基于MPEG-2TS的廣播電臺(tái)下游傳輸體系

■文/周 沖 溫檳僡

基于MPEG-2TS的廣播電臺(tái)下游傳輸體系

■文/周 沖 溫檳僡

廣播電臺(tái)傳輸音頻信號(hào)至下游單位進(jìn)行發(fā)射覆蓋的傳輸鏈路具有數(shù)量眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、使用的技術(shù)不統(tǒng)一的特點(diǎn)。本文重點(diǎn)從MPEG-2音頻編碼技術(shù)出發(fā)，講解了該編碼下傳輸流TS的形成過(guò)程，介紹了基于MPEG-2TS流下廣播電臺(tái)采用的ASI光信號(hào)發(fā)送、E1、SDH等多種下游傳輸體系。

MPEG-2 TS；傳輸；E1；ASI；SDH

引言

廣播是通過(guò)無(wú)線電波或?qū)Ь€傳送聲音的新聞傳播工具，是人們發(fā)聲的有利“武器”。眾所周知，廣播的播出信號(hào)來(lái)源自電臺(tái)直播室，經(jīng)由多種傳輸模式結(jié)合多條傳輸鏈路，送往各下游單位進(jìn)行發(fā)射覆蓋。目前，我國(guó)對(duì)廣播進(jìn)行覆蓋的方式有調(diào)頻信號(hào)、衛(wèi)星調(diào)幅、數(shù)字微波、光纖有線覆蓋等。

安全播出是廣播的生命線。為了保障電臺(tái)播出信號(hào)送往各發(fā)射臺(tái)（站）的信號(hào)不中斷，在實(shí)際應(yīng)用中，我們對(duì)每個(gè)發(fā)射臺(tái)（站）設(shè)計(jì)了同一信號(hào)通過(guò)不同鏈路以不同的路由方式進(jìn)行傳輸。其中最具典型代表的有異步串行接口（Asynchronous Serial Interface ，ASI）、歐洲使用同時(shí)也是我國(guó)使用的一次群PCM傳輸體制E1與同步數(shù)字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）。

本文就這三種傳輸體系的原理與它們?cè)趶V播電臺(tái)的使用進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹與分析。

1.關(guān)于MPEG-2TS

眾所周知，廣播電臺(tái)現(xiàn)已全面實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化。數(shù)字信號(hào)大多以專業(yè)的數(shù)字音頻格式AES/EBU為主。AES/EBU在一個(gè)傳輸周期內(nèi)傳輸一幀，而每一幀又由2個(gè)各代表左、右聲道的子幀組成。每一子幀比特?cái)?shù)為32bit。根據(jù)我國(guó)廣播電影電視行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《演播室數(shù)字音頻信號(hào)接口》（GY/T 158-2000），數(shù)字音頻以48KHz為采樣頻率[1]。那么，一對(duì)立體聲數(shù)字信號(hào)的總數(shù)據(jù)率為48KHz×32bit×2=3.072Mbit/s。從該計(jì)算中我們可知，這樣的信號(hào)帶寬是非常大的，非常不利于信號(hào)的傳輸與音頻的存儲(chǔ)。因此在實(shí)際應(yīng)用中我們需要采用音頻編碼壓縮的技術(shù)手段，以此降低信號(hào)的數(shù)碼率。于是MPEG系列壓縮編碼技術(shù)就在這樣的環(huán)境下應(yīng)運(yùn)而生。

MPEG音頻編碼系統(tǒng)采用了基于感知編碼的有損壓縮技術(shù)，它是依據(jù)心理聲學(xué)掩蔽效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。即在對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行編碼時(shí)，對(duì)于那些低于聽(tīng)覺(jué)閾值的信號(hào)，略過(guò)編碼或減少比特?cái)?shù)，以此不降低人類主觀聽(tīng)音感受的同時(shí)降低傳輸?shù)臄?shù)碼率，從而實(shí)現(xiàn)壓縮的目的[2]。在此技術(shù)基礎(chǔ)上，前后有MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)和MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)。前者解決了由視音頻信號(hào)構(gòu)成的壓縮層的壓縮、解壓縮和同步[3]。后者則是前者的升級(jí)版本，它在降低數(shù)碼率與提升音頻壓縮質(zhì)量的同時(shí)，對(duì)從壓縮層輸出的基本數(shù)據(jù)流ES打包成用于存儲(chǔ)的節(jié)目流PS或用于廣播電視傳輸?shù)膫鬏斄鱐S做出了定義。具體過(guò)程如下所述。

一般來(lái)說(shuō)，從電臺(tái)直播室輸出的AES/EBU信號(hào)經(jīng)過(guò)編碼器壓縮成MPEG-2格式的信號(hào)，以此形成基本數(shù)據(jù)流ES。隨后，打包器對(duì)ES流進(jìn)行第一次打包，并進(jìn)行分組、打包、添加包頭信息等操作，產(chǎn)生了大小可以是任意長(zhǎng)度的分組數(shù)據(jù)流PES。

分組數(shù)據(jù)流PES隨后進(jìn)入節(jié)目流，多用復(fù)用器進(jìn)行第二次封裝，即PES通過(guò)再次打包的方式復(fù)用為單個(gè)長(zhǎng)度任意的節(jié)目流PS。

傳輸流TS是對(duì)節(jié)目流PS的再次打包封裝過(guò)程。到這里，基本數(shù)據(jù)流ES已經(jīng)進(jìn)行了第三次封裝。TS的固定長(zhǎng)度為188字節(jié)。當(dāng)然，我們也可以從分組數(shù)據(jù)流PES直接打包成TS[3]。

一般來(lái)說(shuō)，因?yàn)镻S流的長(zhǎng)度是可變的，造成了PS包里同步信息的位置不固定，容易導(dǎo)致信息丟失。而TS流長(zhǎng)度固定，可以在包里固定的位置檢測(cè)到同步信息。因此，在傳輸誤碼率較高的惡劣信道里，TS流最適合用來(lái)傳輸。在信道環(huán)境好，又想節(jié)約成本與時(shí)間的情況下，則使用PS流傳輸?；贛PEG-2的PS流與TS流形成過(guò)程如圖1所示。

2.廣播電臺(tái)傳輸MPEG-2 TS的方式

在廣播電臺(tái)，由直播室出來(lái)的播出信號(hào)經(jīng)過(guò)編碼器編碼，被送往復(fù)用器進(jìn)行打包形成MPEG-2 TS流后，即被以不同的傳輸方式并且經(jīng)過(guò)多種路由方式送往下游單位。下面，就廣播電臺(tái)基于MPEG-2 TS的傳輸方式進(jìn)行介紹。

2.1 ASI光信號(hào)的發(fā)送

ASI，即異步串行接口。在實(shí)際應(yīng)用中，我們將復(fù)用器產(chǎn)生的MPEG-2 TS信號(hào)流適配到異步串行接口，以此實(shí)現(xiàn)不同速率的MPEG-2 TS流以恒定的ASI碼流速率在編碼器、復(fù)用器與調(diào)制器之間進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸。它主要通過(guò)8B/10B的編碼方式，即在MPEG-2 TS輸入碼流的每個(gè)字節(jié)中產(chǎn)生10bit字用來(lái)填充，以此形成恒定的270Mbit/s的碼率。另一方面，8B/10B編碼具有自身錯(cuò)誤檢查的能力和良好的字節(jié)同步，這些優(yōu)勢(shì)可增強(qiáng)MPEG-2 TS流在傳輸信道抗干擾能力[3]。因此，ASI的傳輸安全性和可靠性都很高。

圖1 基于MPEG-2編碼端的碼流形成過(guò)程圖

在實(shí)際應(yīng)用中，我們大多采用同軸電纜BNC頭為ASI碼流提供物理性的連接，同時(shí)采用以發(fā)光二極管為光源的光纖進(jìn)行傳輸?；谶@樣的配置，MPEG-2 TS可以實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)距離傳輸，例如在50-70Km的本地距離內(nèi)使用光纖電纜進(jìn)行傳輸，或者通過(guò)衛(wèi)星鏈路傳輸。因此，在廣播電臺(tái)中也大多采用ASI碼流通過(guò)光發(fā)機(jī)以光信號(hào)的形式發(fā)送至下游單位。

2.2 E1傳輸

E1標(biāo)準(zhǔn)是我國(guó)與歐洲各國(guó)之間使用的基于PCM的傳輸系統(tǒng)。它可通過(guò)同步時(shí)分復(fù)用技術(shù)將32個(gè)相等的信道合在一起進(jìn)行數(shù)字復(fù)接。在32個(gè)信道之中，每個(gè)信道傳送8bit，采用8KHz的采樣率。那么每個(gè)信道可傳輸速率為8KHz×8bit=64Kbit/s的信號(hào)，那么32個(gè)信道即總共可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)率為64Kbit/s×32=2.048Mbit/s。但是在32個(gè)信道中并不是所有的信道都可以進(jìn)行傳輸?shù)模覀円?guī)定劃分的這32個(gè)相等時(shí)隙，被編號(hào)為CH1-CH31。其中CH1做為幀同步標(biāo)志，CH16用來(lái)傳輸控制指令。因此，只有30個(gè)信道可用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)[4]。

一般來(lái)說(shuō)，廣播的一路立體聲信號(hào)在編碼后所占用的帶寬大約為256Kbit/s。那么，我們可以將E1傳輸系統(tǒng)中的4個(gè)信道通過(guò)數(shù)字復(fù)接技術(shù)結(jié)合在一起，做為一路廣播通道進(jìn)行音頻信號(hào)的傳輸。因此，我們可以說(shuō)E1技術(shù)的出現(xiàn)，使廣播的多路多種信號(hào)能夠有效地整合在一起，并通過(guò)一種傳輸設(shè)備進(jìn)行傳輸，充分地利用了信道的資源，提升了傳輸?shù)目捎寐省?/p>

廣播電臺(tái)大多采用具有編碼功能，并且能實(shí)現(xiàn)E1雙向通信為一體的E1傳輸系統(tǒng)將音頻信號(hào)傳輸至下游單位進(jìn)行覆蓋。在實(shí)際應(yīng)用中，我們可對(duì)多個(gè)直播室輸出的AES/EBU信號(hào)在一臺(tái)設(shè)備上編碼成MPEG-2格式后，再通過(guò)數(shù)字復(fù)接技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)E1的多信道合并。接下來(lái)即可完成最后的傳輸工作。一般來(lái)說(shuō)，我們會(huì)選擇光纖介質(zhì)來(lái)進(jìn)行E1信號(hào)的傳輸。但是大多數(shù)廣播電臺(tái)，會(huì)選擇將E1信號(hào)再次復(fù)接到SDH中來(lái)進(jìn)行最終的傳輸。下面，我們將介紹下SDH的傳輸方式。

2.3 SDH傳輸

廣播電視系統(tǒng)傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)以音頻和視頻為主，具有傳輸時(shí)間長(zhǎng)、內(nèi)容類別多與帶寬大等特點(diǎn)。因此，一次只能傳輸2M的E1系統(tǒng)，在使用上似乎有點(diǎn)捉襟見(jiàn)肘。再加上廣播電視節(jié)目具備時(shí)效性，如何在節(jié)目傳輸過(guò)程中保證嚴(yán)格的時(shí)鐘同步匹配，使得數(shù)字系統(tǒng)能進(jìn)行低延時(shí)的傳輸，并準(zhǔn)確解析出數(shù)據(jù)，這是我們需要解決的問(wèn)題。

隨著同步數(shù)字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）的問(wèn)世，很好地解決了這一問(wèn)題。SDH是一種集數(shù)字復(fù)接技術(shù)、分接技術(shù)、傳輸與線路交換為一體的系統(tǒng)。它所采用的同步傳送模塊STM-N可供用戶自行選擇不同等級(jí)的帶寬。SDH傳播速率主要由STM-N決定，其中N=1、4、16、64，最大可選擇256。SDH的采樣頻率為8KHz,其每一幀由9×270×N（N=1、4、16、64、256）字節(jié)組成。因此STM-N的傳輸速率為8000×9×270×N×8=156×N Mb/s（N=1、4、16、64、256）。由此我們可以得出，SDH為我們提供了156Mb/s，622Mb/s，2.5Gb/s，10Gb/s等多種傳輸帶寬[4]。較大的帶寬和靈活的選擇方式，很好地滿足廣電系統(tǒng)傳輸節(jié)目的要求。對(duì)于大多數(shù)廣電部門來(lái)說(shuō)，一般選擇2.5Gb/s帶寬速率；部分需求量大的單位，會(huì)升級(jí)到10Gb/s來(lái)滿足需求。

其次，SDH系統(tǒng)具有嚴(yán)格的同步性，使得整體采用該技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)具有可靠性高，誤碼率少的優(yōu)勢(shì)。再次，SDH自身可組成環(huán)網(wǎng)，使其具有自愈的保護(hù)能力和較強(qiáng)的生存率，能夠有效地避免了其中一個(gè)傳輸節(jié)點(diǎn)的中斷，造成整條傳輸鏈路通信的終止。此外，SDH具有統(tǒng)一的幀結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接口，較好的兼容性使其形成了全球統(tǒng)一的傳輸標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，SDH在OSI網(wǎng)絡(luò)模型中屬于最底層的物理層，因此我們可基于SDH系統(tǒng)，進(jìn)行IP網(wǎng)絡(luò)層的傳輸。這也是目前部分廣電系統(tǒng)正在改造實(shí)施的方向之一。最后，SDH不僅適用于光纖傳輸，在微波和衛(wèi)星通信上也有很好的利用[4]。這些都成為了我國(guó)選用SDH技術(shù)在國(guó)家級(jí)與省部級(jí)之間進(jìn)行有線電視傳輸?shù)闹饕?。?.1節(jié)中，我們已經(jīng)提到，一套廣播立體聲節(jié)目傳輸率為256Kb/s，那么會(huì)占用4個(gè)E1信道。那么，在一次E1傳輸中，30個(gè)傳輸數(shù)據(jù)信道，只能夠?yàn)榇蠹s7套節(jié)目提供傳輸通路。如果我們采用SDH的傳輸方式，可將多個(gè)2M的E1傳輸復(fù)接到SDH，進(jìn)行統(tǒng)一的傳輸。

與此同時(shí)，我們可將ASI信號(hào)通過(guò)相應(yīng)的適配器將帶寬進(jìn)行調(diào)整，再送入SDH系統(tǒng)中一并進(jìn)行傳輸。在實(shí)際應(yīng)用中，SDH的帶寬由若干個(gè)2M和若干個(gè)45M帶寬組成。具體如圖2所示。

3.結(jié)語(yǔ)

廣播電臺(tái)傳輸節(jié)目信號(hào)的方式多種多樣，正因?yàn)槿绱瞬疟ＷC了廣播信號(hào)的不中斷與高質(zhì)量。但是，并不是每種傳輸都具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，例如SDH在具有高帶寬、嚴(yán)格同步性、傳輸質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也會(huì)具有頻帶使用率低、軟件的使用對(duì)系統(tǒng)安全造成一定的影響等一系列缺點(diǎn)，這些都是不容忽視。

隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展，我們期待在不久的將來(lái)，會(huì)有新型的音頻編碼與傳輸技術(shù)，使得我們的廣播音頻能在讓人滿意的傳輸速率下，保證較高的聲音質(zhì)量，進(jìn)行快速、可靠、安全的傳輸。

圖2 SDH復(fù)接傳輸?shù)膽?yīng)用

[1]國(guó)家廣播電影電視總局．演播室數(shù)字音頻信號(hào)接口（GY/T158-2000）[S]．北京：國(guó)家廣播電影電視總局，2000：3．

[2]盧官明，宗昉．?dāng)?shù)字音頻原理與技術(shù)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012：58-59．

[3]羅賓，寶林．?dāng)?shù)字電視基礎(chǔ)——視頻和音頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與安裝[M]．北京：人民郵電出版社，2003：305-307，457-458．

[4]楊心強(qiáng)，陳國(guó)友．?dāng)?shù)據(jù)通信與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2014：125-128．

（作者單位：廣西人民廣播電臺(tái)）

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1671-0134（2017）08-067-03

10．19483/j．cnki．11-4653/n．2017．08．023