天塔機(jī)房電視系統(tǒng)信號(hào)傳輸鏈路數(shù)字化改造

朱悅

【摘要】隨著人們對(duì)娛樂文化需求的不斷提高以及通信技術(shù)的發(fā)展，模擬電視逐漸退出歷史舞臺(tái)，地面數(shù)字電視普及化加速。本文對(duì)天津廣播電視塔機(jī)房地面數(shù)字電視播出系統(tǒng)整體改造中的前端信號(hào)傳輸鏈路部分的改造進(jìn)行分析，對(duì)機(jī)房對(duì)從光端接收機(jī)接受信號(hào)到信號(hào)進(jìn)入發(fā)射機(jī)激勵(lì)器這一段傳輸鏈路的改造重點(diǎn)進(jìn)行論述。

【關(guān)鍵詞】地面數(shù)字電視;編轉(zhuǎn)碼復(fù)用;應(yīng)急切換;報(bào)警監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TN929? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.02.025

同傳統(tǒng)模擬電視相比，地面數(shù)字電視通過節(jié)目復(fù)用技術(shù)和單頻網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高頻譜利用率，具有更好的抗干擾能力，同時(shí)高傳輸碼率為觀眾帶來的更好視聽享受，也可支持便攜式終端。根據(jù)國(guó)家廣播電視總局下發(fā)《關(guān)于按規(guī)劃關(guān)停地面模擬電視有關(guān)工作安排的通知》，以及工業(yè)和信息化部對(duì)700MHz頻段頻率使用規(guī)劃的通知，為推進(jìn)廣播電視節(jié)目數(shù)字化、高清化，加快廣電5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，天津電視臺(tái)關(guān)停無線模擬電視信號(hào)，天津廣播電視塔發(fā)射機(jī)房對(duì)電視播出系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化改造，其中包括前端信號(hào)傳輸鏈路以及電視發(fā)射機(jī)系統(tǒng)兩部分。本文闡述了信號(hào)傳輸鏈路部分中的信號(hào)編轉(zhuǎn)碼、復(fù)用環(huán)節(jié)以及信號(hào)應(yīng)急切換、報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等重點(diǎn)改造節(jié)點(diǎn)。

1. 信號(hào)傳輸鏈路改造目標(biāo)

機(jī)房改造前，承擔(dān)著五個(gè)無線模擬電視頻道（四個(gè)本地頻道和一個(gè)央視綜合頻道），三個(gè)數(shù)字電視頻道（一個(gè)天津衛(wèi)視頻道，兩個(gè)各包含八套節(jié)目的中央無線覆蓋33、45頻道）的發(fā)射任務(wù)。改造后，五個(gè)模擬頻道和本地衛(wèi)視頻道取消，由五個(gè)數(shù)字頻道代替，其中一個(gè)標(biāo)清頻道（17頻道）包含八套節(jié)目，其余四個(gè)高清頻道（9頻道，18頻道，28頻道，29頻道）各包含兩套節(jié)目，所有節(jié)目均為本地節(jié)目。原有的兩套標(biāo)清數(shù)字電視頻道（33頻道、45頻道）保持不變。改造后的信號(hào)傳輸鏈路需對(duì)節(jié)目保持實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)接收到的信號(hào)發(fā)生異常（如碼流丟失或者黑場(chǎng)、靜幀、聲音異常等）或鏈路內(nèi)部設(shè)備運(yùn)行異常時(shí)，可及時(shí)發(fā)出警報(bào)，可自行進(jìn)行應(yīng)急處理動(dòng)作，并留有供值班人員人工干預(yù)的渠道。

從整個(gè)播出系統(tǒng)來說，每個(gè)頻道將有兩路信號(hào)源，兩臺(tái)發(fā)射機(jī)。信號(hào)源是由光端機(jī)接收來的SD-SDI、HD-SDI（均為天津本地節(jié)目）或ASI（33，45頻道央視節(jié)目碼流）信號(hào)。信號(hào)經(jīng)編轉(zhuǎn)碼、復(fù)用后生成的包含TS傳輸流（Transport Stream，TS）的ASI信號(hào)，信號(hào)源進(jìn)入自動(dòng)切換器，由切換器輸出一路信號(hào)作為主源，再進(jìn)入發(fā)射機(jī)激勵(lì)器。此外，編轉(zhuǎn)碼復(fù)用后生成的ASI信號(hào)和自動(dòng)切換器的輸出信號(hào)，均會(huì)經(jīng)過視頻分配器，由視頻分配器額外輸出一路信號(hào)至報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用。

2. 信號(hào)傳輸鏈路改造重點(diǎn)

2.1 編轉(zhuǎn)碼復(fù)用

2.1.1 編轉(zhuǎn)碼復(fù)用基本原理及 TS流結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述

本次改造中，視頻編碼格式采用AVS+，音頻編碼格式為DRA。視音頻編碼后生成基本碼流ES，ES經(jīng)由PES打包器打包生成可變長(zhǎng)度的基本流PES包。PES再經(jīng)過復(fù)用，并插入節(jié)目專用信息表PSI和其他相關(guān)輔助信息，打包復(fù)用成由固定長(zhǎng)度為188字節(jié)的TS包組成的TS流。再將多個(gè)單節(jié)目TS流復(fù)用成一個(gè)多節(jié)目TS流輸出，這便是多節(jié)目傳輸流MPTS。

TS流的基本單位是TS包，一個(gè)TS包中的數(shù)據(jù)可以是視音頻數(shù)據(jù)、填充數(shù)據(jù)、PSI表格數(shù)據(jù)等。TS包由包頭和有效載荷區(qū)組成。在TS包的4字節(jié)大小包頭中，其中13比特的包識(shí)別PID至關(guān)重要。PID聲明TS包中傳輸?shù)挠行лd荷的數(shù)據(jù)類型，其值可由用戶定義。解碼時(shí)根據(jù)PID將TS包中不同的ES區(qū)分出來進(jìn)行解碼。有效載荷部分除了PES包數(shù)據(jù)（包含視頻、音頻及輔助數(shù)據(jù)）外，還有PSI。 PSI定義了TS流在傳輸中的規(guī)范。PSI包括節(jié)目映射表PMT，節(jié)目關(guān)聯(lián)表PAT等表格。分成一段或多段置于TS包中傳輸。它描述了TS流所攜帶的信息，解碼時(shí)，解碼端可先通過對(duì)PAT表的解析找到各節(jié)目源的PID;再?gòu)腜MT表中通過節(jié)目源PID檢索出各基本流的PID，由此便可區(qū)分TS流中的包，按照PID重建不同的基本流。

為保證解碼時(shí)系統(tǒng)時(shí)鐘恢復(fù)及視音頻同步，在復(fù)用過程中還需要插入多種時(shí)間標(biāo)簽。在ES層有視頻緩沖驗(yàn)證VBV;在PES層，將顯示時(shí)間戳PTS和解碼時(shí)間戳DTS加入在PES包的包頭信息中;TS包的包頭中包含節(jié)目時(shí)鐘參考PCR，以便解碼時(shí)恢復(fù)出和編碼端一致的系統(tǒng)時(shí)序時(shí)鐘STC。解碼時(shí)，為實(shí)現(xiàn)視頻、音頻的同步，解碼端需要采集TS流中PCR，藉此重建本地的STC。接著根據(jù)TS流中的PTS和DTS安排顯示時(shí)間表和解碼時(shí)間表，讓視頻和音頻都同步于STC，最終實(shí)現(xiàn)二者的同步。

2.1.2 信號(hào)源接入及編轉(zhuǎn)碼復(fù)用設(shè)備的設(shè)置

經(jīng)過考察論證，選擇了集編轉(zhuǎn)碼、復(fù)用功能于一體的柯維新公司KU-T1000編轉(zhuǎn)碼一體機(jī)，該設(shè)備支持 ASI、IP、SDI/HD-SDI，AV 輸入接口，支持ASI、IP碼流輸出，可靈活配置輸入輸出板卡，可進(jìn)行參數(shù)配置的導(dǎo)入導(dǎo)出，支持遠(yuǎn)程授權(quán)，有較好的可擴(kuò)展性，易于后期的維護(hù)升級(jí)。

改造后共設(shè)置六臺(tái)KU-T1000編轉(zhuǎn)碼一體機(jī)，其中兩臺(tái)每臺(tái)輸入八路SD-SDI節(jié)目信號(hào)，編轉(zhuǎn)碼復(fù)用后各輸出一路ASI信號(hào)，每路包含八套節(jié)目，作為本地標(biāo)清17頻道信號(hào)主備源;兩臺(tái)每臺(tái)輸入八路HD-SDI節(jié)目信號(hào)，各輸出四路ASI信號(hào)，每路包含兩套節(jié)目，分別作為四套本地高清頻道的主備信號(hào)源;兩臺(tái)每臺(tái)輸入四路SD-SDI節(jié)目信號(hào)和兩路ASI節(jié)目信號(hào)（為央視碼流，共十二套央視節(jié)目），復(fù)用后每臺(tái)各輸出兩路ASI信號(hào)，每路信號(hào)包含八套節(jié)目，作為原33，45頻道的主備信號(hào)源。

對(duì)編轉(zhuǎn)碼一體機(jī)的有幾項(xiàng)重點(diǎn)設(shè)置，包括：○1AUTO STOP MPTS（自動(dòng)停止復(fù)用碼流輸出）模式設(shè)置為 No ，即如果有一路或幾路信號(hào)故障，復(fù)用碼流仍然保持輸出;○2在每一套節(jié)目的傳輸參數(shù)（Transport Params）中，需手動(dòng)輸入對(duì)應(yīng)節(jié)目號(hào)（Program Number），Pmt 表的Pid，Video Pid，Audio1 Pid，Audio2 Pid等信息;○3選擇固定碼率模式（Constants Bit Rate，CBR），優(yōu)點(diǎn)是壓縮快，被大多數(shù)設(shè)備支持;○4在輸出設(shè)定（Output Setting）中，選擇Internal Muxer模式，即讓設(shè)備作為自身統(tǒng)計(jì)復(fù)用輸出;○5改造后的新增數(shù)字電視發(fā)射機(jī)的激勵(lì)器的前向糾錯(cuò)編碼效率為0.8，映射方式為16QAM;幀頭模式為PN945，交織深度720，激勵(lì)器理論碼率為19.2512Mbps左右，藉此設(shè)置相應(yīng)編轉(zhuǎn)碼一體機(jī)中每套節(jié)目的輸出編碼碼率：標(biāo)清節(jié)目輸出碼率在2，200kbps左右，高清節(jié)目輸出碼率在9，300kbps左右。

2.2 應(yīng)急處理機(jī)制

2.2.1 ASI自動(dòng)切換器

新增五個(gè)頻道的自動(dòng)切換器選用科迪公司kd7021-301T碼流應(yīng)急切換器。正常情況下，每個(gè)頻道均有主備兩路ASI信號(hào)進(jìn)入自動(dòng)切換器，由切換器輸出一路至發(fā)射機(jī)激勵(lì)器。常規(guī)狀態(tài)下切換器工作在自動(dòng)模式，默認(rèn)主路輸出，當(dāng)主路故障且備路正常時(shí)，自動(dòng)切換到備路;當(dāng)主路信號(hào)恢復(fù)時(shí)，自動(dòng)切回主路。通過遠(yuǎn)程控制軟件，可實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)入切換器的各路碼流狀態(tài)的觀測(cè)，設(shè)置切換器自動(dòng)切換的觸發(fā)條件和反應(yīng)時(shí)間，手動(dòng)控制某一頻道的信號(hào)切換等功能?？紤]到控制軟件或者通信線路故障的可能性，亦可通過切換器控制面板直接手動(dòng)切換。自動(dòng)切換器觸發(fā)機(jī)制為：識(shí)別碼流信號(hào)，丟失0秒自動(dòng)切換，0秒報(bào)警;識(shí)別PID信號(hào)，當(dāng)碼流中任一節(jié)目視頻PID信號(hào)丟失0秒自動(dòng)切換，0秒報(bào)警。自動(dòng)切換器只對(duì)碼流層面異常進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不進(jìn)行黑場(chǎng)、靜幀和音頻丟失等內(nèi)容層面的異常識(shí)別，需要報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)以上異常報(bào)警后，值班員手動(dòng)干預(yù)。

2.2.2 短接跳線盤系統(tǒng)

在信號(hào)從編轉(zhuǎn)碼一體機(jī)輸出后和進(jìn)入發(fā)射機(jī)之前的兩個(gè)位置，設(shè)置短接跳線盤系統(tǒng)，當(dāng)某一頻道的應(yīng)急切換器和視頻分配器等設(shè)備發(fā)生故障，造成傳輸鏈路中斷時(shí)，值班員可以通過短接跳線盤手動(dòng)將編轉(zhuǎn)碼一體機(jī)輸出的該路ASI信號(hào)直接短接入指定的發(fā)射機(jī)，減少播出異常時(shí)間。同時(shí)為短接的線路配置了專用的ASI視頻分配器，目的是提高信號(hào)幅度，改善信號(hào)傳輸線的均衡度，保證使用跳線盤時(shí)的節(jié)目播出質(zhì)量。

2.3 報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可對(duì)信號(hào)傳輸鏈路的不同節(jié)點(diǎn)的信號(hào)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常。由于新的信號(hào)傳輸系統(tǒng)都已ASI接口傳輸，同時(shí)節(jié)目數(shù)量較以前增多，因此在原有博匯TrinityAres-Display報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱Display監(jiān)測(cè)主機(jī)）基礎(chǔ)上，增加新的博匯BHIP193E報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱Apollo監(jiān)測(cè)主機(jī)），Apollo系統(tǒng)是基于TS over IP技術(shù)的嵌入式多畫面顯示的報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有對(duì)廣播電視節(jié)目的視音頻異態(tài)監(jiān)測(cè)、多畫面組合顯示等功能，穩(wěn)定性高，能耗低，可提供更好的信號(hào)處理能力和人機(jī)交互體驗(yàn)。

新的報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由不同類型的信號(hào)采集板卡，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，三臺(tái)Display監(jiān)測(cè)主機(jī)和新增的一臺(tái)Apollo監(jiān)測(cè)主機(jī)組成。監(jiān)測(cè)信號(hào)分別取自信號(hào)傳輸鏈路中編轉(zhuǎn)碼一體機(jī)的輸出的主、備路ASI信號(hào)（以下簡(jiǎn)稱主、備源信號(hào)）、自動(dòng)切換器輸出的ASI信號(hào)（以下簡(jiǎn)稱入發(fā)射機(jī)信號(hào)，33，45頻道信號(hào)傳輸鏈路沒有采集入發(fā)射機(jī)信號(hào)）;此外，還從各個(gè)頻道的數(shù)字電視發(fā)射機(jī)的耦合輸出口采集了射頻信號(hào)（以下簡(jiǎn)稱耦合信號(hào)）。其中主、備源信號(hào)及入發(fā)射機(jī)信號(hào)均通過Nevion公司的DA-SDI數(shù)字視頻分配器生成，這些ASI信號(hào)進(jìn)入BHA31多通道ASI碼流檢測(cè)卡;而耦合信號(hào)則由分配器分配后進(jìn)入數(shù)字電視機(jī)頂盒，經(jīng)解調(diào)解碼后輸出模擬音視頻信號(hào)進(jìn)入BHCV23多通道模擬視音頻編碼卡。BHA31和BHCV23均需對(duì)TS流數(shù)據(jù)端口的輸出進(jìn)行設(shè)置，包括碼流輸出地址及端口號(hào)等，其中BHCV23還需配置各通道視頻編碼碼率值、節(jié)目號(hào)、PMT_PID、PCR_PID、VIDEO_PID、AUDIO_PID等參數(shù)。配置正確的BHA31和BHCV23將收集到的信號(hào)重新生成TS傳輸流，依托TS over IP技術(shù)輸出到網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)根據(jù)IP地址將IP流發(fā)送至不同監(jiān)測(cè)主機(jī)。其中Apollo監(jiān)測(cè)主機(jī)監(jiān)測(cè)所有高清標(biāo)清頻道的主、備信號(hào)源（含33，45頻道）。三臺(tái)Display監(jiān)測(cè)主機(jī)中一臺(tái)監(jiān)測(cè)三套標(biāo)清頻道（含33，45頻道）的入發(fā)射機(jī)信號(hào)（只對(duì)17頻道入發(fā)射信號(hào)監(jiān)測(cè)）和耦合信號(hào);其余兩臺(tái)每臺(tái)分別各監(jiān)測(cè)兩套本地高清頻道的入發(fā)射機(jī)信號(hào)和耦合信號(hào)。

值班人員通過遠(yuǎn)程桌面系統(tǒng)操作Display監(jiān)測(cè)主機(jī)內(nèi)的控制軟件，對(duì)于Apollo監(jiān)測(cè)主機(jī)控制端，可直接通過瀏覽器訪問實(shí)現(xiàn)操作。通過控制軟件可添加需要監(jiān)測(cè)的碼流IP，從中掃描出節(jié)目信號(hào);可設(shè)置不同節(jié)目的監(jiān)測(cè)和錄像時(shí)段，選擇觸發(fā)報(bào)警的異常類型，設(shè)置反應(yīng)時(shí)間。根據(jù)頻道不同，多畫面監(jiān)看界面分為4X4畫面和2X2畫面兩種。觸發(fā)機(jī)制為：當(dāng)無視頻同步1秒、靜幀22秒、黑場(chǎng)1秒、或無音頻信號(hào)超過25秒時(shí)相應(yīng)頻道發(fā)出警報(bào)，可進(jìn)行循環(huán)語音報(bào)警，頻道畫面中圖文閃爍報(bào)警，同時(shí)支持對(duì)過往報(bào)警事件的查詢，可以觀看并導(dǎo)出報(bào)警時(shí)段的視音頻。

3. 總結(jié)

改造后地面數(shù)字電視信號(hào)傳輸鏈路通過反復(fù)調(diào)試，狀態(tài)日趨穩(wěn)定。當(dāng)信號(hào)異常時(shí)可及時(shí)自動(dòng)處理和發(fā)出警報(bào)，對(duì)鏈路中不同節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)有利于判斷播出異常的原因，從而快速定位故障點(diǎn)并確定應(yīng)對(duì)措施，縮短了處理時(shí)間，有力的保障了整個(gè)地面數(shù)字電視播出系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。對(duì)原先傳輸鏈路中的設(shè)備，機(jī)房在改造過程中也充分利用，從而縮短了改造工期，節(jié)省開支。整個(gè)傳輸鏈路擁有一定的可擴(kuò)展性，可為日后系統(tǒng)的升級(jí)提供便利。

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