安徽衛星地球站基于IP的監測系統設計與應用

顧姚昊

（安徽衛星地球站，安徽 合肥 230022）

1 項目背景

安徽衛星地球站于2013年完成安徽高清衛視本地上星系統建設并投入使用。自此，安徽衛星地球站在承擔現有標清上星播出任務的同時又增加了高清上星播出任務，安全播出任務更重，壓力也更大。一直以來，安徽衛星地球站監測系統采用的是傳統方式監測，即每個環節監測點視頻通過多畫面分割器上電視墻監看，音頻通過矩陣選擇監聽，同時通過硬盤錄像機對各監測點實時錄制存儲。但是，該方式由于設備多，監測功能單一，無智能告警等缺陷，不能很好地幫助值班人員迅速發現問題判斷故障，特別是高標清頻道同播本地上星后，現有的監測系統已不能滿足安全播出的需要，因此，安徽衛星地球站根據實際需求，結合新技術新趨勢，設計了基于IP的監測系統并實施應用。

2 系統介紹

2.1 設計原則

1）標準化

監測平臺技術系統應的設計符合中華人民共和國國標及廣電總局制定的相關行業標準，符合相關國際標準。

2）可擴展

監測平臺技術系統應具有極強的可擴展性，應能實現應用功能和監測站點的隨時擴充，保證將來各種新業務的開展。

3）可升級

監測平臺技術系統應能夠實現可預見的平滑升級，確保在系統不做大的變更前提下，平滑升級到更高的層次。

4）開放性

監測平臺技術系統應采用開放式設計，保證各大廠商設備、系統的良好集成性能，確保與省級有關平臺的無縫對接。

5）安全可靠

監測平臺技術系統每年可靠運行時間達到99.99%以上，保證系統運營安全。

6）可管理

監測平臺技術系統應具備健全的網管功能，可對網絡、設備、進行實時全面的監測和控制。

7）先進性

監測平臺技術系統應采用符合國際國內標準的、成熟的技術，系統中任何一臺設備死機都不能影響到系統的正常操作和使用，做到真正的保護投資和使用單位資源。

8）實用性

監測平臺技術系統的技術設計、設備選型應符合當地實際情況，充分考慮行業監管工作的需要和發展。

9）可維護性

監測平臺技術系統軟、硬件應具有良好的可維護性，對系統中主要設備提供性能監測、記錄、告警、維護等手段。

2.2 系統特點

1）監測設備采用無中心的真正的嵌入式設計，每路板卡均帶有嵌入式CPU，可獨立工作。設備中的任何一路監測卡都不影響其他路板卡的工作。

2）監測設備采用熱插拔設計，可隨時在線更換。

3）系統和嵌入式監測設備均基于LINUX系統構架，可靠性高，天然的防病毒機制，對系統的安全性有了極大的提高。客戶端的操作可以使用Windows系統，保證用戶使用的快捷和方便。

4）系統全面支持DVB-C/DVB-S/DVB-S2/ABS-S/CTTB/CMMB/DTMB等各種數字電視傳輸形態，為將來的擴容和平臺支持提供完全的保障。

5）系統架構采用CS和BS的融合軟件架構，采用CS進行報警控制、多畫面展現，采用BS系統進行監測展現和配置。

2.3 系統介紹

系統拓撲圖如圖1所示，發射天線將信號發送到前端，由天線接收并調制后傳輸到監測網，經過衛星接收板卡、調頻接收板卡和開路模擬電視采集監測板卡分析后，將數據傳輸到網絡上，前端服務器采集并分析這些數據，實現錄制和報警分析等應用層功能。監測前端設備信息通過網絡傳送到中心端，再由中心端進行數據采集與分析，同時能夠監看前端設備的運行狀態及信號內容，對前端設備進行遠程設置等操作，完成對調制信號信道層指標的實時監測和報警，包括誤碼率、信道功率、載噪比等，完成傳輸流TS層各指標的實時監測，完成視音頻各指標的監測和報警等。

圖1 系統拓撲圖

2.4 系統設備組成

2.4.1 TS流監測模塊

TS流監測模塊是對數字電視傳輸碼流（TS）進行實時監測的嵌入式網絡模塊。該模塊提供碼流結構分析、PSI/SI表格分析、碼率分析、PCR分析、TR101290三層報警、線路監測（LNB）等多種功能。用戶可以通過網絡方便得獲取分析報警結果并進行相關配置[1]。該模塊支持TS over IP功能。該模塊適用于碼流信號監看、記錄、傳輸等應用場合。

2.4.2 RF監測模塊

RF監測模塊是對數字電視DVB-S2信號進行實時監測的嵌入式網絡模塊。該模塊提供DVB-S2高頻分析、碼流結構分析、PSI/SI表格分析、碼率分析、PCR分析、DVB-S2高頻報警、TR101290三層報警、入侵報警等多種功能。用戶可以通過網絡方便地獲取分析報警結果并進行相關配置[2]。

2.4.3 解擾模塊

解擾模塊提供數字電視解擾功能的模塊。該模塊使用符合ISO 7816的Smart Card，可以將加擾的TS流中選擇若干套節目進行解擾，同時不會丟失任何監測需要的數據。可以配合數字電視監測模塊用于對加擾數字電視信號中的多套圖像進行同時監看。

2.4.4 信號監測模塊

信號監測模塊是具有強大網絡和分析功能的模塊。不僅可以對輸入信號進行模數和數模轉換，同時還可以對輸入信號進行實時監測。該模塊擁有強大的音頻參數分析、音頻報警、實時編解碼和網絡廣播的功能，支持全雙工的工作模式。適用于各種音頻監測、音頻傳輸、音頻記錄和網上廣播等應用場合。安徽衛星地球站僅使用其網絡播放功能。

2.4.5 SDI信號監測模塊

SDI信號監測模塊是針對SDI信號進行實時監測的嵌入式網絡模塊。該模塊提供SDI信號分析、圖像層報警、音頻層報警等多種功能。用戶可以通過網絡方便得獲取分析報警結果并進行相關配置。

2.4.6 嵌入式工業機箱

采用高集成度、高自動化的監測硬件平臺，可支持4槽位，最大支持32路信號數據采集及分析，監測設備采用無中心的真正的嵌入式設計，每路板卡均帶有嵌入式CPU，可獨立工作。對各種格式信號進行實時監測，實時傳送監測結果到數據庫服務器并在Web Server上顯示。

機箱采用支持熱插拔的1+1冗余交直流供電，有效提高設備的供電可靠性和熱穩定性。

2.4.7 視頻多畫面服務器

多畫面服務器是一臺集多畫面顯示及節目內容監測功能于一體的高性能服務器。服務器采用Linux系統平臺，性能安全穩定；提供多種顯示模板，為不同應用需求設計最佳顯示效果；支持各種圖像監測和音頻監測功能，且監測參數可調，以達到無漏報和誤報現象；采用網絡通信與控制的方式，操作方便。

如圖2所示，整個的系統架構簡單、清晰，原理過程為信號數據采集→TS over IP→網絡傳輸→應用層軟件→軟件展示。由全信號接入嵌入式模塊化采集設備，實現TS over IP[3]，將IP數據傳輸到網絡，供Web服務器、數據庫服務器和IP碼流多畫面服務器使用，所有的設備以網絡為中心，IP數據包為基礎，最終服務于應用層軟件并展示。

圖2 多畫面顯示系統示意圖

2.4.8 安播報警錄制服務器

采用B/S結構進行開發設計，服務器端采用JAVA技術，客戶端采用瀏覽器，不需要安裝任何插件。用戶可以采用常用IE的瀏覽器進行訪問，系統具有安全型，可操作性，友好性。對所有監測的節目IP碼流信號做故障觸發收錄，當觸發時，自動開始自定義好的收錄任務（可收錄故障前后及中間時間段的碼流，方便事后查看），存儲約1周。可獲取監測模塊的實時報警信息，如碼流高頻層、碼流三層等報警和碼流層分析；可獲取多畫面模塊內容層報警；可同時控制多畫面模塊，如多畫面布局、多畫面門限、多畫面報警門限等；可獲取查看報警觸發錄制內容，同時可對錄制模塊就行配置。可查詢歷史故障記錄，支持多條件組合查詢，可以根據故障記錄查看、回傳故障錄像，查看實時視頻，故障處理。

2.5 系統關鍵技術

2.5.1 基于硬件的報警過濾機制

1）針對信號的傳承法則報警過濾機制；

2）與設備網管相結合的信號優先法則報警過濾機制；

3）根據信號的報警等級，觸發相應的應急動作；

4）針對TS流的，系統自適應報警過濾機制。

2.5.2 網絡安全方面

使總控的核心功能完全依賴于硬件，而不是基于PC。將所有對外服務器全部改為Linux系統。所有對外網的服務全部基于Linux下的Web2.0，并且不開放任何文件上載途徑。客戶端對系統的訪問只能通過瀏覽器，因為瀏覽器的權限限制，使客戶端對系統的訪問完全由服務端決定。系統中絕對不存在共享目錄方式的文件傳輸。降低Linux系統中和Web相關目錄的權限，該目錄所有文件除非管理員手動打開，否則不能執行。

通過上述措施，來自于網絡的問題基本就剩下了網絡阻塞型的攻擊，這一類襲擊，只能影響外網用戶的Web訪問，對于內網完全無效，同時建立合理的防火墻也可以大大降低該類攻擊的可能性。

2.5.3 數據分析

數據按照參數配置的內容對數據按照下述不同的方式進行分析。其中報警數據主要用于報警的統計和報警的事后追溯，包括每周、每月、每年的定時統計。通過監控系統的定時統計可以發現一些規律。通過抄表數據的分析，往往可以在系統異常之前發現一些征兆。

2.5.4 正常碼流的報警過濾機制

因為針對一個正在播出的碼流，幾乎沒有一個是完全標準的，所以在正常的碼流中也存在多種多樣的“小問題”，因此完全按照TR101290進行報警，將讓整套報警機制喪失使用價值。通過設置1個2~24 h（用戶設置）的適應期，在該時段內所有的報警都不予報警和處理，只進行報警數據的收集。

3 系統運行流程

基本流程圖如圖3所示。

圖3 系統數據傳輸流程圖

3.1 視頻部分流程

信號采集卡將TS流信號處理后，轉出組播數據，組播數據中包含碼流層，高頻層報警信息和轉發節目信息。

將組播中轉出的節目信息給視頻多畫面服務器，用作大屏監看和內容層報警，內容層報警信息會記錄到報警錄制服務器中。

組播信息中的高頻層和碼流層報警信息也會記錄到報警錄制服務器中。轉發的節目信息給報警錄制服務器，進行節目錄制，如果出現報警，會自動拼接報警節目，拼接時會將故障前后一段時間節目錄制進去。

報警錄制服務器可以通過IE瀏覽器進行訪問，可實時查看碼流結構信息，報警錄制節目，激活報警信息，同時可以控制多畫面布局，錄制參數等配置。

3.2 音頻部分流程

信號采集卡將TS流中的音頻PID中包含的廣播節目，電視伴音，經板卡處理后轉發出組播信息。

組播信息給音頻虛擬轉發服務器，經服務器處理后變成音頻信號，再轉出音頻組播數據，給音頻多畫面和選擇監聽控制器。

音頻多畫面上可以顯示所有節目的左右聲道的跳表信息，如果某路節目出現故障后，通道會顯示紅色，并發出報警提示音。按鍵盤空格鍵可將報警音關閉。

選擇監聽控制器可以任意收聽節目的聲音，選擇某路節目后，會向播放卡下發組播數據，播放卡收到請求后，會從網絡中獲取該節目的組播信息，轉換成模擬信息給監聽音箱。選擇輪聽功能后，可以自動聽取所有通道的第一路節目。

所有監測信息是基于網絡基礎上，進行分析、報警、錄制、監看。

4 總結

本站目前高清系統有14個監測點，標清系統有16個監測點，分別對其音視頻內容進行監測，對標清系統的電視伴音和10路廣播信號音頻內容進行監測。數字電視節目ASI，DVBS-2信號的指標監看、視頻節目實時播放、故障錄制，下載回放。對電視伴音和廣播信號實時選擇監聽。

大屏幕顯示系統符合要求，實現高亮度、高清晰度、高智能化控制，滿足系統信息顯示的需要。系統需基于IP架構，統一調度、配置部署，同時很好地適應信號規模的擴展，并降低系統施工和維護的復雜度。運行至今，效果良好，對值班安全起到重要的輔助作用。

[1] 吳恩學.數字電視實用技術[M].北京：教育科學出版社，2009.

[2] 關良柱.衛星數字廣播電視技術[M].北京：中國廣播電視出版社，2009.

[3] 余清波，候蒙學，呂百靈.數字廣播電視中TSOVER IP技術的應用[J].廣播與電視技術，2012（9）：95-97.