基于TS流的電視臺數字化播出系統設計

朱穗鷹

（丹徒廣播電視臺 技術中心，江蘇 鎮江 212028）

基于TS流的電視臺數字化播出系統設計

朱穗鷹

（丹徒廣播電視臺 技術中心，江蘇 鎮江 212028）

電視臺播出從模擬向數字過渡的過程中，考慮到兼容性，系統常常是盤、帶播出相結合，模擬信號和數字信號共存。而數字有線電視前端處理的是基于MPEG-2標準壓縮的TS流數據。不同信號之間的多次轉換會造成信號損失。提出一種設計方案，直接以TS流的方式進行電視播控，避免信號過度轉換。依據該方案對丹徒電視臺的播控進行了改造，取得了很好的效果。

音頻嵌入式SDI；TS流；數字幀同步；鍵控；網絡冗余

【本文獻信息】朱穗鷹.基于TS流的電視臺數字化播出系統設計[J].電視技術，2013，37（24）.

電視臺的播出和有線電視的傳輸共同影響著電視的收視效果。隨著數字電視時代的到來，數字有線電視網絡傳送的是基于MPEG-2標準壓縮的TS流數據。傳統播出方式中電視節目由電視臺播控中心到有線電視網絡中心，其間節目信號在模擬和數字間多次轉換，會造成圖像質量的下降。如果在電視播控中直接以TS流的方式進行播出，能有效解決上述問題，提高電視節目的播出效果。

1 系統信號流程分析

圖1是改造前的電視播出信號流程圖。節目源是MPEG格式的數字文件。播出機還是早期產品，配置的是模擬播出卡。節目經解壓輸出AV模擬信號，然后信號進入播控環節完成臺標、字幕的疊加并傳輸至光發射機。在光發射機中對模擬視音信號進行模數轉換，然后經調制后通過光纖傳輸至數字有線電視機房的光接收機。在光接收機中信號再經解調和數模轉換輸出AV信號。最后由TS流編碼器將AV信號轉成TS流傳輸。

圖1 改造前的電視播出信號流程圖

對圖1中信號流程的每個節點進行信號測試比較后發現，信號指標在逐步下降，累積到最后就發現播出圖像層次感差、清晰度不夠，明顯影響了播出效果。綜合對系統中單一設備的指標進行分析，發現系統中每個環節的設備都符合廣播級標準，系統連接線及接頭均為進口專業產品，本臺節目指標下降的真正原因是系統的整體結構不合理。在這樣的系統中，節目從電視播控到有線數字前端經歷了數字和模擬之間的多次轉換，造成節目信號指標下降。選擇一個廣播級的數字接口，讓電視節目的播出、控制、傳輸全流程數字化，減少信號的轉換才能真正解決節目信號指標下降的問題，從而提高畫面質量。

圖2是改造后的電視播出信號流程圖。播控的前半部分以SDI的方式工作，后半部分以TS流的方式工作。前半部分將所有信號源統一以嵌入式數字音頻的SDI信號接入，播控中的矩陣切換、臺標字幕的鍵混全由支持SDI信號的設備完成。后半部分信號經過MPEG-2壓縮編碼后轉換成TS流信號，并經過主、備播出通道及應急通道切換后發送到數字有線電視機房。這樣全程數字化，各環節對節目信號的損失降至最低。數字有線電視前端將電視播控機房送來的TS流信號直接接入，無需轉換，播出效果明顯改善[1-2]。

圖2 改造后的電視播出信號流程圖

2 系統設計

2.1 系統描述

電視播控系統結構如圖3所示。系統中每個頻道設計有3個播出通道，分別為主播出通道、備播出通道以及循環播放墊播信號的應急通道。所有節目信號源統一以音頻嵌入式SDI格式進入播出通道。主播出通道首先通過SDI矩陣對本臺信號和轉播信號進行切換，然后通過SDI方式鍵混臺標和字幕，產生完整的數字節目信號，最后通過TS流編碼器輸出主播出TS流。備播出通道和主播出通道同步播出，輸出備播出TS流。應急通道通過循環播放墊播信號輸出一路應急播出TS流。3路TS流信號輸入ASI三選一應急切換模塊。ASI切換器自動檢測主備路信號是否中斷、黑場、靜幀，自動或手動切換備路或墊播信號。意外掉電時主路信號保持直通。三選一之后電視播控機房直接將TS流播出信號傳輸至數字有線電視機房。數字有線電視前端不需要再進行任何的信號轉換，可以直接將電視播控機房送來的TS流播出信號接入。播出效果主要由電視播控機房控制完成。

保證系統的質量指標是數字化的重要原則。系統的指標主要取決于系統的結構和其中關鍵設備的指標。播出卡選擇高品質的視頻編解碼器以達到廣播級的圖像質量。單路MPEG-2（TS流）編碼器輸入接口支持SDI，輸出支持ASI接口。視頻分辨率為720×576_50i，碼率為0.8～20 Mbit/s，音頻采樣頻率為48 kHz，采樣精度為24 bit，音頻碼率為64～384 kbit/s，滿足標清頻道的播出要求。

標清SD-SDI對應時鐘速率為270 Mbit/s，對線材質量及接頭的可靠性提出更高的要求。SDI信號在傳輸處理過程中有可能產生抖動、噪聲、信號幅度改變及其他失真。當信號變劣到一定的程度，信號將無法再生和解碼。通過眼圖的測量可以很好地判斷數字SDI信號的好壞。更簡便的方法是采用系統增強測試，在系統不同環節上加接線纜，直至出現誤碼無法輸出，加接的長度即為系統極限值。

2.2 時鐘及同步系統

系統時鐘采用GPS校時。衛星天線接收GPS衛星發出的帶標準時間信息的1 575.42 m載波信號，經變換放大后傳給授時型GPS接收機。接收機實時計算出高精度的標準時間，一路輸出給時鐘直接顯示出時間，另一路通過RS-232分配分別連接播出主機、播出備機、字幕機等。校時程序通過串口接收信號，并對本機校時，并可為其他計算機提供網絡校時，從而實現所有播出相關設備的播出時鐘與標準時鐘同步。

同步系統分為3個部分：臺內信號之間的同步、外來信號和臺內信號的同步、臺標字幕信號和主信號的鍵混疊加時的同步。

硬盤自動化播出和傳統的磁帶播出相比，臺內信號源的切換大大減少。除直播、轉播信號外，臺內節目信號全部來自播出機。設計中將播出主機和播出備機分別組成獨立的播出通道同步播出，起到安全播出的應急切換的作用。

系統中的同步發生器產生可靠的高精度黑場同步信號，為全臺提供統一的同步基準。播出的關鍵設備通過統一的黑場信號進行外同步鎖相。

外來轉播信號來自衛星接收機輸出的AV信號，經A/D及音頻加嵌轉換后輸入數字幀同步機。數字幀同步機通過外同步鎖相的方式由統一的系統同步基準鎖定。這樣外來信號經過幀同步處理后就能獲得和臺內信號的同步。在進行本臺節目和轉播節目切換的時候，播出畫面不會發生抖動。

2.3 臺標字幕鍵混

系統以鍵控方式進行臺標、字幕的疊加。臺標發生器和字幕機具有SDI填充信號輸出和SDI鍵信號輸出，以外同步方式和全臺的同步基準鎖定，行相位、副載波相位、鍵延時可調節，確保設備與鍵控配合使用時的主信號、填充信號和鍵信號完全同步。臺標發生器為全硬件處理方法，保證機器可以穩定、可靠地長時間工作，滿足電視臺的全天侯播出需要。

鍵混支持不同碼率的標清SDI串行數字信號輸入：主播出信號SDI輸入輸出、2路SDI鍵信號輸入、2路SDI填充信號輸入。臺標和字幕通過該設備一次疊加完成，減少了播出的中間環節，既可保證播出的視頻指標，又可保證播出安全。鍵混支持掉電直通功能，保證在意外掉電情況下，源信號自動保持輸出，避免信號中斷。鍵混視頻信號鎖相支持外同步信號輸入，實現場逆程切換，可以保持切換瞬間畫面盡最大可能保持完整。

2.4 網絡設計

網絡設計中選用支持VLAN技術的交換機組網。VLAN技術可隔離廣播風暴，有助于控制流量，簡化網絡管理，提高網絡的安全性。播出機房按頻道將相關聯的播出主備機、服務器劃分在一個VLAN中；非編及媒資劃分一個VLAN；新聞文稿劃分一個VLAN；播出和非編之間的通信通過三層交換SW1實現。

電視臺的播出有很高的安全要求，為達到電視播出不間斷，進行網絡的冗余設計，消除網絡中的單點故障，對安全有主要意義[3]。首先在網絡中的采用雙交換機SW2和SW3構成冗余拓撲結構，保證了當設備及鏈路故障時可以提供備份。冗余設備及鏈路所構成的橋接環路引起的問題在數據鏈路層使用生成樹協議（STP）解決。STP協議通過生成樹算法在交換機上阻斷冗余鏈路來消除橋接網絡中的環路。若當前活動路徑發生故障，則激活冗余備份鏈路，自動恢復網絡連通性。

3 總結

硬盤播出和數字播控是電視播出的兩個重要部分。當前主流的硬盤播出卡都能達到廣播級的指標。筆者認為電視播控通道的各環節對電視播出效果及播出安全有重要意義。本文提出的設計方案可以達到滿意的播出效果，并且符合廣電總局62號令《廣播電視安全播出管理規定》。電視臺播控直接傳輸TS流到數字有線電視前端，簡化了信號流程，提高了電視臺安全優質播出的能力。

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[1]GY/T 243—2010，標準清晰度電視數字視通道技術要求和測量方法[S].2010.

[2] 楊震.淺談電視播控中心同步問題的解決[J].電視字幕，2000（7）：41-42.

[3] 趙后清.淺談安全播出的基本要素[J].電視技術，2013，37（12）：80-81.

TN948

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朱穗鷹（1973—），工程師，主要從事廣播電視工程。

責任編輯：任健男

2013-08-20