广播电视发射台站音视频信号监测系统设计与实现

2022-03-23李学军

西部广播电视 2022年2期

李学军

（作者单位：国家广播电视总局五七三台）

当前网络媒体及自媒体的快速发展，要求针对广播电视的节目制作与运行构建监测管理系统，同时要将广播电视信号的技术指标，贯穿广播电视节目制作的整体过程中。传统技术人员监测运行过程中存在着一定的局限性，需要耗费大量的时间，且监测数据结果不一定准确[1]。笔者开发了一种计算机软件智能监测的信号系统，能够对广播电视发射台站的音视频数据进行收集与监测，对数据进行故障诊断与分析，显著改进了原有人工监测系统运行效率不高的问题，能够显著提升广播电视信号传输和播出质量。

1 系统设计概述

笔者在设计发射台站音视频信号监测系统时，将该系统运行中的实际情况与具体需求相结合，能够实现对不同编码标准的音视频信号的高效处理，也能够实现对异常运行信息的自动报警[2]。由此针对系统运行情况设计了可视化的运行操作方式，其能够同时处理不同形式的各种音视频信号，并对用户使用情况设置相应的管理权限和人性化的组织管理方式。

在设计系统运行中的网络拓扑结构图时，笔者对系统运行中的各项功能进行细化分析，并对运行任务进行分解，结合据台站信号流程，设置接收天线、嵌入式音视频信号采集板卡、主机等网络运行结构，并在系统运行过程中承担相应的功能，设计接入层、汇聚层、服务核心层的布置方式。在接入层中完成相关信号的采集工作，在信号源设备方面，主要有卫星接收机、同步数字体系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）设备、微波收发信机等，同时布置采用现场可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）芯片的采集卡。汇聚层则收集系统运行中的各项数据，构成部分有华三通三层交换机、专用路由器，通过网际互连协议（Internet Protocol，IP）格式进行信号的转换与分析。服务核心层的主要功能在于对大量的数据进行有效存储与查询，由此完成汇聚层连接通信工作[2]。本次系统布置中主要采取广西广电SDH网络与台站局域网的运行方式，对大量信息进行存储，并提供信息查询服务。

2 系统功能模块设计

笔者基于不同信号的处理需求构建不同的功能模块，主要有以下几个模块。

2.1 信号采集模块设计

信号采集工作是系统构建过程中的基础性工作，要完成信号源系统输入信号工作和台站实时播出信号的接收工作[3]。输入信号布置中采用了地面卫星接收与光纤接收两条线路，并分别配置了不同信源的备解调，线路实际运用过程中具备多种不同的格式，有较多的信息需要处理，要求硬件与软件设备的操作性能良好。此次设计过程中采用了FPGA高速音视频处理芯片嵌入式采集卡，通过模拟与数字信号的方式，将大量的信息转变为传送流（Transport Stream，TS流），由此完成对大量信号的集中统一处理。同时，该系统运用SNTV843M型无线电视监测板卡监测两路电视节目，设置H.264压缩作业方式，通过TS流的方式进行信号传输，采用SNR601M调频广播信号，针对信号管理设置87.5～108 MHz调幅广播频率接收范围，并在0～100%范围内进行调整。将采样频率设置为32 kHz、44.1 kHz、48 kHz 3种，并对信号处理系统设置后续接口的扩展功能。

在信号接收完成后，系统针对接收的大量信号进行初次编码，采用FPGA+MCU结构，对大量信号进行集中处理，构建以IP封装的数据包格式，此种数据预处理方式具有较强的包容性，能够对大量的数据信息内容进行集中处理，从而进行数据的分析与监测。当前，该系统处理过程中已经建设了信源IP化升级改造工程，所以可以对大量的信息进行有效处理与分析，将大量信号转变为TS流信息，为信号传输与处理构建一个处理容器，为信号的传输与转换构建一个有效的发展平台，其中包括的数据处理信息有节目关联表（Programme association table，PAT）、节目映射表（Programme map table，PMT），将数据信息转变为IP包；其中的信号处理格式有H.264、MPEG-4、SDI等，基于传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）或用户数据包协议（User Datagram Protocol，UDP）对运行中的各项数据进行封装处理，由此实现对大量信息的集中处理。该系统运用音视频采集卡可以将台站播出的开路信号转变为ASI流码，实现对多个信号数据的快速传输与本地存储（见图1）。

图1 信号转码预处理模块设计

2.2 信号监测报警模块设计

在信息处理过程中，为了保证信息的真实性与完整性，该系统需要构建监测方式，结合用户输入的信号阈值综合分析判断是否应当对信息进行报警处理[4]。

在具体作业过程中，要结合信号阈值类型设置相应的报警类型，同时，在具体的分析过程中，要对大量的图像信号进行有效分析，包括图像静帧、视频过调制等，这些属于视频故障信号，音频领域层面的信号故障主要有音频偏移、音频过调制等。笔者针对大量的信号数据设置C#编程语言文件流（File Stream）类；针对不同类别的数据信息设置不同的返回数值，分别对应不同的报警类型；针对检测到的故障信息，给出相应的预警机制，并对大量信息进行有效处理，由此保证系统能够有效运行。

2.3 系统管理模块设计

笔者针对系统运行中的各项信息构建有效的管理应用模块对大量数据进行维护，并与用户的实际需求相结合，在实际管理过程中，将各种信号划分为权限管理模块、用户管理模块、操作管理模块等，针对不同的管理模块分别设置不同的管理内容[5]。在权限管理模块中，用户能够结合自身的需求和系统中的相关设计要求等确定管理权限，这直接决定了该系统的功能运行范围和用户的登录信息等。用户管理权限模块主要负责的内容为结合用户的具体身份设置相应的登录管理系统，包括用户姓名、账号、密码等，可以添加并输入新的用户，对原有的用户进行有效管理，结合使用需要删减原有的用户，并对用户构建有效的管理与维护方式。操作系统管理模块构建过程中要与权限管理模块相对应，建立一一对应的关系，对系统中的各项参数进行有效设置，以优化系统登录的各项参数，同时对系统的使用功能范围进行有效确定与维护。另外，该系统能够加强对系统日志的维护，主要包括系统运行过程中的各项事件信息、运行维护信息及报警信息等，从而综合反映出系统运行中的各项数据运行情况，为系统综合运行情况的分析提供基本的数据支持。

2.4 监测数据查询模块设计

针对系统实际运行情况，笔者设计了相应的数据分析模块与信息监测查询模块，按照信息查询中设计的条件与指令在系统中能够得出相应的数值。系统运行过程中主要的监测对象与数据为异态录像数据、音视频信号正常录像。当前，运用较为普遍的一个组合方式为NET Framework 3.5版本中的LINQ to SQL，笔者针对系统运行构建了一个对象引用管理的结构，针对大量的系统运行构建了语言集成查询（Language Integrated Query，LINQ）数据库编程模型，将其中的语言结构综合表示并转换为结构化查询语言（Structured Query Language，SQL），并在系统内部予以执行，使用LINQ to SQL针对数据执行结果进行有效分析[6]。另外，笔者还基于数据分析与执行情况构建SQL Server数据库，给大量的数据建立了综合性的分析与处理方式，结合数据开始时间与结束时间设置相应的监测管理类对象，并针对数据监测构建时间参数在网格视图（Grid View）控件中反映需要查询的各种类型数据信息。

2.5 系统功能、性能测试模块设计

为了充分保证系统的良好运行，笔者在系统内部构建了相应的功能测试模块，保证各项系统正常运行，可以综合采用静态测试与动态测试两种作业方式。

3 音视频信号监测系统测试服务器的配置

功能测试环节的环境与配置，可以从软件与硬件层面实现，见表1。

表1 系统运行环境硬件配置情况

在软件相关层面的布置过程中，要考虑并行处理能力与实时性要求，既要保证各项网络信息系统的稳定性与可靠性，又要在信号处理过程中注意避免出现网络阻塞与冲突现象。华三通的三层交换机能够实现大量数据的有效过滤与处理，同时能够针对系统运行构建支持主播与虚拟局域网。网络服务器功能布置包括Nginx服务器、录像存储服务器、应用数据库服务器3种形式，广播电视音视频往往具有较多的数据，在存储过程中对存储硬盘空间具有较大的需求，为此设置4个千兆级速率的网卡，提高网络信息处理能力。在数据库服务器运行层面，选择3.9 GHz的IBM xSeries 255服务器，采用32 GB内存空间。硬盘录像服务器则选用小型计算机系统接口（Small Computer System Interface，SCSI）10 TB容量大小的硬盘，采用千兆传输速率的网络适配器，系统运行中的相关配置如表2所示。

表2 系统运行环境软件配置情况

4 系统功能测试

在对系统运行中的各个功能模块进行分别测试与分析时，重点测试模块为模拟调频（Frequency Modulation，FM）采集模块、数字CDR采集模块、信号源系统模块、地面数字多媒体广播（Digital Television Terrestrial Multimedia Broadcasting，DTMB）采集监测报警模块、系统管理模块、模拟TV采集模块，登录账号信息之后，可以在主界面中完成相应操作。

5 系统性能测试

相关人员可以运用仿真模拟系统对系统运行中的各项指标数值进行测试分析，并撰写测试报告，可采用服务器端测试与网络测试两种不同的测试方式，重点测试系统运行中的并行处理能力与负载设备运行能力。测试内容主要包括系统运行中的疲劳程度能力、并行数据处理能力、响应速度等，可使用负载测试工具（LoadRunner）对大量的数据信息进行分析。对触发器运行情况进行检测时，可以使用网络配置测试方式，将测试数据上传至计算机端运行客户端，并对大量数据信息进行读取、接收与分析，全面分析不同频道中的音视频信号。测试发现，100个用户进程访问所需要时间为97 s，在并发进程时间逐渐增加时，响应时间递增幅度会逐渐减小，此时系统运行逐渐趋于较为稳定的状态。笔者通过对压力测试结果进行分析后发现，该系统在高发状态下依然具备对大量数据进行处理的能力，与传统人工监测方式相比具有显著的应用优势。