电视高清播出控制系统设计

吴 超

（海口广播电视台，海南 海口 570000）

0 引言

在现代广播电视行业，高清播出控制系统的设计与实施是提升节目质量、观众体验以及播出安全性的关键。随着技术的不断进步，全新的高清播出控制系统不仅要求高质量的图像和音频输出，还需要满足实时性、稳定性和可扩展性的要求。本文以海口广播电视台3 个频道的高清播出控制系统为例，探讨如何构建一个高效、可靠的高清播出控制系统。文章将深入分析系统架构的设计原则，以及如何在保证安全播出的前提下优化播出流程，进一步提高系统的经济效益和工作效率。

1 高清播控系统设计原则

设计高清播出控制系统，首要的原则是保证高清视音频的技术指标、播出内容的连续性和准确性。其次，系统必须具备高效的实时处理和传输能力，以满足实时播出的需求。再次，系统还需要具有高度的稳定性和可靠性，避免设备故障造成播出中断。最后，高清播出控制系统应具备良好的可扩展性，以适应技术的快速进步和市场需求的变化，实现新功能和新设备的无缝接入。高清播出控制系统设计需要整合各种播出设备和系统，实现高效的播出流程，在保证播出质量的同时，尽可能降低设备和运营成本，提高系统的经济效益。安全性也是系统设计的重要原则。高清播出控制系统应具备强大的安全防护能力，防止数据泄露、非法入侵等安全问题，保证播出内容的安全。结合海口广播电视台实际需求，根据以上原则，本文设计出的高清播控系统框架如图1 所示。

图1 高清播控系统示意框图

2 信号总控调度系统

信号总控调度系统是高清播出控制系统的重要组成部分，是负责控制信号源调度以及使用的子系统，由总控矩阵、光收发设备、帧同步卡以及延时器等设备组成。设计中以GV FR8144 矩阵机箱搭载144-3GIG-XPT 交叉点卡，配置相应的矩阵控制器、控制面板，辅以高清串行数字接口（Serial Digital Interface，SDI）以及光输入输出卡，组成144×144的总控矩阵，以此作为信号总控调度系统的核心，完成台内外信号的灵活调度，并留有升级空间，可视情况扩容为144×288 的矩阵。总体来看，该矩阵规模已经足以应对高清播出系统需要处理的外场直播、光纤卫星信号、台内演播室、播出服务器、测试信号、循环垫片信号以及全台总控系统分配回送等信号。多余的输入输出接口可用于灵活接入帧同步器、延时器以及收录系统，利用总控系统的灵活调度功能，减少以上相关设备的投入成本。同时，必须在总控矩阵输入输出端增设跳线。若总控矩阵出现故障，可以使用跳线将信号快速调入分控系统，保证播出的安全。

3 播出分控系统

在本项目中，播出分控系统主要承担3 个电视频道的节目播出任务，应具备尽可能高的稳定性、可靠性、安全性。要求主备播出通道交叉备份，主备倒换器具备断电直通功能。正常播出时，由主、备两台播控工作站根据节目单控制切换矩阵进行节目切换，最后将输出信号叠加字幕台标以及响度控制后经过编码送到传输发射系统。播出分控系统包括视音频切换、硬盘播出服务器以及控制设备等子系统结构[1]。

3.1 视音频切换子系统

每个电视频道的切换子系统由高清切换矩阵、字幕机、台标机、键混器、响度控制器、主备倒换器以及传输编码器等组成切换链路通道。根据实际情况分析，所需信号源包括视频服务器主备信号、总控调度信号、录像机信号、央视转播信号、省台转播信号、备播信号、垫片信号以及测试信号等共计15路信号。因此，3 个频道分别配备16×8 的播出切换矩阵主备两台，配备具有静/净切换功能的节目信号（Program，PGM）输出和预置（Preset，PST）输出，可受控于播出工作站和各分控面板进行倒换、触发、保持及跳过等操作，可设置报警参数[2]。

节目信号经过主、备两路通道，依次经过融合台标和字幕的键混器、响度处理器，通过4 选1 倒换开关，分别进入主、备编码器编码后通过光纤送往有线电视机房及无线发射机。为了最大限度保证安全播出，系统设计选用四选一倒换开关，增加了一路备用信号和一路垫播信号。同时，上述通道所有设备间连线均配置了跳线，任何设备出现故障，都能通过快速应急跳线操作，确保系统的可用性[3]。

3.2 硬盘播出服务器子系统

硬盘播出服务器子系统负责提供除了直播与转播外台信号之外的全部节目内容，由播出服务器、二级存储服务器、上载工作站、外来素材接口服务器以及技审服务器组成，如图2 所示。

图2 硬盘播出服务器子系统架构图

备播阶段，对各个部门的节目素材进行整备，将待播的素材根据节目单通过上载服务器或接口服务器迁移至二级存储服务器，同时对素材进行自动技审和人工技审等相关质量检测。临近播出前，再根据节目单以及迁移策略将节目素材从二级存储迁移至视频服务器。应急情况下，也可以将节目直接上载或迁移至视频服务器。

播出阶段，由播控工作站按照节目单控制视频服务器以及视音频切换子系统中的受控设备，进行正常播出或针对应急情况进行处理。

3.2.1 视频服务器

本系统的视频服务器架构设计为三机互为主备模式，每台视频服务器配置两个高清解码通道，分别负责一个频道的主播和另一频道的备播，任何一台服务器故障均不会影响正常播出。服务器性能基本要求是：须为支持长时间不间断连续工作的高性能视频服务器，内置嵌入式操作系统、双电源，具有两个以上工业级千兆以太网卡，对外迁移带宽不小于800 Mb·s-1。播出服务器还需支持Louth-VDCP、RS-422、通用输入（General Purpose Input，GPI）等控制协议；支持文件传输协议（File Transfer Protocol，FTP）、通用网络文件系统协议（Common Internet File System，CIFS）；具有独立的服务器磁盘阵列，支持RAID3/RAID4/RAID5/RIAD6 方式存储及保护技术，有效存储容量不少于12 TB；播出服务器编解码卡、电源、风扇等必须具有冗余设计。上述任意部件损坏后均可在线切换和热插拔更换，确保任意一个部件的损坏不影响播出安全[4]。

3.2.2 二级存储阵列

二级存储系统是承担节目素材中转、迁移、存储的重要部分，因此该子系统的设计应当全面考虑容量需求、数据访问速度、数据的冗余与安全等性能[5]。本项目设计的播出二级存储阵列要求为双控制器，互为冗余，提供故障切换功能，避免单点故障。每控制器包含不少于16 GB 后备高速缓存，每控制器包含2 个万兆接口；要求100 TB 物理存储，支持RAID 3/5/6，配置模块化磁盘存储管理软件，支持多路径管理，提供服务器与存储阵列之间冗余数据路径的故障转移管理。二级存储系统作为播出节目的文件缓存，非当日播出的节目进入二级存储系统中进行存储，然后进行文件技审、人工软审及MD5 等处理。经过审核后，根据迁移策略以及节目单，由二级存储阵列向播出视频服务器进行节目迁移。

3.2.3 技审服务器

为确保安全播出，系统内配置了技审服务器对节目素材进行技术检测，判断素材的数据、文件格式和封装格式等是否满足播出服务器的要求，对可能存在的视音频不正常进行准确的判定。视频检测包括黑场、彩条、静帧、马赛克、YUV/RGB 超标及对比度超标等，音频检测包括静音、音频丢失、响度超标、爆音及相位错误等。报警设置应以帧为精度，由用户定义阈值。自动技审配置应满足标清不低于30 倍速、高清不低于10 倍速的检测速度要求，由软件自动生成技审报告，根据权限和流程分发相关工作站[6]。自动技审软件支持自动和人工复检，检查的结果需保存到数据库，作为重要的节目信息，服务于后续应用。

4 其他系统

4.1 时钟同步系统

时钟同步系统中的主备同步机应支持全球定位 系 统（Global Positioning System，GPS）10 MHz输入锁定、高精度晶振发生，并配置同步信号倒换器，至少具有一组高标清测试发生信号输出。所有设备应具有双电源，以便在单电源时仍能正常工作。配置GPS 或者北斗接收信号，经处理后可提供网络时钟协议（Network Time Protocol，NTP）服务及纵向时间码（Longitudinal Time Code，LTC）输出；具有模拟、数字和精确时间协议（Precision Time Protocol，PTP）同步信号输出，基准时间信号和同步信号应可以分配给全台使用[7]。

4.2 播出监控系统

播出监控系统负责对播出过程进行实时监控和故障处理，主要包括信号监控、设备监控和故障处理3 个部分。信号监控部分负责实时监控播出信号的质量。设备监控部分负责监控所有播出设备的工作状态[8]。故障处理部分负责在发现问题时迅速采取措施进行处理，包括切换备用设备、调整设备参数、维修设备等。播出监控系统的设计和实现需要考虑几个关键的因素：首先，系统需要具有高的实时性和准确性，可以迅速发现和处理各种问题；其次，系统需要具有强大的故障处理能力，包括切换备用设备、调整设备参数；最后，还需要提供丰富的监控信息和友好的用户界面，以便操作人员能够方便地进行监控和管理。

5 结语

本文对高清播出控制系统的设计原则、总控系统、分控系统以及其他相关系统进行了全面的探讨。高清播出控制系统的设计原则强调系统的高效性、可靠性和可扩展性，确保广播电视节目的高质量播出。高清总控系统和分控系统包括视音频切换系统、视频服务器系统以及二级存储系统，保证系统在处理高清内容时的高性能和灵活性。高清播控系统的其他重要组成部分如时钟同步系统和播出监控系统增强整个系统的监控和管理能力。未来，随着技术的不断进步和市场需求的变化，这些系统将继续升级，为观众提供更高质量的视听体验，为广播电视台带来更高的工作效率和经济效益。