广西电视台播出授时系统防跳变方案

□ 蒙寿勇

广西电视台播出授时系统防跳变方案

□ 蒙寿勇

该方案通过增加冗余GPS卫星时钟天线和高稳时钟增加时钟信源可靠度，利用RS-485通讯协议和NTP协议实现时钟信号的可靠传输，播出子网的VLAN划分减少病毒感染对授时系统的威胁，用软校时和播控软件内部时钟的方法，避免播出系统时间跳变对安全播出造成影响。

GPS时钟；高稳时钟；恒温晶振；RS-485；瞬态保护；NTP；软校时

授时系统是广西电视台播控系统的核心子系统之一，为全台包括播控系统、编解码系统、新闻演播系统在内的关键系统设备提供时钟信号，因而如何保证授时的准确性，降低甚至杜绝时钟跳变的发生是整个播出安全的重要议题。

一、系统需求分析

广西电视台原有授时系统由一个卫星时钟天线、两台GPS时钟信号发生器、一台时码到换器、若干时码分配器、RS-232传输设备以及IP授时终端构成。

（一）原系统时钟跳变的原因

造成时钟信号跳变的原因有时钟源跳变、信号传输受到干扰、本地时钟跳变等，详细如下：

1.系统存在单溃点，卫星时钟天线为授时系统中的单溃点，且卫星天线必须置于室外露天放置，因而容易受到天气、电磁辐射、鼠患等外部环境的影响和干扰。

2.授时信号传输接口不可靠，授时信号采用RS-232串口协议，主要有以下不足：接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片；传输距离不够远，不超过50英尺（约15米）；采用不平街的发送器和接收器，容易产生信号间的干扰。

3.自愈能力弱，原系统、时钟信号来源完全依赖外部GPS时钟信号，对外依存度极高，一旦接收到的GPS信号异常，将直接威胁授时系统信源安全，甚至造成时钟跳变。

4.采用硬校时，原有授时系统的授时终端采用硬校时的方式，当授时系统时间异常时，设备直接将获取到的错误时钟对本地时钟进行校时，造成本地时钟跳变。

5.局域网病毒攻击，系统GPS卫星时钟发生器作为一级时钟源，直接对二级时钟源进行授时，二级时钟源通过局域网对所有IP设备进行网络授时。一级时钟源具备原生抗病毒特性，但二级时钟源处于局域网中，有遭受病毒攻击的风险。

（二）新系统的拓展方向

原有系统的不足可通过解决时钟跳变问题来解决：增加信源的冗余，消除单溃点；采用更可靠的接口协议，确保时钟信号准确无误，可传输到下级设备；改进局域网校时机制，把好防止时钟跳变的最后一关；完善播控软件的时钟同步机制，当时钟跳变既已发生时，保障节目播出串联单不错乱。

二、系统设计方案

（一）信源端

广西电视台播控部主要采取以下两个手段提高信源的可靠度和健康度。

1.增加新的冗余GPS卫星时钟天线，增强信源可靠度。

原系统只配备了一部GPS卫星时钟天线，属于典型的系统单溃点，存在设备老旧和承受外部干扰的巨大威胁。此外GPS卫星时钟天线相较于其他设备，价格较低，搭设简便，投入和产出比巨大。因而配置冗余的GSP卫星时钟天线是消除单溃点的首要选择。

2.增加本地高稳时钟作为信源信号的多重保障。

增加GPS时钟天线解决了外部信源的单溃点问题，但不能解决原系统原有的授时系统对外依存度高、自愈能力低下的问题。因而需要增加本地高稳时钟作为信源信号的多重保障，降低对外依存度，提高系统自愈能力。

卫星时钟作为高稳时钟的锁相校准时钟源。外部输入的时间码输入高稳时钟，经判断认为正确之后，读入时间码校准高稳时钟，同步分频网络使本地时钟的相位跟锁相校准源一致，若输入校准源发生故障，将已锁相的时钟信号不间断送往下游。锁相后时钟信号与另一路卫星时钟源共同接入时码选择器，此作为一级时钟源。如图1所示：

图1 改造后的一级时钟源结构图

高稳时钟的核心部件是恒温控制晶体振荡器，利用恒温槽使晶体振荡器的温度保持恒定，将由周围温度变化引起的振荡器输出频率变化量削减到最小的晶体振荡器，将石英晶体振子置于内部的恒温槽中，振荡电路置于外部的恒温槽中进行温度补偿，实行双重恒温槽控制法，使振荡器频率稳定度至少保持在10-9。其原理如图2所示。

图2 恒温晶体振荡器原理框图

（二）传输层

1.授时信号接口采用RS-485协议替代RS-232协议，保证信号传输可靠性。

RS-485克服了RS-232C的多种缺点，具有显著优势：传输距离远，最大的通信距离约为4000英尺（约1219m）；抗干扰能力强，采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗噪声干扰性好；工作电平值低，不易损坏接口电路的芯片；高频瞬态保护，一般在切换大功率感性负载或闪电过程中都会产生幅度很高的瞬态干扰，如不加以适当防护就会损坏通信接口。瞬态干扰可以采用隔离和旁路的方法加以防护。隔离保护方案将瞬态高压转移到隔离接口中的电隔离层上，由于隔离层的高绝缘电阻，起到保护接口的作用。旁路保护方案利用瞬态抑制元件，将危害性的瞬态能量旁路到大地。如图3所示。

图3 瞬态保护电路

2.二级时钟源通过RS-485接口接收一级时钟源送达的时钟信号，二级时钟源通过局域网对网络中的IP设备进行网络授时。

原系统中只有主备两台服务器作为二级时钟源，用于接收一级时钟源通过RS-232接口送达的时钟信号，再将接收到的时钟信号分发到局域网里的所有IP设备，因而不具备子网故障和病毒隔离能力，可对播控局域网IP设备进行VLAN划分，分为播出子网、字幕子网、周边设备子网、灾备子网，每个子网配备一台二级时钟源，提供子网故障和病毒隔离能力。一级时钟源和二级时钟源之间为树形拓扑结构，如图4所示。

图4 树形拓扑结构图

各个二级时钟源之间既互相独立又互为备份，正常工作模式下，二级时钟源之间互不干扰，互不交叉。独立的VLAN子网可以限制故障域，起到故障和病毒隔离的作用。当某一个二级时钟源发生故障无法对外工作时，剩下的任何一个二级时钟源可以都可以接管其工作，直至故障恢复。如图5所示。

（三）客户端

1.授时客户端软件增加防跳变功能

时钟源与本地时钟差别过大时不进行校时。本地时间和时钟源时间不一致，是造成本地时钟跳变的直接原因，当两者差别过大时，强行校时会直接影响播出系统的正常工作，直接威胁安全播出。给授时客户端软件增加防跳变功能可以将时钟源跳变对播出系统的影响大大降低。

图5 二级时钟源接管示意图

2.增加软校时功能

当前播出系统校时普遍采用硬校时方式，即软件进行校时时，会即刻将本地时钟与时钟源进行校准，对时钟跳变不敏感的设备影响小，但诸如播控设备等对时间跳变极其敏感的设备，造成的后果往往是灾难性的。

因而需要另一种校时机制——软校时。当需要校时时，并非即刻校准，而是在未来一段时间内逐步将本地时间与时钟源校准，防止硬校时产生本地时钟跳变。NTP协议提供了软校时功能，因而为广西电视台播控系统所采用。

NTP协议可以采用多台服务器，通过不间断的监控自动选择最佳服务器；并且，若一台服务器失效，将会自动选择另一台正常服务器。对此，可以在任何操作系统运行NTP，包括 Windows、Linux、FreeBSD 和 Mac，因而符合广西电视台播控系统中存在多种操作系统设备并存的现状。

（四）应用端

播控相关软件增加自身软件时钟。给播出相关软件增加时钟计数器，当软件时钟与本地时钟出现误差时，以软件时钟自行运行，保证软件正常工作。这是防范时钟跳变对安全播出的最后一道技术护栏，即使由于强大外力或不可知因素导致授时系统时钟出现跳变，也不会即刻影响安全播出，给技术人员赢取充分的时间修复故障点。

三、结语

该方案对授时系统整个路由进行了全新的优化和升级，通过增加冗余GPS卫星时钟天线和高稳时钟增加时钟信源可靠度，利用RS-485通讯协议和NTP协议实现时钟信号的可靠传输，播出子网的VLAN划分减少病毒感染对授时系统的威胁，用软校时和播控软件内部时钟的方法，避免播出系统时间跳变对安全播出造成影响。

1.王久鹏,尚春阳.一种基于GPS的校时系统[J].现代电子技术,2008（13）.

2.黄沛芳.基于NTP的高精度时钟同步系统实现[J].电子技术应用,2009（07）.

（作者单位：广西电视台）