廣播電臺(tái)總控系統(tǒng)數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化改造的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

葉 寧

（作者單位：福州廣播電視臺(tái)）

福州廣播電臺(tái)以KLOTZ 矩陣為核心的數(shù)字總控系統(tǒng)經(jīng)過(guò)十幾年不間斷的運(yùn)行，設(shè)備嚴(yán)重老化、硬件出現(xiàn)故障、核心設(shè)備單一、沒(méi)有冗余熱備份、缺乏智能化監(jiān)控手段、系統(tǒng)擴(kuò)展性不足、無(wú)法接入多種類型信號(hào)等問(wèn)題日益突顯，系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，安全風(fēng)險(xiǎn)和技術(shù)維護(hù)難度增加。近年來(lái)，隨著數(shù)字與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展以及各種新技術(shù)的應(yīng)用，總控系統(tǒng)在信號(hào)傳輸和控制等方面更先進(jìn)、更智能。為了推動(dòng)廣播電臺(tái)發(fā)展，結(jié)合實(shí)際情況，福州廣播電臺(tái)決定對(duì)總控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化升級(jí)改造。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

本次改造按照《廣播電視安全播出管理規(guī)定》廣播中心實(shí)施細(xì)則的相關(guān)規(guī)定，遵循安全、先進(jìn)、可拓展的原則，建立數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的整體功能完備總控系統(tǒng)。

1.1 安全性原則

安全播出始終是廣播電臺(tái)第一考慮要素，因此必須首先考慮可靠的方案，選用高質(zhì)量、性能穩(wěn)定的設(shè)備。同時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行，主備信號(hào)應(yīng)具有兩條不同路由的傳輸鏈路[1]，結(jié)構(gòu)上不允許有單一的潰點(diǎn)，關(guān)鍵設(shè)備要考慮冗余和備份。此外，系統(tǒng)應(yīng)具有完備的監(jiān)控手段，能對(duì)整個(gè)鏈路所有環(huán)節(jié)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)聽(tīng)、故障告警和自動(dòng)切換，具有快速處理的能力。

1.2 先進(jìn)性原則

隨著時(shí)代的快速發(fā)展，廣播技術(shù)發(fā)展日新月異，系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)不應(yīng)僅滿足當(dāng)前需求，還要考慮未來(lái)業(yè)務(wù)發(fā)展的方向，采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念、技術(shù)和設(shè)備，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和靈活性，使其既符合當(dāng)今時(shí)代的發(fā)展，又具備一定的前瞻性。

1.3 可擴(kuò)展性原則

系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須符合國(guó)家與行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，結(jié)構(gòu)配置科學(xué)，具有良好的開(kāi)放性和較強(qiáng)的可擴(kuò)展能力。同時(shí)要采用模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并留有一定的余量空間，方便系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)調(diào)整和規(guī)模拓展。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

現(xiàn)有的總控架構(gòu)有數(shù)字音頻矩陣、數(shù)字音頻矩陣與AoIP 網(wǎng)絡(luò)音頻矩陣相結(jié)合、AoIP 網(wǎng)絡(luò)音頻矩陣3種模式[2]。

數(shù)字音頻矩陣的音頻信號(hào)可以通過(guò)不同種類的電纜進(jìn)行傳輸，系統(tǒng)的控制和信號(hào)監(jiān)測(cè)則可以通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。它的優(yōu)點(diǎn)在于技術(shù)成熟、運(yùn)行穩(wěn)定，但設(shè)備之間需要大量的線纜連接，整個(gè)系統(tǒng)布線復(fù)雜，不利于后期維護(hù)和管理，數(shù)據(jù)操作和管理不夠靈活，難以實(shí)現(xiàn)任意節(jié)點(diǎn)信號(hào)的分配調(diào)度、遠(yuǎn)距離傳輸和信號(hào)共享。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展成熟，基于IP 技術(shù)的AoIP目前廣泛應(yīng)用于廣播電臺(tái)總控系統(tǒng)建設(shè)中。AoIP（Audio over IP）是指在通用以太網(wǎng)上以IP 流的方式實(shí)時(shí)傳送非壓縮、低延時(shí)的高質(zhì)量數(shù)字音頻信號(hào)的技術(shù)[3]，它是基于ISO 第3 層的IP 網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，采用精確時(shí)鐘協(xié)議IEEE1588 作為媒體時(shí)鐘的同步源，利用RTP/UDP 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以DiffServ 模型的QoS 實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制[4]。而且，它可以改變傳統(tǒng)的音頻傳輸模式，只需要一根網(wǎng)線即可雙向傳輸多通道音頻信號(hào)，通過(guò)交換機(jī)和AoIP 網(wǎng)絡(luò)音頻設(shè)備組網(wǎng)將信號(hào)分發(fā)到任意節(jié)點(diǎn)。音頻通路的拓展無(wú)須額外增加設(shè)備和布線，就可以使得單點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的音頻傳輸變得簡(jiǎn)便且高效。各類控制監(jiān)測(cè)信號(hào)也可以轉(zhuǎn)換為IP 流信號(hào)在同一網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行傳輸，配合相應(yīng)的控制軟件即可構(gòu)建一套完整的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)。使用AoIP 技術(shù)，不僅簡(jiǎn)化了布線結(jié)構(gòu)，節(jié)省了設(shè)備和線材，降低了投資成本，同時(shí)大大降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，減少了中間環(huán)節(jié)增添的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性和靈活性，方便日常維護(hù)管理。此外，通過(guò)靈活的信號(hào)路由，IP 音頻流可以傳輸?shù)狡渌コ銎脚_(tái)，拓展廣播電臺(tái)節(jié)目?jī)?nèi)容的發(fā)布渠道，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)媒體與新媒體的相互融合，這勢(shì)必會(huì)成為未來(lái)總控系統(tǒng)構(gòu)架的主流發(fā)展方向。因此，本次系統(tǒng)改造福州廣播電臺(tái)充分應(yīng)用了AoIP 網(wǎng)絡(luò)音頻矩陣。

根據(jù)既定的改造目標(biāo)，考慮到系統(tǒng)的安全性和先進(jìn)性等，福州廣播電臺(tái)決定采用數(shù)字音頻矩陣與AoIP網(wǎng)絡(luò)音頻矩陣相結(jié)合的總控架構(gòu)。這樣既能保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，又能使系統(tǒng)具有靈活可拓展的多種功能，符合廣播電臺(tái)的現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展需求。

3 總控系統(tǒng)構(gòu)成

以數(shù)字音頻矩陣作為主傳輸鏈路，AoIP 網(wǎng)絡(luò)音頻矩陣作為備傳輸鏈路形成異構(gòu)冗余熱備份?？偪叵到y(tǒng)框圖如圖1 所示。

3.1 STUDER Route 3000 數(shù)字音頻矩陣系統(tǒng)

本次設(shè)計(jì)選用的是STUDER Route 3000 數(shù)字音頻矩陣系統(tǒng)，其技術(shù)成熟、性能優(yōu)良，由SCORE LIVE數(shù)字音頻處理核心機(jī)箱、D21m 音頻輸入/輸出（Input/Output，I/O）接口機(jī)箱、CNR 矩陣控制軟件系統(tǒng)及RadioActiveMeter 監(jiān)測(cè)軟件組成。此外，本次設(shè)計(jì)采用音頻信號(hào)傳輸與控制管理相分離的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，音頻信號(hào)通過(guò)光纖、數(shù)字與模擬線路進(jìn)行傳輸，矩陣路由分配、信號(hào)切換、監(jiān)測(cè)管理由連接在以太網(wǎng)中的矩陣服務(wù)器和監(jiān)測(cè)工作站來(lái)控制。

3.1.1 STUDER 矩陣系統(tǒng)硬件構(gòu)成

SCORE LIVE 音頻處理核心和D21m 音頻I/O 接口箱均采用模塊化插卡式設(shè)計(jì)，支持熱拔插，方便維護(hù)與系統(tǒng)功能拓展。而且，各個(gè)獨(dú)立的機(jī)箱都采用冗余電源備份，主要包含DSP 卡、HD 卡、HOST 卡、同步卡和各種格式音頻I/O 卡等，各板卡數(shù)量可根據(jù)系統(tǒng)容量需求進(jìn)行配置，并留有一定的余量。以總控STUDER Route 3000 矩陣為中心與各直播間數(shù)字調(diào)音臺(tái)STUDER OnAir 3000 通過(guò)MADI 光纖組成星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由STUDER RELINK 功能來(lái)完成各直播間與總控矩陣音頻信號(hào)的共享。總控矩陣與直播間數(shù)字調(diào)音臺(tái)選用同一品牌的產(chǎn)品，各音頻板卡可通用，性能穩(wěn)定、兼容性好。福州廣播電臺(tái)現(xiàn)有4 個(gè)直播間和1 個(gè)備用直播間，根據(jù)需要配備了3 塊DSP 卡、7 塊MADI光纖卡、2 塊16 通道音頻工程師協(xié)會(huì)/歐洲廣播聯(lián)盟（音頻工程師協(xié)會(huì)/歐洲廣播聯(lián)盟，AES/EBU） I/O 卡以及6 塊8 通道LINE I/O 卡，形成了以MADI 光纖為主，AES 數(shù)字和模擬信號(hào)并存的多種傳輸方式。其中，每塊MADI 卡上均有Main 和Aux 兩組光纖口，當(dāng)Main 端口光纖有問(wèn)題時(shí)，能自動(dòng)跳到Aux 端口，實(shí)現(xiàn)光纖信號(hào)的無(wú)縫切換。

3.1.2 CNR 矩陣控制軟件系統(tǒng)

CNR 矩陣控制軟件系統(tǒng)由后臺(tái)服務(wù)程序、數(shù)據(jù)庫(kù)、Web 端和QT 客戶端軟件組成。后臺(tái)服務(wù)程序和數(shù)據(jù)庫(kù)采用主備同步機(jī)制，一旦監(jiān)測(cè)不到主機(jī)的心跳，就會(huì)自動(dòng)切換到備機(jī)。后臺(tái)服務(wù)程序可以對(duì)各矩陣設(shè)備進(jìn)行控制，接收矩陣設(shè)備的通知電文，按事先設(shè)置的計(jì)劃模板執(zhí)行切換任務(wù)、執(zhí)行用戶的手動(dòng)切換命令和連接回讀命令。工作人員登錄Web 端可進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置、通道設(shè)置、組屏設(shè)置、用戶信息權(quán)限設(shè)置、計(jì)劃編排、日志管理、連接回讀。啟動(dòng)QT 客戶端，用戶可按各自的權(quán)限對(duì)組屏的通道進(jìn)行連接、鎖定、解鎖及場(chǎng)景的相關(guān)操作。值班人員通過(guò)客戶端界面可實(shí)時(shí)監(jiān)視各組屏的通道連接狀態(tài)，根據(jù)臨時(shí)節(jié)目需求和突發(fā)狀況手動(dòng)切換到所需通道。

3.1.3 RadioActiveMeter 監(jiān)測(cè)軟件

矩陣音頻信號(hào)通過(guò)MADI 卡光纖可以被傳送至監(jiān)測(cè)工作站，RadioActiveMeter 軟件能夠檢測(cè)矩陣輸入輸出信號(hào)的主要音頻參數(shù)，包括靜音、削波、相位等音頻指標(biāo)，并能進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)監(jiān)測(cè)和報(bào)警提示。監(jiān)聽(tīng)通道的表頭和界面可自行定義，而且可以相應(yīng)對(duì)立體聲顯示、音源、動(dòng)態(tài)監(jiān)聽(tīng)、報(bào)警時(shí)間和報(bào)警聲音等進(jìn)行設(shè)置，根據(jù)信號(hào)的電平、反相和削波等情況進(jìn)行自動(dòng)告警和信號(hào)自動(dòng)切換，具有多通道電平彩條顯示、對(duì)監(jiān)聽(tīng)通道可以選聽(tīng)或加入輪聽(tīng)列表自動(dòng)輪聽(tīng)、信號(hào)監(jiān)控快照及對(duì)所有操作進(jìn)行記錄的功能。

3.2 AoIP 網(wǎng)絡(luò)音頻矩陣系統(tǒng)

AoIP 網(wǎng)絡(luò)音頻系統(tǒng)由多臺(tái)分布在各節(jié)點(diǎn)的AoIP音頻設(shè)備和千兆以太網(wǎng)交換機(jī)組網(wǎng)，配合相應(yīng)的控制軟件形成網(wǎng)絡(luò)化音頻傳輸和信號(hào)監(jiān)控一體化的智能系統(tǒng)。AoIP 系統(tǒng)構(gòu)成如圖2 所示。

3.2.1 AoIP 系統(tǒng)主要設(shè)備特性

英夫美迪音頻路由器AoIP Box 和網(wǎng)絡(luò)智能切換器IBS300 具有冗余雙電源，符合AES67、Dante、Ravenna 等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，雙AoIP 網(wǎng)絡(luò)接口可以傳輸熱備份的冗余音頻，第3 個(gè)以太網(wǎng)口可用于傳輸網(wǎng)的監(jiān)測(cè)監(jiān)聽(tīng)。兩路AoIP 音頻傳輸信號(hào)和一路監(jiān)測(cè)信號(hào)分別運(yùn)行在不同的網(wǎng)段，使系統(tǒng)更加安全。此外，還具備4 路AES或模擬輸入輸出接口，可實(shí)現(xiàn)多路AES 和模擬信號(hào)與IP 音頻流信號(hào)相互轉(zhuǎn)換。

3.2.2 AoIP 系統(tǒng)音頻信號(hào)調(diào)度

每個(gè)直播間各配置1 臺(tái)AoIP Box，總控機(jī)房配置3 臺(tái)AoIP Box 和3 臺(tái)IBS300 分別與3 臺(tái)千兆以太網(wǎng)交換機(jī)連接。每個(gè)AoIP 接入節(jié)點(diǎn)把各自的音頻信號(hào)通過(guò)AoIP Box 或IBS300 的AES 或模擬輸入口匯聚到網(wǎng)絡(luò)，Dante Controller 軟件對(duì)網(wǎng)絡(luò)中AoIP 設(shè)備各端口進(jìn)行相應(yīng)的路由分配。以新聞直播間為例，直播調(diào)音臺(tái)延時(shí)前和延時(shí)后節(jié)目音頻信號(hào)分別經(jīng)AoIP Box 的AES 輸入口接入AoIP 網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)業(yè)務(wù)需求調(diào)用總控機(jī)房中央臺(tái)衛(wèi)星信號(hào)、臺(tái)外市民中心直播間、交通直播間和音樂(lè)直播間延時(shí)前節(jié)目信號(hào)返送至新聞直播間AoIP Box，可以實(shí)現(xiàn)新聞直播間轉(zhuǎn)播中央臺(tái)信號(hào)、臺(tái)外直播間節(jié)目及和其他頻率并機(jī)直播的目標(biāo)。AoIP 的這種傳輸方式讓各直播間、外來(lái)轉(zhuǎn)播信號(hào)與總控之間的信號(hào)調(diào)度更加靈活，同時(shí)各節(jié)點(diǎn)間信號(hào)互為備份，利用第三網(wǎng)絡(luò)口可對(duì)各節(jié)點(diǎn)音頻信號(hào)進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)監(jiān)測(cè)。

3.2.3 智能監(jiān)控系統(tǒng)

總控系統(tǒng)設(shè)備的種類和品牌各不相同，每個(gè)廠家的設(shè)備都各有一套自己的控制軟件，使得總控系統(tǒng)變得復(fù)雜，難以管理。英夫美迪的ControlMaster 監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于可以采用“內(nèi)核+驅(qū)動(dòng)”的方式，實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備在一套控制軟件下運(yùn)行[5]。而且，該系統(tǒng)增加新硬件設(shè)備時(shí)，不必修改監(jiān)控軟件的內(nèi)核，只需編寫相應(yīng)硬件產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)軟件即可。另外，驅(qū)動(dòng)軟件的接口是開(kāi)放的，方便其他品牌設(shè)備添加到系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一控制。數(shù)字音頻矩陣、AoIP Box、IBS200、IBS300、調(diào)音臺(tái)、Radio Streamer 廣播信號(hào)流化器等設(shè)備通過(guò)編寫并添加相應(yīng)的AoIPDriver、IBS300Drv、IBS400Drv、OA3Kdriver、rsDriver 等驅(qū)動(dòng)程序接入監(jiān)控系統(tǒng)。

ControlMaster 的監(jiān)控系統(tǒng)包含主備服務(wù)器和客戶端，通過(guò)AoIP 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)采集設(shè)備的輸入輸出音頻信號(hào)和設(shè)備內(nèi)部狀態(tài)數(shù)據(jù)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)音頻信號(hào)監(jiān)測(cè)、開(kāi)路信號(hào)監(jiān)測(cè)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)、故障智能判斷、分級(jí)報(bào)警、音視頻慢錄和日志記錄等。網(wǎng)絡(luò)化的監(jiān)控設(shè)計(jì)徹底突破了傳統(tǒng)監(jiān)控方式的限制，不僅允許多人同時(shí)監(jiān)聽(tīng)，還可以通過(guò)NetGap200 網(wǎng)閘將總控內(nèi)網(wǎng)的IP 信號(hào)傳送到辦公網(wǎng)，辦公網(wǎng)終端同樣可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各路信號(hào)。

監(jiān)控模塊可以通過(guò)圖形化的方式與用戶進(jìn)行交互，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息可以通過(guò)彩條、視頻、系統(tǒng)詳圖、系統(tǒng)簡(jiǎn)圖、監(jiān)聽(tīng)、波形、報(bào)警燈、機(jī)柜圖、四選一切換器等各種控件的組合被直觀形象地顯示在屏幕上。用戶界面采用靈活的組屏方式，根據(jù)不同的監(jiān)測(cè)需求自主設(shè)計(jì)監(jiān)控模板，支持多面板分頁(yè)模式，并能夠自動(dòng)切換頁(yè)面。

4 結(jié)語(yǔ)

升級(jí)改造后的總控系統(tǒng)目前運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)性能正常，應(yīng)急測(cè)試結(jié)果較好，大大提高了安全系數(shù)和工作效率，較好地達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，為廣播電臺(tái)節(jié)目的安全優(yōu)質(zhì)播出提供了更可靠的保障。廣電IP 化發(fā)展已經(jīng)勢(shì)在必行，先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也為日后全I(xiàn)P 化的總控系統(tǒng)升級(jí)留有足夠的拓展空間。