數(shù)字電視視頻信號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

藍(lán)光華，季林河

（景寧畬族自治縣融媒體中心，浙江 麗水 323500）

0 引 言

截至2021年，我國(guó)數(shù)字電視覆蓋率達(dá)到98.9%，已基本取代了模擬電視，極大地豐富了人們的業(yè)務(wù)生活。電視信號(hào)的傳輸也會(huì)出現(xiàn)異常。借助信號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控人員能夠發(fā)現(xiàn)異常點(diǎn)。然而，現(xiàn)有的電視信號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)仍存在以下問(wèn)題：數(shù)據(jù)傳輸效率低，存在延時(shí)現(xiàn)象，電視信號(hào)出現(xiàn)故障以后值班人員不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)；傳統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備缺乏記錄和定位故障功能，需要人為分析；傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備和服務(wù)器數(shù)量較多，耗費(fèi)人工成本較高[1]。因此，本文基于TV over IP和TS流監(jiān)測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)數(shù)字電視視頻信號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)，自動(dòng)收集、分析電視傳輸信號(hào)，完成電視碼流的監(jiān)測(cè)錄制、多畫(huà)面的監(jiān)控以及視頻故障的分析，從而實(shí)現(xiàn)廣電信號(hào)傳輸?shù)男畔⒒芾怼?/p>

1 數(shù)字電視視頻信號(hào)監(jiān)控方案概述

近年來(lái)，數(shù)字電視技術(shù)的快速發(fā)展，使得用戶不僅僅可以享受到高清電視服務(wù)，也可以使用直播、點(diǎn)播等多種業(yè)務(wù)。但是，由于數(shù)字電視傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣泛，信號(hào)傳輸異常時(shí)有發(fā)生。廣電公司現(xiàn)有的標(biāo)清節(jié)目和直播、點(diǎn)播節(jié)目信號(hào)監(jiān)控也需要進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)。綜合分析目前廣電公司數(shù)字電視視頻信號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)，其功能主要包含如下方面：

（1）系統(tǒng)可以對(duì)數(shù)字電視信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控，包含現(xiàn)有高清電視節(jié)目、標(biāo)清電視節(jié)目、廣播節(jié)目播出信號(hào)監(jiān)測(cè)，出現(xiàn)異常以后可以自動(dòng)報(bào)警[2]；

（2）監(jiān)控信號(hào)傳輸過(guò)程中具有一定的抗干擾能力，傳輸效率較高，主機(jī)可以對(duì)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總管理；

（3）對(duì)監(jiān)視節(jié)目的信號(hào)和QAM頻點(diǎn)的碼流、圖像進(jìn)行采集分析，同時(shí)可以切換監(jiān)測(cè)畫(huà)面。

實(shí)現(xiàn)數(shù)字電視視頻信號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)的方案有很多，本文考慮方案如下。

（1）利用智能機(jī)頂盒實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)監(jiān)控。該方式中，機(jī)頂盒具有視頻解碼設(shè)備，可以將視頻信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。工作人員可以在監(jiān)控顯示屏幕中進(jìn)行肉眼觀測(cè)，但會(huì)耗費(fèi)大量的人力和物力。

（2）帶大卡解密的監(jiān)控主機(jī)利用同軸電纜實(shí)現(xiàn)異步串行監(jiān)測(cè)。這種方式受限于同軸電纜傳輸?shù)乃俣群蛶?，效率較低，即使得到數(shù)據(jù)，以后還需要進(jìn)行解碼操作。配置帶大卡的解碼設(shè)備花費(fèi)較高，硬件改造成本較大。

（3）帶大卡解密的監(jiān)控主機(jī)借助網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議傳輸流的方式實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)。這種方式通過(guò)嵌入式機(jī)箱本身就可以對(duì)電視信號(hào)進(jìn)行解碼操作，主機(jī)采用網(wǎng)絡(luò)組播的方式獲取解碼后的信息。

考慮整個(gè)設(shè)計(jì)的成本，本文選取第三種方案，基于電視信號(hào)流在網(wǎng)絡(luò)上通過(guò)TCP/IP協(xié)議傳輸，信息通過(guò)交換機(jī)匯總到監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)中。而工作人員在辦公室中借助常用的電纜就可以從主機(jī)中獲取電視信號(hào)的監(jiān)視情況[3]。

2 數(shù)字電視視頻信號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)房硬件改造設(shè)計(jì)

系統(tǒng)收集和分析的核心介質(zhì)是流頻點(diǎn)，由于本文使用的TS流頻點(diǎn)的監(jiān)測(cè)，每一個(gè)TS流頻點(diǎn)可以完成8個(gè)標(biāo)清節(jié)目的監(jiān)測(cè)，也相當(dāng)于4個(gè)高清節(jié)目或16個(gè)廣播節(jié)目的監(jiān)測(cè)。根據(jù)景寧縣現(xiàn)有的節(jié)目頻道數(shù)量，可以選擇兩臺(tái)具有16個(gè)TS流頻點(diǎn)的設(shè)備，就能夠滿足節(jié)目監(jiān)控的需求。

每1個(gè)TS流頻點(diǎn)需要1個(gè)小卡支撐，而4個(gè)小卡可以裝配在1個(gè)大卡模塊，1臺(tái)監(jiān)控主機(jī)可以安裝4臺(tái)大卡，保障16個(gè)TS頻點(diǎn)的節(jié)目監(jiān)控，因而2臺(tái)監(jiān)控主機(jī)就可以完成32個(gè)TS頻點(diǎn)的節(jié)目監(jiān)控。這種“主機(jī)帶大卡、大卡帶小卡”的監(jiān)控模式，單獨(dú)切換任何頻點(diǎn)都不會(huì)影響系統(tǒng)的運(yùn)行。而且，每個(gè)小卡都是單獨(dú)運(yùn)行，即使出現(xiàn)故障也不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。此外，這種模式最大的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)已經(jīng)加密的電視信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，不需要解碼監(jiān)控，所用的設(shè)備減少，但監(jiān)控的效率得到了提升[4]。系統(tǒng)主要設(shè)備如下：

（1）系統(tǒng)主機(jī)，本文選取IPX-IOK2000UIP型IP多畫(huà)面主機(jī)[5]；

（2）數(shù)據(jù)服務(wù)器選取BS593A ML150G6型服務(wù)器；

（3）ST SNS603M型數(shù)字電視監(jiān)測(cè)模塊；

（4）TR101290型電視碼流分析儀[6]。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能化的電視視頻信號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)主要模塊設(shè)計(jì)如下。

（1）多畫(huà)面監(jiān)控模塊。本地信號(hào)、衛(wèi)星信號(hào)等接入系統(tǒng)以后，系統(tǒng)借助IP傳輸協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)和機(jī)箱中，然后把經(jīng)過(guò)解碼的TS信息流顯示在多畫(huà)面監(jiān)控主機(jī)中，并對(duì)TS流統(tǒng)一進(jìn)行調(diào)度，借助TCP傳輸協(xié)議進(jìn)行監(jiān)控配置。本文采用了熱備系統(tǒng)，每個(gè)部件都是大卡和小卡，都是可以獨(dú)立運(yùn)行的。電視信號(hào)通過(guò)交換機(jī)傳輸?shù)街鳈C(jī)和大卡解碼機(jī)箱中，在多畫(huà)面監(jiān)控模塊中顯示。

（2）碼流分析模塊。可以對(duì)多種信號(hào)進(jìn)行分析，包含了電視信號(hào)通道監(jiān)測(cè)和TR101290監(jiān)測(cè)、節(jié)目監(jiān)測(cè)、傳輸速度監(jiān)測(cè)以及節(jié)目PES包頭分析等[7]。結(jié)合多通道同時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警、電視節(jié)目EPG信號(hào)的分析等。

（3）異常報(bào)警模塊。本文配置了多套畫(huà)面監(jiān)控報(bào)警主機(jī)和碼流分析儀。系統(tǒng)接收到IP數(shù)據(jù)流以后，借助VGA或HDMI接口完成電視節(jié)目信號(hào)傳遞，并顯示到監(jiān)控界面中，完成電視節(jié)目的實(shí)時(shí)分析。出現(xiàn)異常情況的時(shí)候，組播網(wǎng)絡(luò)會(huì)將異常數(shù)據(jù)顯示到多畫(huà)面監(jiān)控模塊中，并且發(fā)出異常報(bào)警的聲音。碼流分析模塊的分析結(jié)果也同時(shí)顯示節(jié)目故障出現(xiàn)的原因，并提供對(duì)應(yīng)的解決措施。

3 數(shù)字電視視頻信號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 多畫(huà)面監(jiān)控功能實(shí)現(xiàn)

多畫(huà)面監(jiān)控功能模塊主要包括IP多畫(huà)面主機(jī)、大卡解碼機(jī)箱和BS數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，利用光纖與交換機(jī)連接。大卡解碼機(jī)箱主要完成數(shù)字模擬信號(hào)解調(diào)處理，碼流分析器將接收到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇粨Q機(jī)，然后由交換機(jī)將接收到的信息傳送到多個(gè)屏幕監(jiān)視器上。監(jiān)視器可實(shí)現(xiàn)多屏組合監(jiān)看、故障的判斷及處理。每臺(tái)監(jiān)視器都可以將資料經(jīng)由千兆交換機(jī)傳送至資料終端機(jī)。

監(jiān)視的電視信號(hào)數(shù)據(jù)會(huì)傳輸?shù)街鳈C(jī)設(shè)備中，工作人員使用的監(jiān)控設(shè)備通過(guò)交換機(jī)從主機(jī)設(shè)備中獲取這些信息，監(jiān)控畫(huà)面的好壞與主機(jī)屬性有密切關(guān)系。整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)部署在獨(dú)立運(yùn)行的局域網(wǎng)中，每個(gè)TS流都可以將對(duì)應(yīng)的節(jié)目傳輸?shù)奖O(jiān)控設(shè)備中。由于涉及的電視節(jié)目較多，對(duì)于央視、地方衛(wèi)視等采用實(shí)時(shí)監(jiān)看的方式，對(duì)地方衛(wèi)視、付費(fèi)節(jié)目等采用輪詢監(jiān)看方式。為了對(duì)重點(diǎn)節(jié)目實(shí)時(shí)監(jiān)控，系統(tǒng)通過(guò)節(jié)目頻點(diǎn)設(shè)置的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以保證信號(hào)實(shí)時(shí)記錄。

為了有效地消除圖像閃爍、模糊等圖像效果，本文采用多幅屏幕交錯(cuò)掃描的顯示方法。屏幕使用Direct3D10的處理模式，具有較高的編程能力和兼容性，可以在不同的多操作系統(tǒng)環(huán)境下使用。

3.2 碼流分析功能實(shí)現(xiàn)

碼流分析模塊通過(guò)有線數(shù)字監(jiān)控對(duì)大卡解碼QAM信號(hào)進(jìn)行解碼，對(duì)大卡解碼ASI信號(hào)和QPSK信號(hào)進(jìn)行碼流的監(jiān)控[8]。經(jīng)千兆網(wǎng)傳輸IP數(shù)據(jù)流信號(hào)，通過(guò)VGA或HDMI線路將已經(jīng)獲得的信號(hào)數(shù)據(jù)分享到終端界面中，在沒(méi)有丟失通道的情況下，可以對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行分析。從圖1可以看到，本文系統(tǒng)對(duì)主要電視節(jié)目圖像進(jìn)行分析和查看，而多屏系統(tǒng)主要完成PSI/SI數(shù)據(jù)分析，從而判斷節(jié)目EPG的具體信息，判斷其是否正常播出、播放碼流是否被干擾、傳輸速度是否正常等，進(jìn)而將故障消除于隱患。

圖1 碼流分析（流量監(jiān)測(cè)界面）

3.3 異常報(bào)警功能實(shí)現(xiàn)

語(yǔ)音報(bào)警器是數(shù)字電視的一個(gè)輔助功能，一旦發(fā)生故障，就能發(fā)出語(yǔ)音提醒，提醒工作人員采取相應(yīng)的措施。報(bào)警信息包含了信道失鎖、誤碼率、EVM故障和PID錯(cuò)誤等類型。這些信息的閾值以數(shù)據(jù)表的形式存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。正常運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，如果在一定時(shí)間內(nèi)超過(guò)設(shè)定的閾值，那么系統(tǒng)就會(huì)報(bào)警。報(bào)警信息傳輸?shù)焦ぷ魅藛T監(jiān)控前端，通過(guò)語(yǔ)音形式告知工作人員。此外，本文系統(tǒng)提供了故障定位功能。數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)有故障信息、可能出現(xiàn)的位置點(diǎn)、故障解決措施，依據(jù)不同的故障判斷，這些信息會(huì)顯示到監(jiān)控前端。為了進(jìn)一步減少誤判斷的情況，系統(tǒng)提供了參數(shù)設(shè)置的功能，用戶可以對(duì)異常判斷條件進(jìn)行更改和設(shè)置，例如信號(hào)異常連續(xù)出現(xiàn)30 s，系統(tǒng)判斷為數(shù)字電視信號(hào)出現(xiàn)異常，啟動(dòng)報(bào)警功能。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著IPTV技術(shù)快速發(fā)展，數(shù)字電視得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的電視信號(hào)監(jiān)視系統(tǒng)占地面積比較大、集成化程度低、監(jiān)控機(jī)房環(huán)境較差。本文設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的數(shù)字電視視頻信號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)，滿足節(jié)目的監(jiān)控需求，還可以解析出故障發(fā)生的原因并給出解決建議，提高了電視信號(hào)監(jiān)控的能力。