重慶高清電視監測系統技術特點分析

冉 軍，王 駱

（重慶廣播電視監測臺，重慶 401147）

重慶高清電視監測系統技術特點分析

冉 軍，王 駱

（重慶廣播電視監測臺，重慶 401147）

根據多年的業內工作經驗，重點從方便使用和維修的角度，在系統設計時采用TS over IP技術，實現多媒體的融合監管，針對高清轉碼后錄像存儲設計了磁盤預分配結合分時按區塊存儲的方案，降低磁盤讀寫頻率并有效解決了磁盤碎片問題，增加磁盤使用壽命；采用標準的H.264/AAC編碼，TS流封裝，解決了Windows下直接播放的問題，板卡設計了“零配置”更換。通過一年多部署運行，該系統解決了困擾重慶廣播電視監測臺多年的技術難題。

高清；嵌入式結構；VLC；板卡零配置更換

1 系統總體解決方案

1.1 需求分析

重慶廣電集團（總臺）重慶衛視頻道高清信號播出后，為確保重慶衛視高清信號安全播出，重慶廣電監測臺將建立一套信號監測系統，對該信號的播出質量和效果進行監測，對節目內容進行監聽監看。系統建設的一期工程主要是對重慶衛視1路播控高清信號HD-ASI、1路市有線電視總前端高清信號（H.264編碼）和1路高清衛星信號（AVS+編碼）進行監測。其中播控和衛星信號錄像存儲7天，有線信號錄像存儲1個月。

根據以上需求，解決方案如下：

衛星高清信號、播控高清HD-ASI信號及有線高清信號分別通過BHQP41多通道DVB-S/S2衛星數字電視監測卡、BHA31多通道ASI碼流監測打包卡及BHQA68多通道DVB-C有線數字電視監測解擾卡完成所需功能。

重慶廣電監測臺中心機房分別采用Trini?tyAres-Server廣播電視集中監管平臺服務器、Trini?tyAres-Display多畫面監測報警系統完成系統的統一管理與前端節目的多畫面顯示。

1.2 系統設計目標

面對信號監測的實時性、準確性、安全性、可靠性等要求，監測系統的建設遵循以下原則：

1）穩定性、可靠性

整個系統能夠長期穩定運行，保證解調、解擾、解碼正常穩定，視音頻清晰。

2）擴展性

系統利用整體IP架構，對于廣電業內的數字信號、模擬信號以及全部中波、調頻等廣播信號全面支持，利用信號轉碼功能實現模塊化操作。系統以開放式協議監測，能夠實現與其他軟件與實用設備的良好對接。

系統具有分布式和業務抽象理念，做到業務展現和數據處理分離，能夠平滑地實現多種監測前端擴容。

3）標準化、個性化

系統在完全遵循總局協議的基礎上，進行協議層面的完善，使得業務處理更加精細[1-3]。具有良好的開放性，能夠與多種協議互聯。

4）安全性

系統具有完善的、安全的、模塊化的訪問機制，能有效控制不同權限人員的操作范圍。系統具有認證機制，能有效控制非合法監測前端的接入[4-5]。

5）易用性

系統具有良好的易用性，面向不同部門職能的用戶提供對應的一體化頁面，能夠在不切換頁面的前提下，完成日常工作。系統對業務操作程序進行一定簡化，以引導方式完成目標輸出，這種方式有效避免了多重配置以及重復輸入的弊端。

6）易監護

系統可以對維護信息進行整合，檢測設施能夠做到自動診斷自動糾錯，能夠及時對不良運行環境進行預警，有利于工作人員進行問題定位。

系統提供零配置更換故障模塊，保證系統正常運行，避免維護人員重復工作。系統支持批量升級前端軟硬件，作為分布式前端，減少維護人員的工作，同時能夠有效避免誤升級、漏升級，為系統功能擴展提供便利條件。

1.3 系統拓撲圖

信號監測系統拓撲圖如圖1所示。

圖1 信號監測系統拓撲圖

1.4 系統組成詳述

1.4.1 重慶監測臺中心平臺系統

1）廣播電視集中監管平臺

中心機房配置1臺TrinityAres-Server廣播電視集中監管平臺服務器，實現對1市和33區縣分前端監測信息進行系統整體監控；B/S構架具有一定優勢，能夠實現系統的分布化管理與網絡化評測，整合了實時動態監測、業務分配、數據搜索等多元化功能。

錄像存儲在中心平臺服務器，有線高清存儲1個月，播控和衛星高清信號存儲7天。按4 Mbit/s碼率進行存儲，所需存儲空間為T=4 Mbit/s×3 600 s× 24 h×30 d÷1 024÷1 024÷8+2×4 Mbit/s×3 600 s×24 h× 7 d÷1 024÷1 024÷8=1.24 Tbyte+0.58 Tbyte=1.82 Tbyte。

2）中心多畫面顯示系統

配置1套TrinityAres-Display多畫面監測報警系統，以畫面組合的方式集中展示1個總前端（1路播控、1路衛星和1路有線）和預留33區縣前端回傳的共36套高清電視節目視音頻畫面。可實現重點節目在各個前端轉播情況的比對監看，采用1塊大屏進行集中顯示，同時預留1塊大屏的顯示能力。

1.4.2 總前端系統

1）衛星高清信號監測

配置1塊BHQP41多通道DVB-S/S2衛星數字電視監測卡，實現1路高清衛星信號傳輸、信道監測、參數分析、碼流輸出等功能。

2）播控高清HD-ASI信號監測

配置1塊BHA31多通道ASI碼流監測打包卡，實現1路高清播控HD信號的TS流監測。只需1塊板卡，就能夠實現2組8路ASI信號的傳輸、碼流分析以及TS over IP輸出功能。板卡對已經輸入的TS流進行R101 290三級錯誤預警；并將輸入的8路TS流打包，在1個千兆網口輸出。

3）有線高清信號監測

配置1塊BHQA68多通道DVB-C有線數字電視監測解擾卡，實現1路有線高清數據的解碼、排干擾、信號強度監測、碼流預警以及TSover IP整合輸出功能。

2 系統優勢特點

2.1 廣播電視集中監管中心系統的優勢和特點

1）先進的系統構架

后臺數據的收集、整理，軟件功能的實現均采用C/ S架構，運行穩定，同時獨立性較強，效率較高。

終端業務展示利用C/S架構具有較高操作性，能夠靈活面向不同用戶展開服務。

2）規范化和創新化

本系統利用開放式協議模式，對總局協議進行優化整合，第三方前端可以無縫接入。

在總局協議基礎上拓展個性化業務，實現更精細的操作，如針對具體頻道的轉碼碼率設置、報警開關、報警門限設置、擴充頻道丟失、頻道變更報警協議等。

3）模塊化、層次化

（1）監管系統以框架形式存在，具有多層運行體系以及開放式結構，在不同的業務需求下，進行定向模塊掛載，使權限設置與監控更加嚴密，依照需求進行模塊選擇，有利于業務的便利開展。

（2）將業務展現和數據處理分離，監管系統完全兼容模擬電視監測前端，并且在擴充對IPTV、手機電視等新媒體監測前端的接入時，也能夠平滑實現。

（3）當監測前端數量擴容的時候，無需修改軟件即可接入。

（4）各個功能模塊具有相對獨立性，能夠以服務器運行需求進行靈活配置，達到負載均衡的目的，為未來的系統拓展奠定了基礎。

4）低風險性和高穩定性

（1）基于Microsoft.Net Framework3.5框架進行功能開發，能夠實現高效安全保障，例如信號加密、身份驗證等。

（2）系統通過Web進行認證，避免了風險登錄情況發生，從而使平臺安全性得到保障，實現了全天候的穩定信號傳輸。

（3）同一用戶相同IP地址多次嘗試登錄失敗，自動鎖定賬號，保護用戶密碼安全。

（4）提供監管系統、數據庫的備份策略。

（5）系統建立了完備的錯誤探查、跟蹤系統，如果平臺信號出現異常，系統能夠實際進行排查，并迅速解決問題。

5）業務流程化

系統提供良好的權限機制，能夠針對不同部門設置不同的前端和功能權限。系統提供獨特的值班頁面，包括面向值班人員的值班管理頁面、面向監聽監看人員的錄像比對頁面等。

2.2 關鍵技術

2.2.1 基于TSover IP多媒體融合監管

傳統廣播電視信號監測各個系統獨立，無法統一值班管理、系統運維、統計報表輸出以及不同信號的比對監聽監看，因此采用基于TS over IP的多媒體融合監管架構如圖2所示。

圖2 基于TS over IP的多媒體融合監管架構

采集測量層板卡實現不同信號統一接入，采集數據輸出進行數據分析、內容收錄、下載，通過控制層實現視音頻信息、報警信息匯聚到統一的監管平臺，進行業務存儲，最終由業務管理層進行管理，實現統一的視音頻信號監測管理和運維管理調度。

1）采接測量層數字電視解調、解擾、監測和TS over IP

監測解擾卡對信號進行解調，對加密節目進行解密，進行信道層面、碼流層面的監測，并把監測結果通過IP網絡輸出，同時監測終端把TS碼流按照IP的格式打包成TS over IP，組播到IP網絡中，供后一級處理，流程如圖3所示。

具體細分為FPGA模塊、抗干擾模塊、嵌入數據分析器、同頻次動態存儲器、模塊、端口接入等。

圖3 監測解擾卡的信號流程

（1）FPGA模塊：該模塊能夠對并行碼流執行換成打包操作，同時將數據傳輸與嵌入到數據分析器。

（2）抗干擾模塊：該模塊由CIMAX和CA卡組成，將加密碼流進行輸出，并增強其抗干擾功能，之后并入FPGA模塊，如果輸入信號沒有進行加密，那么輸出數據將不做修改，CIMAX與DSP之間進行解碼操作，CA大卡則對小卡信息進行讀取并獲得授權。

（3）嵌入數據分析器：該分析器的代碼來源于閃存模塊，并將信號置入存儲器中進行處理，在信息初始化中，通過閃存信息的配置，對FPGA相應模塊做出處理，其中包括網絡地址的分配、組播地址分配、MAC地址、系統運行模式等，這些程序完成后，分析器對碼流數據進行提取，將其從緩存模式轉變為隨機存儲模式，并對該數據信號進行分析。

（4）同頻次動態存儲器：該存儲器主要用于系統數據的緩存功能，整合系統運行參數，該模塊主要提供處理器運行的數據存儲空間，FPGA模塊的數據在達到一定積累量后，就會將數據進行轉移，在該模塊進行后期處理，同時處理器針對碼流進行的數據分析也在這一空間存儲，最終實現網絡端口發送。

（5）閃存模塊：該模塊能夠存儲系統內核、數據庫代碼以及碼流分析等相關信息，碼流檢測運行后，該模塊會提供處理器所需代碼，并將其置于SDRAM中進行計算，并將配置信息與參數進行配對，處理器將從端口接入獲得配置信息，同時該信息將會存儲在閃存模塊。

（6）端口接入：端口接入被劃分為4個通道，分別為組播數據分析、TS流、網絡地址、配置通道。其中TS流能夠提取處理器的碼流數據，并進行網絡配置。組播數據分析則能夠將碼流檢測數據、PSI/SI表格信息、信息通道數據等進行整合和網絡傳輸。網絡地址通道主要針對設備的工作動態、地址分配以及板卡分類等進行配置，并將其納入網絡組播。配置通道主要接收客戶端信息，并將這些數據進行整理后轉移到處理器進行數據處理。模塊關系圖如圖4所示。

有線數字電視接收器采用NXP（恩智普）公司的專業調諧解調器（TDA18252+TDA10024）完成，器件在接收處理有線射頻信號過程中，提供大量的信號狀態指標。具體檢測指標包括射頻信號鎖定狀態、信號電平、調制誤差比（MER）、誤碼率（BER）、誤差向量幅度（EVM）、載噪比（C/N）、比特信噪比（Eb/N0）、信號質量、頻率偏移、符號率偏移等。采用符合DVB標準的CAM大卡解擾技術，解決了數字電視加密流視音頻監測的問題。

圖4 模塊關系圖

2）平臺層設計

平臺層由內容轉碼運行維護、監聽監看、業務管理、業務支撐、控制層、內容收錄/下載、數據分析這6個模塊構成，模塊之間相互獨立，接口通過HTTP協議、TSover IP方式、Web API進行數據傳送。

（1）內容處理層面包含兩個角度，一是內容落盤存儲，二是數據分析。內容落盤存儲涉及轉碼、收錄和下載處理；數據分析涉及EPG分析、網頁分析、視頻異態分析、音頻異態分析和特征內容分析（包括錯播監測、廣告監測、新聞監測等）。

（2）業務控制主要完成配置、調度、匯聚功能，例如收錄、下載任務調度、視音頻傳輸路徑調度、報警信息匯聚上報等。

（3）業務匯聚是指對各類業務的聚合，包含業務操作的聚合和業務數據的聚合。業務操作的聚合通過后臺Web服務來實現；業務數據的聚合通過多實例數據庫來實現。

（4）業務管理是指業務的表層，包含各類鏈路資源的管理，各類視音頻內容的管理，各類電視信號質量、指標、合規性、完整性等方面的監管，統一的檢索查詢、統計報表，對各類異態報警的回看復核，以及指揮調度管理等。

（5）報警與指揮層面主要完成信息的延伸傳遞。一方面，平臺通過多畫面、全景報警的方式，利用大屏幕、音響系統、短信等方式將播出故障信息傳遞給值班人員和決策人員；另一方面，決策人員利用指揮調度平臺的視頻會議系統來開展播出安全問題的告知、研討、指導與指揮工作。

2.2.2 磁盤預分配/分時按區塊存儲

傳統電視視音頻錄像數據的轉碼存儲，其存儲特點就是數據量大，存儲節目比較多，存儲周期一般在一周或者一個月。采用傳統的文件存儲方式，需要每天進行文件刪除操作，長期下來會產生大量的磁盤碎片，導致存儲訪問速度急劇下降，同時縮短存儲的壽命。

針對該問題，設計了磁盤預分配/分時按區塊存儲的方案。具體方案如下：

1）磁盤預分配就是按照每個節目的存儲要求在存儲上預先分配好連續的存儲空間，并預先建立時間兩級索引文件。錄像時系統存儲的音箱數據進行分類，以實踐排序或者文件大小進行排序，進行磁盤寫入，同時將索引文件進行預制，然后，將該文件依照既定順序進行輸入，這種方式能夠實現磁盤的低頻次寫入，延長其使用壽命，通過索引數據，能夠實現相關文件的高效搜索。

2）分時按區塊存儲，對文件系統操作并行寫數據會導致文件系統操作硬盤扇區跳躍，導致了寫入效率低下，采用并發節目分時控制策略可以有效降低由于并發導致數據寫盤的速率降低。按區塊提交的方法是解決小數據的頻繁提交導致性能降低以及大數據提交導致的數據延遲矛盾。

以上方案經過測試，磁盤存儲效率相對以往提高30%以上，磁盤存儲壽命提升，系統從試運行到現在，無任何硬盤更換，原來項目中基本每半年需要硬盤更換，錄像支持實時訪問，最小錄像查看延遲5 s內。

2.2.3 易管理、易維護設計

為了提高系統可維護性，在以下5個方面做了設計改進：

1）系統采用統一的嵌入式架構，為今后一站式升級、維護與管理創造了條件。

2）嵌入式設備能夠支持SNMP協議，使系統運行更穩定，故障排除更及時。

3）嵌入式設備支持SNMP協議方便故障和運行狀態的維護。

4）全IP輸入輸出方便實際接入碼流定位問題環節。

5）系統支持遠程批量升級，方便維護軟硬件版本。

6）板卡零成本更換，在板卡設計中，需采用獨立模塊，在板卡進行更換時，模塊將予以保留，以此實現零配置更換，使系統維護更便捷，維護成本有效下降。

2.3 監測前端系統優勢的特點

2.3.1 支持高清節目的顯示監測

1）完全基于IP構建

本系統完全基于IP構建，便于信號的統一調度，也能夠對信號傳輸范圍的增加進行動態跟進，使系統施工更為便捷，維護成本有效降低。同時該技術支持UDP，HTTP，RTMP，RTP等傳輸模式，支持TS，FLV等類型封裝格式。

2）高清、標清信號解碼

支持MPEG-2，MPEG-4，AVS，H.264等格式的高清、標清信號解碼；支持MP3，AAC，DRA的音頻數據解碼。不同系統能夠實現多路高清節目，并且MPEG-2支持5.1聲道伴音進行信號解碼、數據監測、音柱分色顯示等。立體聲信號則以左右雙聲道模式獨立監聽，并支持立體電視頻道的監看、監測與錄像。

3）標準H.264實時轉碼

視頻信號TS流主要以MPEG-2格式實現數據壓縮，以此保證用戶終端獲得畫質較高的圖像。但是由于寬帶資源限制，MPEG-2壓縮后，比特率值相應增加，所以不適合進行后續處理，H.264能夠以更低的比特率提供相同質量的視頻信號，因此將MPEG-2格式轉碼成H.264格式。

采用專業編碼算法輸出標準的H.264碼流，在客戶端可以通過Windows Media Player或者VLC等通用流媒體播放器直接播放，方便使用。

4）準確的視音頻數據追蹤

支持靜態畫幅、黑場、視頻索引、解碼錯誤、彩場、臺標錯置等一般故障的監理，同時能夠對音頻進行有效監控，例如音頻不同步、音量高低失調等。如果視頻出現故障，系統能夠以幀為單位進行檢測，對其進行區域界定。如果音頻出現異常，系統能夠準確分辨伴音以及雜音，分別對雙側聲道以及立體聲進行監測。

2.3.2 廣播電視信號統一監測平臺

該平臺采用嵌入式設備構架，能夠實現不同類型的影音數據板卡與監測機箱進行鏈接，設置有統一數據監控平臺，使全部數據實現網絡內運行，增加操作的靈活性和可塑性，有利于未來廣播電視數據技術的進一步拓展，便于實施更為簡捷的維護。

通過監測信號的網絡數據打包，從而實現網絡組播，使網絡數據傳輸更為精準迅速。各種源代碼數據打包后，均能夠進行網絡數據封裝。傳輸流技術的利用，可以將既有數據進行整合打包，加上UDP等協議進行相應封裝，使拘束傳播更為規范，從而實現高質量的網絡組播。TS流通過IP組播后，應用性更加靈活，可以不受區域和時間限制，進行節目的錄制和監理，操作極為便捷。一般多數據流對于帶寬質量有要求，所以千兆以太網已成為該平臺運行基礎。

2.3.3 嵌入式系統構架

該設計具有高度集成特點，靈活性明顯，機箱構架簡約，具有良好的布局模式。機箱以4塊不同功能模塊為滿配，模塊裝載以后運行，熱插拔功能良好，模塊之間均配置獨立接口，配備電源備份。該設計有利于系統的維護、運行以及升級需要，而且還保證了不同類型模塊與機箱的兼容性。

3 總結

該系統的核心監測設計均采用FPGA+DSP構架，該設計能夠保證系統運行的穩定性，并能夠提升數據處理性能，使硬件優勢更為明顯。

該系統于2013年12月安裝調試完成后投入使用，各項性能指標都達到了設計要求。

[1] GY/T 170—2001，有線數字電視廣播信道編碼與調制規范[S].2001.

[2] GY/T 221—2006，有線數字電視系統技術要求和測量方法[S].2006.

[3]GY/T 230—2008，數字電視廣播業務信息規范[S].2008.

[4]GB/T 17975.1—2000，信息技術運動圖像及其伴音信號的通用編碼第1部分系統[S].2000.

[5]GB/T 17975.2—2000，信息技術運動圖像及其伴音信號的通用編碼第2部分視頻[S].2000.

TN948

B

??健男

2014-03-26

【本文獻信息】冉軍，王駱.重慶高清電視監測系統技術特點分析[J].電視技術，2014，38（16）.