基于MPEG-2TS的廣播電臺下游傳輸體系

■文/周 沖 溫檳僡

基于MPEG-2TS的廣播電臺下游傳輸體系

■文/周 沖 溫檳僡

廣播電臺傳輸音頻信號至下游單位進行發射覆蓋的傳輸鏈路具有數量眾多、結構復雜、使用的技術不統一的特點。本文重點從MPEG-2音頻編碼技術出發，講解了該編碼下傳輸流TS的形成過程，介紹了基于MPEG-2TS流下廣播電臺采用的ASI光信號發送、E1、SDH等多種下游傳輸體系。

MPEG-2 TS；傳輸；E1；ASI；SDH

引言

廣播是通過無線電波或導線傳送聲音的新聞傳播工具，是人們發聲的有利“武器”。眾所周知，廣播的播出信號來源自電臺直播室，經由多種傳輸模式結合多條傳輸鏈路，送往各下游單位進行發射覆蓋。目前，我國對廣播進行覆蓋的方式有調頻信號、衛星調幅、數字微波、光纖有線覆蓋等。

安全播出是廣播的生命線。為了保障電臺播出信號送往各發射臺（站）的信號不中斷，在實際應用中，我們對每個發射臺（站）設計了同一信號通過不同鏈路以不同的路由方式進行傳輸。其中最具典型代表的有異步串行接口（Asynchronous Serial Interface ，ASI）、歐洲使用同時也是我國使用的一次群PCM傳輸體制E1與同步數字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）。

本文就這三種傳輸體系的原理與它們在廣播電臺的使用進行簡單的介紹與分析。

1.關于MPEG-2TS

眾所周知，廣播電臺現已全面實現了數字化。數字信號大多以專業的數字音頻格式AES/EBU為主。AES/EBU在一個傳輸周期內傳輸一幀，而每一幀又由2個各代表左、右聲道的子幀組成。每一子幀比特數為32bit。根據我國廣播電影電視行業標準《演播室數字音頻信號接口》（GY/T 158-2000），數字音頻以48KHz為采樣頻率[1]。那么，一對立體聲數字信號的總數據率為48KHz×32bit×2=3.072Mbit/s。從該計算中我們可知，這樣的信號帶寬是非常大的，非常不利于信號的傳輸與音頻的存儲。因此在實際應用中我們需要采用音頻編碼壓縮的技術手段，以此降低信號的數碼率。于是MPEG系列壓縮編碼技術就在這樣的環境下應運而生。

MPEG音頻編碼系統采用了基于感知編碼的有損壓縮技術，它是依據心理聲學掩蔽效應實現的。即在對音頻信號進行編碼時，對于那些低于聽覺閾值的信號，略過編碼或減少比特數，以此不降低人類主觀聽音感受的同時降低傳輸的數碼率，從而實現壓縮的目的[2]。在此技術基礎上，前后有MPEG-1標準和MPEG-2標準。前者解決了由視音頻信號構成的壓縮層的壓縮、解壓縮和同步[3]。后者則是前者的升級版本，它在降低數碼率與提升音頻壓縮質量的同時，對從壓縮層輸出的基本數據流ES打包成用于存儲的節目流PS或用于廣播電視傳輸的傳輸流TS做出了定義。具體過程如下所述。

一般來說，從電臺直播室輸出的AES/EBU信號經過編碼器壓縮成MPEG-2格式的信號，以此形成基本數據流ES。隨后，打包器對ES流進行第一次打包，并進行分組、打包、添加包頭信息等操作，產生了大小可以是任意長度的分組數據流PES。

分組數據流PES隨后進入節目流，多用復用器進行第二次封裝，即PES通過再次打包的方式復用為單個長度任意的節目流PS。

傳輸流TS是對節目流PS的再次打包封裝過程。到這里，基本數據流ES已經進行了第三次封裝。TS的固定長度為188字節。當然，我們也可以從分組數據流PES直接打包成TS[3]。

一般來說，因為PS流的長度是可變的，造成了PS包里同步信息的位置不固定，容易導致信息丟失。而TS流長度固定，可以在包里固定的位置檢測到同步信息。因此，在傳輸誤碼率較高的惡劣信道里，TS流最適合用來傳輸。在信道環境好，又想節約成本與時間的情況下，則使用PS流傳輸。基于MPEG-2的PS流與TS流形成過程如圖1所示。

2.廣播電臺傳輸MPEG-2 TS的方式

在廣播電臺，由直播室出來的播出信號經過編碼器編碼，被送往復用器進行打包形成MPEG-2 TS流后，即被以不同的傳輸方式并且經過多種路由方式送往下游單位。下面，就廣播電臺基于MPEG-2 TS的傳輸方式進行介紹。

2.1 ASI光信號的發送

ASI，即異步串行接口。在實際應用中，我們將復用器產生的MPEG-2 TS信號流適配到異步串行接口，以此實現不同速率的MPEG-2 TS流以恒定的ASI碼流速率在編碼器、復用器與調制器之間進行點對點傳輸。它主要通過8B/10B的編碼方式，即在MPEG-2 TS輸入碼流的每個字節中產生10bit字用來填充，以此形成恒定的270Mbit/s的碼率。另一方面，8B/10B編碼具有自身錯誤檢查的能力和良好的字節同步，這些優勢可增強MPEG-2 TS流在傳輸信道抗干擾能力[3]。因此，ASI的傳輸安全性和可靠性都很高。

圖1 基于MPEG-2編碼端的碼流形成過程圖

在實際應用中，我們大多采用同軸電纜BNC頭為ASI碼流提供物理性的連接，同時采用以發光二極管為光源的光纖進行傳輸。基于這樣的配置，MPEG-2 TS可以實現較長距離傳輸，例如在50-70Km的本地距離內使用光纖電纜進行傳輸，或者通過衛星鏈路傳輸。因此，在廣播電臺中也大多采用ASI碼流通過光發機以光信號的形式發送至下游單位。

2.2 E1傳輸

E1標準是我國與歐洲各國之間使用的基于PCM的傳輸系統。它可通過同步時分復用技術將32個相等的信道合在一起進行數字復接。在32個信道之中，每個信道傳送8bit，采用8KHz的采樣率。那么每個信道可傳輸速率為8KHz×8bit=64Kbit/s的信號，那么32個信道即總共可傳輸的數據率為64Kbit/s×32=2.048Mbit/s。但是在32個信道中并不是所有的信道都可以進行傳輸的，我們規定劃分的這32個相等時隙，被編號為CH1-CH31。其中CH1做為幀同步標志，CH16用來傳輸控制指令。因此，只有30個信道可用來傳輸數據[4]。

一般來說，廣播的一路立體聲信號在編碼后所占用的帶寬大約為256Kbit/s。那么，我們可以將E1傳輸系統中的4個信道通過數字復接技術結合在一起，做為一路廣播通道進行音頻信號的傳輸。因此，我們可以說E1技術的出現，使廣播的多路多種信號能夠有效地整合在一起，并通過一種傳輸設備進行傳輸，充分地利用了信道的資源，提升了傳輸的可用率。

廣播電臺大多采用具有編碼功能，并且能實現E1雙向通信為一體的E1傳輸系統將音頻信號傳輸至下游單位進行覆蓋。在實際應用中，我們可對多個直播室輸出的AES/EBU信號在一臺設備上編碼成MPEG-2格式后，再通過數字復接技術來實現E1的多信道合并。接下來即可完成最后的傳輸工作。一般來說，我們會選擇光纖介質來進行E1信號的傳輸。但是大多數廣播電臺，會選擇將E1信號再次復接到SDH中來進行最終的傳輸。下面，我們將介紹下SDH的傳輸方式。

2.3 SDH傳輸

廣播電視系統傳輸的業務以音頻和視頻為主，具有傳輸時間長、內容類別多與帶寬大等特點。因此，一次只能傳輸2M的E1系統，在使用上似乎有點捉襟見肘。再加上廣播電視節目具備時效性，如何在節目傳輸過程中保證嚴格的時鐘同步匹配，使得數字系統能進行低延時的傳輸，并準確解析出數據，這是我們需要解決的問題。

隨著同步數字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）的問世，很好地解決了這一問題。SDH是一種集數字復接技術、分接技術、傳輸與線路交換為一體的系統。它所采用的同步傳送模塊STM-N可供用戶自行選擇不同等級的帶寬。SDH傳播速率主要由STM-N決定，其中N=1、4、16、64，最大可選擇256。SDH的采樣頻率為8KHz,其每一幀由9×270×N（N=1、4、16、64、256）字節組成。因此STM-N的傳輸速率為8000×9×270×N×8=156×N Mb/s（N=1、4、16、64、256）。由此我們可以得出，SDH為我們提供了156Mb/s，622Mb/s，2.5Gb/s，10Gb/s等多種傳輸帶寬[4]。較大的帶寬和靈活的選擇方式，很好地滿足廣電系統傳輸節目的要求。對于大多數廣電部門來說，一般選擇2.5Gb/s帶寬速率；部分需求量大的單位，會升級到10Gb/s來滿足需求。

其次，SDH系統具有嚴格的同步性，使得整體采用該技術的網絡具有可靠性高，誤碼率少的優勢。再次，SDH自身可組成環網，使其具有自愈的保護能力和較強的生存率，能夠有效地避免了其中一個傳輸節點的中斷，造成整條傳輸鏈路通信的終止。此外，SDH具有統一的幀結構和網絡節點接口，較好的兼容性使其形成了全球統一的傳輸標準。同時，SDH在OSI網絡模型中屬于最底層的物理層，因此我們可基于SDH系統，進行IP網絡層的傳輸。這也是目前部分廣電系統正在改造實施的方向之一。最后，SDH不僅適用于光纖傳輸，在微波和衛星通信上也有很好的利用[4]。這些都成為了我國選用SDH技術在國家級與省部級之間進行有線電視傳輸的主要原因。在2.1節中，我們已經提到，一套廣播立體聲節目傳輸率為256Kb/s，那么會占用4個E1信道。那么，在一次E1傳輸中，30個傳輸數據信道，只能夠為大約7套節目提供傳輸通路。如果我們采用SDH的傳輸方式，可將多個2M的E1傳輸復接到SDH，進行統一的傳輸。

與此同時，我們可將ASI信號通過相應的適配器將帶寬進行調整，再送入SDH系統中一并進行傳輸。在實際應用中，SDH的帶寬由若干個2M和若干個45M帶寬組成。具體如圖2所示。

3.結語

廣播電臺傳輸節目信號的方式多種多樣，正因為如此才保證了廣播信號的不中斷與高質量。但是，并不是每種傳輸都具有絕對的優勢，例如SDH在具有高帶寬、嚴格同步性、傳輸質量高等優點的同時，也會具有頻帶使用率低、軟件的使用對系統安全造成一定的影響等一系列缺點，這些都是不容忽視。

隨著科學技術日新月異的發展，我們期待在不久的將來，會有新型的音頻編碼與傳輸技術，使得我們的廣播音頻能在讓人滿意的傳輸速率下，保證較高的聲音質量，進行快速、可靠、安全的傳輸。

圖2 SDH復接傳輸的應用

[1]國家廣播電影電視總局．演播室數字音頻信號接口（GY/T158-2000）[S]．北京：國家廣播電影電視總局，2000：3．

[2]盧官明，宗昉．數字音頻原理與技術[M]．北京：機械工業出版社，2012：58-59．

[3]羅賓，寶林．數字電視基礎——視頻和音頻系統的設計與安裝[M]．北京：人民郵電出版社，2003：305-307，457-458．

[4]楊心強，陳國友．數據通信與計算機網絡[M]．北京：電子工業出版社，2014：125-128．

（作者單位：廣西人民廣播電臺）

TN931．2

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1671-0134（2017）08-067-03

10．19483/j．cnki．11-4653/n．2017．08．023