校园数字电视台的系统设计与架构

钱季平

上海政法学院，上海 201707

在现代社会信息化的进程中，影音信息以其丰富、直观、生动的特性，在日常信息传播中占据着重要地位，成为人们工作、学习和娱乐活动的有机组成部分。也正是出于对影音信息的日益重视，目前越来越多的机构和单位，如政府部门、大型企业、学校和社区，都有了投建内部专业数字电视台或传播系统的要求。尤其是各类大中院校，因为校园文化建设以及视频会议、多媒体教学、远程教育等活动需要，对建设中小型的数字电视台的需求更为迫切。但实践中，又常常面临两大难题：一是数字电视台的建设环节复杂，各类应用单位普遍缺乏熟悉数字演播系统的专业人员，在系统的投入预算、设计与施工上，缺乏独立自主的能力；二是投建单位往往经费有限，如何合理设计，以适量的投入，建成性价比高、适合工作需求的电视演播系统，困难较大。

作为产学研的一种实践，我们和相关系统开发公司合作，负责过多项校园数字演播室以及传播系统的设计与施工，在建设小型专业数字演播系统的实践中积累了一些经验。校园数字电视台的整个系统包括节目的制作、传输和接收三大环节，其中关于数字演播室的设计与优化，我们已有专文论述[1]。本位就校园数字电视台的建设中更为复杂的传输和接收系统的架构，提供一些可行性设计思路和实施建议。

1 设计的基本思路：基于宽带局域网的高性价比、可拓展系统

作为数字电视台系统设计的核心技术环节，我们将校园数字电视台的传输和接收系统建立在宽带网络环境下，采用IPTV（Internet Protocol Television）即交互式网络电视技术，作为实施节目传输和接收的技术基础。之所以如此，主要源于以下考虑：

首先，IPTV技术经过多年发展，已日渐成熟，其强大的流媒体传输和交互功能完全能够满足校园电视台信息传播的各项要求。校园电视台常见的服务功能主要包括校园电视新闻广播、会议视频直播、多媒体网络教学、电视节目转播、影视点播、校园资讯查询等，IPTV技术既可以实现各类信息的实时直播，还可以方便地实现时移回看播出。不仅如此，IPTV技术具有强大的信息互动和查询功能，在多媒体教学等需要互动环节的活动中，具有突出的优势。

其次，随着信息化水平的提高，校园网络普遍具有较好的硬件设施，为采用IPTV技术的数字电视台的建设提供了良好的基础环境，这将大大节约校园电视台基础建设的投入。目前，各大中院校基本都建有自己的宽带局域网，其中大部分都是100M或1000M高速宽带网，接入点遍及校园办公室、教室、图书馆、会议室、宿舍等重要区域。这些宽带平时常常只是用于校内信息发布、文件交流和网上浏览，其资源潜力远未利用充分。基于IPTV技术的校园数字电视台可充分利用各校已有的带宽资源和网络接入点，实现视音频信息的传播与覆盖。和其他数字电视传输技术相比，这将大大减少传输通道的基建和改造工作，极大地节约了建设费用，具有出色的性价比。

第三，IPTV技术拥有良好的可拓展性，便于逐步投建。建设单位可根据自身需求和资金的实际情况，采用整体规划、核心先行、逐步拓展的方式，分批投建和完善校园电视台的传播功能，扩大传播覆盖范围。这一特点特别契合学校作为行政拨款单位的实际情况，减轻了一次性投建所带来的资金压力。

第四，IPTV技术可以实现精确的内容和用户管理，保证校园电视台信息传播的安全。校园电视台主要服务对象是校内师生员工，信息传播的范围和内容不具有完全开放性，因此收视用户的管理和控制是必须的。基于IPTV技术的校园数字电视台通过对收视用户进行分层、分级、分区域管理，能方便地对节目内容的收视进行加密和权限管理，实现对传播内容和传播对象的有效控制，确保信息传播的安全[2]。

另外，IPTV是基于计算机互联网技术的，在系统日常维护上，各校也都具有相应的技术人手和维护经验，这对系统的正常运作也是一种有利条件。

2 系统的基本构架

基于IPTV的校园数字电视台是对已有的宽带局域网功能的一种附加和拓展，其系统构架类似网站的建设。如图1所示，其基本组成包括节目信源、节目编码、节目服务器、内容编排、用户收视和用户管理几个主要环节[3]。校园电视台的节目信源主要来自校内自制新闻和专题节目、重要活动直播、影视资料库、多媒体课程录像或直播、中央和地方电视台新闻和文体频道转播等。目前各类学校基本都建有自己的多媒体课程制作教室或小型电视演播中心，自制新闻和教学类电视节目有一定的基础。同时，丰富的有线电视频道和影视作品，也可以为校园数字电视台提供多样的信息资源。IPTV的编码技术可以很好地兼容和处理各类影音信息，便捷地转换成适合网络传播的数字电视格式，为各类电视栏目增添源源不断的节目内容。

直播编码器功能是将各路节目信源即时压缩成流媒体格式，上传至服务器。目前主流的高清编码器采用先进的H.264或MPEG4视频压缩算法，最高分辨率可达1920×1080P，可实现高清视频流媒体文件的生成处理。有线/卫星接收编码机则带有信号接收功能，主要用于电视频道信号的重新编码。单台机器一般能同时对7～8个频道进行信号接收和编码，可视需要转播的电视频道的数量进行增配。

视频服务器是IPTV的核心设备，一般分为点播服务器和时移服务器。点播服务器主要用于接收、存储编码器生成大量影音节目，响应用户点播。如经典影视作品、重要专题新闻、网络多媒体课程等节目内容，可以长期存放在点播服务器上，供用户随时点播收视。而时移服务器则主要用于电视频道的即时转播以及电视会议的直播，其特点在于可以提供延时和回看功能。规模小的学校可以将两者合二为一，但如果内容和用户较多，建议分设服务器。这样可以分担并发流量，保证节目网络传输的流畅。

Web/DB服务器则负责向用户提供电子节目指南，响应用户请求，负责系统的运行、管理和控制等工作。作为校园电视台，各种静态资讯数据以及后台管理系统都可集中在这一服务器上。

机顶盒的主要功能是接入网络，访问节目菜单，接收数字信号，解码并输出给终端电视机，实现视音频节目的最终收看。这一功能也可以通过仿真软件加以实现，这样就可以通过计算机直接解码和观看节目，特别适合学校办公室和宿舍区的用户。

除硬件外，数字电视台还包括各种后台管理系统，如节目管理、节目导航和用户管理。

内容管理系统主要用于设定播出频道和栏目，分级审核和发布节目内容，编排节目，管理节目分类及存储，监控节目播出情况等。

图1 校园数字电视台系统的基本构成

电子节目导航系统(EPG,Electronic Program Guide)是节目与用户的交互界面，用于展示节目内容，供用户选择。系统可以根据内容发布管理系统的设定，为用户直观地展示直播频道和点播节目信息，方便用户快捷地查找所需的直播频道和点播节目，同时将用户的选择需求传回服务器。界面的美观、友好是导航系统设计的基本要求。

用户认证管理系统主要功能在于分配用户收视等级与权限，核实用户身份与密码，以及用户收视数据统计等。

上述系统各相关厂家都有比较成熟的产品。相比电信级的广播服务，校园电视台的后台管理要简单很多，各种后台管理系统只需在通用版本的基础上，作一些简单移植和相应的设置，就足以满足日常管理的各种功能要求。

总体上看，基于IPTV技术构架的校园数字电视台具有良好的兼容性。节目信源上，它可以和学校已有的节目资源无缝衔接；传输通道上，它可以嵌入现有的校园局域网；接收端上，它同样兼容各种视听设备，如电视机、投影仪、计算机，并可实现平板电脑和智能手机的移动收视。其经济、高效的特点，十分显著。

3 系统拓展

校园数字电视台系统建设的规模和规格，是以用户群的大小和服务内容的多少作为标准的。根据我们的实际统计，一个2000人左右规模的中小学校，校园电视台的并发用户峰值一般不超过200；同时，节目内容也不复杂，对系统的响应和传输的压力不大，按上述基本构架搭建的数字电视台足以较好地应对实际的收视需求。

相比较而言，对众多高等院校而言，校园数字电视台的用户群和信息量的指标要高几个等级。一个万人左右的大学，并发接入峰值则可达2000以上，并有大量的高清节目收视需求。这就需要对校园电视台系统的存储、响应和传输等环节进行功能拓展和强化。IPTV中的CDN技术在这方面表现出良好的适应性。

CDN（Content Delivery Network）即内容分发网络技术，其基本方法是在信息传播节点上设置缓存服务器（边缘服务器），作为中心流媒体服务器的镜像。系统根据网络流量和各节点的连接、负载状况以及到用户的距离和响应时间等综合信息，将用户的请求导向离用户最近的服务器上，让用户就近取得所需内容，提高系统的响应速度和信息的传播速度[4]。

按这一设计思路，对于规模较大的学校，校园电视台可根据学校的规模和布局，在接入点较集中的节点，设置边缘服务器，作为中心服务器的镜像，响应区域内用户的收视请求，以分担系统服务的压力，实现节目传输的快捷和流畅。

如图2所示，一个并发峰值在2000左右的学校，可通过在办公区、教学/公共区和宿舍生活区设置3～4台边缘服务器，基本可满足全校用户的收视需求。其中学生的宿舍生活区接入点最多，如视峰值情况，分区增设2～3台边缘服务器，则即使在收视高峰期，也可以保证用户有着良好的收视体验。

除此之外，为适应大量高清节目的存储和播出，可增加中心服务器数量，将不同的影音文件分类存储，这不仅能提升存储空间，最重要的是可以大大加快系统的响应速度。其他环节，如服务器性能的提升、交换机指标的提高、传输策略的优化，都对校园电视台整体传播能力的提高有着显著作用。

与此同时，随着智能手机和移动电脑的普及，校园数字电视台还可以通过无线传输技术，实现电视节目内容的移动收视。学校可以在公共场所，如图书馆、体育馆、会议中心、学生活动中心、食堂等公共区域设置WIFI接入点，为智能手机、平板电脑、笔记本电脑的用户提供实时观看或下载服务，以实现校园电视台信号的全面覆盖，提高传播功效。

4 设备选型和预算

校园电视台的建设是个系统工程，其建构涉及环节较多，运行的稳定性和安全性要求较高，需要有足够的资金予以支持。但在实际建设中，各类学校往往面临着资金紧张的困境。因此，除了在系统设计上合理构架外，设备的选型也需要紧扣实际需求，精打细算，力求以有限投入，达到较高的性能和效用。

在校园电视台整个系统中，视频服务器是主要设备，其性能和数量将直接决定着系统传输效率的高低和系统运行的稳定，是资金投入的重点。随着电子技术的进步，各厂家都推出了价格适中、性能优良的各类服务器。我们建议，尽管目前高性能的PC级服务器性价比较高，但从系统稳定的角度考虑，还是选择品牌厂家的企业级服务器为好。中心服务器采用单或双主流CPU、内存4G以上、配千兆网卡、价格2～3万元左右的机型比较合适。

图2 校园数字电视台系统的拓展：CDN边缘服务器设置

交换机是信息传输的交叉点，也是系统中使用最多的设备。其中，核心交换机需是全千兆网口的三层交换机；终端接入交换机则可采用支持组播的百兆交换机，而中间的传输节点上，也应采用千兆交换机，确保信息传输的流畅无阻。

编码器应采用具有多路编码功能的机型，如8路直播编码器，支持HDMI数字视音频输入，支持多路输入，支持高清720P、1080I、1080P视频格式。其中带编码功能的有线/卫星接收机能同时接收和编码7～8个频道内容，如果需要在校园电视台中转播更多的电视节目，则需要相应增加接收机的数量。一般应配置3～4台直播编码器、接收机，以适应较多的节目信号处理。

机顶盒应具有高清解码功能,解码标准H.264、MPEG4,最高分辨率可达1920×1080P，具有HDMI、S-Video等多路输出、10M/100M以太网接口。

另外，技术运用合理，功能完备、界面友好的后台管理系统也是校园电视台高效运行的重要保证。建设中，应选用经验丰富、技术成熟、用户较多、有良好售后服务、口碑较好的系统开发商的软件产品。

综合考虑各种建设和开发费用，我们认为，除了节目演播和制作系统之外，一个小型的校园电视台的建设，投入资金可控制在15万以内；而一个大型的校园电视台的建设，60万左右的建设资金是比较合理的预算。

和电视演播系统一样，校园数字电视台的传播和接收系统的设计和建设同样是一项综合的复杂系统工程。要达到功能全面、投入经济、运行安全高效的效果，其中科学的设计、合理的配置和周全的安排，是成功的关键。应该说，技术的进步和设备的普及，为校园数字电视台的建设提供了现实的可能，也提供了多种可选择设计思路。经过合理的设计和优化，是能够运用先进的信息传播技术，以有限的投入，打造出一个经济而高效的校园电视传播平台，并在学校教育和校园文化建设上，发挥重要作用。

[1]钱季平.多功能数字演播系统的设计和优化[J].科技传播，2010，(16)

[2]黄孝建.IPTV关键技术详解［M］.北京：北京邮电大学出版社, 2009

[3]曾爱华，刘捷，冼进.IPTV系统架构及主要技术[J].通信技术，2010，43(3)

[4]付鹏，周华春，陈旭东.CDN技术在IPTV系统中的应用[J].中国有线电视，2004(7)