中國教育電視臺早期教育頻道 由標清調整為高清播出系統的設計與實現初探

陳云志

【內容摘要】隨著高清化的普及，高清播出已經成為現階段電視臺播出的常態。中國教育電視臺具備高清總控矩陣和高標清同播數字播出系統，該系統自2016年正式運行至今，播出系統運行穩定、節目播出安全順暢。本文結合CETV早期教育電視頻道播出系統高清化改造進行了探討，并對系統設計思路進行了分析和小結。

【關鍵詞】高清播出;高清播出總控;系統改造

隨著高清電視的推廣和普及，高清電視技術已成為廣播電視技術發展和進步的必然趨勢。①中國教育電視臺具備高清總控矩陣和高標清同播數字播出系統，并順利實現了主頻道CETV-1和早期教育頻道高、標清同播。本文結合CETV早期教育高清電視頻道（簡稱“早教高清頻道”）播出系統改造進行探討，并對系統設計思路進行詳細的分析和小結。

一、早教高清頻道改造方案概述

CETV現有的早期教育標清播出數字付費頻道，其播出系統為1主1備（1+1系統級備份）高標清兼容的系統配置模式，各系統內可同步播出主、備兩路標清節目，可實現自動、手動播出控制方式，具備主備應急墊片及4路標清應急硬盤放像播出能力。

早期教育高清電視頻道計劃由現有高標清兼容的早期教育標清頻道播出系統改造實現。為保證現有早期教育標清播出系統及改造后的高清播出系統能夠安全穩定運行，將利用備份系統、備份路由完成播出改造、試運行工作。改造內容主要包括調整視頻服務器相關通道及周邊處理設備配置、部署高清鍵源設備、存儲擴容等。

二、早教高清頻道改造方案設計

電視頻道高清播出系統主要包含總控信號調度、視頻服務器、播出分控、監視監聽、信號檢測、二級存儲等系統。核心設備包括主備編解碼通道、主備控制、主備切換及周邊處理、主備存儲、主備總控矩陣及衛星接收解碼、信號分配/轉換、延時、時鐘、同步、數據管理等設備。早教高清頻道將利用上述系統設備對主備高清信號源進行控制切換，在完成音頻響度控制及字幕、臺標的疊加后，高清信號通過主備三選一選擇后輸出至高清編碼復用傳輸系統。

（一）總控系統設計

總控系統按照主、備兩個矩陣的結構設計，主、備矩陣擁有相同的輸入信號，輸出信號采用同目的主備矩陣各輸出信號總量1/2的原則，任意一個下游系統均同時接收來自主、備兩個矩陣的信號，且每個矩陣各接收輸入信號總數的1/2（詳見圖1）。進入總控系統的外來信號均經視頻、音頻接口板轉換接到系統，矩陣的輸入與輸出端口均由跳線板連接，便于臨時用人工方式進行信號跳接，或某一部分設備出現故障時，用跳線跳過故障設備，從而保證安全播出。

總控矩陣系統選用主、備兩臺主機型號為Miranda NV8144的設備，其最大規模為144×144數字輸入輸出，目前系統配置為99×108輸入輸出規模。主備矩陣具備相同的HD/SD SDI輸入輸出通道，分別承擔主路信號和備路信號的調度。每臺矩陣輸入按鏡像分布，兼容高標清輸入99路，兼容高標清輸出108路。與總控矩陣配合使用的交叉變換器、幀同步器、固態延時器等設備環接在矩陣輸入、輸出端口間，可實現對其他所有接入矩陣系統的信號自由進行格式變換、信號同步及延時處理等。矩陣采用模塊化設計，可根據需要插入板卡，信號的傳輸采用嵌入式音頻方式。總控技術監測系統使用高標清多格式數字波形監測儀及專業音頻監聽設備以及專業液晶監視器，完成對總控各個信號源的技術監測與監視。由于總控部分需要監看的信號較多，總控信號顯示與監看系統配置3臺高標清32畫面分割器與大屏相結合顯示的方式，進行信號監看。經總控矩陣調度的信號如下：

1.總控矩陣輸入信號

（1）中央電視臺CCTV-1高標清信號主備8路：用于中央電視臺《新聞聯播》及其他重要時政要聞的轉播，信號分別來自有線光纜傳輸解碼和衛星接收，高清解碼器采用符合廣電總局行業標準、支持ASI/UDP/RTP傳輸協議、具備2路HD-SDI輸出的AVS+解碼設備，然后通過高標清兼容的幀同步器接入主備矩陣。

（2）主備4路演播室信號、8路外來節目信號：用于中國教育電視臺新聞類欄目的直播以及平時臨時性的直播活動，這些信號都是通過光纖送入總控系統，然后通過高標清兼容的幀同步器接入主備矩陣。

（3）自環信號：自環信號共有三種，第一種是高標清上/下變換的自環信號，通過上/下變換器實現全臺信號格式的轉換，總控系統最多支持8路信號同時完成上/下變換功能，通過信號的上/下變換可實現高清與標清系統的信號交叉調度;第二種是延時信號，通過高清延時器實現在直播過程中對節目的延時播出，高清延時器支持高清信號延時60秒播出，可通過設備本身的應急通道實現應急信號墊播;第三種是幀同步處理器的信號，即通過幀同步設備對信號進行相位校準與鎖定等處理，主要用于我臺各頻道間并機播出。

（4）高標清應急信號：由視頻服務器解碼通道輸出應急信號源，經過高標清視分分配給高清矩陣的四路信號。

（5）高標清頻道的播出信號：有兩類高標清頻道的播出信號接入總控矩陣系統，其中一類是無臺標字幕的凈信號，可用于并機播出;一類為帶臺標字幕的末級播出信號，主要用于節目收錄、直播演播室播出信號監視回采、其他監視系統監看等。

2.高清矩陣的輸出信號

（1）播控矩陣信號：送給各個高標清播出頻道的4路（每頻道4路）播控矩陣信號，用于頻道直播時，從相關演播室（部門）調入所需的信號源。

（2）監視信號：48路監視信號，每臺矩陣送入總控畫面分割器24個信號，可用于對所需信號源的調度監看。

（3）全臺信號共享輸出：送各個演播室、收錄室及導播間用信號。

（4）環路信號：統一信號處理的信號，包括信號幀同步處理器、上下變換、延時等。

為確保播總控系統的信號同步，同步系統在設計時，采用主備2臺泰克TG700同步信號發生器及主備同步信號倒換器ECO422D，具有手動和自動倒換功能，ECO422D是同步自動倒換的核心，通過模擬分配放大器組成同步分配網絡，為總控、各播出分控系統及臺內各相關機房提供高精度、高穩定性的基準同步信號。

（二）視頻服務器系統設計

高清視頻服務器系統為每個頻道配置物理上獨立的主、備解碼通道，具備獨立的主、備墊片通道。高清視頻服務器I/O處理控制運行在非Windows操作系統下，編解碼模塊采用非Windows操作系統。服務器中凡能提供在線備份的部件全部配備完整，服務器與存儲管理、千兆以太網交換機、存儲控制單元、電源等具有冗余設計，并支持熱插拔;其他關鍵設備均采用冗余備份，系統網絡通道無單一崩潰點。

視頻服務器采用Omneon高清視頻服務器，整個系統分為1-5頻道主播出服務器部分和備播出服務器部分，6-10頻道主播出服務器部分和備播出服務器部分。每個主播出服務器部分配備1臺主機模塊、3個解碼模塊用于高標清頻道主播出及備墊片，1個編解碼模塊作為高清、標清上載/審看及外來信號上載模塊，2臺存儲盤箱。每個備播出服務器部分配備1臺主機模塊、3個解碼模塊用于高標清頻道備播出及主墊片模塊，3個解碼模塊作為預播及播前審看模塊，1個編解碼模塊作為外來信號上載模塊，2臺存儲盤箱。編解碼通道采用全硬件的模塊化設計方式，與視頻服務器主機之間采用千兆以太網線進行連接，各模塊間相對獨立，單獨替換時不影響另外模塊正常運行。可實現節目播放零幀精度。

兩組視頻服務器系統共滿足了10個高/標清頻道的播出任務、2個通道的墊片解碼任務、4個通道的信號上載任務、5個預播解碼任務、2個預播回看任務。單臺存儲模塊共含有24塊900GB企業級SAS硬盤驅動器，能提供16Tbytes的存儲空間，可存儲639小時50M碼流高清素材。每套系統均有兩臺存儲模塊，能提供32Tbytes的存儲空間，可存儲1278小時50M碼流高清素材。主備視頻服務器的存儲系統采用Raid 6雙奇偶方式，可滿足早期教育頻道72小時在線節目存儲容量。

（三）視音頻系統

早期教育頻道分控系統具備主、備雙路高清節目的自動播出和切換控制，屬系統內外雙主備結構。系統中各關鍵設備前后設置跳線口，具備主、備播控機及軟件的手動和自動倒換功能。具備播出節目信號監視監聽和技術監測能力，能夠實現在應急情況下以高清節目文件方式直接播出。可為高清頻道分控系統的主備兩路高清播出信號提供圖文字幕、“高清”字符及臺標鍵信號的疊加（詳見下頁圖2）。

周邊設備機箱具備主、備雙電源，周邊板卡支持熱插拔，具備通過網絡集中監測和控制調整功能，支持通過PC機對周邊設備中每一模塊進行參數調整、狀態設定、發現錯誤即刻報警等功能，能夠實現狀態監控。

1.播出切換、控制系統

高清頻道的播出控制系統采用混合主備模式，即同時采用“主控主、備控備”獨立控制和RS422倒換器進行交叉控制的方式。正常情況下，主備播出控制機分別給主備切換設備和主備視頻服務器發送控制命令，從而實現主備機分別控制主備設備的模式。當某控制機出現故障時，可通過RS422倒換器切換至另一控制機，從而實現一臺控制機全面接管所有設備功能。

播出控制軟件安裝在播出工作站中，支持各類切換臺、放像機、視頻服務器等設備，支持多種控制協議;對各相關設備的控制能夠達到幀精度。播控軟件中可查看信號切換設備任務隊列信息，如切換設備的任務執行時間、輸入輸出、設備名稱信息。支持按不同的信號源設備查看播出任務信息，顯示視頻源名稱、播出時間、時長、文件ID信息。播出在線響應關聯素材信息，軟件實時循環檢測，發現播出線上遷移就緒的素材，立即發出通知提醒并可實現素材自動關聯。采用與數據庫松耦合設計，在節目單已加載情況下數據庫服務器或網絡出現故障時，播出控制軟件可繼續正常運行。

2.文件化互聯接口系統

文件化互聯系統支持接收備播消息自動遷移及內部自動拷貝等模式。提供MD5校驗、自動技審等功能，并根據設備資源實現任務的自動分配。

可實現節目單系統對外的串聯單接收;提供文件導入接口，播出成品文件的遷移入庫;能夠支持節目代碼、節目狀態等查詢服務。

互聯互通設備均采用非TCP/IP等通用網絡協議進行數據交換。支持雙向通訊，必要時可以應用為單向通訊提高安全級別，并支持白名單過濾機制。

播出域與外網連接，包括元數據、媒體文件，均實現網絡協議隔離，網間無TCP/IP等通用協議連通，徹底阻斷播出系統被攻擊的可能。

3.預播及信號檢測報警

配置高標清兼容信號檢測單元，信號檢測精確到幀，報警信息能夠及時體現在相應的軟件界面上。具備播出信號主備一致性監測、末級播出信號的監測功能，播出信號的監測精確到秒，并能夠產生聲、光報警提示，引導播控應急操作。

預播軟件獲取各頻道播出節目單，按照離播出開始時間倒計時排序，將節目通過視頻服務器通道解碼播出。同時通知信號檢測儀進行播出信號檢測;可獲取文件技審信息與人工復審信息，匯總后顯示。

4.播出信號一致性比對

播出信號一致性比對針對播出末級三選一切換器的主備2路輸入信號進行比對，通過檢測信號狀態來實現更準確、及時的報警，采用的專用面板支持聲光報警，可提示值班人員進行手動應急切換，也可實現極端異態自動切換。

三、改造方案實施與小結

早教頻道的現有分控系統設備以及視頻服務器均為高標清兼容，通過修改配置參數和調整彩條、墊片接入信號格式即可實現高清播出。系統在升級改造過程中，對三部分信號路由進行修改：

一是將原有早期教育標清至編碼矩陣的路由信號改為高清信號，原有的4臺標清編碼器換成AVS+高清編碼器，現有播出分控系統去編碼矩陣的物理線路不變，只將鏈路信號改為高清信號。

二是新增2條臨時過渡的標清信號鏈路，進入早教標清編碼器，經下變換輸出后分別進入編碼矩陣及畫面分割器，待標清頻道停播后再將標清信號鏈路拆除。

三是分別將原有的標清彩條信號、墊片信號及CQX應急信號源更換為高清信號。

對上述信號及路由修改完成后，將首先對備份系統進行配置部署并測試，待備份系統運行正常后，利用停播檢修時間完成標清向高清播出頻道的切割工作，此后完成主用系統高清改造工作。改造后的早教高清頻道仍為數字付費頻道，其播出系統保持原標清系統架構，主備外來信號由高標清兼容的兩套矩陣調度系統分別提供，節目素材通過主備獨立配置的視頻服務器系統解碼播出，可實現主備高清墊片循環播放及4路高清應急硬盤放像播出。

注釋：

①郭全中：《“十四五”時期傳媒業的新機遇與新挑戰》，《傳媒》2021年第12期。