Studer Route3000音頻矩陣分析與應用

【摘要】 本文主要介紹了Studer Route 3000音頻矩陣結構以及應用，著重闡述TDM總線技術在矩陣中的應用。

【關鍵字】 Studer Route 3000矩陣Score LiveD21mTDM

引言

我臺新建的總控系統是一個完整基于網絡化智能化的全數字系統，利用STUDER數字音頻矩陣和聯匯CAS虛擬網絡矩陣及相關智能切換設備，實現了網絡智能化。作為播控系統的核心——音頻矩陣在實現節目自動轉播和互轉上起著無可替代的作用。隨著數字音頻技術的高速發展，軟硬件水平的提高，高性能DSP和高速總線的應用，使基于數字技術的音頻矩陣方案能夠得以不斷發展。本文就我臺Studer Route 3000音頻矩陣的分析和應用與大家作一個交流，請同行和專家指正。

一. Studer Route 3000矩陣在我臺總控系統中的應用

我臺在新大樓播控系統中，采用Studer數字音頻矩陣和CAS網絡虛擬矩陣相結合的方式，并行地將各直播間信號調度切換后送給四選一設備，保證主、備播出信號的一致性。如圖1，采用這一架構，可以保證矩陣系統主要播出流程中不會產生由任何設備的單點故障帶來停播等嚴重問題，保證系統的可靠、安全、靈活。在應用中，Studer Route 3000能實現在所有輸入信號和輸出信號之間建立靈活、邏輯完善的路由關系，任何一個輸入均可路由到任何一個輸出上，同時具備對輸入信號不間斷的彩條監測和音頻監聽、以及反相靜音報警等智能化功能，有效提高我臺值班人員的應急反應能力。

二. Studer Route 3000矩陣分析

1.Studer Route 3000結構組成

我臺主矩陣選用Studer Route 3000數字音頻矩陣，它采用雙電源，由強大的信號處理單元ScoreLive和靈活、易于擴充的輸入輸出單元D21m組成，包括DSP卡、HD卡、HOST卡、Line卡、AES卡和MADI卡等。

DSP卡是音頻處理的核心。通過I/O接口（RJ45），將D21m的音頻輸入信號送到DSP卡內部的處理芯片上進行音頻處理，并可決定輸入輸出信號的連接和切換。每個DSP提供兩個高密度的輸入接口（192通道）和兩個高密度的輸出接口（192通道），Route 3000最大可容納1728個輸入和1728個輸出，也就是可以支持9個DSP模塊。根據實際需要我臺配置了3個DSP模塊，其中一DSP處理五塊MADI卡音頻信號，一塊MADI I/O卡能傳輸64Ch，五塊為320Ch，超過單個接口的通道數，因此DSP的兩個I/O接口都需通過RJ45與HD卡連接。

HOST卡是矩陣控制命令的翻譯和處理的核心，負責與外界控制信息的交流。HOST卡RJ45以太網接口連接到交換機，通過局域網將控制信號送到矩陣控制軟件、矩陣表頭檢測軟件。

D21m是音頻接口系統，不同類型的接口卡可以插在同一D21m單元中，并支持熱拔插。接口卡的輸入信號通過D21M機箱背板輸入HD板卡，再由HD卡轉換成RJ45信號傳輸給DSP卡進行數字處理，完后再進入HD卡，HD卡轉換格式后再送到接口卡，完成信號輸出。矩陣內部信號流程見圖2。

2.矩陣表頭監測及報警

Route 3000矩陣系統的內部監測軟件RadioActiveMeter能夠檢測矩陣輸入輸出信號的狀態，針對各種主要音頻參數的監測，包括靜音、削波、相位等音頻指標，并經行報警提示。監測軟件通過MADI卡從矩陣內部TDM總線上取得音頻信號，再以MADI光纖方式傳送至軟件安裝的電腦進行表頭顯示，最大可監測64Ch。在現有的系統設計中，根據各頻道時間執行列表我臺只監測直播間光纖信號、數字信號和直播間去衛星三路信號，使用其表頭顯示功能以及音頻信號靜音反相時顏色提醒和聲音報警的功能。

3.矩陣控制系統

主矩陣提供了CNR控制系統，使用TCP/IP控制協議，通過網絡對STUDER 音頻矩陣設備進行控制、監視、編排切換計劃以及用戶管理。系統使用C++實現后臺服務，使用QT實現客戶端，使用Flex+Spring+ibatis構架的WEB系統?？刂葡到y框架圖如圖3所示。

矩陣實時控制客戶端（QT端）作為獨立安裝的軟件，分別安裝在服務器和工作站上，實時監視各通道連接狀態，并對矩陣的輸入輸出通道進行手動或者計劃連接。WEB系統完成矩陣的系統設置，通道配置，管理組屏、用戶，維護模板等任務，通過瀏覽器登錄WEB后臺服務來設置。最重要的就是“物理通道”和“邏輯通道”的配置，以保證通道信息與Router 3000矩陣內部通路的對應關系一致。配置完的通道數據、用戶數據、模板信息等通過后臺服務模塊保存在數據庫中。 CNR控制系統數據庫采用主備同步機制的雙向熱備份方式，一旦備數據庫接收不到主數據庫的心跳，則自動接替主數據庫的功能，保證數據的安全。WEB系統和客戶端發送命令，向數據庫寫數據，主服務讀取數據庫中的數據，并將這些數據化成矩陣底層接口兼容的數據，矩陣接收到命令后修改路由，并將修改后的狀態送到數據庫。

三. Studer Route 3000矩陣核心技術TDM母線技術

1.TDM技術

TDM（時分復用）通過不同信道或時隙中的交叉位脈沖，同時在同一通信媒體上傳輸多個數字化數據、語音和視頻信號。TDM總線是單向傳輸總線，在DSP的同步串口之間采用點對點方式傳輸高速數字信號，將不同通道的數據按照固定位置分配時隙（timeslot：8bit數據）合在一定速率的通路上。每個時隙的速率為一個標準的PCM話路64kb/s。每通道時隙的重復頻率為Ts=8KHz，即幀周期為125us。

TDM技術在電信電話網中是基本的應用技術。矩陣切換就是很類似于電話交換的應用。事實上，數字音頻（AES）也是一種時分復用技術。見圖3。

1個AES幀（Frame）包含2個子幀（Subframe），在傳送AES信號時，從時間線上看，每一個AES幀中的子幀1先傳，接著傳子幀2。

2.TDM技術在音頻矩陣中的應用

傳統的矩陣包括輸入模塊、交叉點切換模塊和輸出模塊。其中，交叉點切換模塊電路是矩陣的核心部分，它實質上是一類電子開關，由控制系統對特定輸入通道與特定輸出通道進行聯接或切換。矩陣的規模增大時，其交叉點的數量呈幾何級的增長，這不僅大大增加了設計和制造大規模交叉點電路的成本和難度，而且降低了矩陣的可靠性和整體性能。于是，人們把眼光投向時分復用技術（TDM）。

TDM切換技術不需要交叉點切換模塊，它采用一條公共的TDM數據總線。在數據總線上，每一路的音頻輸入被固定指配為唯一的時隙。在進行音頻信號切換時，為了使信號能夠接通門電路，將輸入信號聯接至特定的輸出上，其數據總線的帶寬要求大于輸入信號的比特率與輸入信號路數的乘積。

下面以1比特的輸入信號為例具體說明其工作原理，如圖4所示，所有輸入信號都分配有一個在某一時刻是唯一的固定時隙，寫驅動（Input Write Enables）能按一定的時間關系打開門電路，讓輸入信號通過；相應讀驅動使能（Input Read Enables）信號打開相應的輸出端門電路，實現指定的輸入與輸出的通路聯接和切換。輸入1被送到輸出6，輸入5被送到輸出4，5。

采用TDM替代大規模矩陣的交叉點電子切換電路十分簡潔，成本低。但這種方式也有不足之處：（1）正如前面提到的TDM其數據總線的帶寬要求大于輸入信號的比特率與輸入信號路數的乘積。但用于大規模音頻矩陣中時，數據帶寬能否滿足需求。（2）TDM由于共用數據總線，當總線上的驅動器損壞或短路時，矩陣是否會癱瘓。

四. 結束語

我臺以Studer Route 3000矩陣和聯匯CAS網絡為核心構建的播控系統實現了構成模式、管理模式的理論創新和技術革新，便于將來系統擴充和二次開發。Route 3000矩陣不僅滿足了我臺多個頻道之間的節目交換，而且還滿足了傳輸需求和多變的廣播形式，給我臺的節目傳輸工作帶來極大的可靠性、便利性、靈活性。