一种基于网络技术的双机热备音频系统

◆李 光



一种基于网络技术的双机热备音频系统

◆李 光

(海军装备部信息系统局 北京 100841)

本文针对会议场所、指挥控制中心的音频系统建设需求，设计了一种基于网络技术的双机热备音频系统，以提高音频系统的可靠性与容灾性能，为会议场所、指挥控制中心的音频系统的设计与建设提供参考。

音频系统；网络技术；双机热备音频系统

0 引言

听觉是人类获取信息的重要感官之一。现代会议场所、指挥控制中心，音视频系统在多媒体展示、远程协商、远程会议、视频指挥等应用中发挥的作用越来越重要。和视频信号相比，音频信号传输带宽小。当传输带宽有限，即使视频画面有卡顿、延迟、马赛克，甚至没有视频画面，只要音频信号连贯清晰，就不影响通信双方相互理解对方的意图。因此，音频通信是音视频通信的保底手段。随着音频系统在会议场所、指挥控制中心担负的任务越来越重，对系统可靠性的要求也越来越高。因此，在这类重要场所，要求设计与建设具有备份手段的音频系统，防止因设备出现故障而造成重大损失。

1 非热备系统设计

一种高可靠的音频系统核心结构采用两台数字调音台，其中一台侧重于录制播出的调音控制，另一台侧重于现场扩声的调音控制。系统前端话筒及音源的信号经无源分配器分贝送入录制调音台和扩声调音台。整个系统链路以数字音频信号为主。同时数字调音台应用方便灵活，可把接入系统的各类音源，结合实际需要和操作、控制习惯分配到控制台面，能方便快捷地满足多个音频录制的需求。两台调音台的输出信号分为模拟信号和数字信号。输出接切换系统，切换系统配置两台多通道二选一切换器，其中一台主用，另一台备用。数字、模拟信号分别进入主备两个切换器，确保了主备数字信号和模拟信号的路由不存在单点故障。经过备切换器输出的数字信号接入音频分配器，而后分别送入视频加嵌主用通路、录机、服务器等。经过备切换器输出的数字信号直接送入视频加嵌备用通路，提高了系统的可靠性[1]。采用类似方法，为提高可靠性设计的非热备方式音频系统示意图如图1所示。

图1 音频备份系统：非热备方式

如图1所示的系统中，多个话筒接入智能混音器后，与其他音源经过音频分配器送至两台音频处理设备，音频处理器的输出经过切换器或跳线盒送至功放和其他设备。正常工作状态下，接线连接至主用音频处理设备；当主用音频处理设备出现故障，将接线连接至备用音频处理设备从而实现主备切换。

音频系统的数字化，尤其数字处理器的广泛应用，大大提高了系统性能，完善了系统功能，而数字技术与网络技术的结合，使得系统的处理和管理能力大为增强，音频系统从此发生了质的变化[2]。本文将网络和数字音频处理技术结合，设计了一种双机热备的音频系统，以提高系统可靠性。

2 热备系统设计

在计算机技术中，双机热备属于集群技术的一个分支。简单来说，双机热备就是一种利用故障点转移的方式来保障业务连续性，其业务的恢复不是在原服务器上，而是在备用服务器上。双机热备的工作原理可理解为：当工作服务器出现异常，不能支持应用正常运行时，备份服务器自动接管工作主机的工作，继续支持关键应用服务，维持系统7×24小时不间断运行。可见，双机热备不具备故障主机修复功能，只是将故障点隔离并转移，具体包括运行进行、磁盘资源和网络状态等。另外，对于普通用户来说，不必关心所要使用的服务和资源在哪个节点的具体位置，双机热备系统会自动完成[3]。

数字音频处理器虽然没有服务器运行的进程复杂，但是可以借鉴上述原理，将数字音频处理器视为提供音频服务的服务器构成热备系统。基于双机热备的思想，以两台支持网络控制的数字音频处理器和一台控制终端为主构成热备系统。数字音频处理器和控制终端均接入网络，由安装在控制终端中的软件实时监测两台数字音频处理器的状态从而控制数字音频处理器的运行。系统示意图如图2所示。

图2 音频备份系统：热备方式

在如图1所示的系统中，所配置的两台音频处理设备类型、型号无需相同，可以为两台调音台、两台数字音频处理器或调音台和音频处理器混合使用。适用于在现有音频系统基础上增配设备以提高系统可靠性的情形。在图2所示的系统中，要求所配置的两台音频处理必须为支持网络控制的数字音频处理器，且一般情况下为同型号的音频处理器。两种备份方式的对比如表 1所示。

表 1两种音频系统对比

序号对比项非热备方式热备方式 1系统特点可采用不同类型音频处理设备必须采用同类型数字音频处理器 2切换方式人工干预，手动接线或控制切换器自动切换，无需人工干预 3配套设备音频分配器、音频切换器/跳线盒音频分配器、交换机、服务器、音频加法器 4运维难易度两台音频处理设备需分别调试两台数字音频处理器可采用相同的控制软件 5恢复时间较长毫秒级

由于非热备方式中的音频切换器或跳线盘需采用人工干预的方式切换信号路由，所以效率相对较低。尤其是使用跳线盘，需人工插拔接线，可能导致接线错误或故障。

3 热备系统设计实例

基于上述热备系统设计方法，采用两台Biamp Tesira系列的高性能音频服务器，构成的热备系统实例如图3所示。

图3 热备系统设计实例

图3所示的音频系统由音源/拾音系统、DSP系统、播放系统三部分组成。音源/拾音系统部分，数字话筒和模拟话筒组成拾取的音频信号分别通过数字会议主机和混音器传输，与其他音频经过无源分配器一分为二，进入DSP系统。DSP系统部分中，系统的核心设备——音频处理器采用双机热备，假如主机出现故障，自动切换到备机运行。核心设备采用数字信号处理技术，仅在一台设备上就可实现音频放大、衰减、混音、音频路由、均衡调节、啸叫抑制、回声消除等功能，而无需其他设备，简化了系统设计。主机和备机的输出经过无源混音器送至播放系统中的音频功放，再经由音箱扩声输出。

系统中配置的集中控制台通过交换机与主机、备机通信；安装在集中控制台中的软件采用独立线程监控主机和备机的实时工作状态，以IP数据包的形式向主备机同时发送心跳询问数据包：当主机工作发生故障，心跳响应超时，软件由此判断主机失效，开启备机，以实现容灾。控制终端上的软件可通过网络发送故障邮件至相关人员及运维方，将音视频系统与IT系统融合，打通与OA、ERP等IT软件连接通道，使会议发起、进行、故障排除、售后服务等各个环节无缝结合。系统不仅支持通过软件实现故障自动切换，也支持通过软件手动控制主备机切换，方便运维人员对设备的维护保障。

不论主机还是备机，在正常工作状态下，两者实时保持数据同步。安装在集中控制台上的控制软件采用图形化的GUI，两台数字音频处理器输入、输出的场景化控制形象直观。通过控制软件时刻保持主机与备机的参数设置同步，保证了两台数字音频处理器的输入增益、混音、均衡、啸叫抑制、回声消除、增益结构等设置一致，避免分别调试设备的繁琐过程。此外，音频系统控制软件包括多用户管理和日志管理：多用户管理支持权限分级，不用用户按级别赋予不同的权限，实现人员与岗位的管理；日志管理可记录、查询用户操作，做到操作可追溯。由此保证音频系统的使用安全性和可靠性。

4 小结

本文所述的双机热备的音频系统，基于高性能数字音频处理器和网络技术，将前端音视频系统和后端运维服务体系无缝整合，打通IT软件系统的连接通道，提高了音频系统的的可靠性、可用性、抗毁性与容灾性能。此设计可用于音视频系统的工程建设中，为建设大型会议场所、指挥控制中心的音视频系统提供了参考。

[1]李晓凯，牛雨迪，蔡云.高可靠数字化大型演播室音频系统的实现[J].现代电影技术，2017.

[2]刘洪波.会议室音频系统的设计分析[J].广播电视信息，2017.

[3]姜茂.机热备技术及其在生产实践中的应用[J].软件导刊，2013.