廣播電臺總控系統數字化網絡化改造的設計與實現

葉 寧

（作者單位：福州廣播電視臺）

福州廣播電臺以KLOTZ 矩陣為核心的數字總控系統經過十幾年不間斷的運行，設備嚴重老化、硬件出現故障、核心設備單一、沒有冗余熱備份、缺乏智能化監控手段、系統擴展性不足、無法接入多種類型信號等問題日益突顯，系統穩定性降低，安全風險和技術維護難度增加。近年來，隨著數字與網絡技術的發展以及各種新技術的應用，總控系統在信號傳輸和控制等方面更先進、更智能。為了推動廣播電臺發展，結合實際情況，福州廣播電臺決定對總控系統進行數字化、網絡化升級改造。

1 系統設計原則

本次改造按照《廣播電視安全播出管理規定》廣播中心實施細則的相關規定，遵循安全、先進、可拓展的原則，建立數字化、網絡化、智能化的整體功能完備總控系統。

1.1 安全性原則

安全播出始終是廣播電臺第一考慮要素，因此必須首先考慮可靠的方案，選用高質量、性能穩定的設備。同時，系統應能夠安全穩定運行，主備信號應具有兩條不同路由的傳輸鏈路[1]，結構上不允許有單一的潰點，關鍵設備要考慮冗余和備份。此外，系統應具有完備的監控手段，能對整個鏈路所有環節信號進行實時監測監聽、故障告警和自動切換，具有快速處理的能力。

1.2 先進性原則

隨著時代的快速發展，廣播技術發展日新月異，系統改造設計不應僅滿足當前需求，還要考慮未來業務發展的方向，采用先進的設計理念、技術和設備，增強系統的可靠性和靈活性，使其既符合當今時代的發展，又具備一定的前瞻性。

1.3 可擴展性原則

系統設計必須符合國家與行業的相關標準和規范，結構配置科學，具有良好的開放性和較強的可擴展能力。同時要采用模塊化的結構設計并留有一定的余量空間，方便系統的結構調整和規模拓展。

2 系統架構

現有的總控架構有數字音頻矩陣、數字音頻矩陣與AoIP 網絡音頻矩陣相結合、AoIP 網絡音頻矩陣3種模式[2]。

數字音頻矩陣的音頻信號可以通過不同種類的電纜進行傳輸，系統的控制和信號監測則可以通過計算機網絡實現。它的優點在于技術成熟、運行穩定，但設備之間需要大量的線纜連接，整個系統布線復雜，不利于后期維護和管理，數據操作和管理不夠靈活，難以實現任意節點信號的分配調度、遠距離傳輸和信號共享。

隨著網絡技術的發展成熟，基于IP 技術的AoIP目前廣泛應用于廣播電臺總控系統建設中。AoIP（Audio over IP）是指在通用以太網上以IP 流的方式實時傳送非壓縮、低延時的高質量數字音頻信號的技術[3]，它是基于ISO 第3 層的IP 網絡傳輸技術，采用精確時鐘協議IEEE1588 作為媒體時鐘的同步源，利用RTP/UDP 進行數據傳輸，以DiffServ 模型的QoS 實現質量控制[4]。而且，它可以改變傳統的音頻傳輸模式，只需要一根網線即可雙向傳輸多通道音頻信號，通過交換機和AoIP 網絡音頻設備組網將信號分發到任意節點。音頻通路的拓展無須額外增加設備和布線，就可以使得單點對多點的音頻傳輸變得簡便且高效。各類控制監測信號也可以轉換為IP 流信號在同一網內進行傳輸，配合相應的控制軟件即可構建一套完整的網絡監控系統。使用AoIP 技術，不僅簡化了布線結構，節省了設備和線材，降低了投資成本，同時大大降低了系統的復雜程度，減少了中間環節增添的系統風險，增強了系統的安全性和靈活性，方便日常維護管理。此外，通過靈活的信號路由，IP 音頻流可以傳輸到其他播出平臺，拓展廣播電臺節目內容的發布渠道，實現傳統媒體與新媒體的相互融合，這勢必會成為未來總控系統構架的主流發展方向。因此，本次系統改造福州廣播電臺充分應用了AoIP 網絡音頻矩陣。

根據既定的改造目標，考慮到系統的安全性和先進性等，福州廣播電臺決定采用數字音頻矩陣與AoIP網絡音頻矩陣相結合的總控架構。這樣既能保證系統的安全穩定運行，又能使系統具有靈活可拓展的多種功能，符合廣播電臺的現狀和未來發展需求。

3 總控系統構成

以數字音頻矩陣作為主傳輸鏈路，AoIP 網絡音頻矩陣作為備傳輸鏈路形成異構冗余熱備份。總控系統框圖如圖1 所示。

3.1 STUDER Route 3000 數字音頻矩陣系統

本次設計選用的是STUDER Route 3000 數字音頻矩陣系統，其技術成熟、性能優良，由SCORE LIVE數字音頻處理核心機箱、D21m 音頻輸入/輸出（Input/Output，I/O）接口機箱、CNR 矩陣控制軟件系統及RadioActiveMeter 監測軟件組成。此外，本次設計采用音頻信號傳輸與控制管理相分離的設計結構，音頻信號通過光纖、數字與模擬線路進行傳輸，矩陣路由分配、信號切換、監測管理由連接在以太網中的矩陣服務器和監測工作站來控制。

3.1.1 STUDER 矩陣系統硬件構成

SCORE LIVE 音頻處理核心和D21m 音頻I/O 接口箱均采用模塊化插卡式設計，支持熱拔插，方便維護與系統功能拓展。而且，各個獨立的機箱都采用冗余電源備份，主要包含DSP 卡、HD 卡、HOST 卡、同步卡和各種格式音頻I/O 卡等，各板卡數量可根據系統容量需求進行配置，并留有一定的余量。以總控STUDER Route 3000 矩陣為中心與各直播間數字調音臺STUDER OnAir 3000 通過MADI 光纖組成星型拓撲結構，由STUDER RELINK 功能來完成各直播間與總控矩陣音頻信號的共享。總控矩陣與直播間數字調音臺選用同一品牌的產品，各音頻板卡可通用，性能穩定、兼容性好。福州廣播電臺現有4 個直播間和1 個備用直播間，根據需要配備了3 塊DSP 卡、7 塊MADI光纖卡、2 塊16 通道音頻工程師協會/歐洲廣播聯盟（音頻工程師協會/歐洲廣播聯盟，AES/EBU） I/O 卡以及6 塊8 通道LINE I/O 卡，形成了以MADI 光纖為主，AES 數字和模擬信號并存的多種傳輸方式。其中，每塊MADI 卡上均有Main 和Aux 兩組光纖口，當Main 端口光纖有問題時，能自動跳到Aux 端口，實現光纖信號的無縫切換。

3.1.2 CNR 矩陣控制軟件系統

CNR 矩陣控制軟件系統由后臺服務程序、數據庫、Web 端和QT 客戶端軟件組成。后臺服務程序和數據庫采用主備同步機制，一旦監測不到主機的心跳，就會自動切換到備機。后臺服務程序可以對各矩陣設備進行控制，接收矩陣設備的通知電文，按事先設置的計劃模板執行切換任務、執行用戶的手動切換命令和連接回讀命令。工作人員登錄Web 端可進行系統設置、通道設置、組屏設置、用戶信息權限設置、計劃編排、日志管理、連接回讀。啟動QT 客戶端，用戶可按各自的權限對組屏的通道進行連接、鎖定、解鎖及場景的相關操作。值班人員通過客戶端界面可實時監視各組屏的通道連接狀態，根據臨時節目需求和突發狀況手動切換到所需通道。

3.1.3 RadioActiveMeter 監測軟件

矩陣音頻信號通過MADI 卡光纖可以被傳送至監測工作站，RadioActiveMeter 軟件能夠檢測矩陣輸入輸出信號的主要音頻參數，包括靜音、削波、相位等音頻指標，并能進行監聽監測和報警提示。監聽通道的表頭和界面可自行定義，而且可以相應對立體聲顯示、音源、動態監聽、報警時間和報警聲音等進行設置，根據信號的電平、反相和削波等情況進行自動告警和信號自動切換，具有多通道電平彩條顯示、對監聽通道可以選聽或加入輪聽列表自動輪聽、信號監控快照及對所有操作進行記錄的功能。

3.2 AoIP 網絡音頻矩陣系統

AoIP 網絡音頻系統由多臺分布在各節點的AoIP音頻設備和千兆以太網交換機組網，配合相應的控制軟件形成網絡化音頻傳輸和信號監控一體化的智能系統。AoIP 系統構成如圖2 所示。

3.2.1 AoIP 系統主要設備特性

英夫美迪音頻路由器AoIP Box 和網絡智能切換器IBS300 具有冗余雙電源，符合AES67、Dante、Ravenna 等網絡協議標準，雙AoIP 網絡接口可以傳輸熱備份的冗余音頻，第3 個以太網口可用于傳輸網的監測監聽。兩路AoIP 音頻傳輸信號和一路監測信號分別運行在不同的網段，使系統更加安全。此外，還具備4 路AES或模擬輸入輸出接口，可實現多路AES 和模擬信號與IP 音頻流信號相互轉換。

3.2.2 AoIP 系統音頻信號調度

每個直播間各配置1 臺AoIP Box，總控機房配置3 臺AoIP Box 和3 臺IBS300 分別與3 臺千兆以太網交換機連接。每個AoIP 接入節點把各自的音頻信號通過AoIP Box 或IBS300 的AES 或模擬輸入口匯聚到網絡，Dante Controller 軟件對網絡中AoIP 設備各端口進行相應的路由分配。以新聞直播間為例，直播調音臺延時前和延時后節目音頻信號分別經AoIP Box 的AES 輸入口接入AoIP 網絡。根據業務需求調用總控機房中央臺衛星信號、臺外市民中心直播間、交通直播間和音樂直播間延時前節目信號返送至新聞直播間AoIP Box，可以實現新聞直播間轉播中央臺信號、臺外直播間節目及和其他頻率并機直播的目標。AoIP 的這種傳輸方式讓各直播間、外來轉播信號與總控之間的信號調度更加靈活，同時各節點間信號互為備份，利用第三網絡口可對各節點音頻信號進行監聽監測。

3.2.3 智能監控系統

總控系統設備的種類和品牌各不相同，每個廠家的設備都各有一套自己的控制軟件，使得總控系統變得復雜，難以管理。英夫美迪的ControlMaster 監控系統的優勢在于可以采用“內核+驅動”的方式，實現不同設備在一套控制軟件下運行[5]。而且，該系統增加新硬件設備時，不必修改監控軟件的內核，只需編寫相應硬件產品的驅動軟件即可。另外，驅動軟件的接口是開放的，方便其他品牌設備添加到系統進行統一控制。數字音頻矩陣、AoIP Box、IBS200、IBS300、調音臺、Radio Streamer 廣播信號流化器等設備通過編寫并添加相應的AoIPDriver、IBS300Drv、IBS400Drv、OA3Kdriver、rsDriver 等驅動程序接入監控系統。

ControlMaster 的監控系統包含主備服務器和客戶端，通過AoIP 網絡技術采集設備的輸入輸出音頻信號和設備內部狀態數據可以進行實時音頻信號監測、開路信號監測、設備狀態監測、環境參數監測、故障智能判斷、分級報警、音視頻慢錄和日志記錄等。網絡化的監控設計徹底突破了傳統監控方式的限制，不僅允許多人同時監聽，還可以通過NetGap200 網閘將總控內網的IP 信號傳送到辦公網，辦公網終端同樣可以實時監測各路信號。

監控模塊可以通過圖形化的方式與用戶進行交互，監測數據信息可以通過彩條、視頻、系統詳圖、系統簡圖、監聽、波形、報警燈、機柜圖、四選一切換器等各種控件的組合被直觀形象地顯示在屏幕上。用戶界面采用靈活的組屏方式，根據不同的監測需求自主設計監控模板，支持多面板分頁模式，并能夠自動切換頁面。

4 結語

升級改造后的總控系統目前運行穩定，各項性能正常，應急測試結果較好，大大提高了安全系數和工作效率，較好地達到了預期的目標，為廣播電臺節目的安全優質播出提供了更可靠的保障。廣電IP 化發展已經勢在必行，先進的結構設計也為日后全IP 化的總控系統升級留有足夠的拓展空間。