數(shù)字電視視頻信號監(jiān)控系統(tǒng)設計

周 丹

（衡南縣融媒體中心，湖南 衡陽 421100）

0 引言

在現(xiàn)代科技廣泛運用的背景下，我國提出了“智慧廣電”戰(zhàn)略，旨在綜合運用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第六版（Internet Protocol Version 6，IPv6）、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及云計算等前沿技術(shù)，基于互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星、無線等載體實現(xiàn)媒體智能傳播。在該形勢下，數(shù)字電視得到規(guī)模化普及。為保障數(shù)字電視播放的安全性、順暢性，需科學設計并運用視頻信號監(jiān)控系統(tǒng)，對數(shù)字電視視頻信號實施監(jiān)測，使其可長時間維持穩(wěn)定狀態(tài)，進而促進數(shù)字廣播電視的發(fā)展，完善數(shù)字電視運行管理模式。

1 數(shù)字電視視頻信號監(jiān)控系統(tǒng)的設計需求

設計數(shù)字電視視頻信號監(jiān)控系統(tǒng)之前，需明確系統(tǒng)設計需求，并于設計過程中盡可能完成所需功能，保障視頻信號監(jiān)控系統(tǒng)設計質(zhì)量。經(jīng)過調(diào)研，數(shù)字電視視頻信號監(jiān)控系統(tǒng)應滿足以下需求。

（1）功能需求。所設計的信號監(jiān)控系統(tǒng)應能夠自動完成信號監(jiān)測作業(yè)，若發(fā)現(xiàn)異常狀況可自動報警；可良好應對部分環(huán)境干擾、人為干擾，一旦出現(xiàn)干擾應立即應對；可實現(xiàn)對視頻信號的集中化監(jiān)測，實現(xiàn)監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)籌整合，在實現(xiàn)實時信號監(jiān)測的同時，實現(xiàn)信號異常狀況統(tǒng)計分析[1]。

（2）業(yè)務需求。在現(xiàn)代化環(huán)境下，數(shù)字電視的功能日漸完善，視頻類型多樣。為滿足數(shù)字電視視頻信號監(jiān)控需求，要求所設計的監(jiān)控系統(tǒng)可適應數(shù)字電視后續(xù)發(fā)展。因此，設計監(jiān)測系統(tǒng)時，需綜合性考量功能業(yè)務狀況。

（3）任務需求。所設計的信號監(jiān)控系統(tǒng)應具備衛(wèi)星校時、信號獨立監(jiān)測、矩陣切換以及錯誤統(tǒng)計整合等功能，完成視頻信號監(jiān)控后可集成處理。要求數(shù)字電視視頻信號解擾后借助千兆網(wǎng)進行傳輸，設置網(wǎng)線，保障信號傳輸效率，且視頻信號監(jiān)控系統(tǒng)局域網(wǎng)獨立運行。在此基礎(chǔ)上，將監(jiān)控結(jié)果轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)碼視頻呈現(xiàn)至系統(tǒng)界面，以便臺站監(jiān)控人員監(jiān)督監(jiān)管，使數(shù)字電視臺站監(jiān)控人員可通過監(jiān)看多畫面結(jié)果，進行信號故障排查，最大限度地發(fā)揮出數(shù)字電視視頻信號監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控作用。

2 數(shù)字電視視頻信號監(jiān)控系統(tǒng)設計

為增強數(shù)字電視視頻信號監(jiān)控系統(tǒng)設計的針對性，本文選取某數(shù)字電視臺站為例展開具體設計分析。

2.1 系統(tǒng)硬件設計

視頻信號監(jiān)控系統(tǒng)的核心硬件設備為監(jiān)測主機，需借助硬件準確監(jiān)控數(shù)字電視信號傳播情況，監(jiān)測多個TS 流頻點，使數(shù)字電視各個節(jié)目視頻的播放情況可始終維持穩(wěn)定狀態(tài)。經(jīng)綜合分析，監(jiān)測主機需具備對16 個TS 流頻點同時監(jiān)測的功能。大卡解擾機箱可在主機與嵌入式模塊之間構(gòu)建互通渠道，且可維持模塊獨立性。各大卡模塊均可與4 塊小卡有效對接。各個小卡可進行單個TS 流頻點數(shù)字電視視頻的信號監(jiān)控。4 塊大卡構(gòu)成監(jiān)測主機，確保不同接口模式與TS 流節(jié)目的接入。完成數(shù)字電視視頻信號解擾后，可順利播放數(shù)字電視視頻。

大卡監(jiān)控方式的顯著優(yōu)勢在于可實時監(jiān)控，期間無須進行視頻流解碼，應用便捷，可提升信號監(jiān)測效率。整體上看，大卡解擾機箱具有兩種監(jiān)控模式：一為數(shù)字電視信號監(jiān)控，可用于監(jiān)測大卡解擾信號；二為模擬電視信號監(jiān)控，可用于解擾電視信號，可完成信道碼流監(jiān)測。數(shù)字電視視頻TS 傳輸流涉及多種信號格式，如正交相移鍵控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）、異步串行接口（Asynchronous Serial Interface，ASI）以及正交振幅調(diào)制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）等，數(shù)字電視視頻信號監(jiān)控系統(tǒng)設計時需合理選擇監(jiān)測解擾卡[2]。

案例數(shù)字電視視頻信號監(jiān)控系統(tǒng)設計選用多通道數(shù)字電視解擾卡硬件，將其嵌入至數(shù)字電視監(jiān)測系統(tǒng)中，起到信號傳輸檢測、解碼傳輸監(jiān)測及QAM 信號監(jiān)測等作用。該硬件設備具有以下功能：1 對1 完成數(shù)字電視視頻解擾；設置板卡頻點，設置數(shù)字電視視頻輸出地址、組播地址；接收處于頻率范圍內(nèi)的信號解碼，頻率為50 ～1 000 MHz；對數(shù)字電視視頻狀態(tài)（如總帶寬、有效帶寬、板卡溫度、符號率偏移及信號鎖定等）進行監(jiān)測，將信號監(jiān)測結(jié)果呈現(xiàn)至系統(tǒng)界面；支持對一級、二級、三級錯誤的識別與監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)錯誤或異常狀況則立即報警；與碼流分析儀協(xié)同運行，監(jiān)測數(shù)字電視信號碼流與信道[3]。

對數(shù)字電視視頻信號監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計情況進行歸納，硬件設備的名稱、數(shù)量及型號如表1 所示。

表1 數(shù)字電視視頻信號監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設計

2.2 功能軟件設計

完成數(shù)字電視視頻信號監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設計后，從以下3 個方面進行功能軟件設計。

2.2.1 多畫面監(jiān)控

采用IP 連接方式，保障功能軟件的信息傳遞效果，用于解擾解碼視頻信號，檢測傳輸碼流信號，將監(jiān)控結(jié)果轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)碼視頻呈現(xiàn)至系統(tǒng)界面，以便臺站監(jiān)控人員監(jiān)督監(jiān)管。多畫面監(jiān)控功能軟件由IP多畫面主機、數(shù)據(jù)庫服務器及嵌入式機箱構(gòu)成。在該結(jié)構(gòu)中，嵌入式機箱由冗余熱備份電源、2 U 機箱殼、多通道監(jiān)測大卡、CAM 小卡及視音頻編碼卡構(gòu)成。各個2 U 機箱可良好嵌入至多通道大卡中，用于完成視頻信號解碼。大卡之間雖相互關(guān)聯(lián)，但模塊獨立設置。該方式不僅便于設備安裝，還可為硬件的維護、更換提供便利。大卡信號可接入至雙網(wǎng)口、RF 口，使IP 流良好傳輸。嵌入式機箱借助冗余供電方式運行，由交流電直接供給冗余備份電源，將其作為中轉(zhuǎn)站，將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡S后直接供給大卡，使大卡硬件與交流電隔絕，避免引發(fā)電磁效應、熱效應對監(jiān)控設備運行造成干擾[4]。

基于視頻信號監(jiān)控需求配置CAM 小卡。在此基礎(chǔ)上，設置模擬信號，使用碼流分析儀傳輸信道監(jiān)測結(jié)果，將其傳遞至千兆網(wǎng)網(wǎng)絡交換機。通過網(wǎng)絡交換機，使視頻信號監(jiān)測結(jié)果呈現(xiàn)為多畫面信息。數(shù)字電視臺站監(jiān)控人員可通過監(jiān)看多畫面結(jié)果進行信號故障排查。具體功能結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 多畫面監(jiān)測功能架構(gòu)

2.2.2 碼流分析監(jiān)測

設計碼流分析監(jiān)測功能時，主要借助有線數(shù)字監(jiān)測大卡、ASI 碼流監(jiān)測大卡、衛(wèi)星數(shù)字監(jiān)測大卡，分別對QAM 信號、ASI 信號、QPSK 信源解擾處理，基于千兆網(wǎng)絡將解擾后的信號傳輸至系統(tǒng)信號終端，進行傳輸碼流監(jiān)測。該功能軟件結(jié)構(gòu)簡單，布局合理，可在一定程度上降低誤碼率[5]。

從功能角度來看，碼流分析監(jiān)測軟件設計時需以功能、需求為導向進行科學設計，主要包括以下內(nèi)容。

（1）通道監(jiān)測。全方位監(jiān)測信道指標，如QPSK信號、ASI 信號、IP 信號、QAM 信號、YV 信號、CMMB 信號、FM/AM 信號等，對上述信道指標碼流狀態(tài)實時測量，并展示信號指標強度變化狀況。

（2）TR 101 290 監(jiān)測。對290 頻點碼流三級故障進行實時監(jiān)測。獲取故障信息后，以故障樹方式清晰呈現(xiàn)故障，顯示錯誤信息。

（3）帶寬監(jiān)測。對數(shù)字電視視頻信號帶寬信息錯誤報警，采用列表形式進行羅列，進一步銜接系統(tǒng)指示燈及畫面顯示系統(tǒng)，采用指示燈及比例圖方式呈現(xiàn)帶寬狀態(tài)。

（4）模板對比。基于數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)字電視視頻信號監(jiān)測歷史信息，構(gòu)建信號標準模板，篩選典型信號錯誤狀態(tài)設置為錯誤模板，完成視頻信號初步監(jiān)測后，將其與錯誤模板、標準模板對比，基于對比結(jié)果確認數(shù)字電視信號狀態(tài)[6]。

2.2.3 異常語音報警

報警軟件屬于數(shù)字電視視頻信號監(jiān)控系統(tǒng)的輔助性功能。一旦通過信號監(jiān)控監(jiān)測發(fā)現(xiàn)故障問題或異常狀況，可采用語音報警方式提醒用戶及時處理。除基礎(chǔ)性語音報警外，進一步設計報警日志功能。設計軟件日志功能時，將軟件與多畫面監(jiān)控軟件對接。一旦通過視頻信號監(jiān)控發(fā)現(xiàn)異常狀況，則觸發(fā)異常語音報警，相關(guān)信息被實時記錄至報警日志，詳細記錄視頻信號異常表現(xiàn)、視頻名稱、故障類型、語音表述內(nèi)容以及觸發(fā)報警時間。在數(shù)字電視臺站日常監(jiān)督管理過程中，可借助檢索功能定向查詢異常狀態(tài)，實現(xiàn)故障歸納整合。

2.3 系統(tǒng)運行測試

按照上述硬件、軟件設計思路開發(fā)出數(shù)字電視視頻信號監(jiān)控系統(tǒng)后，對其功能進行測試。按照操作規(guī)范運行多畫面監(jiān)控、碼流分析監(jiān)測、異常語音報警等功能，確認功能完好，進一步從視頻監(jiān)控實踐、環(huán)境影響檢測、碼流信道分析、錄像監(jiān)測、報錯日志管理、冗余電源熱效應以及系統(tǒng)機房一體化管理等多個方面測試該數(shù)字電視視頻信號監(jiān)控系統(tǒng)的運行情況。以下是信號監(jiān)控系統(tǒng)總體運行測試情況總結(jié)。

（1）系統(tǒng)硬件設備結(jié)構(gòu)配置合理，監(jiān)測主機等核心設備與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)熱源之間的距離較為安全，熱源不會干擾核心設備的運用，杜絕了散熱不當引發(fā)的死機問題。

（2）解擾解碼大卡采用嵌入式方式融入系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，使系統(tǒng)監(jiān)控模塊可保持獨立運行狀態(tài)，保障了硬件結(jié)構(gòu)的可靠性。

（3）監(jiān)測主機可對多格式視頻形式解碼，如H.264、H.265、AVS、MEPG-4 等，還可順利完成對ACC+、WMA、MP3、ASF、MID 等格式的音頻解碼，可順利完成監(jiān)控工作，并將信號監(jiān)控結(jié)果呈現(xiàn)至系統(tǒng)界面上。

（4）監(jiān)控信號時，采用隔行掃描方式進行視頻信號監(jiān)控，可及時發(fā)現(xiàn)視頻信號問題，且不會因掃描監(jiān)測行為而產(chǎn)生數(shù)字電視視頻畫面模糊的情況。

（5）監(jiān)測主機主要采用網(wǎng)口獲取監(jiān)控信息，將信號監(jiān)控結(jié)果傳輸至系統(tǒng)界面，隨后按照監(jiān)控設定要求分析信號狀態(tài)，若有異常立即報警。

（6）數(shù)字電視視頻信號解擾后借助千兆網(wǎng)進行傳輸，使用六類網(wǎng)線，保障了信號傳輸效率。視頻信號監(jiān)控系統(tǒng)局域網(wǎng)獨立運行，消除了信號傳輸?shù)陌踩[患。

整體上看，本文設計的數(shù)字電視視頻信號監(jiān)控系統(tǒng)功能可靠、運行穩(wěn)定、硬件布局科學，應用價值較高。

3 結(jié)語

在數(shù)字廣電建設過程中，為保障數(shù)字電視運行效果，實現(xiàn)安全穩(wěn)定播出，需做好視頻信號監(jiān)控系統(tǒng)的設計。本文基于數(shù)字電視視頻信號發(fā)射傳播特征合理選擇硬件設備，對多畫面監(jiān)控、碼流分析監(jiān)測、異常語音報警等功能軟件進行科學設計，完成數(shù)字電視視頻信號監(jiān)控系統(tǒng)的整體設計，并對系統(tǒng)進行測試，驗證了所設計的視頻信號監(jiān)控系統(tǒng)能夠正常、穩(wěn)定運行。