電視高清播出控制系統設計

吳 超

（海口廣播電視臺，海南 海口 570000）

0 引言

在現代廣播電視行業，高清播出控制系統的設計與實施是提升節目質量、觀眾體驗以及播出安全性的關鍵。隨著技術的不斷進步，全新的高清播出控制系統不僅要求高質量的圖像和音頻輸出，還需要滿足實時性、穩定性和可擴展性的要求。本文以海口廣播電視臺3 個頻道的高清播出控制系統為例，探討如何構建一個高效、可靠的高清播出控制系統。文章將深入分析系統架構的設計原則，以及如何在保證安全播出的前提下優化播出流程，進一步提高系統的經濟效益和工作效率。

1 高清播控系統設計原則

設計高清播出控制系統，首要的原則是保證高清視音頻的技術指標、播出內容的連續性和準確性。其次，系統必須具備高效的實時處理和傳輸能力，以滿足實時播出的需求。再次，系統還需要具有高度的穩定性和可靠性，避免設備故障造成播出中斷。最后，高清播出控制系統應具備良好的可擴展性，以適應技術的快速進步和市場需求的變化，實現新功能和新設備的無縫接入。高清播出控制系統設計需要整合各種播出設備和系統，實現高效的播出流程，在保證播出質量的同時，盡可能降低設備和運營成本，提高系統的經濟效益。安全性也是系統設計的重要原則。高清播出控制系統應具備強大的安全防護能力，防止數據泄露、非法入侵等安全問題，保證播出內容的安全。結合海口廣播電視臺實際需求，根據以上原則，本文設計出的高清播控系統框架如圖1 所示。

圖1 高清播控系統示意框圖

2 信號總控調度系統

信號總控調度系統是高清播出控制系統的重要組成部分，是負責控制信號源調度以及使用的子系統，由總控矩陣、光收發設備、幀同步卡以及延時器等設備組成。設計中以GV FR8144 矩陣機箱搭載144-3GIG-XPT 交叉點卡，配置相應的矩陣控制器、控制面板，輔以高清串行數字接口（Serial Digital Interface，SDI）以及光輸入輸出卡，組成144×144的總控矩陣，以此作為信號總控調度系統的核心，完成臺內外信號的靈活調度，并留有升級空間，可視情況擴容為144×288 的矩陣。總體來看，該矩陣規模已經足以應對高清播出系統需要處理的外場直播、光纖衛星信號、臺內演播室、播出服務器、測試信號、循環墊片信號以及全臺總控系統分配回送等信號。多余的輸入輸出接口可用于靈活接入幀同步器、延時器以及收錄系統，利用總控系統的靈活調度功能，減少以上相關設備的投入成本。同時，必須在總控矩陣輸入輸出端增設跳線。若總控矩陣出現故障，可以使用跳線將信號快速調入分控系統，保證播出的安全。

3 播出分控系統

在本項目中，播出分控系統主要承擔3 個電視頻道的節目播出任務，應具備盡可能高的穩定性、可靠性、安全性。要求主備播出通道交叉備份，主備倒換器具備斷電直通功能。正常播出時，由主、備兩臺播控工作站根據節目單控制切換矩陣進行節目切換，最后將輸出信號疊加字幕臺標以及響度控制后經過編碼送到傳輸發射系統。播出分控系統包括視音頻切換、硬盤播出服務器以及控制設備等子系統結構[1]。

3.1 視音頻切換子系統

每個電視頻道的切換子系統由高清切換矩陣、字幕機、臺標機、鍵混器、響度控制器、主備倒換器以及傳輸編碼器等組成切換鏈路通道。根據實際情況分析，所需信號源包括視頻服務器主備信號、總控調度信號、錄像機信號、央視轉播信號、省臺轉播信號、備播信號、墊片信號以及測試信號等共計15路信號。因此，3 個頻道分別配備16×8 的播出切換矩陣主備兩臺，配備具有靜/凈切換功能的節目信號（Program，PGM）輸出和預置（Preset，PST）輸出，可受控于播出工作站和各分控面板進行倒換、觸發、保持及跳過等操作，可設置報警參數[2]。

節目信號經過主、備兩路通道，依次經過融合臺標和字幕的鍵混器、響度處理器，通過4 選1 倒換開關，分別進入主、備編碼器編碼后通過光纖送往有線電視機房及無線發射機。為了最大限度保證安全播出，系統設計選用四選一倒換開關，增加了一路備用信號和一路墊播信號。同時，上述通道所有設備間連線均配置了跳線，任何設備出現故障，都能通過快速應急跳線操作，確保系統的可用性[3]。

3.2 硬盤播出服務器子系統

硬盤播出服務器子系統負責提供除了直播與轉播外臺信號之外的全部節目內容，由播出服務器、二級存儲服務器、上載工作站、外來素材接口服務器以及技審服務器組成，如圖2 所示。

圖2 硬盤播出服務器子系統架構圖

備播階段，對各個部門的節目素材進行整備，將待播的素材根據節目單通過上載服務器或接口服務器遷移至二級存儲服務器，同時對素材進行自動技審和人工技審等相關質量檢測。臨近播出前，再根據節目單以及遷移策略將節目素材從二級存儲遷移至視頻服務器。應急情況下，也可以將節目直接上載或遷移至視頻服務器。

播出階段，由播控工作站按照節目單控制視頻服務器以及視音頻切換子系統中的受控設備，進行正常播出或針對應急情況進行處理。

3.2.1 視頻服務器

本系統的視頻服務器架構設計為三機互為主備模式，每臺視頻服務器配置兩個高清解碼通道，分別負責一個頻道的主播和另一頻道的備播，任何一臺服務器故障均不會影響正常播出。服務器性能基本要求是：須為支持長時間不間斷連續工作的高性能視頻服務器，內置嵌入式操作系統、雙電源，具有兩個以上工業級千兆以太網卡，對外遷移帶寬不小于800 Mb·s-1。播出服務器還需支持Louth-VDCP、RS-422、通用輸入（General Purpose Input，GPI）等控制協議；支持文件傳輸協議（File Transfer Protocol，FTP）、通用網絡文件系統協議（Common Internet File System，CIFS）；具有獨立的服務器磁盤陣列，支持RAID3/RAID4/RAID5/RIAD6 方式存儲及保護技術，有效存儲容量不少于12 TB；播出服務器編解碼卡、電源、風扇等必須具有冗余設計。上述任意部件損壞后均可在線切換和熱插拔更換，確保任意一個部件的損壞不影響播出安全[4]。

3.2.2 二級存儲陣列

二級存儲系統是承擔節目素材中轉、遷移、存儲的重要部分，因此該子系統的設計應當全面考慮容量需求、數據訪問速度、數據的冗余與安全等性能[5]。本項目設計的播出二級存儲陣列要求為雙控制器，互為冗余，提供故障切換功能，避免單點故障。每控制器包含不少于16 GB 后備高速緩存，每控制器包含2 個萬兆接口；要求100 TB 物理存儲，支持RAID 3/5/6，配置模塊化磁盤存儲管理軟件，支持多路徑管理，提供服務器與存儲陣列之間冗余數據路徑的故障轉移管理。二級存儲系統作為播出節目的文件緩存，非當日播出的節目進入二級存儲系統中進行存儲，然后進行文件技審、人工軟審及MD5 等處理。經過審核后，根據遷移策略以及節目單，由二級存儲陣列向播出視頻服務器進行節目遷移。

3.2.3 技審服務器

為確保安全播出，系統內配置了技審服務器對節目素材進行技術檢測，判斷素材的數據、文件格式和封裝格式等是否滿足播出服務器的要求，對可能存在的視音頻不正常進行準確的判定。視頻檢測包括黑場、彩條、靜幀、馬賽克、YUV/RGB 超標及對比度超標等，音頻檢測包括靜音、音頻丟失、響度超標、爆音及相位錯誤等。報警設置應以幀為精度，由用戶定義閾值。自動技審配置應滿足標清不低于30 倍速、高清不低于10 倍速的檢測速度要求，由軟件自動生成技審報告，根據權限和流程分發相關工作站[6]。自動技審軟件支持自動和人工復檢，檢查的結果需保存到數據庫，作為重要的節目信息，服務于后續應用。

4 其他系統

4.1 時鐘同步系統

時鐘同步系統中的主備同步機應支持全球定位 系 統（Global Positioning System，GPS）10 MHz輸入鎖定、高精度晶振發生，并配置同步信號倒換器，至少具有一組高標清測試發生信號輸出。所有設備應具有雙電源，以便在單電源時仍能正常工作。配置GPS 或者北斗接收信號，經處理后可提供網絡時鐘協議（Network Time Protocol，NTP）服務及縱向時間碼（Longitudinal Time Code，LTC）輸出；具有模擬、數字和精確時間協議（Precision Time Protocol，PTP）同步信號輸出，基準時間信號和同步信號應可以分配給全臺使用[7]。

4.2 播出監控系統

播出監控系統負責對播出過程進行實時監控和故障處理，主要包括信號監控、設備監控和故障處理3 個部分。信號監控部分負責實時監控播出信號的質量。設備監控部分負責監控所有播出設備的工作狀態[8]。故障處理部分負責在發現問題時迅速采取措施進行處理，包括切換備用設備、調整設備參數、維修設備等。播出監控系統的設計和實現需要考慮幾個關鍵的因素：首先，系統需要具有高的實時性和準確性，可以迅速發現和處理各種問題；其次，系統需要具有強大的故障處理能力，包括切換備用設備、調整設備參數；最后，還需要提供豐富的監控信息和友好的用戶界面，以便操作人員能夠方便地進行監控和管理。

5 結語

本文對高清播出控制系統的設計原則、總控系統、分控系統以及其他相關系統進行了全面的探討。高清播出控制系統的設計原則強調系統的高效性、可靠性和可擴展性，確保廣播電視節目的高質量播出。高清總控系統和分控系統包括視音頻切換系統、視頻服務器系統以及二級存儲系統，保證系統在處理高清內容時的高性能和靈活性。高清播控系統的其他重要組成部分如時鐘同步系統和播出監控系統增強整個系統的監控和管理能力。未來，隨著技術的不斷進步和市場需求的變化，這些系統將繼續升級，為觀眾提供更高質量的視聽體驗，為廣播電視臺帶來更高的工作效率和經濟效益。