廣播電視發(fā)射臺站音視頻信號監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

李學軍

（作者單位：國家廣播電視總局五七三臺）

當前網(wǎng)絡媒體及自媒體的快速發(fā)展，要求針對廣播電視的節(jié)目制作與運行構(gòu)建監(jiān)測管理系統(tǒng)，同時要將廣播電視信號的技術指標，貫穿廣播電視節(jié)目制作的整體過程中。傳統(tǒng)技術人員監(jiān)測運行過程中存在著一定的局限性，需要耗費大量的時間，且監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果不一定準確[1]。筆者開發(fā)了一種計算機軟件智能監(jiān)測的信號系統(tǒng)，能夠?qū)V播電視發(fā)射臺站的音視頻數(shù)據(jù)進行收集與監(jiān)測，對數(shù)據(jù)進行故障診斷與分析，顯著改進了原有人工監(jiān)測系統(tǒng)運行效率不高的問題，能夠顯著提升廣播電視信號傳輸和播出質(zhì)量。

1 系統(tǒng)設計概述

筆者在設計發(fā)射臺站音視頻信號監(jiān)測系統(tǒng)時，將該系統(tǒng)運行中的實際情況與具體需求相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)對不同編碼標準的音視頻信號的高效處理，也能夠?qū)崿F(xiàn)對異常運行信息的自動報警[2]。由此針對系統(tǒng)運行情況設計了可視化的運行操作方式，其能夠同時處理不同形式的各種音視頻信號，并對用戶使用情況設置相應的管理權(quán)限和人性化的組織管理方式。

在設計系統(tǒng)運行中的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)圖時，筆者對系統(tǒng)運行中的各項功能進行細化分析，并對運行任務進行分解，結(jié)合據(jù)臺站信號流程，設置接收天線、嵌入式音視頻信號采集板卡、主機等網(wǎng)絡運行結(jié)構(gòu)，并在系統(tǒng)運行過程中承擔相應的功能，設計接入層、匯聚層、服務核心層的布置方式。在接入層中完成相關信號的采集工作，在信號源設備方面，主要有衛(wèi)星接收機、同步數(shù)字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）設備、微波收發(fā)信機等，同時布置采用現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）芯片的采集卡。匯聚層則收集系統(tǒng)運行中的各項數(shù)據(jù)，構(gòu)成部分有華三通三層交換機、專用路由器，通過網(wǎng)際互連協(xié)議（Internet Protocol，IP）格式進行信號的轉(zhuǎn)換與分析。服務核心層的主要功能在于對大量的數(shù)據(jù)進行有效存儲與查詢，由此完成匯聚層連接通信工作[2]。本次系統(tǒng)布置中主要采取廣西廣電SDH網(wǎng)絡與臺站局域網(wǎng)的運行方式，對大量信息進行存儲，并提供信息查詢服務。

2 系統(tǒng)功能模塊設計

筆者基于不同信號的處理需求構(gòu)建不同的功能模塊，主要有以下幾個模塊。

2.1 信號采集模塊設計

信號采集工作是系統(tǒng)構(gòu)建過程中的基礎性工作，要完成信號源系統(tǒng)輸入信號工作和臺站實時播出信號的接收工作[3]。輸入信號布置中采用了地面衛(wèi)星接收與光纖接收兩條線路，并分別配置了不同信源的備解調(diào)，線路實際運用過程中具備多種不同的格式，有較多的信息需要處理，要求硬件與軟件設備的操作性能良好。此次設計過程中采用了FPGA高速音視頻處理芯片嵌入式采集卡，通過模擬與數(shù)字信號的方式，將大量的信息轉(zhuǎn)變?yōu)閭魉土鳎═ransport Stream，TS流），由此完成對大量信號的集中統(tǒng)一處理。同時，該系統(tǒng)運用SNTV843M型無線電視監(jiān)測板卡監(jiān)測兩路電視節(jié)目，設置H.264壓縮作業(yè)方式，通過TS流的方式進行信號傳輸，采用SNR601M調(diào)頻廣播信號，針對信號管理設置87.5～108 MHz調(diào)幅廣播頻率接收范圍，并在0～100%范圍內(nèi)進行調(diào)整。將采樣頻率設置為32 kHz、44.1 kHz、48 kHz 3種，并對信號處理系統(tǒng)設置后續(xù)接口的擴展功能。

在信號接收完成后，系統(tǒng)針對接收的大量信號進行初次編碼，采用FPGA+MCU結(jié)構(gòu)，對大量信號進行集中處理，構(gòu)建以IP封裝的數(shù)據(jù)包格式，此種數(shù)據(jù)預處理方式具有較強的包容性，能夠?qū)Υ罅康臄?shù)據(jù)信息內(nèi)容進行集中處理，從而進行數(shù)據(jù)的分析與監(jiān)測。當前，該系統(tǒng)處理過程中已經(jīng)建設了信源IP化升級改造工程，所以可以對大量的信息進行有效處理與分析，將大量信號轉(zhuǎn)變?yōu)門S流信息，為信號傳輸與處理構(gòu)建一個處理容器，為信號的傳輸與轉(zhuǎn)換構(gòu)建一個有效的發(fā)展平臺，其中包括的數(shù)據(jù)處理信息有節(jié)目關聯(lián)表（Programme association table，PAT）、節(jié)目映射表（Programme map table，PMT），將數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)變?yōu)镮P包；其中的信號處理格式有H.264、MPEG-4、SDI等，基于傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol，TCP）或用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）對運行中的各項數(shù)據(jù)進行封裝處理，由此實現(xiàn)對大量信息的集中處理。該系統(tǒng)運用音視頻采集卡可以將臺站播出的開路信號轉(zhuǎn)變?yōu)锳SI流碼，實現(xiàn)對多個信號數(shù)據(jù)的快速傳輸與本地存儲（見圖1）。

圖1 信號轉(zhuǎn)碼預處理模塊設計

2.2 信號監(jiān)測報警模塊設計

在信息處理過程中，為了保證信息的真實性與完整性，該系統(tǒng)需要構(gòu)建監(jiān)測方式，結(jié)合用戶輸入的信號閾值綜合分析判斷是否應當對信息進行報警處理[4]。

在具體作業(yè)過程中，要結(jié)合信號閾值類型設置相應的報警類型，同時，在具體的分析過程中，要對大量的圖像信號進行有效分析，包括圖像靜幀、視頻過調(diào)制等，這些屬于視頻故障信號，音頻領域?qū)用娴男盘柟收现饕幸纛l偏移、音頻過調(diào)制等。筆者針對大量的信號數(shù)據(jù)設置C#編程語言文件流（File Stream）類；針對不同類別的數(shù)據(jù)信息設置不同的返回數(shù)值，分別對應不同的報警類型；針對檢測到的故障信息，給出相應的預警機制，并對大量信息進行有效處理，由此保證系統(tǒng)能夠有效運行。

2.3 系統(tǒng)管理模塊設計

筆者針對系統(tǒng)運行中的各項信息構(gòu)建有效的管理應用模塊對大量數(shù)據(jù)進行維護，并與用戶的實際需求相結(jié)合，在實際管理過程中，將各種信號劃分為權(quán)限管理模塊、用戶管理模塊、操作管理模塊等，針對不同的管理模塊分別設置不同的管理內(nèi)容[5]。在權(quán)限管理模塊中，用戶能夠結(jié)合自身的需求和系統(tǒng)中的相關設計要求等確定管理權(quán)限，這直接決定了該系統(tǒng)的功能運行范圍和用戶的登錄信息等。用戶管理權(quán)限模塊主要負責的內(nèi)容為結(jié)合用戶的具體身份設置相應的登錄管理系統(tǒng)，包括用戶姓名、賬號、密碼等，可以添加并輸入新的用戶，對原有的用戶進行有效管理，結(jié)合使用需要刪減原有的用戶，并對用戶構(gòu)建有效的管理與維護方式。操作系統(tǒng)管理模塊構(gòu)建過程中要與權(quán)限管理模塊相對應，建立一一對應的關系，對系統(tǒng)中的各項參數(shù)進行有效設置，以優(yōu)化系統(tǒng)登錄的各項參數(shù)，同時對系統(tǒng)的使用功能范圍進行有效確定與維護。另外，該系統(tǒng)能夠加強對系統(tǒng)日志的維護，主要包括系統(tǒng)運行過程中的各項事件信息、運行維護信息及報警信息等，從而綜合反映出系統(tǒng)運行中的各項數(shù)據(jù)運行情況，為系統(tǒng)綜合運行情況的分析提供基本的數(shù)據(jù)支持。

2.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢模塊設計

針對系統(tǒng)實際運行情況，筆者設計了相應的數(shù)據(jù)分析模塊與信息監(jiān)測查詢模塊，按照信息查詢中設計的條件與指令在系統(tǒng)中能夠得出相應的數(shù)值。系統(tǒng)運行過程中主要的監(jiān)測對象與數(shù)據(jù)為異態(tài)錄像數(shù)據(jù)、音視頻信號正常錄像。當前，運用較為普遍的一個組合方式為NET Framework 3.5版本中的LINQ to SQL，筆者針對系統(tǒng)運行構(gòu)建了一個對象引用管理的結(jié)構(gòu)，針對大量的系統(tǒng)運行構(gòu)建了語言集成查詢（Language Integrated Query，LINQ）數(shù)據(jù)庫編程模型，將其中的語言結(jié)構(gòu)綜合表示并轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)化查詢語言（Structured Query Language，SQL），并在系統(tǒng)內(nèi)部予以執(zhí)行，使用LINQ to SQL針對數(shù)據(jù)執(zhí)行結(jié)果進行有效分析[6]。另外，筆者還基于數(shù)據(jù)分析與執(zhí)行情況構(gòu)建SQL Server數(shù)據(jù)庫，給大量的數(shù)據(jù)建立了綜合性的分析與處理方式，結(jié)合數(shù)據(jù)開始時間與結(jié)束時間設置相應的監(jiān)測管理類對象，并針對數(shù)據(jù)監(jiān)測構(gòu)建時間參數(shù)在網(wǎng)格視圖（Grid View）控件中反映需要查詢的各種類型數(shù)據(jù)信息。

2.5 系統(tǒng)功能、性能測試模塊設計

為了充分保證系統(tǒng)的良好運行，筆者在系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)建了相應的功能測試模塊，保證各項系統(tǒng)正常運行，可以綜合采用靜態(tài)測試與動態(tài)測試兩種作業(yè)方式。

3 音視頻信號監(jiān)測系統(tǒng)測試服務器的配置

功能測試環(huán)節(jié)的環(huán)境與配置，可以從軟件與硬件層面實現(xiàn)，見表1。

表1 系統(tǒng)運行環(huán)境硬件配置情況

在軟件相關層面的布置過程中，要考慮并行處理能力與實時性要求，既要保證各項網(wǎng)絡信息系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，又要在信號處理過程中注意避免出現(xiàn)網(wǎng)絡阻塞與沖突現(xiàn)象。華三通的三層交換機能夠?qū)崿F(xiàn)大量數(shù)據(jù)的有效過濾與處理，同時能夠針對系統(tǒng)運行構(gòu)建支持主播與虛擬局域網(wǎng)。網(wǎng)絡服務器功能布置包括Nginx服務器、錄像存儲服務器、應用數(shù)據(jù)庫服務器3種形式，廣播電視音視頻往往具有較多的數(shù)據(jù)，在存儲過程中對存儲硬盤空間具有較大的需求，為此設置4個千兆級速率的網(wǎng)卡，提高網(wǎng)絡信息處理能力。在數(shù)據(jù)庫服務器運行層面，選擇3.9 GHz的IBM xSeries 255服務器，采用32 GB內(nèi)存空間。硬盤錄像服務器則選用小型計算機系統(tǒng)接口（Small Computer System Interface，SCSI）10 TB容量大小的硬盤，采用千兆傳輸速率的網(wǎng)絡適配器，系統(tǒng)運行中的相關配置如表2所示。

表2 系統(tǒng)運行環(huán)境軟件配置情況

4 系統(tǒng)功能測試

在對系統(tǒng)運行中的各個功能模塊進行分別測試與分析時，重點測試模塊為模擬調(diào)頻（Frequency Modulation，F(xiàn)M）采集模塊、數(shù)字CDR采集模塊、信號源系統(tǒng)模塊、地面數(shù)字多媒體廣播（Digital Television Terrestrial Multimedia Broadcasting，DTMB）采集監(jiān)測報警模塊、系統(tǒng)管理模塊、模擬TV采集模塊，登錄賬號信息之后，可以在主界面中完成相應操作。

5 系統(tǒng)性能測試

相關人員可以運用仿真模擬系統(tǒng)對系統(tǒng)運行中的各項指標數(shù)值進行測試分析，并撰寫測試報告，可采用服務器端測試與網(wǎng)絡測試兩種不同的測試方式，重點測試系統(tǒng)運行中的并行處理能力與負載設備運行能力。測試內(nèi)容主要包括系統(tǒng)運行中的疲勞程度能力、并行數(shù)據(jù)處理能力、響應速度等，可使用負載測試工具（LoadRunner）對大量的數(shù)據(jù)信息進行分析。對觸發(fā)器運行情況進行檢測時，可以使用網(wǎng)絡配置測試方式，將測試數(shù)據(jù)上傳至計算機端運行客戶端，并對大量數(shù)據(jù)信息進行讀取、接收與分析，全面分析不同頻道中的音視頻信號。測試發(fā)現(xiàn)，100個用戶進程訪問所需要時間為97 s，在并發(fā)進程時間逐漸增加時，響應時間遞增幅度會逐漸減小，此時系統(tǒng)運行逐漸趨于較為穩(wěn)定的狀態(tài)。筆者通過對壓力測試結(jié)果進行分析后發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)在高發(fā)狀態(tài)下依然具備對大量數(shù)據(jù)進行處理的能力，與傳統(tǒng)人工監(jiān)測方式相比具有顯著的應用優(yōu)勢。

6 結(jié)語

本文探討了系統(tǒng)設計的相關情況及其具體的性能測試情況，筆者將系統(tǒng)分為不同的模塊，并對不同的模式運行情況進行綜合分析，其中系統(tǒng)設計方式與運行方式較為良好，達到了較為良好的綜合運用效果，提升了信號監(jiān)測水平，有利于促進廣播電視節(jié)目的順利播出。