天塔机房电视系统信号传输链路数字化改造

朱悦

【摘要】随着人们对娱乐文化需求的不断提高以及通信技术的发展，模拟电视逐渐退出历史舞台，地面数字电视普及化加速。本文对天津广播电视塔机房地面数字电视播出系统整体改造中的前端信号传输链路部分的改造进行分析，对机房对从光端接收机接受信号到信号进入发射机激励器这一段传输链路的改造重点进行论述。

【关键词】地面数字电视;编转码复用;应急切换;报警监测

中图分类号：TN929                    文献标识码：A                     DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.02.025

同传统模拟电视相比，地面数字电视通过节目复用技术和单频网技术实现了高频谱利用率，具有更好的抗干扰能力，同时高传输码率为观众带来的更好视听享受，也可支持便携式终端。根据国家广播电视总局下发《关于按规划关停地面模拟电视有关工作安排的通知》，以及工业和信息化部对700MHz频段频率使用规划的通知，为推进广播电视节目数字化、高清化，加快广电5G网络建设，天津电视台关停无线模拟电视信号，天津广播电视塔发射机房对电视播出系统进行数字化改造，其中包括前端信号传输链路以及电视发射机系统两部分。本文阐述了信号传输链路部分中的信号编转码、复用环节以及信号应急切换、报警监测系统等重点改造节点。

1. 信号传输链路改造目标

机房改造前，承担着五个无线模拟电视频道（四个本地频道和一个央视综合频道），三个数字电视频道（一个天津卫视频道，两个各包含八套节目的中央无线覆盖33、45频道）的发射任务。改造后，五个模拟频道和本地卫视频道取消，由五个数字频道代替，其中一个标清频道（17频道）包含八套节目，其余四个高清频道（9频道，18频道，28频道，29频道）各包含两套节目，所有节目均为本地节目。原有的两套标清数字电视频道（33频道、45频道）保持不变。改造后的信号传输链路需对节目保持实时监测，当接收到的信号发生异常（如码流丢失或者黑场、静帧、声音异常等）或链路内部设备运行异常时，可及时发出警报，可自行进行应急处理动作，并留有供值班人员人工干预的渠道。

从整个播出系统来说，每个频道将有两路信号源，两台发射机。信号源是由光端机接收来的SD-SDI、HD-SDI（均为天津本地节目）或ASI（33，45频道央视节目码流）信号。信号经编转码、复用后生成的包含TS传输流（Transport Stream，TS）的ASI信号，信号源进入自动切换器，由切换器输出一路信号作为主源，再进入发射机激励器。此外，编转码复用后生成的ASI信号和自动切换器的输出信号，均会经过视频分配器，由视频分配器额外输出一路信号至报警监测系统使用。

2. 信号传输链路改造重点

2.1 编转码复用

2.1.1 编转码复用基本原理及 TS流结构简述

本次改造中，视频编码格式采用AVS+，音频编码格式为DRA。视音频编码后生成基本码流ES，ES经由PES打包器打包生成可变长度的基本流PES包。PES再经过复用，并插入节目专用信息表PSI和其他相关辅助信息，打包复用成由固定长度为188字节的TS包组成的TS流。再将多个单节目TS流复用成一个多节目TS流输出，这便是多节目传输流MPTS。

TS流的基本单位是TS包，一个TS包中的数据可以是视音频数据、填充数据、PSI表格数据等。TS包由包头和有效载荷区组成。在TS包的4字节大小包头中，其中13比特的包识别PID至关重要。PID声明TS包中传输的有效载荷的数据类型，其值可由用户定义。解码时根据PID将TS包中不同的ES区分出来进行解码。有效载荷部分除了PES包数据（包含视频、音频及辅助数据）外，还有PSI。 PSI定义了TS流在传输中的规范。PSI包括节目映射表PMT，节目关联表PAT等表格。分成一段或多段置于TS包中传输。它描述了TS流所携带的信息，解码时，解码端可先通过对PAT表的解析找到各节目源的PID;再从PMT表中通过节目源PID检索出各基本流的PID，由此便可区分TS流中的包，按照PID重建不同的基本流。

为保证解码时系统时钟恢复及视音频同步，在复用过程中还需要插入多种时间标签。在ES层有视频缓冲验证VBV;在PES层，将显示时间戳PTS和解码时间戳DTS加入在PES包的包头信息中;TS包的包头中包含节目时钟参考PCR，以便解码时恢复出和编码端一致的系统时序时钟STC。解码时，为实现视频、音频的同步，解码端需要采集TS流中PCR，藉此重建本地的STC。接着根据TS流中的PTS和DTS安排显示时间表和解码时间表，让视频和音频都同步于STC，最终实现二者的同步。

2.1.2 信号源接入及编转码复用设备的设置

经过考察论证，选择了集编转码、复用功能于一体的柯维新公司KU-T1000编转码一体机，该设备支持 ASI、IP、SDI/HD-SDI，AV 输入接口，支持ASI、IP码流输出，可灵活配置输入输出板卡，可进行參数配置的导入导出，支持远程授权，有较好的可扩展性，易于后期的维护升级。

改造后共设置六台KU-T1000编转码一体机，其中两台每台输入八路SD-SDI节目信号，编转码复用后各输出一路ASI信号，每路包含八套节目，作为本地标清17频道信号主备源;两台每台输入八路HD-SDI节目信号，各输出四路ASI信号，每路包含两套节目，分别作为四套本地高清频道的主备信号源;两台每台输入四路SD-SDI节目信号和两路ASI节目信号（为央视码流，共十二套央视节目），复用后每台各输出两路ASI信号，每路信号包含八套节目，作为原33，45频道的主备信号源。

对编转码一体机的有几项重点设置，包括：○1AUTO STOP MPTS（自动停止复用码流输出）模式设置为 No ，即如果有一路或几路信号故障，复用码流仍然保持输出;○2在每一套节目的传输参数（Transport Params）中，需手动输入对应节目号（Program Number），Pmt 表的Pid，Video Pid，Audio1 Pid，Audio2 Pid等信息;○3选择固定码率模式（Constants Bit Rate，CBR），优点是压缩快，被大多数设备支持;○4在输出设定（Output Setting）中，选择Internal Muxer模式，即让设备作为自身统计复用输出;○5改造后的新增数字电视发射机的激励器的前向纠错编码效率为0.8，映射方式为16QAM;帧头模式为PN945，交织深度720，激励器理论码率为19.2512Mbps左右，藉此设置相应编转码一体机中每套节目的输出编码码率：标清节目输出码率在2，200kbps左右，高清节目输出码率在9，300kbps左右。

2.2 应急处理机制

2.2.1 ASI自动切换器

新增五个频道的自动切换器选用科迪公司kd7021-301T码流应急切换器。正常情况下，每个频道均有主备两路ASI信号进入自动切换器，由切换器输出一路至发射机激励器。常规状态下切换器工作在自动模式，默认主路输出，当主路故障且备路正常时，自动切换到备路;当主路信号恢复时，自动切回主路。通过远程控制软件，可实现对进入切换器的各路码流状态的观测，设置切换器自动切换的触发条件和反应时间，手动控制某一频道的信号切换等功能。考虑到控制软件或者通信线路故障的可能性，亦可通过切换器控制面板直接手动切换。自动切换器触发机制为：识别码流信号，丢失0秒自动切换，0秒报警;识别PID信号，当码流中任一节目视频PID信号丢失0秒自动切换，0秒报警。自动切换器只对码流层面异常进行监测，不进行黑场、静帧和音频丢失等内容层面的异常识别，需要报警监测系统发现以上异常报警后，值班员手动干预。

2.2.2 短接跳线盘系统

在信号从编转码一体机输出后和进入发射机之前的两个位置，设置短接跳线盘系统，当某一频道的应急切换器和视频分配器等设备发生故障，造成传输链路中断时，值班员可以通过短接跳线盘手动将编转码一体机输出的该路ASI信号直接短接入指定的发射机，减少播出异常时间。同时为短接的线路配置了专用的ASI视频分配器，目的是提高信号幅度，改善信号传输线的均衡度，保证使用跳线盘时的节目播出质量。

2.3 报警监测系统

报警监测系统可对信号传输链路的不同节点的信号状态实时监测，可及时发现异常。由于新的信号传输系统都已ASI接口传输，同时节目数量较以前增多，因此在原有博汇TrinityAres-Display报警监测系统（以下简称Display监测主机）基础上，增加新的博汇BHIP193E报警监测系统（以下简称Apollo监测主机），Apollo系统是基于TS over IP技术的嵌入式多画面显示的报警监测系统，具有对广播电视节目的视音频异态监测、多画面组合显示等功能，稳定性高，能耗低，可提供更好的信号处理能力和人机交互体验。

新的报警监测系统由不同类型的信号采集板卡，网络交换机，三台Display监测主机和新增的一台Apollo监测主机组成。监测信号分别取自信号传输链路中编转码一体机的输出的主、备路ASI信号（以下简称主、备源信号）、自动切换器输出的ASI信号（以下简称入发射机信号，33，45频道信号传输链路没有采集入发射机信号）;此外，还从各个频道的数字电视发射机的耦合输出口采集了射频信号（以下简称耦合信号）。其中主、备源信号及入发射机信号均通过Nevion公司的DA-SDI数字视频分配器生成，这些ASI信号进入BHA31多通道ASI码流检测卡;而耦合信号则由分配器分配后进入数字电视机顶盒，经解调解码后输出模拟音视频信号进入BHCV23多通道模拟视音频编码卡。BHA31和BHCV23均需对TS流数据端口的输出进行设置，包括码流输出地址及端口号等，其中BHCV23还需配置各通道视频编码码率值、节目号、PMT_PID、PCR_PID、VIDEO_PID、AUDIO_PID等参数。配置正确的BHA31和BHCV23将收集到的信号重新生成TS传输流，依托TS over IP技术输出到网络交换机，网络交换机根据IP地址将IP流发送至不同监测主机。其中Apollo监测主机监测所有高清标清频道的主、备信号源（含33，45频道）。三台Display监测主机中一台监测三套标清频道（含33，45频道）的入发射机信号（只对17频道入发射信号监测）和耦合信号;其余两台每台分别各监测两套本地高清频道的入发射机信号和耦合信号。

值班人员通过远程桌面系统操作Display监测主机内的控制软件，对于Apollo监测主机控制端，可直接通过浏览器访问实现操作。通过控制软件可添加需要监测的码流IP，从中扫描出节目信号;可设置不同节目的监测和录像时段，选择触发报警的异常类型，设置反应时间。根据频道不同，多画面监看界面分为4X4画面和2X2画面两种。触发机制为：当无视频同步1秒、静帧22秒、黑场1秒、或无音频信号超过25秒时相应频道发出警报，可进行循环语音报警，频道画面中图文闪烁报警，同时支持对过往报警事件的查询，可以观看并导出报警时段的视音频。

3. 总结

改造后地面数字电视信号传输链路通过反复调试，状态日趋稳定。當信号异常时可及时自动处理和发出警报，对链路中不同节点的监测有利于判断播出异常的原因，从而快速定位故障点并确定应对措施，缩短了处理时间，有力的保障了整个地面数字电视播出系统的平稳运行。对原先传输链路中的设备，机房在改造过程中也充分利用，从而缩短了改造工期，节省开支。整个传输链路拥有一定的可扩展性，可为日后系统的升级提供便利。

参考文献：

[1]吴潮.数字电视码流的分析转换[J].西部广播电视. 2016，（17）：226-228.

[2]陈永业.厦门市地面数字电视系统[J].电子世界. 2020，（17）：155-157.