校園數字電視臺的系統設計與架構

錢季平

上海政法學院，上海 201707

在現代社會信息化的進程中，影音信息以其豐富、直觀、生動的特性，在日常信息傳播中占據著重要地位，成為人們工作、學習和娛樂活動的有機組成部分。也正是出于對影音信息的日益重視，目前越來越多的機構和單位，如政府部門、大型企業、學校和社區，都有了投建內部專業數字電視臺或傳播系統的要求。尤其是各類大中院校，因為校園文化建設以及視頻會議、多媒體教學、遠程教育等活動需要，對建設中小型的數字電視臺的需求更為迫切。但實踐中，又常常面臨兩大難題：一是數字電視臺的建設環節復雜，各類應用單位普遍缺乏熟悉數字演播系統的專業人員，在系統的投入預算、設計與施工上，缺乏獨立自主的能力；二是投建單位往往經費有限，如何合理設計，以適量的投入，建成性價比高、適合工作需求的電視演播系統，困難較大。

作為產學研的一種實踐，我們和相關系統開發公司合作，負責過多項校園數字演播室以及傳播系統的設計與施工，在建設小型專業數字演播系統的實踐中積累了一些經驗。校園數字電視臺的整個系統包括節目的制作、傳輸和接收三大環節，其中關于數字演播室的設計與優化，我們已有專文論述[1]。本位就校園數字電視臺的建設中更為復雜的傳輸和接收系統的架構，提供一些可行性設計思路和實施建議。

1 設計的基本思路：基于寬帶局域網的高性價比、可拓展系統

作為數字電視臺系統設計的核心技術環節，我們將校園數字電視臺的傳輸和接收系統建立在寬帶網絡環境下，采用IPTV（Internet Protocol Television）即交互式網絡電視技術，作為實施節目傳輸和接收的技術基礎。之所以如此，主要源于以下考慮：

首先，IPTV技術經過多年發展，已日漸成熟，其強大的流媒體傳輸和交互功能完全能夠滿足校園電視臺信息傳播的各項要求。校園電視臺常見的服務功能主要包括校園電視新聞廣播、會議視頻直播、多媒體網絡教學、電視節目轉播、影視點播、校園資訊查詢等，IPTV技術既可以實現各類信息的實時直播，還可以方便地實現時移回看播出。不僅如此，IPTV技術具有強大的信息互動和查詢功能，在多媒體教學等需要互動環節的活動中，具有突出的優勢。

其次，隨著信息化水平的提高，校園網絡普遍具有較好的硬件設施，為采用IPTV技術的數字電視臺的建設提供了良好的基礎環境，這將大大節約校園電視臺基礎建設的投入。目前，各大中院校基本都建有自己的寬帶局域網，其中大部分都是100M或1000M高速寬帶網，接入點遍及校園辦公室、教室、圖書館、會議室、宿舍等重要區域。這些寬帶平時常常只是用于校內信息發布、文件交流和網上瀏覽，其資源潛力遠未利用充分。基于IPTV技術的校園數字電視臺可充分利用各校已有的帶寬資源和網絡接入點，實現視音頻信息的傳播與覆蓋。和其他數字電視傳輸技術相比，這將大大減少傳輸通道的基建和改造工作，極大地節約了建設費用，具有出色的性價比。

第三，IPTV技術擁有良好的可拓展性，便于逐步投建。建設單位可根據自身需求和資金的實際情況，采用整體規劃、核心先行、逐步拓展的方式，分批投建和完善校園電視臺的傳播功能，擴大傳播覆蓋范圍。這一特點特別契合學校作為行政撥款單位的實際情況，減輕了一次性投建所帶來的資金壓力。

第四，IPTV技術可以實現精確的內容和用戶管理，保證校園電視臺信息傳播的安全。校園電視臺主要服務對象是校內師生員工，信息傳播的范圍和內容不具有完全開放性，因此收視用戶的管理和控制是必須的。基于IPTV技術的校園數字電視臺通過對收視用戶進行分層、分級、分區域管理，能方便地對節目內容的收視進行加密和權限管理，實現對傳播內容和傳播對象的有效控制，確保信息傳播的安全[2]。

另外，IPTV是基于計算機互聯網技術的，在系統日常維護上，各校也都具有相應的技術人手和維護經驗，這對系統的正常運作也是一種有利條件。

2 系統的基本構架

基于IPTV的校園數字電視臺是對已有的寬帶局域網功能的一種附加和拓展，其系統構架類似網站的建設。如圖1所示，其基本組成包括節目信源、節目編碼、節目服務器、內容編排、用戶收視和用戶管理幾個主要環節[3]。校園電視臺的節目信源主要來自校內自制新聞和專題節目、重要活動直播、影視資料庫、多媒體課程錄像或直播、中央和地方電視臺新聞和文體頻道轉播等。目前各類學校基本都建有自己的多媒體課程制作教室或小型電視演播中心，自制新聞和教學類電視節目有一定的基礎。同時，豐富的有線電視頻道和影視作品，也可以為校園數字電視臺提供多樣的信息資源。IPTV的編碼技術可以很好地兼容和處理各類影音信息，便捷地轉換成適合網絡傳播的數字電視格式，為各類電視欄目增添源源不斷的節目內容。

直播編碼器功能是將各路節目信源即時壓縮成流媒體格式，上傳至服務器。目前主流的高清編碼器采用先進的H.264或MPEG4視頻壓縮算法，最高分辨率可達1920×1080P，可實現高清視頻流媒體文件的生成處理。有線/衛星接收編碼機則帶有信號接收功能，主要用于電視頻道信號的重新編碼。單臺機器一般能同時對7～8個頻道進行信號接收和編碼，可視需要轉播的電視頻道的數量進行增配。

視頻服務器是IPTV的核心設備，一般分為點播服務器和時移服務器。點播服務器主要用于接收、存儲編碼器生成大量影音節目，響應用戶點播。如經典影視作品、重要專題新聞、網絡多媒體課程等節目內容，可以長期存放在點播服務器上，供用戶隨時點播收視。而時移服務器則主要用于電視頻道的即時轉播以及電視會議的直播，其特點在于可以提供延時和回看功能。規模小的學校可以將兩者合二為一，但如果內容和用戶較多，建議分設服務器。這樣可以分擔并發流量，保證節目網絡傳輸的流暢。

Web/DB服務器則負責向用戶提供電子節目指南，響應用戶請求，負責系統的運行、管理和控制等工作。作為校園電視臺，各種靜態資訊數據以及后臺管理系統都可集中在這一服務器上。

機頂盒的主要功能是接入網絡，訪問節目菜單，接收數字信號，解碼并輸出給終端電視機，實現視音頻節目的最終收看。這一功能也可以通過仿真軟件加以實現，這樣就可以通過計算機直接解碼和觀看節目，特別適合學校辦公室和宿舍區的用戶。

除硬件外，數字電視臺還包括各種后臺管理系統，如節目管理、節目導航和用戶管理。

內容管理系統主要用于設定播出頻道和欄目，分級審核和發布節目內容，編排節目，管理節目分類及存儲，監控節目播出情況等。

圖1 校園數字電視臺系統的基本構成

電子節目導航系統(EPG,Electronic Program Guide)是節目與用戶的交互界面，用于展示節目內容，供用戶選擇。系統可以根據內容發布管理系統的設定，為用戶直觀地展示直播頻道和點播節目信息，方便用戶快捷地查找所需的直播頻道和點播節目，同時將用戶的選擇需求傳回服務器。界面的美觀、友好是導航系統設計的基本要求。

用戶認證管理系統主要功能在于分配用戶收視等級與權限，核實用戶身份與密碼，以及用戶收視數據統計等。

上述系統各相關廠家都有比較成熟的產品。相比電信級的廣播服務，校園電視臺的后臺管理要簡單很多，各種后臺管理系統只需在通用版本的基礎上，作一些簡單移植和相應的設置，就足以滿足日常管理的各種功能要求。

總體上看，基于IPTV技術構架的校園數字電視臺具有良好的兼容性。節目信源上，它可以和學校已有的節目資源無縫銜接；傳輸通道上，它可以嵌入現有的校園局域網；接收端上，它同樣兼容各種視聽設備，如電視機、投影儀、計算機，并可實現平板電腦和智能手機的移動收視。其經濟、高效的特點，十分顯著。

3 系統拓展

校園數字電視臺系統建設的規模和規格，是以用戶群的大小和服務內容的多少作為標準的。根據我們的實際統計，一個2000人左右規模的中小學校，校園電視臺的并發用戶峰值一般不超過200；同時，節目內容也不復雜，對系統的響應和傳輸的壓力不大，按上述基本構架搭建的數字電視臺足以較好地應對實際的收視需求。

相比較而言，對眾多高等院校而言，校園數字電視臺的用戶群和信息量的指標要高幾個等級。一個萬人左右的大學，并發接入峰值則可達2000以上，并有大量的高清節目收視需求。這就需要對校園電視臺系統的存儲、響應和傳輸等環節進行功能拓展和強化。IPTV中的CDN技術在這方面表現出良好的適應性。

CDN（Content Delivery Network）即內容分發網絡技術，其基本方法是在信息傳播節點上設置緩存服務器（邊緣服務器），作為中心流媒體服務器的鏡像。系統根據網絡流量和各節點的連接、負載狀況以及到用戶的距離和響應時間等綜合信息，將用戶的請求導向離用戶最近的服務器上，讓用戶就近取得所需內容，提高系統的響應速度和信息的傳播速度[4]。

按這一設計思路，對于規模較大的學校，校園電視臺可根據學校的規模和布局，在接入點較集中的節點，設置邊緣服務器，作為中心服務器的鏡像，響應區域內用戶的收視請求，以分擔系統服務的壓力，實現節目傳輸的快捷和流暢。

如圖2所示，一個并發峰值在2000左右的學校，可通過在辦公區、教學/公共區和宿舍生活區設置3～4臺邊緣服務器，基本可滿足全校用戶的收視需求。其中學生的宿舍生活區接入點最多，如視峰值情況，分區增設2～3臺邊緣服務器，則即使在收視高峰期，也可以保證用戶有著良好的收視體驗。

除此之外，為適應大量高清節目的存儲和播出，可增加中心服務器數量，將不同的影音文件分類存儲，這不僅能提升存儲空間，最重要的是可以大大加快系統的響應速度。其他環節，如服務器性能的提升、交換機指標的提高、傳輸策略的優化，都對校園電視臺整體傳播能力的提高有著顯著作用。

與此同時，隨著智能手機和移動電腦的普及，校園數字電視臺還可以通過無線傳輸技術，實現電視節目內容的移動收視。學校可以在公共場所，如圖書館、體育館、會議中心、學生活動中心、食堂等公共區域設置WIFI接入點，為智能手機、平板電腦、筆記本電腦的用戶提供實時觀看或下載服務，以實現校園電視臺信號的全面覆蓋，提高傳播功效。

4 設備選型和預算

校園電視臺的建設是個系統工程，其建構涉及環節較多，運行的穩定性和安全性要求較高，需要有足夠的資金予以支持。但在實際建設中，各類學校往往面臨著資金緊張的困境。因此，除了在系統設計上合理構架外，設備的選型也需要緊扣實際需求，精打細算，力求以有限投入，達到較高的性能和效用。

在校園電視臺整個系統中，視頻服務器是主要設備，其性能和數量將直接決定著系統傳輸效率的高低和系統運行的穩定，是資金投入的重點。隨著電子技術的進步，各廠家都推出了價格適中、性能優良的各類服務器。我們建議，盡管目前高性能的PC級服務器性價比較高，但從系統穩定的角度考慮，還是選擇品牌廠家的企業級服務器為好。中心服務器采用單或雙主流CPU、內存4G以上、配千兆網卡、價格2～3萬元左右的機型比較合適。

圖2 校園數字電視臺系統的拓展：CDN邊緣服務器設置

交換機是信息傳輸的交叉點，也是系統中使用最多的設備。其中，核心交換機需是全千兆網口的三層交換機；終端接入交換機則可采用支持組播的百兆交換機，而中間的傳輸節點上，也應采用千兆交換機，確保信息傳輸的流暢無阻。

編碼器應采用具有多路編碼功能的機型，如8路直播編碼器，支持HDMI數字視音頻輸入，支持多路輸入，支持高清720P、1080I、1080P視頻格式。其中帶編碼功能的有線/衛星接收機能同時接收和編碼7～8個頻道內容，如果需要在校園電視臺中轉播更多的電視節目，則需要相應增加接收機的數量。一般應配置3～4臺直播編碼器、接收機，以適應較多的節目信號處理。

機頂盒應具有高清解碼功能,解碼標準H.264、MPEG4,最高分辨率可達1920×1080P，具有HDMI、S-Video等多路輸出、10M/100M以太網接口。

另外，技術運用合理，功能完備、界面友好的后臺管理系統也是校園電視臺高效運行的重要保證。建設中，應選用經驗豐富、技術成熟、用戶較多、有良好售后服務、口碑較好的系統開發商的軟件產品。

綜合考慮各種建設和開發費用，我們認為，除了節目演播和制作系統之外，一個小型的校園電視臺的建設，投入資金可控制在15萬以內；而一個大型的校園電視臺的建設，60萬左右的建設資金是比較合理的預算。

和電視演播系統一樣，校園數字電視臺的傳播和接收系統的設計和建設同樣是一項綜合的復雜系統工程。要達到功能全面、投入經濟、運行安全高效的效果，其中科學的設計、合理的配置和周全的安排，是成功的關鍵。應該說，技術的進步和設備的普及，為校園數字電視臺的建設提供了現實的可能，也提供了多種可選擇設計思路。經過合理的設計和優化，是能夠運用先進的信息傳播技術，以有限的投入，打造出一個經濟而高效的校園電視傳播平臺，并在學校教育和校園文化建設上，發揮重要作用。

[1]錢季平.多功能數字演播系統的設計和優化[J].科技傳播，2010，(16)

[2]黃孝建.IPTV關鍵技術詳解［M］.北京：北京郵電大學出版社, 2009

[3]曾愛華，劉捷，冼進.IPTV系統架構及主要技術[J].通信技術，2010，43(3)

[4]付鵬，周華春，陳旭東.CDN技術在IPTV系統中的應用[J].中國有線電視，2004(7)