电台数字化改造中的若干思考和创新.doc

湖南电台数字化改造中的若干思考和创新蔡成新 湖南人民广播电台总工程师伍商君 湖南人民广播电台立体声台副台长刘育松 湖南人民广播电台技术管理科科长唐 炜 湖南人民广播电台总控科工程师【摘 要】本文阐述了湖南电台播控中心数字化改造项目在理论和工程实践中的若干思考和创新：提出了系统级镜像冗余的概念，设计了基于状态机的矩阵音频路由自动切换系统，开发了基于RME_HDSP光纤声卡的音频彩条监测系统。【关键词】广播播控中心 数字化 网络化 播出安全 镜像冗余 状态机 音频路由 自动切换 音频彩条监测 全局逻辑控制 嵌入式系统一 导语根据广电总局颁布的广播电台数字化网络化建设白皮书（2006）的建议，湖南人民广播电台启动了播控中心数字化改造项目建设。2008年底，全新数字化系统正式建成并投入使用，提升了全台的播出质量和安全等级。在项目实施过程中，通过对主流产品技术的学习和应用，我台完成了播控中心信号生产、交换、分配、监视、监听、报警、日志记录、对讲、传输、补乐十大功能，并最终实现了整个系统的数字化和网络化。二 项目实施中的技术创新点湖南台数字化改造工程从一开始就着眼全局，综合考虑本台技术现状和未来需求，力求实现系统的先进性，安全性和可扩展性。经过论证优化，我们最终选择了德国DHD公司的数字调音台和矩阵系统。项目建设完成后，经国家广播电视规划设计院专家鉴定，所有单机和音频通道技术指标均达到或超过国家广电总局颁布的广播甲级标准。1、 播出安全为首位的技术重点考虑，按系统功能划分责任分区总控是整个播出系统的中心，当技术人员发觉来自直播室或总控室的信号问题时，在总控集中控制处理。如果信号众多，操作人员难以快速找出故障点，容易延长事故处理时间。经过缜密考虑，我们将整个系统分为3个大的责任分区：直播区、总控区、远端发射台站区。对整个技术系统按相应功能进行责任分区：同一区内发生的问题，在同一区内解决，不把问题扩散到下一个分区。事故检测和处理的本地化缩短了停播恢复时间，避免了系统单点故障继续扩大。1.1 直播区的主要职责 图1 直播机房的安全设计直播区的作用在于送出音量合适、相位正确、内容健康的播出信号至总控区。为达到此目的，我们设计了两道安全屏障。首先，实时播出信号需要经过延时器延时才能送往总控，我们采用了“数字延时器（BD500）+模拟延时器（BD960）”的双保险模式。假若调音台数字主用信号丢失，则延时器会自动选择调音台的模拟备用信号作为信号源，在数字延时器正常工作的情况下，能确保PGM2母线送出主输出信号至总控；如果BD500无法正常工作，还有BD960送出的，来自前端PGM1母线的模拟延时信号作为应急输出，直接送至总控信号末级SDH编码器，确保信号安全。我们将数字和模拟延时器的远程遥控接口和RM4200调音台相连，通过逻辑转换将两台机器的删除功能整合成一个逻辑量，再通过导播对讲模块按键和调音台按键联动，保证了直播机房和导播机房都能“一键”删除问题信号。 另外，在播出台没有送出信号到一定时间（例如连续6S无输出）时，设定调音台内部电平监测逻辑，通过GPIO接口远程控制备用CD直接补乐。当主持人发现停播后，只需要送出调音台上的任意信号即可终止CD补乐。这属于软信号中断的情况。1.2 总控的主要功能总控的主要功能是：当从直播区通过不同路由送入总控的信号出现一路或多路故障时，能保证将频道矩阵输出口切换到备用信号上去；在中间设备故障时，能及时将前级信号补入。针对前一种情况，我们开发了矩阵音频路由自动和手动切换功能。在光纤、数字、模拟以及总控应急信号之间实现自动倒备；在某个直播机房出现整体性故障时，能一键切入到备用播出机房继续播出。针对后一种情况，我们在总控每一级主干设备的输入输出口都加入了跳线盘。出现故障时，可随时手动跳转。事实上，在总控主干音频矩阵出现重大故障时，通过跳线盘手动切换方式仍可保证数字和模拟信号的正常送出。1.3 远端发射台站区的任务是将信号安全发射出去，情况和总控大体一致，在此不再赘述2、 直播总控系统设计的镜像冗余和“信源-传输-发射”的一体化考虑，实现了所有播出信号硬件载体及路由通道的双重至多重备份2.1 直播总控系统的对称设计播控系统采用7个播出机房加1个备用机房的“7+1”设计。从RM4200播出调音台输出端开始，采用双MADI光纤、双AES数字电缆和双ANA模拟电缆三种不同的传输介质，分别送入总控两套完全对称的音频矩阵系统（A矩阵和B矩阵）。各频道主输出信号在两套矩阵内部完成自动切换后，又通过上述三种介质分别输出。数字信号和模拟信号经过各自不同的二选一和音分设备，再分别通过多种传输途径如数字微波、SDH网络送往网络广播中心、有线电视网络、全省各地发射台。系统结构图如下（模拟路由与数字路由类似，略去不画）：图2 直播总控系统的“镜像冗余”路由简图每台RM4200矩阵和RM5200矩阵均配备了双核心DSP处理模块和双冗余电源模块，从硬件基础上有力保证了矩阵的安全运行。直播总控系统实施镜像冗余，其一，优化了整体安全性能，由三种不同介质组成的传输通道构筑了纵向安全屏障，而两套完全独立的矩阵系统则形成横向安全壁垒。两者充分保证了主输出信号源的安全性。其二，考虑到将来技术大楼搬迁。在单矩阵运行的情况下，确保所有频道信号调度和传输工作的正常进行，我们的设计保证维持一定程度的播出安全等级（保留了纵向安全屏障）。2.2“信源-传输-发射”的一体化考虑在卫星上行站和主干发射台加装RM4200矩阵系统和相应的监测控制系统，实现多种传输路由的自动和手动切换功能。终端子系统的一致性保证了整体的兼容性和信号传输安全性。3、 巧妙运用矩阵多项基本功能设计出三重智能切换系统RM5200矩阵提供了24条立体声监测母线，可对指定信号进行电平和相位监测。当信号出现问题时可设置报警逻辑，根据需要定义触发时间（0-100s内任选）。在系统安装和配置过程中，我们运用Toobox5软件提供的监测和控制多项功能，设计出多通道路由状态机。3.1 优先级不同的状态机设计单个频道进入矩阵有三种不同传输介质的信号，分别是MADI光纤信号、AES数字信号和ANA模拟信号，我们采用三条独立音频母线分别监测这三种信号。定义三者的报警逻辑分别为A、B、C。以新闻频道为例，令逻辑【XW A】=新闻MADI、【XW B】=新闻AES、【XW C】=新闻ANA，根据预先设定的优先级（MADI信号最高、AES次之、ANA信号紧随其后，应急信号EMERG优先级最低），设定不同的逻辑触发时间（例如MADI光纤信号电平持续低于-40dB达8s以上时，送出一个逻辑信号，AES信号设置为7s触发），即可完成基础逻辑量的构建。下图“hold time”表示的就是可自定义逻辑触发时间。图3 由电平检测信息量定义到高级逻辑的设计利用这三个逻辑的排列组合，可得到我们需要的高级逻辑控制量。如逻辑【XW AES】= B成立，则表示新闻频道的MADI信号丢失而AES正常，触发跳转到AES信号的“启动”逻辑量激活。图4：矩阵逻辑状态机的构造如上图，A逻辑和逻辑为两种状态，B和C也同样具备两种状态，三者的与逻辑一共有8种不同的组合。而在本例中实际应用到的只有4个不同状态，由于这4个状态的优先级是不一样的，将导致冗余逻辑，需要排除。经过认真分析研究和反复试验，我们最终去除了AC，AB ，A，B 四种冗余逻辑，完成了状态机的理论设计。采用Toobox5配置软件提供的“输出功能”【Output Functions】，我们最终将状态机的理论构想嵌入到了矩阵内核，实现了无人值守智能化自动切换备信号；并能保证，在信号恢复后，按优先级设定回归到初始状态，无逻辑死区。3.2 【RM520-015】逻辑状态监测和手动控制面板的加入RM520-015控制面板的加入保证了矩阵在自动选择的同时，还拥有最高优先级的手动切换功能。同时还融入了实时监测自动跳转状态的功能，进一步提高了矩阵系统安全性。在RM520-015触摸屏控制器上，我们增加了“7+1”备用机房一键手动切换，以及总控直接接管频道直播通道两项功能。前者保证了在某直播机房出现无法恢复的重大突发性故障时，能快速切换到备用机房【BY】播出。后者【PASS】键提供了在重大新闻事件直播时，由总控矩阵直接接管任意频道播出路由的能力。图5：RM520-015逻辑状态监测和手动控制面板（触摸屏）在正常运行过程中，这套矩阵路由“手自一体”切换系统经受住了考验，极大地降低了全台停播率，据统计，矩阵启用一年以来，停播率指标保持在0秒/百小时。这套矩阵控制系统是完全嵌入式的，在配置完成以后脱离PC机独立运行，响应时间快（毫秒级），实践证明比依靠外接设备联动的自动切换方案更可靠。4、基于RME_HDSP光纤声卡开发出音频彩条监测系统基于RME_HDSP光纤声卡开发的音频彩条监测系统是我台数字化改造中的又一大亮点。为了掌控进出矩阵的众多关键信号，同时避免复杂的布线工程，使用MADI光纤做监测信号传输媒介，无疑是一个极佳选择（一根光纤可容纳32对48kHz,24bit的立体声数字信号，抗干扰能力强）。我们采用了兼容MADI标准的RME_HDSP光纤声卡，开发出适合本台需求的音频彩条监测报警系统。系统构筑方式大体如下：首先在矩阵内将需要监测的多个信号统一配置到相应的MADI光纤口。 MADI光纤将这些信号送至彩条监测服务器，在服务器上安装RME_HDSP声卡。然后，在windows XP操作系统下，提取声卡底层64路单通道音频信息，再建立音频VU表原理建立数学模型，采用高级语言编写出目标程序，最后通过反复调试，建立了以“光纤声卡服务器+彩条和报警软件”为核心、以交换机和网络终端为载体的局域网监测系统。图6：直播总控网络化音频彩条监测告警系统图在工程实施过程中，我们最终采用了双主监测屏，10个辅助监测屏的设计方案。如上图所示，左边主屏接入AM-xx，负责监测总控末端数字音分和模拟音分的输出状态；右边主屏接入彩条监测和报警信息服务器，通过RME_HDSP声卡接驳A、B矩阵各一条MADI光纤，监测矩阵主干路由输入和输出信号状态。总控监测中心设立10个小监测屏，主要以频道为单位，显示整体系统中各点的详细音频信息，以及总控汇集的所有中央台信号和转播信号的状态。监测子系统做到重点突出，细部分明，有利于播控中心的应急处理和故障排查工作。为了提高总控智能化程度，我们在完成彩条监测软件后，创造性的加入了语音报警功能。当服务器监测到某信号丢失时，相应的彩条会立即闪烁红色，同时通过多媒体音箱直接报出故障信号的名称和位置，便于快速定位故障点，缩短了突发性事故的处理时间。矩阵正式启用一年多时间里，彩条监测系统运行稳定可靠，完全满足了本台播控中心对信号监测的需求。整套系统硬件成本低，具备很好的软件可移植性。经过一定程度的改动，我们进一步将其应用到卫星上行站、主干调频发射台的终端矩阵系统上，节省了购置两套独立监测系统的资金。我们将总控接收的卫星收测信号和FM收测信号通过MADI光纤，送至远离总控室的卫星上行站以及主干调频发射台的监测子系统，为各发射终端提供正确有效的监测信息，避免了发射终端在弱功率发射时，可能出现的本地监测误判情况。5、 利用控制局域网建立全局逻辑控制系统RM4200可转换多种硬件控制协议，将不同制式的控制信号如RS232、GPI/O（通用输入输出控制）、ACI（模拟控制接口）转换成toolbox软件内统一的逻辑变量。这些逻辑变量经过布尔运算即可按照设定需求进行动作，完成相应功能。所有控制信息交换通过定义全局逻辑变量（GLOBAL LOGICS）在DHD系统局域网上进行交互。利用全局逻辑变量，我们设计出很多网络化、智能化功能。例如延时器遥控功能，播出对讲子系统等等，为工作一线人员快速沟通和应急处理提供了便利。三 结束语通过对数字化系统的深入学习和融会贯通，结合不断变化的播控中心技术要求，我们仍在不断地思考和创新。系统自2008年下半年投入使用以后，我台节目的播出安全和播出质量有了质的飞跃，真正实现了广电总局对广播播控中心提出的 “安全、优质、经济、高效”八字方针。本项目同时获得了2009年度国家广电总局科技创新奖。广播电台播控技术发展方向是要