一種基于網絡技術的雙機熱備音頻系統

◆李 光

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一種基于網絡技術的雙機熱備音頻系統

◆李 光

(海軍裝備部信息系統局 北京 100841)

本文針對會議場所、指揮控制中心的音頻系統建設需求，設計了一種基于網絡技術的雙機熱備音頻系統，以提高音頻系統的可靠性與容災性能，為會議場所、指揮控制中心的音頻系統的設計與建設提供參考。

音頻系統；網絡技術；雙機熱備音頻系統

0 引言

聽覺是人類獲取信息的重要感官之一。現代會議場所、指揮控制中心，音視頻系統在多媒體展示、遠程協商、遠程會議、視頻指揮等應用中發揮的作用越來越重要。和視頻信號相比，音頻信號傳輸帶寬小。當傳輸帶寬有限，即使視頻畫面有卡頓、延遲、馬賽克，甚至沒有視頻畫面，只要音頻信號連貫清晰，就不影響通信雙方相互理解對方的意圖。因此，音頻通信是音視頻通信的保底手段。隨著音頻系統在會議場所、指揮控制中心擔負的任務越來越重，對系統可靠性的要求也越來越高。因此，在這類重要場所，要求設計與建設具有備份手段的音頻系統，防止因設備出現故障而造成重大損失。

1 非熱備系統設計

一種高可靠的音頻系統核心結構采用兩臺數字調音臺，其中一臺側重于錄制播出的調音控制，另一臺側重于現場擴聲的調音控制。系統前端話筒及音源的信號經無源分配器分貝送入錄制調音臺和擴聲調音臺。整個系統鏈路以數字音頻信號為主。同時數字調音臺應用方便靈活，可把接入系統的各類音源，結合實際需要和操作、控制習慣分配到控制臺面，能方便快捷地滿足多個音頻錄制的需求。兩臺調音臺的輸出信號分為模擬信號和數字信號。輸出接切換系統，切換系統配置兩臺多通道二選一切換器，其中一臺主用，另一臺備用。數字、模擬信號分別進入主備兩個切換器，確保了主備數字信號和模擬信號的路由不存在單點故障。經過備切換器輸出的數字信號接入音頻分配器，而后分別送入視頻加嵌主用通路、錄機、服務器等。經過備切換器輸出的數字信號直接送入視頻加嵌備用通路，提高了系統的可靠性[1]。采用類似方法，為提高可靠性設計的非熱備方式音頻系統示意圖如圖1所示。

圖1 音頻備份系統：非熱備方式

如圖1所示的系統中，多個話筒接入智能混音器后，與其他音源經過音頻分配器送至兩臺音頻處理設備，音頻處理器的輸出經過切換器或跳線盒送至功放和其他設備。正常工作狀態下，接線連接至主用音頻處理設備；當主用音頻處理設備出現故障，將接線連接至備用音頻處理設備從而實現主備切換。

音頻系統的數字化，尤其數字處理器的廣泛應用，大大提高了系統性能，完善了系統功能，而數字技術與網絡技術的結合，使得系統的處理和管理能力大為增強，音頻系統從此發生了質的變化[2]。本文將網絡和數字音頻處理技術結合，設計了一種雙機熱備的音頻系統，以提高系統可靠性。

2 熱備系統設計

在計算機技術中，雙機熱備屬于集群技術的一個分支。簡單來說，雙機熱備就是一種利用故障點轉移的方式來保障業務連續性，其業務的恢復不是在原服務器上，而是在備用服務器上。雙機熱備的工作原理可理解為：當工作服務器出現異常，不能支持應用正常運行時，備份服務器自動接管工作主機的工作，繼續支持關鍵應用服務，維持系統7×24小時不間斷運行。可見，雙機熱備不具備故障主機修復功能，只是將故障點隔離并轉移，具體包括運行進行、磁盤資源和網絡狀態等。另外，對于普通用戶來說，不必關心所要使用的服務和資源在哪個節點的具體位置，雙機熱備系統會自動完成[3]。

數字音頻處理器雖然沒有服務器運行的進程復雜，但是可以借鑒上述原理，將數字音頻處理器視為提供音頻服務的服務器構成熱備系統。基于雙機熱備的思想，以兩臺支持網絡控制的數字音頻處理器和一臺控制終端為主構成熱備系統。數字音頻處理器和控制終端均接入網絡，由安裝在控制終端中的軟件實時監測兩臺數字音頻處理器的狀態從而控制數字音頻處理器的運行。系統示意圖如圖2所示。

圖2 音頻備份系統：熱備方式

在如圖1所示的系統中，所配置的兩臺音頻處理設備類型、型號無需相同，可以為兩臺調音臺、兩臺數字音頻處理器或調音臺和音頻處理器混合使用。適用于在現有音頻系統基礎上增配設備以提高系統可靠性的情形。在圖2所示的系統中，要求所配置的兩臺音頻處理必須為支持網絡控制的數字音頻處理器，且一般情況下為同型號的音頻處理器。兩種備份方式的對比如表 1所示。

表 1兩種音頻系統對比

序號對比項非熱備方式熱備方式 1系統特點可采用不同類型音頻處理設備必須采用同類型數字音頻處理器 2切換方式人工干預，手動接線或控制切換器自動切換，無需人工干預 3配套設備音頻分配器、音頻切換器/跳線盒音頻分配器、交換機、服務器、音頻加法器 4運維難易度兩臺音頻處理設備需分別調試兩臺數字音頻處理器可采用相同的控制軟件 5恢復時間較長毫秒級

由于非熱備方式中的音頻切換器或跳線盤需采用人工干預的方式切換信號路由，所以效率相對較低。尤其是使用跳線盤，需人工插拔接線，可能導致接線錯誤或故障。

3 熱備系統設計實例

基于上述熱備系統設計方法，采用兩臺Biamp Tesira系列的高性能音頻服務器，構成的熱備系統實例如圖3所示。

圖3 熱備系統設計實例

圖3所示的音頻系統由音源/拾音系統、DSP系統、播放系統三部分組成。音源/拾音系統部分，數字話筒和模擬話筒組成拾取的音頻信號分別通過數字會議主機和混音器傳輸，與其他音頻經過無源分配器一分為二，進入DSP系統。DSP系統部分中，系統的核心設備——音頻處理器采用雙機熱備，假如主機出現故障，自動切換到備機運行。核心設備采用數字信號處理技術，僅在一臺設備上就可實現音頻放大、衰減、混音、音頻路由、均衡調節、嘯叫抑制、回聲消除等功能，而無需其他設備，簡化了系統設計。主機和備機的輸出經過無源混音器送至播放系統中的音頻功放，再經由音箱擴聲輸出。

系統中配置的集中控制臺通過交換機與主機、備機通信；安裝在集中控制臺中的軟件采用獨立線程監控主機和備機的實時工作狀態，以IP數據包的形式向主備機同時發送心跳詢問數據包：當主機工作發生故障，心跳響應超時，軟件由此判斷主機失效，開啟備機，以實現容災。控制終端上的軟件可通過網絡發送故障郵件至相關人員及運維方，將音視頻系統與IT系統融合，打通與OA、ERP等IT軟件連接通道，使會議發起、進行、故障排除、售后服務等各個環節無縫結合。系統不僅支持通過軟件實現故障自動切換，也支持通過軟件手動控制主備機切換，方便運維人員對設備的維護保障。

不論主機還是備機，在正常工作狀態下，兩者實時保持數據同步。安裝在集中控制臺上的控制軟件采用圖形化的GUI，兩臺數字音頻處理器輸入、輸出的場景化控制形象直觀。通過控制軟件時刻保持主機與備機的參數設置同步，保證了兩臺數字音頻處理器的輸入增益、混音、均衡、嘯叫抑制、回聲消除、增益結構等設置一致，避免分別調試設備的繁瑣過程。此外，音頻系統控制軟件包括多用戶管理和日志管理：多用戶管理支持權限分級，不用用戶按級別賦予不同的權限，實現人員與崗位的管理；日志管理可記錄、查詢用戶操作，做到操作可追溯。由此保證音頻系統的使用安全性和可靠性。

4 小結

本文所述的雙機熱備的音頻系統，基于高性能數字音頻處理器和網絡技術，將前端音視頻系統和后端運維服務體系無縫整合，打通IT軟件系統的連接通道，提高了音頻系統的的可靠性、可用性、抗毀性與容災性能。此設計可用于音視頻系統的工程建設中，為建設大型會議場所、指揮控制中心的音視頻系統提供了參考。

[1]李曉凱，牛雨迪，蔡云.高可靠數字化大型演播室音頻系統的實現[J].現代電影技術，2017.

[2]劉洪波.會議室音頻系統的設計分析[J].廣播電視信息，2017.

[3]姜茂.機熱備技術及其在生產實踐中的應用[J].軟件導刊，2013.