重庆高清电视监测系统技术特点分析

2014-07-02冉军，王骆

电视技术 2014年16期

关键词：码流高清监测

冉军，王骆

（重庆广播电视监测台，重庆 401147）

重庆高清电视监测系统技术特点分析

冉军，王骆

（重庆广播电视监测台，重庆 401147）

根据多年的业内工作经验，重点从方便使用和维修的角度，在系统设计时采用TS over IP技术，实现多媒体的融合监管，针对高清转码后录像存储设计了磁盘预分配结合分时按区块存储的方案，降低磁盘读写频率并有效解决了磁盘碎片问题，增加磁盘使用寿命；采用标准的H.264/AAC编码，TS流封装，解决了Windows下直接播放的问题，板卡设计了“零配置”更换。通过一年多部署运行，该系统解决了困扰重庆广播电视监测台多年的技术难题。

高清；嵌入式结构；VLC；板卡零配置更换

1 系统总体解决方案

1.1 需求分析

重庆广电集团（总台）重庆卫视频道高清信号播出后，为确保重庆卫视高清信号安全播出，重庆广电监测台将建立一套信号监测系统，对该信号的播出质量和效果进行监测，对节目内容进行监听监看。系统建设的一期工程主要是对重庆卫视1路播控高清信号HD-ASI、1路市有线电视总前端高清信号（H.264编码）和1路高清卫星信号（AVS+编码）进行监测。其中播控和卫星信号录像存储7天，有线信号录像存储1个月。

根据以上需求，解决方案如下：

卫星高清信号、播控高清HD-ASI信号及有线高清信号分别通过BHQP41多通道DVB-S/S2卫星数字电视监测卡、BHA31多通道ASI码流监测打包卡及BHQA68多通道DVB-C有线数字电视监测解扰卡完成所需功能。

重庆广电监测台中心机房分别采用Trini⁃tyAres-Server广播电视集中监管平台服务器、Trini⁃tyAres-Display多画面监测报警系统完成系统的统一管理与前端节目的多画面显示。

1.2 系统设计目标

面对信号监测的实时性、准确性、安全性、可靠性等要求，监测系统的建设遵循以下原则：

1）稳定性、可靠性

整个系统能够长期稳定运行，保证解调、解扰、解码正常稳定，视音频清晰。

2）扩展性

系统利用整体IP架构，对于广电业内的数字信号、模拟信号以及全部中波、调频等广播信号全面支持，利用信号转码功能实现模块化操作。系统以开放式协议监测，能够实现与其他软件与实用设备的良好对接。

系统具有分布式和业务抽象理念，做到业务展现和数据处理分离，能够平滑地实现多种监测前端扩容。

3）标准化、个性化

系统在完全遵循总局协议的基础上，进行协议层面的完善，使得业务处理更加精细[1-3]。具有良好的开放性，能够与多种协议互联。

4）安全性

系统具有完善的、安全的、模块化的访问机制，能有效控制不同权限人员的操作范围。系统具有认证机制，能有效控制非合法监测前端的接入[4-5]。

5）易用性

系统具有良好的易用性，面向不同部门职能的用户提供对应的一体化页面，能够在不切换页面的前提下，完成日常工作。系统对业务操作程序进行一定简化，以引导方式完成目标输出，这种方式有效避免了多重配置以及重复输入的弊端。

6）易监护

系统可以对维护信息进行整合，检测设施能够做到自动诊断自动纠错，能够及时对不良运行环境进行预警，有利于工作人员进行问题定位。

系统提供零配置更换故障模块，保证系统正常运行，避免维护人员重复工作。系统支持批量升级前端软硬件，作为分布式前端，减少维护人员的工作，同时能够有效避免误升级、漏升级，为系统功能扩展提供便利条件。

1.3 系统拓扑图

信号监测系统拓扑图如图1所示。

图1 信号监测系统拓扑图

1.4 系统组成详述

1.4.1 重庆监测台中心平台系统

1）广播电视集中监管平台

中心机房配置1台TrinityAres-Server广播电视集中监管平台服务器，实现对1市和33区县分前端监测信息进行系统整体监控；B/S构架具有一定优势，能够实现系统的分布化管理与网络化评测，整合了实时动态监测、业务分配、数据搜索等多元化功能。

录像存储在中心平台服务器，有线高清存储1个月，播控和卫星高清信号存储7天。按4 Mbit/s码率进行存储，所需存储空间为T=4 Mbit/s×3 600 s× 24 h×30 d÷1 024÷1 024÷8+2×4 Mbit/s×3 600 s×24 h× 7 d÷1 024÷1 024÷8=1.24 Tbyte+0.58 Tbyte=1.82 Tbyte。

2）中心多画面显示系统

配置1套TrinityAres-Display多画面监测报警系统，以画面组合的方式集中展示1个总前端（1路播控、1路卫星和1路有线）和预留33区县前端回传的共36套高清电视节目视音频画面。可实现重点节目在各个前端转播情况的比对监看，采用1块大屏进行集中显示，同时预留1块大屏的显示能力。

1.4.2 总前端系统

1）卫星高清信号监测

配置1块BHQP41多通道DVB-S/S2卫星数字电视监测卡，实现1路高清卫星信号传输、信道监测、参数分析、码流输出等功能。

2）播控高清HD-ASI信号监测

配置1块BHA31多通道ASI码流监测打包卡，实现1路高清播控HD信号的TS流监测。只需1块板卡，就能够实现2组8路ASI信号的传输、码流分析以及TS over IP输出功能。板卡对已经输入的TS流进行R101 290三级错误预警；并将输入的8路TS流打包，在1个千兆网口输出。

3）有线高清信号监测

配置1块BHQA68多通道DVB-C有线数字电视监测解扰卡，实现1路有线高清数据的解码、排干扰、信号强度监测、码流预警以及TSover IP整合输出功能。

2 系统优势特点

2.1 广播电视集中监管中心系统的优势和特点

1）先进的系统构架

后台数据的收集、整理，软件功能的实现均采用C/ S架构，运行稳定，同时独立性较强，效率较高。

终端业务展示利用C/S架构具有较高操作性，能够灵活面向不同用户展开服务。

2）规范化和创新化

本系统利用开放式协议模式，对总局协议进行优化整合，第三方前端可以无缝接入。

在总局协议基础上拓展个性化业务，实现更精细的操作，如针对具体频道的转码码率设置、报警开关、报警门限设置、扩充频道丢失、频道变更报警协议等。

3）模块化、层次化

（1）监管系统以框架形式存在，具有多层运行体系以及开放式结构，在不同的业务需求下，进行定向模块挂载，使权限设置与监控更加严密，依照需求进行模块选择，有利于业务的便利开展。

（2）将业务展现和数据处理分离，监管系统完全兼容模拟电视监测前端，并且在扩充对IPTV、手机电视等新媒体监测前端的接入时，也能够平滑实现。

（3）当监测前端数量扩容的时候，无需修改软件即可接入。

（4）各个功能模块具有相对独立性，能够以服务器运行需求进行灵活配置，达到负载均衡的目的，为未来的系统拓展奠定了基础。

4）低风险性和高稳定性

（1）基于Microsoft.Net Framework3.5框架进行功能开发，能够实现高效安全保障，例如信号加密、身份验证等。

（2）系统通过Web进行认证，避免了风险登录情况发生，从而使平台安全性得到保障，实现了全天候的稳定信号传输。

（3）同一用户相同IP地址多次尝试登录失败，自动锁定账号，保护用户密码安全。

（4）提供监管系统、数据库的备份策略。

（5）系统建立了完备的错误探查、跟踪系统，如果平台信号出现异常，系统能够实际进行排查，并迅速解决问题。

5）业务流程化

系统提供良好的权限机制，能够针对不同部门设置不同的前端和功能权限。系统提供独特的值班页面，包括面向值班人员的值班管理页面、面向监听监看人员的录像比对页面等。

2.2 关键技术

2.2.1 基于TSover IP多媒体融合监管

传统广播电视信号监测各个系统独立，无法统一值班管理、系统运维、统计报表输出以及不同信号的比对监听监看，因此采用基于TS over IP的多媒体融合监管架构如图2所示。

图2 基于TS over IP的多媒体融合监管架构

采集测量层板卡实现不同信号统一接入，采集数据输出进行数据分析、内容收录、下载，通过控制层实现视音频信息、报警信息汇聚到统一的监管平台，进行业务存储，最终由业务管理层进行管理，实现统一的视音频信号监测管理和运维管理调度。

1）采接测量层数字电视解调、解扰、监测和TS over IP

监测解扰卡对信号进行解调，对加密节目进行解密，进行信道层面、码流层面的监测，并把监测结果通过IP网络输出，同时监测终端把TS码流按照IP的格式打包成TS over IP，组播到IP网络中，供后一级处理，流程如图3所示。

具体细分为FPGA模块、抗干扰模块、嵌入数据分析器、同频次动态存储器、模块、端口接入等。

图3 监测解扰卡的信号流程

（1）FPGA模块：该模块能够对并行码流执行换成打包操作，同时将数据传输与嵌入到数据分析器。

（2）抗干扰模块：该模块由CIMAX和CA卡组成，将加密码流进行输出，并增强其抗干扰功能，之后并入FPGA模块，如果输入信号没有进行加密，那么输出数据将不做修改，CIMAX与DSP之间进行解码操作，CA大卡则对小卡信息进行读取并获得授权。

（3）嵌入数据分析器：该分析器的代码来源于闪存模块，并将信号置入存储器中进行处理，在信息初始化中，通过闪存信息的配置，对FPGA相应模块做出处理，其中包括网络地址的分配、组播地址分配、MAC地址、系统运行模式等，这些程序完成后，分析器对码流数据进行提取，将其从缓存模式转变为随机存储模式，并对该数据信号进行分析。

（4）同频次动态存储器：该存储器主要用于系统数据的缓存功能，整合系统运行参数，该模块主要提供处理器运行的数据存储空间，FPGA模块的数据在达到一定积累量后，就会将数据进行转移，在该模块进行后期处理，同时处理器针对码流进行的数据分析也在这一空间存储，最终实现网络端口发送。

（5）闪存模块：该模块能够存储系统内核、数据库代码以及码流分析等相关信息，码流检测运行后，该模块会提供处理器所需代码，并将其置于SDRAM中进行计算，并将配置信息与参数进行配对，处理器将从端口接入获得配置信息，同时该信息将会存储在闪存模块。

（6）端口接入：端口接入被划分为4个通道，分别为组播数据分析、TS流、网络地址、配置通道。其中TS流能够提取处理器的码流数据，并进行网络配置。组播数据分析则能够将码流检测数据、PSI/SI表格信息、信息通道数据等进行整合和网络传输。网络地址通道主要针对设备的工作动态、地址分配以及板卡分类等进行配置，并将其纳入网络组播。配置通道主要接收客户端信息，并将这些数据进行整理后转移到处理器进行数据处理。模块关系图如图4所示。

有线数字电视接收器采用NXP（恩智普）公司的专业调谐解调器（TDA18252+TDA10024）完成，器件在接收处理有线射频信号过程中，提供大量的信号状态指标。具体检测指标包括射频信号锁定状态、信号电平、调制误差比（MER）、误码率（BER）、误差向量幅度（EVM）、载噪比（C/N）、比特信噪比（Eb/N0）、信号质量、频率偏移、符号率偏移等。采用符合DVB标准的CAM大卡解扰技术，解决了数字电视加密流视音频监测的问题。

图4 模块关系图

2）平台层设计

平台层由内容转码运行维护、监听监看、业务管理、业务支撑、控制层、内容收录/下载、数据分析这6个模块构成，模块之间相互独立，接口通过HTTP协议、TSover IP方式、Web API进行数据传送。

（1）内容处理层面包含两个角度，一是内容落盘存储，二是数据分析。内容落盘存储涉及转码、收录和下载处理；数据分析涉及EPG分析、网页分析、视频异态分析、音频异态分析和特征内容分析（包括错播监测、广告监测、新闻监测等）。

（2）业务控制主要完成配置、调度、汇聚功能，例如收录、下载任务调度、视音频传输路径调度、报警信息汇聚上报等。

（3）业务汇聚是指对各类业务的聚合，包含业务操作的聚合和业务数据的聚合。业务操作的聚合通过后台Web服务来实现；业务数据的聚合通过多实例数据库来实现。

（4）业务管理是指业务的表层，包含各类链路资源的管理，各类视音频内容的管理，各类电视信号质量、指标、合规性、完整性等方面的监管，统一的检索查询、统计报表，对各类异态报警的回看复核，以及指挥调度管理等。

（5）报警与指挥层面主要完成信息的延伸传递。一方面，平台通过多画面、全景报警的方式，利用大屏幕、音响系统、短信等方式将播出故障信息传递给值班人员和决策人员；另一方面，决策人员利用指挥调度平台的视频会议系统来开展播出安全问题的告知、研讨、指导与指挥工作。

2.2.2 磁盘预分配/分时按区块存储

传统电视视音频录像数据的转码存储，其存储特点就是数据量大，存储节目比较多，存储周期一般在一周或者一个月。采用传统的文件存储方式，需要每天进行文件删除操作，长期下来会产生大量的磁盘碎片，导致存储访问速度急剧下降，同时缩短存储的寿命。

针对该问题，设计了磁盘预分配/分时按区块存储的方案。具体方案如下：

1）磁盘预分配就是按照每个节目的存储要求在存储上预先分配好连续的存储空间，并预先建立时间两级索引文件。录像时系统存储的音箱数据进行分类，以实践排序或者文件大小进行排序，进行磁盘写入，同时将索引文件进行预制，然后，将该文件依照既定顺序进行输入，这种方式能够实现磁盘的低频次写入，延长其使用寿命，通过索引数据，能够实现相关文件的高效搜索。

2）分时按区块存储，对文件系统操作并行写数据会导致文件系统操作硬盘扇区跳跃，导致了写入效率低下，采用并发节目分时控制策略可以有效降低由于并发导致数据写盘的速率降低。按区块提交的方法是解决小数据的频繁提交导致性能降低以及大数据提交导致的数据延迟矛盾。

以上方案经过测试，磁盘存储效率相对以往提高30%以上，磁盘存储寿命提升，系统从试运行到现在，无任何硬盘更换，原来项目中基本每半年需要硬盘更换，录像支持实时访问，最小录像查看延迟5 s内。

2.2.3 易管理、易维护设计

为了提高系统可维护性，在以下5个方面做了设计改进：

1）系统采用统一的嵌入式架构，为今后一站式升级、维护与管理创造了条件。

2）嵌入式设备能够支持SNMP协议，使系统运行更稳定，故障排除更及时。

3）嵌入式设备支持SNMP协议方便故障和运行状态的维护。

4）全IP输入输出方便实际接入码流定位问题环节。

5）系统支持远程批量升级，方便维护软硬件版本。

6）板卡零成本更换，在板卡设计中，需采用独立模块，在板卡进行更换时，模块将予以保留，以此实现零配置更换，使系统维护更便捷，维护成本有效下降。

2.3 监测前端系统优势的特点

2.3.1 支持高清节目的显示监测

1）完全基于IP构建

本系统完全基于IP构建，便于信号的统一调度，也能够对信号传输范围的增加进行动态跟进，使系统施工更为便捷，维护成本有效降低。同时该技术支持UDP，HTTP，RTMP，RTP等传输模式，支持TS，FLV等类型封装格式。

2）高清、标清信号解码

支持MPEG-2，MPEG-4，AVS，H.264等格式的高清、标清信号解码；支持MP3，AAC，DRA的音频数据解码。不同系统能够实现多路高清节目，并且MPEG-2支持5.1声道伴音进行信号解码、数据监测、音柱分色显示等。立体声信号则以左右双声道模式独立监听，并支持立体电视频道的监看、监测与录像。

3）标准H.264实时转码

视频信号TS流主要以MPEG-2格式实现数据压缩，以此保证用户终端获得画质较高的图像。但是由于宽带资源限制，MPEG-2压缩后，比特率值相应增加，所以不适合进行后续处理，H.264能够以更低的比特率提供相同质量的视频信号，因此将MPEG-2格式转码成H.264格式。

采用专业编码算法输出标准的H.264码流，在客户端可以通过Windows Media Player或者VLC等通用流媒体播放器直接播放，方便使用。

4）准确的视音频数据追踪

支持静态画幅、黑场、视频索引、解码错误、彩场、台标错置等一般故障的监理，同时能够对音频进行有效监控，例如音频不同步、音量高低失调等。如果视频出现故障，系统能够以帧为单位进行检测，对其进行区域界定。如果音频出现异常，系统能够准确分辨伴音以及杂音，分别对双侧声道以及立体声进行监测。

2.3.2 广播电视信号统一监测平台

该平台采用嵌入式设备构架，能够实现不同类型的影音数据板卡与监测机箱进行链接，设置有统一数据监控平台，使全部数据实现网络内运行，增加操作的灵活性和可塑性，有利于未来广播电视数据技术的进一步拓展，便于实施更为简捷的维护。

通过监测信号的网络数据打包，从而实现网络组播，使网络数据传输更为精准迅速。各种源代码数据打包后，均能够进行网络数据封装。传输流技术的利用，可以将既有数据进行整合打包，加上UDP等协议进行相应封装，使拘束传播更为规范，从而实现高质量的网络组播。TS流通过IP组播后，应用性更加灵活，可以不受区域和时间限制，进行节目的录制和监理，操作极为便捷。一般多数据流对于带宽质量有要求，所以千兆以太网已成为该平台运行基础。

2.3.3 嵌入式系统构架

该设计具有高度集成特点，灵活性明显，机箱构架简约，具有良好的布局模式。机箱以4块不同功能模块为满配，模块装载以后运行，热插拔功能良好，模块之间均配置独立接口，配备电源备份。该设计有利于系统的维护、运行以及升级需要，而且还保证了不同类型模块与机箱的兼容性。