新疆電視臺壓縮編碼復(fù)用系統(tǒng)的設(shè)計

畢強

（新疆電視臺播出部，新疆烏魯木齊830044）

新疆電視臺壓縮編碼復(fù)用系統(tǒng)的設(shè)計

畢強

（新疆電視臺播出部，新疆烏魯木齊830044）

隨著新疆電視臺事業(yè)的發(fā)展，新疆電視臺原有的壓縮編碼及光纜傳輸系統(tǒng)已不適應(yīng)事業(yè)發(fā)展的需求。針對這種情況，提出了新的壓縮編碼復(fù)用系統(tǒng)的設(shè)計思路，并做了較為詳盡的技術(shù)分析，要求確保壓縮編碼復(fù)用系統(tǒng)的安全可靠性。

壓縮編碼；復(fù)用；冗余可靠；監(jiān)測

【本文獻信息】畢強.新疆電視臺壓縮編碼復(fù)用系統(tǒng)的設(shè)計［J］.電視技術(shù)，2015，39（10）.

新疆電視臺是全國省級電視臺中上星節(jié)目較多的電視臺，對安全播出要求很高［1］，同時，新疆電視臺上星節(jié)目包括漢語和維語、哈語、柯語等多套少數(shù)民族語言節(jié)目，播出任務(wù)非常繁重，安全播出任務(wù)壓力巨大［2］。

當(dāng)前，在播出系統(tǒng)中，數(shù)字信號的傳輸和發(fā)射無疑是至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)，它直接與電視節(jié)目的安全播出、節(jié)目的播出質(zhì)量、停播/劣播率等指標(biāo)息息相關(guān)［3］。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，有效地將先進的數(shù)字電視傳輸設(shè)備與計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建一套完整成熟、性能優(yōu)秀、先進可靠、管理可用、靈活擴展、標(biāo)準(zhǔn)開房的系統(tǒng)，已成為廣播電視發(fā)射環(huán)節(jié)提高管理效率、提升技術(shù)水平、及時安全預(yù)警、保障安全播出/優(yōu)質(zhì)播出的有效手段。隨著新疆文化廣播電視事業(yè)的不斷發(fā)展，新疆電視臺播出的節(jié)目總量、頻道數(shù)等也在不斷增加，由此相應(yīng)的播出、發(fā)射系統(tǒng)的復(fù)雜性也在不斷增加。新疆電視臺原有的8套上星節(jié)目壓縮編碼系統(tǒng)及12套節(jié)目的模擬光纖傳輸系統(tǒng)已逐漸難以適應(yīng)技術(shù)發(fā)展的需求，因此，建立一套全新的電視壓縮編碼復(fù)用傳輸系統(tǒng)已勢在必行。針對這一問題，筆者提出新疆電視臺壓縮編碼復(fù)用系統(tǒng)的設(shè)計構(gòu)想。

1　系統(tǒng)概況

新疆電視臺目前有5種語言，15個頻道，其中上星頻道8個，有線網(wǎng)絡(luò)傳輸頻道15個。本系統(tǒng)應(yīng)采用數(shù)字電視國家標(biāo)準(zhǔn)，將經(jīng)過數(shù)字編碼、壓縮的15套標(biāo)清電視節(jié)目，分2路傳送到2個地方，一路是將8個上星頻道的壓縮編碼信號傳到新疆廣電局節(jié)傳中心652臺機房上星，另一路是將15路壓縮編碼信號傳送到網(wǎng)絡(luò)公司。

新疆電視臺編碼復(fù)用前端系統(tǒng)設(shè)置包含：編碼器、復(fù)用器、切換器、矩陣及管理理系統(tǒng)等。前端平臺所需設(shè)備具有一定備份，保證系統(tǒng)正常播出。

系統(tǒng)采用MPEG2/H.264編碼方式，為有效提高光纜利用率，傳送到2個站點的節(jié)目在1個碼流之內(nèi)。發(fā)往652站點的8套節(jié)目帶寬為35 Mbit/s，發(fā)往網(wǎng)絡(luò)公司的為65 Mbit/s。表1為數(shù)字電視編碼方式設(shè)計表。

表1　數(shù)字電視編碼方式設(shè)計表

2　主要設(shè)備的技術(shù)要求

2.1編碼器

1）編碼設(shè)備必須符合MPEG和DVB標(biāo)準(zhǔn)；2）視頻輸入：同時支持SDI數(shù)字視頻輸入和支持CVBS輸入接口，輸入接口及特性符合BNC@75 Ω。3）具有先進的分級運動預(yù)測和專業(yè)降噪技術(shù)；具備一定的編碼前預(yù)處理功能。4）視頻編碼：支持MPEG-2 SD編碼，MPEG-2 MP@ML 4∶2∶0；支持H.264 SD編碼，H.264MP/HP 4∶2∶0；同時支持CBR，VBR；編碼碼率從2 Mbit/s～15 Mbit/s可調(diào)，調(diào)節(jié)步長不大于1 kbit/s；視頻制式自適應(yīng)。5）每路編碼節(jié)目可獨立進行PCR的設(shè)置；具有視頻輸入SDI信號丟失，應(yīng)急畫面輸出功能。6）音頻輸入：支持SD-SDI嵌入音頻，模擬音頻輸入，8路AES/EBU平衡輸入；具備音頻增益調(diào)節(jié)功能；同時具備音頻延時調(diào)節(jié)功能。7）編碼器輸出接口應(yīng)支持2路ASI輸出口、2路IP輸出口、2路IP網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控口。TS over IP傳輸協(xié)議具備UDP/RTP，支持組播、單播傳輸方式；支持復(fù)用輸出。8）編碼器采用多路編碼方式，單臺編碼設(shè)備編碼不低于4路。9）支持SNMP通用協(xié)議，可實現(xiàn)基于IP的集中網(wǎng)絡(luò)管理。

2.2復(fù)用器

1）可以與編碼器被統(tǒng)一網(wǎng)管管理。2）復(fù)用器復(fù)用過程必須遵循DVB關(guān)于PSI/SI處理的標(biāo)準(zhǔn)，與傳輸流有關(guān)的所有參數(shù)要求必須以DVB和MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)，如DVB和MPEG-2對參數(shù)的要求相沖突，則必須以DVB為準(zhǔn)；具有對MPEG-2 TS和MPEG-4 H.264 TS復(fù)用功能。3）支持節(jié)目和PID復(fù)用，針對加密流能夠再復(fù)用，并且可以分析加密流的信息；對PID進行自動搜索和隨意的修改或復(fù)用；可以隨意更改TS流的其他信息。支持對加密碼流的分析，節(jié)目提取與透明復(fù)用。4）復(fù)用器要求具有4路IP輸入和4路IP輸出；同時具有2路ASI和2路IP同時輸出能力。5）復(fù)用器必須具備端口保護功能；同時必須具備節(jié)目備份功能，既同一視頻不同組播地址之間的熱切換。

3　系統(tǒng)分析與設(shè)計

目前，電視信號壓縮編碼系統(tǒng)基本上都采用了兩種方式：第一種是N+N方式，即N臺主編碼器加N臺備編碼器的主備完全鏡像方式。這種方式安全性很高，但系統(tǒng)配置不夠靈活，當(dāng)主備兩組編碼器同時出現(xiàn)設(shè)備故障時，無法保證播出安全。

第二種是N+P方式，即N臺主編碼器加P臺備編碼器的方式，需要加矩陣切換。這種方式安全性較高，系統(tǒng)配置靈活，當(dāng)主備兩組編碼器同時出現(xiàn)設(shè)備故障時，可以保證播出安全，但主編碼器同時出現(xiàn)故障的設(shè)備數(shù)目不能超過P。

按照當(dāng)前的壓縮編碼技術(shù)發(fā)展來看，編碼、復(fù)用設(shè)備都可以提供IP的接口和相應(yīng)的IP處理能力，因此，壓縮編碼系統(tǒng)可以有兩種不同的架構(gòu)，即基于ASI的系統(tǒng)方案和基于IP的方案。

建立于矩陣基礎(chǔ)上的ASI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)信號的靈活調(diào)度，多年來被廣范應(yīng)用于各種前端系統(tǒng)中，其技術(shù)具有成熟性和可靠性。作為一種新興的技術(shù)，IP架構(gòu)有其獨特的優(yōu)勢，即輸出帶寬更寬，所以針對核心處理設(shè)備如復(fù)用器等的物理接口可以極大地降低。它的連接方式也由傳統(tǒng)的物理接口轉(zhuǎn)換成通過軟件連接的方式。這種架構(gòu)在與IP類型的傳輸網(wǎng)對接時也更加方便。

這兩種架構(gòu)路由調(diào)度分別為矩陣或IP交換機?；贏SI架構(gòu)的系統(tǒng)，在矩陣崩潰的情況下可以通過簡單的跳線實現(xiàn)設(shè)備間信號的連接，迅速恢復(fù)系統(tǒng)的運行。但是基于IP的方案，在IP交換機出現(xiàn)故障時，由于涉及到各種配置，需要防止地址沖突等IP技術(shù)的問題，恢復(fù)系統(tǒng)運行所需時間將較前一種方案大大延長。同樣出于上述原因，基于ASI架構(gòu)的主備切換可實現(xiàn)無縫的毫秒級，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于基于IP架構(gòu)的切換時間。

綜合以上分析，并考慮新疆電視臺的實際情況，應(yīng)采用第二種方式構(gòu)建壓縮編碼系統(tǒng)，同時系統(tǒng)采用基于ASI的架構(gòu)。具體設(shè)計如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)設(shè)計

3.1壓縮編碼復(fù)用環(huán)節(jié)的設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計需求，15套標(biāo)清電視節(jié)目的主播出信號源進入主編碼器，采用MPEG-2/H.264編碼方式以及N+1備份方式，系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)置4+1臺4路編碼器用于新疆電視臺15套標(biāo)清電視節(jié)目的壓縮編碼。各編碼器的2個ASI輸出，分別送往主復(fù)用器和備復(fù)用器。播出末級輸出信號經(jīng)分配送來的各頻道播出的主信號送該頻道的主編碼器，而備播出信號送16×16信號切換矩陣。經(jīng)過復(fù)用后的2路傳輸流，通過ASI智能切換器進行無縫切換后，進入光端機傳送到新疆廣電網(wǎng)絡(luò)公司和652地球站進行傳輸和發(fā)射。

本方案中配置了4+1臺MPEG-2/H264標(biāo)清編碼器，每臺支持4通道的標(biāo)清信源編碼，因而整個系統(tǒng)共提供了16套主路標(biāo)清節(jié)目的編碼能力和4套編碼備份能力，這種配置大大提供了系統(tǒng)冗余切換能力，增加了系統(tǒng)可靠性，也提供了今后的擴容可能。

編碼器要求能提供最優(yōu)的編碼效果和最小的帶寬占用，同時提供豐富的接口類型。在輸入接口方面，要求同時支持MPEG-2 over IP、ASI、數(shù)字和模擬的輸入信源。在輸出方面，編碼器要求具有內(nèi)置的復(fù)用功能，其ASI輸出是將4通道節(jié)目復(fù)用之后的多節(jié)目流輸出。它需要同時提供2個鏡像的ASI輸出和2個鏡像的IP輸出，以方便系統(tǒng)的組網(wǎng)，完美地適合各種組網(wǎng)結(jié)構(gòu)（ASI結(jié)構(gòu)，IP結(jié)構(gòu)或混合結(jié)構(gòu)）。

在本方案中，編碼器的兩個鏡像ASI輸出分別提供了主、備復(fù)用器的信源，保證了復(fù)用器級別的1∶1主備切換。同時編碼器的IP輸出可以預(yù)留給平臺監(jiān)看等功能。

復(fù)用器的1+1自動備份，復(fù)用器的輸出通過提供2選1自動切換開關(guān)作為安全備份使用，這樣復(fù)用器可以實現(xiàn)輸入，輸出的自動冗余備份。系統(tǒng)配置中編碼器的主輸出連接主復(fù)用器的輸入，編碼器的備輸出連接到備復(fù)用器的輸入，這樣不用中間的IP交換機連接，可以減少故障點，同時可以減少切換時間，提高了系統(tǒng)的安全性。

本系統(tǒng)的視頻源輸入應(yīng)采用無縫熱備份。主編碼器出現(xiàn)故障的情況下，網(wǎng)管系統(tǒng)將自動控制矩陣切換，將故障的主編碼器使用的信號源調(diào)度給備編碼器使用，同時將主編碼器的設(shè)備配置加載給備份編碼器。通過這樣的操作，從而保證編碼器故障前后，能輸出一致的電視節(jié)目。復(fù)用器此時也會接收到相應(yīng)的網(wǎng)管命令，選擇備編碼器的輸出作為復(fù)用信號源。這樣能保證在任一主編碼器故障的情況下，平臺可以自動恢復(fù)一致連續(xù)的節(jié)目播出。

3.2信號監(jiān)聽監(jiān)看環(huán)節(jié)的設(shè)計

本信號監(jiān)聽監(jiān)看系統(tǒng)，設(shè)計上要考慮信號傳輸鏈路控制節(jié)點的監(jiān)測，確保信號監(jiān)測無盲點，為安全播出、優(yōu)質(zhì)播出提供有效保障。具體監(jiān)聽監(jiān)測設(shè)計如下：

1）信號源監(jiān)測。對初始信號源經(jīng)過分配放大器后中的SDI信號進行指標(biāo)監(jiān)測；2）編碼器編碼輸出后的ASI碼流監(jiān)測；3）多路ASI經(jīng)復(fù)用器復(fù)用后的ASI碼流監(jiān)測；4）進入智能切換器后輸出給廣發(fā)模塊的信號質(zhì)量監(jiān)測。

要求信號監(jiān)看監(jiān)聽系統(tǒng)的設(shè)備所有板卡可以混插在一個機箱內(nèi)，嵌入式設(shè)計，所有模塊均熱插拔。2塊視音頻編碼卡，每塊支持多達8路標(biāo)清SDI輸入，1個RJ45千網(wǎng)絡(luò)接口（用于TS over IP輸入輸出），1個RJ45百兆網(wǎng)絡(luò)接口（用于通信），提供SDI信號接入、IP網(wǎng)關(guān)二合一的強大功能。多通道ASI碼流監(jiān)測打包卡，每塊板卡可以配備2個TS監(jiān)測打包模塊，每個模塊可以完成8路ASI信號接收、碼流分析、碼流TS over IP輸出功能。板卡對輸入的TS流進行TR101290三級錯誤監(jiān)測及告警；并將輸入的8路TS流打包，在一個千兆口輸出。

3.3網(wǎng)絡(luò)管理環(huán)節(jié)的設(shè)計

1）網(wǎng)管系統(tǒng)必須支持對系統(tǒng)中編碼器，復(fù)用器等重要設(shè)備的實時監(jiān)控，提供圖形化系統(tǒng)示意圖，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的參數(shù)配置、狀態(tài)監(jiān)視、報警紀(jì)錄等。系統(tǒng)軟件必須有友好的GUI用戶界面，操作簡便直觀，具有本地及遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)管理功能，支持SNMP、HTTP等協(xié)議；提供對外網(wǎng)管接口及MIB庫；必須具備所有設(shè)備的配置參數(shù)存儲和備份，可實現(xiàn)導(dǎo)入導(dǎo)出的備份功能。

2）配置管理：網(wǎng)管系統(tǒng)必須具備網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、插板和端口的增加、刪除、改變及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的顯示；在初始化安裝時配置各個模塊，包括I/O卡、端口和冗余配置的參數(shù)；對軟硬件進行檢查等。

3）安全管理：網(wǎng)管系統(tǒng)應(yīng)具有安全管理功能，如配置用戶識別符、口令、訪問控制級別和范圍；對用戶權(quán)限進行鑒定，防止非法訪問；記錄所有登錄過程和操作過程；提供安全日志、超時管理、安全注銷等安全管理。

4）故障報警管理：支持高級報警管理功能，包括高級報警配置、報警轉(zhuǎn)發(fā)、綜合報警查詢等。網(wǎng)管系統(tǒng)必須能在設(shè)備失效、指標(biāo)劣化到一定程度時發(fā)出告警；同時實現(xiàn)對故障進行定位、以圖形方式顯示故障位置等。網(wǎng)管系統(tǒng)應(yīng)保存一定階段的告警歷史記錄，便于對告警信息地檢索和詳細(xì)分析，同時可實現(xiàn)人工或自動地刪除告警。

本系統(tǒng)方案在具體實施時，需要充分考慮硬件產(chǎn)品的性價比，選用成熟并被廣泛應(yīng)用的軟件體系，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行，為新疆電視臺15套電視節(jié)目的安全發(fā)射傳輸提供強有力的保障。

［1］王利.廣播電視安全播出保障措施探討［J］.電視技術(shù)，2013，37（6）：51-52.

［2］王皖春.同一硬盤播出系統(tǒng)不同語種電視頻道播出安全策略［J］.電視技術(shù)，2014，38（12）：79-82.

［3］楊知行.地面數(shù)字電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)研究與產(chǎn)業(yè)化進展［J］.電視技術(shù)，2014，38（22）：16-17.

TN948

B

10.16280/j.videoe.2015.10.021

時雯

2014-03-24