數字電視視頻信號監控系統設計

周 丹

（衡南縣融媒體中心，湖南 衡陽 421100）

0 引言

在現代科技廣泛運用的背景下，我國提出了“智慧廣電”戰略，旨在綜合運用互聯網協議第六版（Internet Protocol Version 6，IPv6）、物聯網、大數據及云計算等前沿技術，基于互聯網、衛星、無線等載體實現媒體智能傳播。在該形勢下，數字電視得到規模化普及。為保障數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控系統，對數字電視視頻信號實施監測，使其可長時間維持穩定狀態，進而促進數字廣播電視的發展，完善數字電視運行管理模式。

1 數字電視視頻信號監控系統的設計需求

設計數字電視視頻信號監控系統之前，需明確系統設計需求，并于設計過程中盡可能完成所需功能，保障視頻信號監控系統設計質量。經過調研，數字電視視頻信號監控系統應滿足以下需求。

（1）功能需求。所設計的信號監控系統應能夠自動完成信號監測作業，若發現異常狀況可自動報警；可良好應對部分環境干擾、人為干擾，一旦出現干擾應立即應對；可實現對視頻信號的集中化監測，實現監測結果統籌整合，在實現實時信號監測的同時，實現信號異常狀況統計分析[1]。

（2）業務需求。在現代化環境下，數字電視的功能日漸完善，視頻類型多樣。為滿足數字電視視頻信號監控需求，要求所設計的監控系統可適應數字電視后續發展。因此，設計監測系統時，需綜合性考量功能業務狀況。

（3）任務需求。所設計的信號監控系統應具備衛星校時、信號獨立監測、矩陣切換以及錯誤統計整合等功能，完成視頻信號監控后可集成處理。要求數字電視視頻信號解擾后借助千兆網進行傳輸，設置網線，保障信號傳輸效率，且視頻信號監控系統局域網獨立運行。在此基礎上，將監控結果轉化為轉碼視頻呈現至系統界面，以便臺站監控人員監督監管，使數字電視臺站監控人員可通過監看多畫面結果，進行信號故障排查，最大限度地發揮出數字電視視頻信號監控系統的監控作用。

2 數字電視視頻信號監控系統設計

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

2.1 系統硬件設計

視頻信號監控系統的核心硬件設備為監測主機，需借助硬件準確監控數字電視信號傳播情況，監測多個TS 流頻點，使數字電視各個節目視頻的播放情況可始終維持穩定狀態。經綜合分析，監測主機需具備對16 個TS 流頻點同時監測的功能。大卡解擾機箱可在主機與嵌入式模塊之間構建互通渠道，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 流頻點數字電視視頻的信號監控。4 塊大卡構成監測主機，確保不同接口模式與TS 流節目的接入。完成數字電視視頻信號解擾后，可順利播放數字電視視頻。

大卡監控方式的顯著優勢在于可實時監控，期間無須進行視頻流解碼，應用便捷，可提升信號監測效率。整體上看，大卡解擾機箱具有兩種監控模式：一為數字電視信號監控，可用于監測大卡解擾信號；二為模擬電視信號監控，可用于解擾電視信號，可完成信道碼流監測。數字電視視頻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）以及正交振幅調制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）等，數字電視視頻信號監控系統設計時需合理選擇監測解擾卡[2]。

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

對數字電視視頻信號監控系統硬件設計情況進行歸納，硬件設備的名稱、數量及型號如表1 所示。

表1 數字電視視頻信號監控系統的硬件設計

2.2 功能軟件設計

完成數字電視視頻信號監控系統的硬件設計后，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，將監控結果轉化為轉碼視頻呈現至系統界面，以便臺站監控人員監督監管。多畫面監控功能軟件由IP多畫面主機、數據庫服務器及嵌入式機箱構成。在該結構中，嵌入式機箱由冗余熱備份電源、2 U 機箱殼、多通道監測大卡、CAM 小卡及視音頻編碼卡構成。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。大卡之間雖相互關聯，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，將其作為中轉站，將交流電轉變為直流電，隨后直接供給大卡，使大卡硬件與交流電隔絕，避免引發電磁效應、熱效應對監控設備運行造成干擾[4]。

基于視頻信號監控需求配置CAM 小卡。在此基礎上，設置模擬信號，使用碼流分析儀傳輸信道監測結果，將其傳遞至千兆網網絡交換機。通過網絡交換機，使視頻信號監測結果呈現為多畫面信息。數字電視臺站監控人員可通過監看多畫面結果進行信號故障排查。具體功能結構如圖1 所示。

圖1 多畫面監測功能架構

2.2.2 碼流分析監測

設計碼流分析監測功能時，主要借助有線數字監測大卡、ASI 碼流監測大卡、衛星數字監測大卡，分別對QAM 信號、ASI 信號、QPSK 信源解擾處理，基于千兆網絡將解擾后的信號傳輸至系統信號終端，進行傳輸碼流監測。該功能軟件結構簡單，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，主要包括以下內容。

（1）通道監測。全方位監測信道指標，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實時測量，并展示信號指標強度變化狀況。

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

（3）帶寬監測。對數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，進一步銜接系統指示燈及畫面顯示系統，采用指示燈及比例圖方式呈現帶寬狀態。

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

2.2.3 異常語音報警

報警軟件屬于數字電視視頻信號監控系統的輔助性功能。一旦通過信號監控監測發現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，將軟件與多畫面監控軟件對接。一旦通過視頻信號監控發現異常狀況，則觸發異常語音報警，相關信息被實時記錄至報警日志，詳細記錄視頻信號異常表現、視頻名稱、故障類型、語音表述內容以及觸發報警時間。在數字電視臺站日常監督管理過程中，可借助檢索功能定向查詢異常狀態，實現故障歸納整合。

2.3 系統運行測試

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

（1）系統硬件設備結構配置合理，監測主機等核心設備與系統結構發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的死機問題。

（2）解擾解碼大卡采用嵌入式方式融入系統結構中，使系統監控模塊可保持獨立運行狀態，保障了硬件結構的可靠性。

（3）監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，可順利完成監控工作，并將信號監控結果呈現至系統界面上。

（4）監控信號時，采用隔行掃描方式進行視頻信號監控，可及時發現視頻信號問題，且不會因掃描監測行為而產生數字電視視頻畫面模糊的情況。

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

（6）數字電視視頻信號解擾后借助千兆網進行傳輸，使用六類網線，保障了信號傳輸效率。視頻信號監控系統局域網獨立運行，消除了信號傳輸的安全隱患。

整體上看，本文設計的數字電視視頻信號監控系統功能可靠、運行穩定、硬件布局科學，應用價值較高。

3 結語

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