廣西電視臺(tái)播出授時(shí)系統(tǒng)防跳變方案

□ 蒙壽勇

廣西電視臺(tái)播出授時(shí)系統(tǒng)防跳變方案

□ 蒙壽勇

該方案通過(guò)增加冗余GPS衛(wèi)星時(shí)鐘天線(xiàn)和高穩(wěn)時(shí)鐘增加時(shí)鐘信源可靠度，利用RS-485通訊協(xié)議和NTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘信號(hào)的可靠傳輸，播出子網(wǎng)的VLAN劃分減少病毒感染對(duì)授時(shí)系統(tǒng)的威脅，用軟校時(shí)和播控軟件內(nèi)部時(shí)鐘的方法，避免播出系統(tǒng)時(shí)間跳變對(duì)安全播出造成影響。

GPS時(shí)鐘；高穩(wěn)時(shí)鐘；恒溫晶振；RS-485；瞬態(tài)保護(hù)；NTP；軟校時(shí)

授時(shí)系統(tǒng)是廣西電視臺(tái)播控系統(tǒng)的核心子系統(tǒng)之一，為全臺(tái)包括播控系統(tǒng)、編解碼系統(tǒng)、新聞演播系統(tǒng)在內(nèi)的關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)備提供時(shí)鐘信號(hào)，因而如何保證授時(shí)的準(zhǔn)確性，降低甚至杜絕時(shí)鐘跳變的發(fā)生是整個(gè)播出安全的重要議題。

一、系統(tǒng)需求分析

廣西電視臺(tái)原有授時(shí)系統(tǒng)由一個(gè)衛(wèi)星時(shí)鐘天線(xiàn)、兩臺(tái)GPS時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器、一臺(tái)時(shí)碼到換器、若干時(shí)碼分配器、RS-232傳輸設(shè)備以及IP授時(shí)終端構(gòu)成。

（一）原系統(tǒng)時(shí)鐘跳變的原因

造成時(shí)鐘信號(hào)跳變的原因有時(shí)鐘源跳變、信號(hào)傳輸受到干擾、本地時(shí)鐘跳變等，詳細(xì)如下：

1.系統(tǒng)存在單潰點(diǎn)，衛(wèi)星時(shí)鐘天線(xiàn)為授時(shí)系統(tǒng)中的單潰點(diǎn)，且衛(wèi)星天線(xiàn)必須置于室外露天放置，因而容易受到天氣、電磁輻射、鼠患等外部環(huán)境的影響和干擾。

2.授時(shí)信號(hào)傳輸接口不可靠，授時(shí)信號(hào)采用RS-232串口協(xié)議，主要有以下不足：接口的信號(hào)電平值較高，易損壞接口電路的芯片；傳輸距離不夠遠(yuǎn)，不超過(guò)50英尺（約15米）；采用不平街的發(fā)送器和接收器，容易產(chǎn)生信號(hào)間的干擾。

3.自愈能力弱，原系統(tǒng)、時(shí)鐘信號(hào)來(lái)源完全依賴(lài)外部GPS時(shí)鐘信號(hào)，對(duì)外依存度極高，一旦接收到的GPS信號(hào)異常，將直接威脅授時(shí)系統(tǒng)信源安全，甚至造成時(shí)鐘跳變。

4.采用硬校時(shí)，原有授時(shí)系統(tǒng)的授時(shí)終端采用硬校時(shí)的方式，當(dāng)授時(shí)系統(tǒng)時(shí)間異常時(shí)，設(shè)備直接將獲取到的錯(cuò)誤時(shí)鐘對(duì)本地時(shí)鐘進(jìn)行校時(shí)，造成本地時(shí)鐘跳變。

5.局域網(wǎng)病毒攻擊，系統(tǒng)GPS衛(wèi)星時(shí)鐘發(fā)生器作為一級(jí)時(shí)鐘源，直接對(duì)二級(jí)時(shí)鐘源進(jìn)行授時(shí)，二級(jí)時(shí)鐘源通過(guò)局域網(wǎng)對(duì)所有IP設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)授時(shí)。一級(jí)時(shí)鐘源具備原生抗病毒特性，但二級(jí)時(shí)鐘源處于局域網(wǎng)中，有遭受病毒攻擊的風(fēng)險(xiǎn)。

（二）新系統(tǒng)的拓展方向

原有系統(tǒng)的不足可通過(guò)解決時(shí)鐘跳變問(wèn)題來(lái)解決：增加信源的冗余，消除單潰點(diǎn)；采用更可靠的接口協(xié)議，確保時(shí)鐘信號(hào)準(zhǔn)確無(wú)誤，可傳輸?shù)较录?jí)設(shè)備；改進(jìn)局域網(wǎng)校時(shí)機(jī)制，把好防止時(shí)鐘跳變的最后一關(guān)；完善播控軟件的時(shí)鐘同步機(jī)制，當(dāng)時(shí)鐘跳變既已發(fā)生時(shí)，保障節(jié)目播出串聯(lián)單不錯(cuò)亂。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

（一）信源端

廣西電視臺(tái)播控部主要采取以下兩個(gè)手段提高信源的可靠度和健康度。

1.增加新的冗余GPS衛(wèi)星時(shí)鐘天線(xiàn)，增強(qiáng)信源可靠度。

原系統(tǒng)只配備了一部GPS衛(wèi)星時(shí)鐘天線(xiàn)，屬于典型的系統(tǒng)單潰點(diǎn)，存在設(shè)備老舊和承受外部干擾的巨大威脅。此外GPS衛(wèi)星時(shí)鐘天線(xiàn)相較于其他設(shè)備，價(jià)格較低，搭設(shè)簡(jiǎn)便，投入和產(chǎn)出比巨大。因而配置冗余的GSP衛(wèi)星時(shí)鐘天線(xiàn)是消除單潰點(diǎn)的首要選擇。

2.增加本地高穩(wěn)時(shí)鐘作為信源信號(hào)的多重保障。

增加GPS時(shí)鐘天線(xiàn)解決了外部信源的單潰點(diǎn)問(wèn)題，但不能解決原系統(tǒng)原有的授時(shí)系統(tǒng)對(duì)外依存度高、自愈能力低下的問(wèn)題。因而需要增加本地高穩(wěn)時(shí)鐘作為信源信號(hào)的多重保障，降低對(duì)外依存度，提高系統(tǒng)自愈能力。

衛(wèi)星時(shí)鐘作為高穩(wěn)時(shí)鐘的鎖相校準(zhǔn)時(shí)鐘源。外部輸入的時(shí)間碼輸入高穩(wěn)時(shí)鐘，經(jīng)判斷認(rèn)為正確之后，讀入時(shí)間碼校準(zhǔn)高穩(wěn)時(shí)鐘，同步分頻網(wǎng)絡(luò)使本地時(shí)鐘的相位跟鎖相校準(zhǔn)源一致，若輸入校準(zhǔn)源發(fā)生故障，將已鎖相的時(shí)鐘信號(hào)不間斷送往下游。鎖相后時(shí)鐘信號(hào)與另一路衛(wèi)星時(shí)鐘源共同接入時(shí)碼選擇器，此作為一級(jí)時(shí)鐘源。如圖1所示：

圖1 改造后的一級(jí)時(shí)鐘源結(jié)構(gòu)圖

高穩(wěn)時(shí)鐘的核心部件是恒溫控制晶體振蕩器，利用恒溫槽使晶體振蕩器的溫度保持恒定，將由周?chē)鷾囟茸兓鸬恼袷幤鬏敵鲱l率變化量削減到最小的晶體振蕩器，將石英晶體振子置于內(nèi)部的恒溫槽中，振蕩電路置于外部的恒溫槽中進(jìn)行溫度補(bǔ)償，實(shí)行雙重恒溫槽控制法，使振蕩器頻率穩(wěn)定度至少保持在10-9。其原理如圖2所示。

圖2 恒溫晶體振蕩器原理框圖

（二）傳輸層

1.授時(shí)信號(hào)接口采用RS-485協(xié)議替代RS-232協(xié)議，保證信號(hào)傳輸可靠性。

RS-485克服了RS-232C的多種缺點(diǎn)，具有顯著優(yōu)勢(shì)：傳輸距離遠(yuǎn)，最大的通信距離約為4000英尺（約1219m）；抗干擾能力強(qiáng)，采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗噪聲干擾性好；工作電平值低，不易損壞接口電路的芯片；高頻瞬態(tài)保護(hù)，一般在切換大功率感性負(fù)載或閃電過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生幅度很高的瞬態(tài)干擾，如不加以適當(dāng)防護(hù)就會(huì)損壞通信接口。瞬態(tài)干擾可以采用隔離和旁路的方法加以防護(hù)。隔離保護(hù)方案將瞬態(tài)高壓轉(zhuǎn)移到隔離接口中的電隔離層上，由于隔離層的高絕緣電阻，起到保護(hù)接口的作用。旁路保護(hù)方案利用瞬態(tài)抑制元件，將危害性的瞬態(tài)能量旁路到大地。如圖3所示。

圖3 瞬態(tài)保護(hù)電路

2.二級(jí)時(shí)鐘源通過(guò)RS-485接口接收一級(jí)時(shí)鐘源送達(dá)的時(shí)鐘信號(hào)，二級(jí)時(shí)鐘源通過(guò)局域網(wǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的IP設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)授時(shí)。

原系統(tǒng)中只有主備兩臺(tái)服務(wù)器作為二級(jí)時(shí)鐘源，用于接收一級(jí)時(shí)鐘源通過(guò)RS-232接口送達(dá)的時(shí)鐘信號(hào)，再將接收到的時(shí)鐘信號(hào)分發(fā)到局域網(wǎng)里的所有IP設(shè)備，因而不具備子網(wǎng)故障和病毒隔離能力，可對(duì)播控局域網(wǎng)IP設(shè)備進(jìn)行VLAN劃分，分為播出子網(wǎng)、字幕子網(wǎng)、周邊設(shè)備子網(wǎng)、災(zāi)備子網(wǎng)，每個(gè)子網(wǎng)配備一臺(tái)二級(jí)時(shí)鐘源，提供子網(wǎng)故障和病毒隔離能力。一級(jí)時(shí)鐘源和二級(jí)時(shí)鐘源之間為樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

各個(gè)二級(jí)時(shí)鐘源之間既互相獨(dú)立又互為備份，正常工作模式下，二級(jí)時(shí)鐘源之間互不干擾，互不交叉。獨(dú)立的VLAN子網(wǎng)可以限制故障域，起到故障和病毒隔離的作用。當(dāng)某一個(gè)二級(jí)時(shí)鐘源發(fā)生故障無(wú)法對(duì)外工作時(shí)，剩下的任何一個(gè)二級(jí)時(shí)鐘源可以都可以接管其工作，直至故障恢復(fù)。如圖5所示。

（三）客戶(hù)端

1.授時(shí)客戶(hù)端軟件增加防跳變功能

時(shí)鐘源與本地時(shí)鐘差別過(guò)大時(shí)不進(jìn)行校時(shí)。本地時(shí)間和時(shí)鐘源時(shí)間不一致，是造成本地時(shí)鐘跳變的直接原因，當(dāng)兩者差別過(guò)大時(shí)，強(qiáng)行校時(shí)會(huì)直接影響播出系統(tǒng)的正常工作，直接威脅安全播出。給授時(shí)客戶(hù)端軟件增加防跳變功能可以將時(shí)鐘源跳變對(duì)播出系統(tǒng)的影響大大降低。

圖5 二級(jí)時(shí)鐘源接管示意圖

2.增加軟校時(shí)功能

當(dāng)前播出系統(tǒng)校時(shí)普遍采用硬校時(shí)方式，即軟件進(jìn)行校時(shí)時(shí)，會(huì)即刻將本地時(shí)鐘與時(shí)鐘源進(jìn)行校準(zhǔn)，對(duì)時(shí)鐘跳變不敏感的設(shè)備影響小，但諸如播控設(shè)備等對(duì)時(shí)間跳變極其敏感的設(shè)備，造成的后果往往是災(zāi)難性的。

因而需要另一種校時(shí)機(jī)制——軟校時(shí)。當(dāng)需要校時(shí)時(shí)，并非即刻校準(zhǔn)，而是在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)逐步將本地時(shí)間與時(shí)鐘源校準(zhǔn)，防止硬校時(shí)產(chǎn)生本地時(shí)鐘跳變。NTP協(xié)議提供了軟校時(shí)功能，因而為廣西電視臺(tái)播控系統(tǒng)所采用。

NTP協(xié)議可以采用多臺(tái)服務(wù)器，通過(guò)不間斷的監(jiān)控自動(dòng)選擇最佳服務(wù)器；并且，若一臺(tái)服務(wù)器失效，將會(huì)自動(dòng)選擇另一臺(tái)正常服務(wù)器。對(duì)此，可以在任何操作系統(tǒng)運(yùn)行NTP，包括 Windows、Linux、FreeBSD 和 Mac，因而符合廣西電視臺(tái)播控系統(tǒng)中存在多種操作系統(tǒng)設(shè)備并存的現(xiàn)狀。

（四）應(yīng)用端

播控相關(guān)軟件增加自身軟件時(shí)鐘。給播出相關(guān)軟件增加時(shí)鐘計(jì)數(shù)器，當(dāng)軟件時(shí)鐘與本地時(shí)鐘出現(xiàn)誤差時(shí)，以軟件時(shí)鐘自行運(yùn)行，保證軟件正常工作。這是防范時(shí)鐘跳變對(duì)安全播出的最后一道技術(shù)護(hù)欄，即使由于強(qiáng)大外力或不可知因素導(dǎo)致授時(shí)系統(tǒng)時(shí)鐘出現(xiàn)跳變，也不會(huì)即刻影響安全播出，給技術(shù)人員贏取充分的時(shí)間修復(fù)故障點(diǎn)。

三、結(jié)語(yǔ)

該方案對(duì)授時(shí)系統(tǒng)整個(gè)路由進(jìn)行了全新的優(yōu)化和升級(jí)，通過(guò)增加冗余GPS衛(wèi)星時(shí)鐘天線(xiàn)和高穩(wěn)時(shí)鐘增加時(shí)鐘信源可靠度，利用RS-485通訊協(xié)議和NTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘信號(hào)的可靠傳輸，播出子網(wǎng)的VLAN劃分減少病毒感染對(duì)授時(shí)系統(tǒng)的威脅，用軟校時(shí)和播控軟件內(nèi)部時(shí)鐘的方法，避免播出系統(tǒng)時(shí)間跳變對(duì)安全播出造成影響。

1.王久鵬,尚春陽(yáng).一種基于GPS的校時(shí)系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2008（13）.

2.黃沛芳.基于NTP的高精度時(shí)鐘同步系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2009（07）.

（作者單位：廣西電視臺(tái)）