廣播電視發射臺站音視頻信號監測系統設計與實現

李學軍

（作者單位：國家廣播電視總局五七三臺）

當前網絡媒體及自媒體的快速發展，要求針對廣播電視的節目制作與運行構建監測管理系統，同時要將廣播電視信號的技術指標，貫穿廣播電視節目制作的整體過程中。傳統技術人員監測運行過程中存在著一定的局限性，需要耗費大量的時間，且監測數據結果不一定準確[1]。筆者開發了一種計算機軟件智能監測的信號系統，能夠對廣播電視發射臺站的音視頻數據進行收集與監測，對數據進行故障診斷與分析，顯著改進了原有人工監測系統運行效率不高的問題，能夠顯著提升廣播電視信號傳輸和播出質量。

1 系統設計概述

筆者在設計發射臺站音視頻信號監測系統時，將該系統運行中的實際情況與具體需求相結合，能夠實現對不同編碼標準的音視頻信號的高效處理，也能夠實現對異常運行信息的自動報警[2]。由此針對系統運行情況設計了可視化的運行操作方式，其能夠同時處理不同形式的各種音視頻信號，并對用戶使用情況設置相應的管理權限和人性化的組織管理方式。

在設計系統運行中的網絡拓撲結構圖時，筆者對系統運行中的各項功能進行細化分析，并對運行任務進行分解，結合據臺站信號流程，設置接收天線、嵌入式音視頻信號采集板卡、主機等網絡運行結構，并在系統運行過程中承擔相應的功能，設計接入層、匯聚層、服務核心層的布置方式。在接入層中完成相關信號的采集工作，在信號源設備方面，主要有衛星接收機、同步數字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）設備、微波收發信機等，同時布置采用現場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）芯片的采集卡。匯聚層則收集系統運行中的各項數據，構成部分有華三通三層交換機、專用路由器，通過網際互連協議（Internet Protocol，IP）格式進行信號的轉換與分析。服務核心層的主要功能在于對大量的數據進行有效存儲與查詢，由此完成匯聚層連接通信工作[2]。本次系統布置中主要采取廣西廣電SDH網絡與臺站局域網的運行方式，對大量信息進行存儲，并提供信息查詢服務。

2 系統功能模塊設計

筆者基于不同信號的處理需求構建不同的功能模塊，主要有以下幾個模塊。

2.1 信號采集模塊設計

信號采集工作是系統構建過程中的基礎性工作，要完成信號源系統輸入信號工作和臺站實時播出信號的接收工作[3]。輸入信號布置中采用了地面衛星接收與光纖接收兩條線路，并分別配置了不同信源的備解調，線路實際運用過程中具備多種不同的格式，有較多的信息需要處理，要求硬件與軟件設備的操作性能良好。此次設計過程中采用了FPGA高速音視頻處理芯片嵌入式采集卡，通過模擬與數字信號的方式，將大量的信息轉變為傳送流（Transport Stream，TS流），由此完成對大量信號的集中統一處理。同時，該系統運用SNTV843M型無線電視監測板卡監測兩路電視節目，設置H.264壓縮作業方式，通過TS流的方式進行信號傳輸，采用SNR601M調頻廣播信號，針對信號管理設置87.5～108 MHz調幅廣播頻率接收范圍，并在0～100%范圍內進行調整。將采樣頻率設置為32 kHz、44.1 kHz、48 kHz 3種，并對信號處理系統設置后續接口的擴展功能。

在信號接收完成后，系統針對接收的大量信號進行初次編碼，采用FPGA+MCU結構，對大量信號進行集中處理，構建以IP封裝的數據包格式，此種數據預處理方式具有較強的包容性，能夠對大量的數據信息內容進行集中處理，從而進行數據的分析與監測。當前，該系統處理過程中已經建設了信源IP化升級改造工程，所以可以對大量的信息進行有效處理與分析，將大量信號轉變為TS流信息，為信號傳輸與處理構建一個處理容器，為信號的傳輸與轉換構建一個有效的發展平臺，其中包括的數據處理信息有節目關聯表（Programme association table，PAT）、節目映射表（Programme map table，PMT），將數據信息轉變為IP包；其中的信號處理格式有H.264、MPEG-4、SDI等，基于傳輸控制協議（Transmission Control Protocol，TCP）或用戶數據包協議（User Datagram Protocol，UDP）對運行中的各項數據進行封裝處理，由此實現對大量信息的集中處理。該系統運用音視頻采集卡可以將臺站播出的開路信號轉變為ASI流碼，實現對多個信號數據的快速傳輸與本地存儲（見圖1）。

圖1 信號轉碼預處理模塊設計

2.2 信號監測報警模塊設計

在信息處理過程中，為了保證信息的真實性與完整性，該系統需要構建監測方式，結合用戶輸入的信號閾值綜合分析判斷是否應當對信息進行報警處理[4]。

在具體作業過程中，要結合信號閾值類型設置相應的報警類型，同時，在具體的分析過程中，要對大量的圖像信號進行有效分析，包括圖像靜幀、視頻過調制等，這些屬于視頻故障信號，音頻領域層面的信號故障主要有音頻偏移、音頻過調制等。筆者針對大量的信號數據設置C#編程語言文件流（File Stream）類；針對不同類別的數據信息設置不同的返回數值，分別對應不同的報警類型；針對檢測到的故障信息，給出相應的預警機制，并對大量信息進行有效處理，由此保證系統能夠有效運行。

2.3 系統管理模塊設計

筆者針對系統運行中的各項信息構建有效的管理應用模塊對大量數據進行維護，并與用戶的實際需求相結合，在實際管理過程中，將各種信號劃分為權限管理模塊、用戶管理模塊、操作管理模塊等，針對不同的管理模塊分別設置不同的管理內容[5]。在權限管理模塊中，用戶能夠結合自身的需求和系統中的相關設計要求等確定管理權限，這直接決定了該系統的功能運行范圍和用戶的登錄信息等。用戶管理權限模塊主要負責的內容為結合用戶的具體身份設置相應的登錄管理系統，包括用戶姓名、賬號、密碼等，可以添加并輸入新的用戶，對原有的用戶進行有效管理，結合使用需要刪減原有的用戶，并對用戶構建有效的管理與維護方式。操作系統管理模塊構建過程中要與權限管理模塊相對應，建立一一對應的關系，對系統中的各項參數進行有效設置，以優化系統登錄的各項參數，同時對系統的使用功能范圍進行有效確定與維護。另外，該系統能夠加強對系統日志的維護，主要包括系統運行過程中的各項事件信息、運行維護信息及報警信息等，從而綜合反映出系統運行中的各項數據運行情況，為系統綜合運行情況的分析提供基本的數據支持。

2.4 監測數據查詢模塊設計

針對系統實際運行情況，筆者設計了相應的數據分析模塊與信息監測查詢模塊，按照信息查詢中設計的條件與指令在系統中能夠得出相應的數值。系統運行過程中主要的監測對象與數據為異態錄像數據、音視頻信號正常錄像。當前，運用較為普遍的一個組合方式為NET Framework 3.5版本中的LINQ to SQL，筆者針對系統運行構建了一個對象引用管理的結構，針對大量的系統運行構建了語言集成查詢（Language Integrated Query，LINQ）數據庫編程模型，將其中的語言結構綜合表示并轉換為結構化查詢語言（Structured Query Language，SQL），并在系統內部予以執行，使用LINQ to SQL針對數據執行結果進行有效分析[6]。另外，筆者還基于數據分析與執行情況構建SQL Server數據庫，給大量的數據建立了綜合性的分析與處理方式，結合數據開始時間與結束時間設置相應的監測管理類對象，并針對數據監測構建時間參數在網格視圖（Grid View）控件中反映需要查詢的各種類型數據信息。

2.5 系統功能、性能測試模塊設計

為了充分保證系統的良好運行，筆者在系統內部構建了相應的功能測試模塊，保證各項系統正常運行，可以綜合采用靜態測試與動態測試兩種作業方式。

3 音視頻信號監測系統測試服務器的配置

功能測試環節的環境與配置，可以從軟件與硬件層面實現，見表1。

表1 系統運行環境硬件配置情況

在軟件相關層面的布置過程中，要考慮并行處理能力與實時性要求，既要保證各項網絡信息系統的穩定性與可靠性，又要在信號處理過程中注意避免出現網絡阻塞與沖突現象。華三通的三層交換機能夠實現大量數據的有效過濾與處理，同時能夠針對系統運行構建支持主播與虛擬局域網。網絡服務器功能布置包括Nginx服務器、錄像存儲服務器、應用數據庫服務器3種形式，廣播電視音視頻往往具有較多的數據，在存儲過程中對存儲硬盤空間具有較大的需求，為此設置4個千兆級速率的網卡，提高網絡信息處理能力。在數據庫服務器運行層面，選擇3.9 GHz的IBM xSeries 255服務器，采用32 GB內存空間。硬盤錄像服務器則選用小型計算機系統接口（Small Computer System Interface，SCSI）10 TB容量大小的硬盤，采用千兆傳輸速率的網絡適配器，系統運行中的相關配置如表2所示。

表2 系統運行環境軟件配置情況

4 系統功能測試

在對系統運行中的各個功能模塊進行分別測試與分析時，重點測試模塊為模擬調頻（Frequency Modulation，FM）采集模塊、數字CDR采集模塊、信號源系統模塊、地面數字多媒體廣播（Digital Television Terrestrial Multimedia Broadcasting，DTMB）采集監測報警模塊、系統管理模塊、模擬TV采集模塊，登錄賬號信息之后，可以在主界面中完成相應操作。

5 系統性能測試

相關人員可以運用仿真模擬系統對系統運行中的各項指標數值進行測試分析，并撰寫測試報告，可采用服務器端測試與網絡測試兩種不同的測試方式，重點測試系統運行中的并行處理能力與負載設備運行能力。測試內容主要包括系統運行中的疲勞程度能力、并行數據處理能力、響應速度等，可使用負載測試工具（LoadRunner）對大量的數據信息進行分析。對觸發器運行情況進行檢測時，可以使用網絡配置測試方式，將測試數據上傳至計算機端運行客戶端，并對大量數據信息進行讀取、接收與分析，全面分析不同頻道中的音視頻信號。測試發現，100個用戶進程訪問所需要時間為97 s，在并發進程時間逐漸增加時，響應時間遞增幅度會逐漸減小，此時系統運行逐漸趨于較為穩定的狀態。筆者通過對壓力測試結果進行分析后發現，該系統在高發狀態下依然具備對大量數據進行處理的能力，與傳統人工監測方式相比具有顯著的應用優勢。

6 結語

本文探討了系統設計的相關情況及其具體的性能測試情況，筆者將系統分為不同的模塊，并對不同的模式運行情況進行綜合分析，其中系統設計方式與運行方式較為良好，達到了較為良好的綜合運用效果，提升了信號監測水平，有利于促進廣播電視節目的順利播出。