем примере в аналоге вещается один канал (по-моему, «Карусель»), а в цифре 8 различных каналов. Отчетливо видно, что в цифровом виде информация равномерно распределена по ширине, а в аналоговом явно выделяются две несущие изображения и звука.

Ключевым отличительным моментом именно кабельного телевидения от IPTV/«через интернет» является то, что информация передается только к абоненту (мы же не будем рассматривать DOCSIS?), от него на Ваше оборудование не придет никаких ответов о некачественном сигнале, ошибках или еще чем-то. В любом случае в первую очередь придется идти к нему со своим проверенным временем телевизором и измерительными приборами.

Также, в отличии от IP-сетей, если от вас ушло, не факт, что это же придет абоненту. Здесь нет никаких проверок контрольных сумм (в цифровом на самом деле есть, но при их некорректности просто пропадет картинка), подтверждения подлинности информации…

Предвосхищу холивар IPTV vs КТВ.

Давайте просто посчитаем: один канал SD-качества (480p) можно передавать с приемлемым качеством с битрейтом 3-4 MBps. HD-качества — 8-10 MBps. Итого, имея в наборе каналов 180SD+20HD оператору нужно потратить только около 1GBps (а то и больше) на аплинках их оборудования. Это пока не учитывая видео с записями с разных мест, нескольких звуковых дорожек. На сегодняшний момент у обычных массовых операторов проводного интернета общие аплинки между домовыми узлами 1GBps. Телевидение засунуть в текущую инфраструктуру сложно.
С другой стороны, после стройки для услуги интернет остались «темные» (неиспользуемые) волокна в кабелях ВОЛС, они ведь обычно кладутся с запасом. Их можно испльзовать для наших целей. Кроме того, есть огромное количество мест, где набирают обороты такие технологии, как G(E)PON, с которыми кабельное телевидение легко интегрируется.

В добавок сама система кабельного телевидения менее прихотлива и более проста по сравнению с IP-сетями. Здесь вам не надо учитывать никаие QoS, согласование портов, дубляж каналов, неправильную маршрутизацию. А это значит, что требуется меньшее внимание к домовым узлам, можно попробовать «поставить и забыть» (конечно при подключении нового клиента возможно придется подкрутить на домовом приемнике АЧХ и мощность).

Кроме того — обычный пользователь пока мало привык к IPTV, а домашние телевизоры, поддерживающие эту технологию из коробки без приставок тоже пока не появляются в огромной массе.
Мое мнение — к IPTV сегодня массовый пользователь пока не готов. Как и массовый оператор.

Что внутри
Само понятие головной станции весьма расплывчатое. Например, устройство видеозахвата с AUX OUT портом можно назвать «головной станцией». Она будет вещать целый канал непонятно с чем. Однако же мы имеем вполне конкретную цель — организовать вещание многих каналов с реальным контентом для кучи абонентов. Для этого в состав нашей станции включено следующее:

1. Оборудование для приема местных каналов — считайте, что куча ТВ-тюнеров, они просто принимают эфирный (или какой-то еще) сигнал и преобразуют его в IP-multicast.
2. Антенный пост — несколько обычных антенн для приема эфирного телевидения
3. Декодеры/модуляторы — преобразуют IP-мультикаст в сигнал, который уже смогут принять пользовательские телевизоры (цифровой или аналоговый)
4. Сетевое оборудование — обычно L3-коммутатор (да можно и L2) для объединения смешивания multicast-а местного и магистрального
5. Каналообразующее оборудование — оптический передатчик и усилитель

Вот теперь приведу примерную схему конкретной РГС:



Понятно, что состав может меняться в зависимости от ситуации. Например, если у вас удобное месторасположение и не составляет труда состыковаться с местными каналами через IP-сеть, вам в принципе может быть не нужен антенный пост.

Если качество изображения местных каналов неудовлетворительное из-за плохого приема на антенном посту, его можно перенести в другое место, все равно с него уходит чистый мультикаст, который можно прогнать через IP-сеть. В нескольких городах у нас так и получилось.
Как я уже и писал в теоретической части, сигнал к абоненту может уходить либо аналоговый, либо цифровой. Учитывая, что цифровой сигнал работает в той же частотной сетке, это не составляет никаких проблем.

Для передачи между оптическими усилителями/приемниками используется лазерный сигнал через оптоволокно на длине волны 1550нм. Для соединений используется «косая» полировка APC. Чем-то это похоже на DWDM.

Сам комплекс не очень большой — пара стоек:



На рисунке самая левая стойка не в счет, там оборудование предназначено для другого. Кроме того, полезно добавить в стойку мониторинговое оборудование.

Прием местного вещания
Как и писал выше, необходимо организовать прием местных федеральных каналов (например, «Россия 1», «ОРТ»). В нашем случае они берутся в качестве аналогового сигнала и конвертируются затем в мультикаст. У нас используется Anevia Flamingo 660, это энкодеры аналока в мультикаст. По большому счету это системеный блок с несколькими установленными в него ТВ-тюнерами. Ниже изображение энкодеров сзади и спереди. Фото получились не очень хорошие по причине не самого лучшего освещения.



Слева также изображена планка для кроссировок выходов в антенн со входами в энкодеры. Своеобразная патчпанель.

Антенный пост
Сигнал эфирных каналов должен откуда-то появиться на описаных выше энкодерах. Для этого неподалеку (на крыше) от аналогового энкодера ставится антенный пост. Так как эфирное вещание у нас в стране идет в метровом и дециметровом диапазонах, ставятся две антенны. Подключаются они к энкодерам. Снизу фотка с крыши (возможно кто-то узнает свой город?)



Сетевое оборудование
Итак, мы придумали откуда брать контент. Часть забираем местных каналов, часть с магистральной головы. На чем-то нужно принять Multicast-траффик, смаршрутизировать его, отфильтровать лишнее. Как я и писал раньше, это обычный коммутатор (лучше L3).

Сюда сводится весь принятый магистральный (от МГС) и местный (с антенного поста) мультикаст. В нашем случае это Catalyst 3750 с дополнительным блоком питания. Здесь смешиваются мультикастовые группы, часть отдается для мониторинга, часть местного контента можно передать в другие близлежащие города. Для Multicast маршрутизации поднят PIM SM. На коммутаторе у нас еще затерменировано управление всеми железками из комплекса РГС (а адресов много — у каждой платы есть свой адрес и на нее можно зайти).



Если ваш антенный пост удален от модуляторов, то на нем тоже потребуется какой-нибудь коммутатор.

Декодеры/модуляторы
Мы имеем нужный контент, настало время передать его в сеть кабельного телевидения. Для этого нужно его превратить в понятный для телевизоров или приставок вид. Для этого применяются так называемые системы доставки сигнала.

Вот это самая главная железка. Как раз она преобразует все в тот вид, который могут проглотить пользовательские телевизоры или приставки. Конкретно у нас стоят три шасси AppearTV DC 1000 с платами.



В приведенном выше случае две верхних кодируют в аналоговый сигнал, а нижняя в цифровой. Аналоговый сигнал выдается следующим образом — на каждой плате по 2 «соска», с каждого из которых можно отдать два канала. Итого 4 канала с платы. С цифрой принцип такой же, только в каждом «канале» (диапазоне частот) теперь находится куча каналов. С одной нижней шасси с 2-мя платами уходит столько же реальных каналов, сколько с двух верхних полностью упичканых шасси! Куча проводов с каждого порта идет на сумматор и уходит на оптический передатчик. К сожалению, конкретно с этой РГС у меня нет их фотографий, будут со станции из другого города.

Наши железки модульные — это шасси (корзина), в которые монтируются платы под различные нужды. Например, для цифрового вещания можно понаставить карты шифрования, чтобы продавать абонентам телевидение пакетами.

С декодеров уходит куча коаксиальных проводов в общий сумматор, с него выходит уже то, что будет дальше передаваться по сети. Здесь стоит модный сумматор, но в общем виде это может быть просто планкой с несколькими электрическими делителями/ответвителями.

Каналообразующее оборудование
Отлично, мы имеем весь необходимый нам сигнал! Теперь надо доставить его непостредственно абонентам. Вообще это уже элементы кабельной сети и здесь надо думать, что вам надо. Но в общем виде в составе РГС для этого используются оптический передатчик и усилитель.
В оптический передатчик заходит коаксиальный кабель а выходит оптоволокно. По нему на длине волны 1550 нм передается сигнал. Сигнал смешанный — информация есть как в аналоговом виде, так и в цифровом.



На изображении сверху находится оптический передатчик, снизу — оптический усилитель. Обратите внимание — полировка на патчкордах APC.

Ну а дальше все. Здесь уже начинаются элементы сети кабельного телевидения — делители, домовые оптические приемники, электрические усилители и абоненты с их неработающими телевизорами, зависшими приставками, наводками на провода…

Вспомогательное оборудование
Мы запустили головную станцию и наши абоненты могут (если техники на местах все сделали правильно) смотреть телвизор! Теперь начинается самое интересное — нашу станцию надо обслуживать. Для этого полезно ставить вспомогательное оборудование.

Конкретно у нас это обычный компьютер с ТВ-тюнером для удаленного просмотра доступности каналов с выхода РГС, VLC для просмотра Multicast-потока на входе в РГС. Пока ничего умнее мы не придумали, чем просто подключаться по RDP и смотреть, что же показывается через ТВ-тюнер. Конечно не очень удобно, но типовые проблемы (отсутствие изображения, отсутствие звука, неверная цветопередача PAL/SECAM и т.д.) решать можно.

Также к нему подключен измерительный прибор (планар) для оценки показателей мощность сигнала и соотношение сигнал/шум. Ну и заодно с него идет постоянное вещание картинки «канал временно не доступен», которое автоматически включается в случае отказа какого-либо канала.



В заключение
Я показал базовое представление о том, из чего состоит головная станция кабельного телевидения (РГС КТВ) и как она работает. Важно запомнить общий принцип прохождения контента от антенны до абонента:

1. антенна
2. энкодеры (ТВ-тюнеры)
3. коммутаторы
4. модуляторы
5. передатчики

Оставлю некоторый полезные ссылки:
1. Таблица частот телевизионных каналов в нашей стране (OIRT)
2. Частоты эфирных каналов в городах России
3. Хороший сайт с детальным описанием принципов работы

P. S. Спасибо пользователю ProgerXP за сервис gliffy.com, в котором были составлены схемы к этой статье.

Источник: habrahabr.ru/post/165643/