国际广播电台单片机传统时段系统的应用

国际广播电台单片机传统时段系统的应用

1节目播出环节时钟系统在广播行业的作用越来越受到重视。时钟系统在现场直播、节目制作、传输交换等过程中,为导播、主持人、技术人员提供直观、准确的时间信息,在系统设备层次上为其它系统,如播控、录制、设备管理等提供统一的定时同步信号,最终在全台执行统一的时间基准,确保节目播出流程各环节的协调和衔接,确保播出安全,并确保向广大受众提供授时服务的可信度。特别是近几年来,伴随广播电视设备的全面数字化、网络化、信息化和自动化,时钟系统已经成为节目制作和播出环节的标配设备。广电设备需要更高精度的时间同步,设备间的接口类型也是层出不穷,我们对时钟的认识,也不仅仅停留在钟面的视觉误差、时钟对演播室的装饰和点缀等表象层面,而是更关注时钟系统能够提供精确的底层和后台同步,关注时钟系统的稳定可靠性,关注时钟设备人机界面的友好易用、零调整,关注时钟系统能否适应越来越多的接口类型需求的扩展性。这些要求不仅仅针对广电运营机构,也对设备研发机构和供货商提出了更高要求。以下针对中国国际广播电台时钟系统的个案,试图对时钟系统的系统构成、安全应用等方面做出分析。2时钟系统的可靠性和可信性中国国际广播电台的时钟系统于1997年正式投入使用,由青岛市广播电视科研所提供。该系统在国内广电领域首次提出时钟系统层次化、模块化的先进理念,重点优化了校准层、工作层、传输应用层的功能分工、功能衔接、应急处理,同时,该系统汇集了当时国内外时钟系统的最新技术,如GPS、天文台、中央电视台场逆程等多种校时信号的自动比对,双高稳母钟热备份运行,时间信号的应急穿层输出等等。国际台时钟系统稳定可靠地运行了将近十年,目前仍旧具有使用价值。但是近几年来,伴随外在条件的变化和内在需求的不断发展,原有系统已逐渐不能满足国际台的要求,主要表现在以下几个方面:(1)天文台长短波信号因非24小时播发而导致接收利用不方便、费时费心,而国家授时中心新时标发播系统迟迟未投入商业运行;CCTV16H模拟电视信号随着数字电视的蓬勃发展将逐渐停止;北斗校时系统目前还存在诸多制约因素,所以日常应用只能依赖GPS系统,单一的信源对时钟系统的可靠性和可信性的影响是不言而喻的。(2)录音、制作、播出等环节的全面数字化对同步接口的类型、数量提出了更新更高的要求,原有系统经过不断的扩展、扩容,系统逐渐变得臃肿、复杂,设备间烦杂的电缆连接对系统的维护带来不少安全隐患。(3)核心母钟设备、报时设备逐步接近理论设计寿命,要尽早采取措施避免老化因素带来的系统不稳定性,确保播出安全。(4)子钟驱动分配跳线架等因机房改造而多次移位、搬迁,其冗余度已不能完全满足广播事业蓬勃发展带来的扩容需求。综合上述多种因素,国际台时钟系统的改造或者设计升级已刻不容缓。3时钟系统的模拟系统设计新时钟系统的设计必须坚持“先进性”、“可靠性”和“可扩展性”并重的原则,做到既能适应目前的技术需求,又符合国家级电台的特征需求,并能在今后相当长时期内方便地进行扩展扩容。具体体现在以下几个基本点:(1)时钟系统稳定运行,安全可靠,各项技术指标要达到或超过原有标准,符合国家级电台的特征。主要设备都要做到热备份,避免单点故障。核心设备双路热备供电、装备后备电池。(2)时钟系统具有多路、多种校时源,某一或某几信源不可用时,对时钟系统无影响,并留有引入新型校准手段的物理空间和通用标准的技术接口。(3)母钟(守时)单元有精确的自我守时能力,当所有外部校时信号源出现故障或者不可用时,3～6月内具有精确、稳定、可靠的保持能力。(4)时钟系统核心设备全部采用插拔式机箱,所有功能单元采用热插拔式模块式结构,简化相互之间的连接复杂性,提高系统的无故障时间,节约运营维护成本。(5)系统要具有很好的后向扩展性。机箱内留有富余的物理空间和接口类型,能方便地扩容接口数量,扩展、增加新的接口类型。(6)系统要具有良好的前向兼容性,在保证安全的前提下,可充分利用现有的系统设备、子钟设备。(7)研制、配备专用的故障告警监测子系统,由计算机自动监测时钟系统运行数据、记录关键点故障类型和发生时间,出现故障时及时报警、通知值班人员。(8)除满足台内时钟同步信号的需求外,同时留有向远距离外的异地设备提供同步信号的通讯接口,方便台外直播时与台内主控的时间同步。基于上述原则,新时钟系统采用了3套GPS接收机互相作为比对参考,确保校准信号的可靠性,并最大限度地提供现有条件下的可用性。守时工作层包含了两套完全相同的高稳时钟模块,后续切换模块自动比对选择、也可手动应急切换。高稳时钟模块以恒温晶振和铷原子振荡器为频率基准,二者热备份运行,确保长时间高精度和稳定性。系统采用一个专门的插拔式机箱,内置了接口转换、传输应用编码等应用层面的模块类型,预留了充足的空间和插槽,便于将来扩充接口数量、增加接口类型,也大大方便了后面板的接线。时钟系统专门配置了监控计算机,24小时连续不断地检测、记录主要模块的工作状态和时间数据,对设备故障、信号故障等自动告警,大大降低值班人员的工作强度和难度。同时保留了旧时钟设备独立运行,借以参照、验证时间数据的可信度,应急时经由一台手动、无源的切换器,可以作为新系统的应急备份。既充分利用了旧有设备不浪费,还大大提高了时钟系统的综合可靠性和可信度。国际台新时钟系统的总体构成如图1所示。4新时钟系统的主要级别详细介绍4.1系统的管理管理新增2套独立的GPS卫星接收机作为新系统的同步校准信源。二套GPS卫星接收机的前端高频信号处理和解码模块采用不同公司的OEM板,二者基于不同的算法和机理,从而最大程度地避免因卫星信号传输、器件故障、软件BUG等因素带来的系统性差错,同时满足现有技术条件下系统随时校准的可行性。保留上世纪90年代的一套GPS接收机,该设备经过多年验证,可靠稳定,与上述二台新GPS接收机组成3源比对的工作模式,便于后级切换设备选择。GPS接收机前面板除了显示时间数据,还直观地对卫星跟踪状态、可视卫星数量等给予指示,便于人工观测、判断其工作状况。同时,各路GPS卫星接收机的输出信号被纳入监测计算机的监控管理,出现卫星失锁、信号超差等异常情况时,计算机自动给予报警提示,确保信号万无一失、设备状态可追溯。新时钟系统留有备用的接入口,将来增加新的校时方法可以方便地接入,比如GLONASS、北斗、伽利略等系统。这些设备被划分定义为时钟系统的校准层。校准层保证自有时钟系统与外界标准时间机构交换数据和信息的正确性、准确性。否则,时钟系统只可能是“统”而不一定“准”。4.2中心母钟st线作为时间系统,其核心构成是守时单元(或模块),被称为工作层。该层面是时钟系统的核心,是根本,其功能是生成持续不断的、稳定的、可与更高级别的时钟系统进行比对的时间信号,对本地的后续接口层和应用层设备,此信号应该是可信赖、可用的唯一基准。国际台新时钟系统的守时设备为一台母钟和铷原子钟。中心母钟(ST6102D)采用一个4U标准高度的插拔式机箱,各功能模块可以根据实际需求自由组合。此次为国际台设计的母钟具有主备2个高稳时钟模块。该模块设有外部频率基准的输入接口,引入铷原子钟的5MHz振荡信号(其日漂移小于1×10-12),同时每个高稳时钟模块具有独立的内置的高稳恒温晶振,其日稳定度为1×10-9。高稳时钟模块以铷原子振荡信号为基准时,其自运行误差可控制在0.1秒/年,以自有恒温晶振信号为基准时,其自运行误差可控制在1秒/年。铷原子信号为主,恒温晶振信号为辅,两种信号的切换采用全自动无缝隙切换技术,这样双源高稳定度频率信号源可确保时间系统即使没有GPS信号锁相时也能保证极高的可靠性和可信度。高稳时钟模块对GPS信号作统计处理、判断,在GPS信号正常时自动与之同步,此时没有积累误差。另外,高稳时钟模块与GPS信号秒脉冲的同步采取纯硬件方法实现,严格保证二者之间的同步精度控制在1微秒之内,保证了后级设备间同步的指标要求。4.3信号源的选择作为一套完备的时间系统,必须留有紧急情况下进行人工干预、处理的接口和机制,用以应对万一发生的可能故障。国际台新时钟系统在以下三处设计有应急切换的操作:(1)外来同步信号源的选择。中心母钟的SYN同步切换模块对各GPS信号能作自动的比对判断,再同步高稳时钟。同时留有手动切换开关,可以人工强制干预选择某一路GPS信号或者未来接入的其它校时信号,如GLONASS、北斗、伽利略系统等。(2)2套高稳时钟模块的选择。中心母钟机箱内主备2个高稳模块互为主备,自动倒换,但也留有手动切换的开关,可以人工选择。(3)新旧时钟信号的选择。新旧系统的输出信号经由一台手动的、无源的切换器,应急情况下可以选择输出。4.4时码接口转换时钟系统通过校准和守时层面获得了标准时间,接下来就是如何面向各种应用,我们称之为应用层。不同公司、不同功能、不同时期的设备五花八门,其接口类型也极其繁多。而从主控机房内的时钟系统到台内、台外的应用设备之间的距离,从几米、几十米到上百米、上千米,甚至是千里之外,所以应用层的主要问题是接口转换(信源编码)和传输驱动(信道编码),即时间编码格式的问题,所以有时应用层也被称为信号转换层。新时钟系统在时码接口转换应用方面兼收并蓄,可以提供多种接口格式和协议,方便与国内外各种厂家标准接驳,如SZ、SMPTE/EBU、RS485/232等。同时还能提供诸如IRIG＿B、TC89/90等国外标准和PCM、LW485、M＿BNC等第三方接口标准的扩展。国际台新时钟系统设计了一套安置于4U高度插拔式机箱的中心接口阵列,该设备作为校准设备和守时设备的后续应用功能的扩展,包括以下几种主要功能模块:(1)RS485串口子钟驱动模块。主要用于驱动子钟设备,每个模块提供16路标准RS485接口,每个接口可以同时驱动最远1000米外的最多32个子钟。这样设计,既方便了不同演播室或者部门的布线,又提高了信号传输的可靠性。(2)RS232/422分配模块。每个模块提供16路标准串行接口,可点对点为音频工作站、自动播出系统计算机等提供精确的时间同步。(3)SMPTE/EBU信号分配模块。提供LTC码输出,为大部分从国外进口设备提供同步接口。(4)计算机监测接口模块。该模块具有信号汇聚、预处理功能,汇集了中心设备的八个关键模块的时间信号和状态信息,统一提供给计算机监测子系统。中心接口阵列具有扩展空间,未来增加新的接口类型、或者增加驱动接口的数量,都是基于本机箱,而不用改变核心设备的配置,操作简便。4.5广播报时设备的改进时钟系统应用层的外延非常广泛,形式千变万化。如子钟,包括数字式、指针式、数字模拟指针式等形式,此外还有世界时子钟、二联/三联倒计时子钟等。其它应用如电台的报时器、值班机房的定时器、电视屏幕时标器等,再延伸至与网络、通信领域相结合,有网络授时(NTP)、电话校时、时间戳认证等。在广播电视系统内部,电台不同于电视台的重要一点就是电台需要整点广播报时器。电台的六响报时一直是普通百姓对时的主要手段。2000年颁发的新《广播报时信号》国家标准(GB/T4961-1999)与旧国标相比,时间长度压缩一半,起始时间、持续时间和间隔时间等指标均提高了一个数量级,对提高依赖报时信号校准的时钟设备的应用水平非常有益。2006年颁布的《广播报时信号嵌入时间码规范》(GY-T219-2006)是在GB/T4961-1999国标基础上的行标,它在报时信号内加载日历时间编码。目前我们提供给中央人民广播电台、中国国际广播电台的报时设备符合新国标,利用这一途径,一些普通应用场合可以低成本、很方便地获得时间信息。电视台也有与电台不同的需求,如倒计时钟。在节目现场直播过程中,倒计时钟能为导播、主持人、录制技术人员提供直观的剩余时间显示,保证直播节目的定时、定长和完整。倒计时子系统基于倒计时控制器,控制器与主控母钟相连获得标准时间,可预置定时起点和倒计长度,自动实现秒级精确启动,这些设置还可由一台计算机控制,实现不同演播室的交叉控制、信息共享。倒计时控制器采用标准接口和协议,能方便地与不同供货商的播控计算机(工作站)连接,从而无限制地延伸播控时间数据的多方位、多地址、多层面的综合显示和应用。5视频监控系统时钟系统是广播电台、电视台节目制作、播出控制等环节中的重要组成设备之一,基本上都工作于24小时连续运行的模式,其重要性不言而喻。配置时钟系统计算机监测管理子系统,用来实时监测时钟系统中心时钟设备的运行状况,为保障时钟系统的正常运行提供帮助,并可以有效地降低技术值班人员的工作压力和强度,可以全身心地关注更为核心的音视频在线设备的技术指标、及时处理相关的问题。时钟系统计算机监测管理子系统,对时钟系统GPS校准信号、中心母钟的高稳时钟信号、切换输出信号、转换编码信号等共8路信号进行24小时连续不断的监控、记录,出现误码、断码、卫星失锁等异常情况立即产生声光报警,提醒值班员处理。报警的声音可以设定,并设有不同的报警级别。时钟监测网管子系统,需配合中心接口阵列的监测接口模块使用。该模块具有信号汇聚、预处理功能,汇集了中心设备的八个关键模块的时间信号和状态信息,统一提供给计算机软件系统。监测软件的主界面如图2所示。出现故障时,窗口控件会变色并发出声音告警信号。监测程序每秒显示接收到的中心设备八路信号的数据,并比对相互之间的偏差,分辨率为1微秒。可以手动设定比对的基准通道,可以直观地观察各通道相对于基准通道的超前或者滞后情况。6频率同步技术伴随广播电视数字化的发展和普及,很多设备具有外接的标准频率输入接口。如数字音频设备的32kHz、44.1kHz、48kHz等AES/EBU标准,以及wordclock等。数字视频设备的5MHz、10MHz,网络设备的1024kb/s等。上述标准沿用了通信领域的“时钟同步”的概念,按照我们的理解称之为“频率同步”更贴切。基于广电目前的时钟系统,特别是上述内含了恒温晶振(配有铷原子钟更好)的时钟系统,其频率稳定性指标一般要优于5×10-9,经GPS锁相、智能计算和校正之后,甚至优于1×10-10。以此频率为基准,经过频率锁相、隔离等环节,可以比较容易地输出上述频率接口。如此,时钟系统地外延便得以极大地拓展,在此不再赘述。7每次1000公里经过上述优化设计和施工,国际台时钟系统具有以下的特点:(1)gps系统同步时钟系统拥有热备份的恒温晶振和铷原子钟频率源,多源多路的GPS系统同步,确保系统的精度和准确度指标。当所有外部校时信号源出现故障或者不可用时,保证母钟守时单元有精确的自我守时能力,较长时间内有精确、稳定、可靠的保持能力。(2)专用故障警报系统设备主要设备都做到了热备份,核心设备双路热备双电源供电,有效避免了单点故