广播电台总控系统数字化网络化改造的设计与实现

叶 宁

（作者单位：福州广播电视台）

福州广播电台以KLOTZ 矩阵为核心的数字总控系统经过十几年不间断的运行，设备严重老化、硬件出现故障、核心设备单一、没有冗余热备份、缺乏智能化监控手段、系统扩展性不足、无法接入多种类型信号等问题日益突显，系统稳定性降低，安全风险和技术维护难度增加。近年来，随着数字与网络技术的发展以及各种新技术的应用，总控系统在信号传输和控制等方面更先进、更智能。为了推动广播电台发展，结合实际情况，福州广播电台决定对总控系统进行数字化、网络化升级改造。

1 系统设计原则

本次改造按照《广播电视安全播出管理规定》广播中心实施细则的相关规定，遵循安全、先进、可拓展的原则，建立数字化、网络化、智能化的整体功能完备总控系统。

1.1 安全性原则

安全播出始终是广播电台第一考虑要素，因此必须首先考虑可靠的方案，选用高质量、性能稳定的设备。同时，系统应能够安全稳定运行，主备信号应具有两条不同路由的传输链路[1]，结构上不允许有单一的溃点，关键设备要考虑冗余和备份。此外，系统应具有完备的监控手段，能对整个链路所有环节信号进行实时监测监听、故障告警和自动切换，具有快速处理的能力。

1.2 先进性原则

随着时代的快速发展，广播技术发展日新月异，系统改造设计不应仅满足当前需求，还要考虑未来业务发展的方向，采用先进的设计理念、技术和设备，增强系统的可靠性和灵活性，使其既符合当今时代的发展，又具备一定的前瞻性。

1.3 可扩展性原则

系统设计必须符合国家与行业的相关标准和规范，结构配置科学，具有良好的开放性和较强的可扩展能力。同时要采用模块化的结构设计并留有一定的余量空间，方便系统的结构调整和规模拓展。

2 系统架构

现有的总控架构有数字音频矩阵、数字音频矩阵与AoIP 网络音频矩阵相结合、AoIP 网络音频矩阵3种模式[2]。

数字音频矩阵的音频信号可以通过不同种类的电缆进行传输，系统的控制和信号监测则可以通过计算机网络实现。它的优点在于技术成熟、运行稳定，但设备之间需要大量的线缆连接，整个系统布线复杂，不利于后期维护和管理，数据操作和管理不够灵活，难以实现任意节点信号的分配调度、远距离传输和信号共享。

随着网络技术的发展成熟，基于IP 技术的AoIP目前广泛应用于广播电台总控系统建设中。AoIP（Audio over IP）是指在通用以太网上以IP 流的方式实时传送非压缩、低延时的高质量数字音频信号的技术[3]，它是基于ISO 第3 层的IP 网络传输技术，采用精确时钟协议IEEE1588 作为媒体时钟的同步源，利用RTP/UDP 进行数据传输，以DiffServ 模型的QoS 实现质量控制[4]。而且，它可以改变传统的音频传输模式，只需要一根网线即可双向传输多通道音频信号，通过交换机和AoIP 网络音频设备组网将信号分发到任意节点。音频通路的拓展无须额外增加设备和布线，就可以使得单点对多点的音频传输变得简便且高效。各类控制监测信号也可以转换为IP 流信号在同一网内进行传输，配合相应的控制软件即可构建一套完整的网络监控系统。使用AoIP 技术，不仅简化了布线结构，节省了设备和线材，降低了投资成本，同时大大降低了系统的复杂程度，减少了中间环节增添的系统风险，增强了系统的安全性和灵活性，方便日常维护管理。此外，通过灵活的信号路由，IP 音频流可以传输到其他播出平台，拓展广播电台节目内容的发布渠道，实现传统媒体与新媒体的相互融合，这势必会成为未来总控系统构架的主流发展方向。因此，本次系统改造福州广播电台充分应用了AoIP 网络音频矩阵。

根据既定的改造目标，考虑到系统的安全性和先进性等，福州广播电台决定采用数字音频矩阵与AoIP网络音频矩阵相结合的总控架构。这样既能保证系统的安全稳定运行，又能使系统具有灵活可拓展的多种功能，符合广播电台的现状和未来发展需求。

3 总控系统构成

以数字音频矩阵作为主传输链路，AoIP 网络音频矩阵作为备传输链路形成异构冗余热备份。总控系统框图如图1 所示。

3.1 STUDER Route 3000 数字音频矩阵系统

本次设计选用的是STUDER Route 3000 数字音频矩阵系统，其技术成熟、性能优良，由SCORE LIVE数字音频处理核心机箱、D21m 音频输入/输出（Input/Output，I/O）接口机箱、CNR 矩阵控制软件系统及RadioActiveMeter 监测软件组成。此外，本次设计采用音频信号传输与控制管理相分离的设计结构，音频信号通过光纤、数字与模拟线路进行传输，矩阵路由分配、信号切换、监测管理由连接在以太网中的矩阵服务器和监测工作站来控制。

3.1.1 STUDER 矩阵系统硬件构成

SCORE LIVE 音频处理核心和D21m 音频I/O 接口箱均采用模块化插卡式设计，支持热拔插，方便维护与系统功能拓展。而且，各个独立的机箱都采用冗余电源备份，主要包含DSP 卡、HD 卡、HOST 卡、同步卡和各种格式音频I/O 卡等，各板卡数量可根据系统容量需求进行配置，并留有一定的余量。以总控STUDER Route 3000 矩阵为中心与各直播间数字调音台STUDER OnAir 3000 通过MADI 光纤组成星型拓扑结构，由STUDER RELINK 功能来完成各直播间与总控矩阵音频信号的共享。总控矩阵与直播间数字调音台选用同一品牌的产品，各音频板卡可通用，性能稳定、兼容性好。福州广播电台现有4 个直播间和1 个备用直播间，根据需要配备了3 块DSP 卡、7 块MADI光纤卡、2 块16 通道音频工程师协会/欧洲广播联盟（音频工程师协会/欧洲广播联盟，AES/EBU） I/O 卡以及6 块8 通道LINE I/O 卡，形成了以MADI 光纤为主，AES 数字和模拟信号并存的多种传输方式。其中，每块MADI 卡上均有Main 和Aux 两组光纤口，当Main 端口光纤有问题时，能自动跳到Aux 端口，实现光纤信号的无缝切换。

3.1.2 CNR 矩阵控制软件系统

CNR 矩阵控制软件系统由后台服务程序、数据库、Web 端和QT 客户端软件组成。后台服务程序和数据库采用主备同步机制，一旦监测不到主机的心跳，就会自动切换到备机。后台服务程序可以对各矩阵设备进行控制，接收矩阵设备的通知电文，按事先设置的计划模板执行切换任务、执行用户的手动切换命令和连接回读命令。工作人员登录Web 端可进行系统设置、通道设置、组屏设置、用户信息权限设置、计划编排、日志管理、连接回读。启动QT 客户端，用户可按各自的权限对组屏的通道进行连接、锁定、解锁及场景的相关操作。值班人员通过客户端界面可实时监视各组屏的通道连接状态，根据临时节目需求和突发状况手动切换到所需通道。

3.1.3 RadioActiveMeter 监测软件

矩阵音频信号通过MADI 卡光纤可以被传送至监测工作站，RadioActiveMeter 软件能够检测矩阵输入输出信号的主要音频参数，包括静音、削波、相位等音频指标，并能进行监听监测和报警提示。监听通道的表头和界面可自行定义，而且可以相应对立体声显示、音源、动态监听、报警时间和报警声音等进行设置，根据信号的电平、反相和削波等情况进行自动告警和信号自动切换，具有多通道电平彩条显示、对监听通道可以选听或加入轮听列表自动轮听、信号监控快照及对所有操作进行记录的功能。

3.2 AoIP 网络音频矩阵系统

AoIP 网络音频系统由多台分布在各节点的AoIP音频设备和千兆以太网交换机组网，配合相应的控制软件形成网络化音频传输和信号监控一体化的智能系统。AoIP 系统构成如图2 所示。

3.2.1 AoIP 系统主要设备特性

英夫美迪音频路由器AoIP Box 和网络智能切换器IBS300 具有冗余双电源，符合AES67、Dante、Ravenna 等网络协议标准，双AoIP 网络接口可以传输热备份的冗余音频，第3 个以太网口可用于传输网的监测监听。两路AoIP 音频传输信号和一路监测信号分别运行在不同的网段，使系统更加安全。此外，还具备4 路AES或模拟输入输出接口，可实现多路AES 和模拟信号与IP 音频流信号相互转换。

3.2.2 AoIP 系统音频信号调度

每个直播间各配置1 台AoIP Box，总控机房配置3 台AoIP Box 和3 台IBS300 分别与3 台千兆以太网交换机连接。每个AoIP 接入节点把各自的音频信号通过AoIP Box 或IBS300 的AES 或模拟输入口汇聚到网络，Dante Controller 软件对网络中AoIP 设备各端口进行相应的路由分配。以新闻直播间为例，直播调音台延时前和延时后节目音频信号分别经AoIP Box 的AES 输入口接入AoIP 网络。根据业务需求调用总控机房中央台卫星信号、台外市民中心直播间、交通直播间和音乐直播间延时前节目信号返送至新闻直播间AoIP Box，可以实现新闻直播间转播中央台信号、台外直播间节目及和其他频率并机直播的目标。AoIP 的这种传输方式让各直播间、外来转播信号与总控之间的信号调度更加灵活，同时各节点间信号互为备份，利用第三网络口可对各节点音频信号进行监听监测。

3.2.3 智能监控系统

总控系统设备的种类和品牌各不相同，每个厂家的设备都各有一套自己的控制软件，使得总控系统变得复杂，难以管理。英夫美迪的ControlMaster 监控系统的优势在于可以采用“内核+驱动”的方式，实现不同设备在一套控制软件下运行[5]。而且，该系统增加新硬件设备时，不必修改监控软件的内核，只需编写相应硬件产品的驱动软件即可。另外，驱动软件的接口是开放的，方便其他品牌设备添加到系统进行统一控制。数字音频矩阵、AoIP Box、IBS200、IBS300、调音台、Radio Streamer 广播信号流化器等设备通过编写并添加相应的AoIPDriver、IBS300Drv、IBS400Drv、OA3Kdriver、rsDriver 等驱动程序接入监控系统。

ControlMaster 的监控系统包含主备服务器和客户端，通过AoIP 网络技术采集设备的输入输出音频信号和设备内部状态数据可以进行实时音频信号监测、开路信号监测、设备状态监测、环境参数监测、故障智能判断、分级报警、音视频慢录和日志记录等。网络化的监控设计彻底突破了传统监控方式的限制，不仅允许多人同时监听，还可以通过NetGap200 网闸将总控内网的IP 信号传送到办公网，办公网终端同样可以实时监测各路信号。

监控模块可以通过图形化的方式与用户进行交互，监测数据信息可以通过彩条、视频、系统详图、系统简图、监听、波形、报警灯、机柜图、四选一切换器等各种控件的组合被直观形象地显示在屏幕上。用户界面采用灵活的组屏方式，根据不同的监测需求自主设计监控模板，支持多面板分页模式，并能够自动切换页面。

4 结语

升级改造后的总控系统目前运行稳定，各项性能正常，应急测试结果较好，大大提高了安全系数和工作效率，较好地达到了预期的目标，为广播电台节目的安全优质播出提供了更可靠的保障。广电IP 化发展已经势在必行，先进的结构设计也为日后全IP 化的总控系统升级留有足够的拓展空间。