數字電視視頻信號監控系統設計與實現

藍光華，季林河

（景寧畬族自治縣融媒體中心，浙江 麗水 323500）

0 引 言

截至2021年，我國數字電視覆蓋率達到98.9%，已基本取代了模擬電視，極大地豐富了人們的業務生活。電視信號的傳輸也會出現異常。借助信號監控系統，監控人員能夠發現異常點。然而，現有的電視信號監控系統仍存在以下問題：數據傳輸效率低，存在延時現象，電視信號出現故障以后值班人員不能及時發現；傳統監控設備缺乏記錄和定位故障功能，需要人為分析；傳統的監控系統設備和服務器數量較多，耗費人工成本較高[1]。因此，本文基于TV over IP和TS流監測技術設計數字電視視頻信號監控系統，自動收集、分析電視傳輸信號，完成電視碼流的監測錄制、多畫面的監控以及視頻故障的分析，從而實現廣電信號傳輸的信息化管理。

1 數字電視視頻信號監控方案概述

近年來，數字電視技術的快速發展，使得用戶不僅僅可以享受到高清電視服務，也可以使用直播、點播等多種業務。但是，由于數字電視傳輸網絡覆蓋廣泛，信號傳輸異常時有發生。廣電公司現有的標清節目和直播、點播節目信號監控也需要進一步優化和改進。綜合分析目前廣電公司數字電視視頻信號監控系統，其功能主要包含如下方面：

（1）系統可以對數字電視信號進行監控，包含現有高清電視節目、標清電視節目、廣播節目播出信號監測，出現異常以后可以自動報警[2]；

（2）監控信號傳輸過程中具有一定的抗干擾能力，傳輸效率較高，主機可以對監測業務、數據進行匯總管理；

（3）對監視節目的信號和QAM頻點的碼流、圖像進行采集分析，同時可以切換監測畫面。

實現數字電視視頻信號監控系統的方案有很多，本文考慮方案如下。

（1）利用智能機頂盒實現精準監控。該方式中，機頂盒具有視頻解碼設備，可以將視頻信號進行轉換。工作人員可以在監控顯示屏幕中進行肉眼觀測，但會耗費大量的人力和物力。

（2）帶大卡解密的監控主機利用同軸電纜實現異步串行監測。這種方式受限于同軸電纜傳輸的速度和帶寬，效率較低，即使得到數據，以后還需要進行解碼操作。配置帶大卡的解碼設備花費較高，硬件改造成本較大。

（3）帶大卡解密的監控主機借助網絡傳輸協議傳輸流的方式實現監測。這種方式通過嵌入式機箱本身就可以對電視信號進行解碼操作，主機采用網絡組播的方式獲取解碼后的信息。

考慮整個設計的成本，本文選取第三種方案，基于電視信號流在網絡上通過TCP/IP協議傳輸，信息通過交換機匯總到監控系統主機中。而工作人員在辦公室中借助常用的電纜就可以從主機中獲取電視信號的監視情況[3]。

2 數字電視視頻信號監控系統設計

2.1 機房硬件改造設計

系統收集和分析的核心介質是流頻點，由于本文使用的TS流頻點的監測，每一個TS流頻點可以完成8個標清節目的監測，也相當于4個高清節目或16個廣播節目的監測。根據景寧縣現有的節目頻道數量，可以選擇兩臺具有16個TS流頻點的設備，就能夠滿足節目監控的需求。

每1個TS流頻點需要1個小卡支撐，而4個小卡可以裝配在1個大卡模塊，1臺監控主機可以安裝4臺大卡，保障16個TS頻點的節目監控，因而2臺監控主機就可以完成32個TS頻點的節目監控。這種“主機帶大卡、大卡帶小卡”的監控模式，單獨切換任何頻點都不會影響系統的運行。而且，每個小卡都是單獨運行，即使出現故障也不會導致系統崩潰。此外，這種模式最大的優勢在于對已經加密的電視信號進行實時監控，不需要解碼監控，所用的設備減少，但監控的效率得到了提升[4]。系統主要設備如下：

（1）系統主機，本文選取IPX-IOK2000UIP型IP多畫面主機[5]；

（2）數據服務器選取BS593A ML150G6型服務器；

（3）ST SNS603M型數字電視監測模塊；

（4）TR101290型電視碼流分析儀[6]。

2.2 監控系統設計

智能化的電視視頻信號監控系統主要模塊設計如下。

（1）多畫面監控模塊。本地信號、衛星信號等接入系統以后，系統借助IP傳輸協議將數據傳輸到主機和機箱中，然后把經過解碼的TS信息流顯示在多畫面監控主機中，并對TS流統一進行調度，借助TCP傳輸協議進行監控配置。本文采用了熱備系統，每個部件都是大卡和小卡，都是可以獨立運行的。電視信號通過交換機傳輸到主機和大卡解碼機箱中，在多畫面監控模塊中顯示。

（2）碼流分析模塊。可以對多種信號進行分析，包含了電視信號通道監測和TR101290監測、節目監測、傳輸速度監測以及節目PES包頭分析等[7]。結合多通道同時監測和報警、電視節目EPG信號的分析等。

（3）異常報警模塊。本文配置了多套畫面監控報警主機和碼流分析儀。系統接收到IP數據流以后，借助VGA或HDMI接口完成電視節目信號傳遞，并顯示到監控界面中，完成電視節目的實時分析。出現異常情況的時候，組播網絡會將異常數據顯示到多畫面監控模塊中，并且發出異常報警的聲音。碼流分析模塊的分析結果也同時顯示節目故障出現的原因，并提供對應的解決措施。

3 數字電視視頻信號監控系統實現

3.1 多畫面監控功能實現

多畫面監控功能模塊主要包括IP多畫面主機、大卡解碼機箱和BS數據庫服務器，利用光纖與交換機連接。大卡解碼機箱主要完成數字模擬信號解調處理，碼流分析器將接收到的數據傳輸到交換機，然后由交換機將接收到的信息傳送到多個屏幕監視器上。監視器可實現多屏組合監看、故障的判斷及處理。每臺監視器都可以將資料經由千兆交換機傳送至資料終端機。

監視的電視信號數據會傳輸到主機設備中，工作人員使用的監控設備通過交換機從主機設備中獲取這些信息，監控畫面的好壞與主機屬性有密切關系。整個監控系統部署在獨立運行的局域網中，每個TS流都可以將對應的節目傳輸到監控設備中。由于涉及的電視節目較多，對于央視、地方衛視等采用實時監看的方式，對地方衛視、付費節目等采用輪詢監看方式。為了對重點節目實時監控，系統通過節目頻點設置的方式來實現，可以保證信號實時記錄。

為了有效地消除圖像閃爍、模糊等圖像效果，本文采用多幅屏幕交錯掃描的顯示方法。屏幕使用Direct3D10的處理模式，具有較高的編程能力和兼容性，可以在不同的多操作系統環境下使用。

3.2 碼流分析功能實現

碼流分析模塊通過有線數字監控對大卡解碼QAM信號進行解碼，對大卡解碼ASI信號和QPSK信號進行碼流的監控[8]。經千兆網傳輸IP數據流信號，通過VGA或HDMI線路將已經獲得的信號數據分享到終端界面中，在沒有丟失通道的情況下，可以對數據流進行分析。從圖1可以看到，本文系統對主要電視節目圖像進行分析和查看，而多屏系統主要完成PSI/SI數據分析，從而判斷節目EPG的具體信息，判斷其是否正常播出、播放碼流是否被干擾、傳輸速度是否正常等，進而將故障消除于隱患。

圖1 碼流分析（流量監測界面）

3.3 異常報警功能實現

語音報警器是數字電視的一個輔助功能，一旦發生故障，就能發出語音提醒，提醒工作人員采取相應的措施。報警信息包含了信道失鎖、誤碼率、EVM故障和PID錯誤等類型。這些信息的閾值以數據表的形式存儲在數據庫中。正常運行過程中，系統會對信號進行分析，如果在一定時間內超過設定的閾值，那么系統就會報警。報警信息傳輸到工作人員監控前端，通過語音形式告知工作人員。此外，本文系統提供了故障定位功能。數據庫中存儲有故障信息、可能出現的位置點、故障解決措施，依據不同的故障判斷，這些信息會顯示到監控前端。為了進一步減少誤判斷的情況，系統提供了參數設置的功能，用戶可以對異常判斷條件進行更改和設置，例如信號異常連續出現30 s，系統判斷為數字電視信號出現異常，啟動報警功能。

4 結 語

隨著IPTV技術快速發展，數字電視得到了廣泛的應用。傳統的電視信號監視系統占地面積比較大、集成化程度低、監控機房環境較差。本文設計和開發的數字電視視頻信號監控系統，滿足節目的監控需求，還可以解析出故障發生的原因并給出解決建議，提高了電視信號監控的能力。