数字电视节目播出监测系统设计与实现

82《有线电视技术》 2017年第11期 总第335期广播电视受众广、影响大，因而安全防范意识一刻也不能放松。

目前，广播电视播出的节目数量越来越多，节目播出时间越来越长，对安全播出提出了更高的要求，给技术管理部门也带来了更大的难度,因此建设一套稳定、准确、高效的广播电视监测系统是广播电视安全播出的重要保障，是确保播出效率和覆盖效果的重要手段，是广播电视自我监督的重要环节。

1 整体设计方案1.1 监测系统现状分析传统的数字电视监测监看有两种方案，一种是基于机顶盒解码输出的方案，另一种是基于PCI 插卡的方案。

基于机顶盒输出的AV 信号的监测，只能做到对多画面的监看，并不能对数字电视业务本身进行分析，同时受到机顶盒稳定性的影响，它的稳定性也比较差。

基于PCI 插卡的方案，PCI 板卡需要插在服务器上，而服务器装载PCI 板卡的数量有限，并且PCI 插槽插到服务器上会影响服务器的稳定性，所以它的稳定性相对一般。

但相对机顶盒解码输出的方案，PCI 插卡方案的集成度较高、稳定性较强。

1.2 数字电视监测要点从图1可以看出，数字电视的生产流程主要是编码、复用、调制，首先对信源层面进行编码，将数字化的视音频数据内容压缩，其次在TS 流层面将多路的TS 流经过复用器复用成单一的TS 流，最后通过QAM 调制器调制将输出的射频信号传送给机顶盒。

基于数字电视制作流程的分析，对有线数字电视信号的监测可分为三个层次，分别是信道监测、码流监测和视音频异态监测。

其中信道监测主要是考虑QAM 信道的指标，主要关注电平、载噪比、误码率等参数；码流玉明灯 冯华杰 韦艺 施云元 广西广播电视信息网络股份有限公司南宁分公司任雁泽 北京市博汇科技股份有限公司摘要：随着数字节目内容的不断丰富，覆盖收视人群的不断扩大，对数字电视播出监测的需求也越来越高。

本文介绍了一种以IP 化为核心的播出监测系统的设计与实现方案，方案由嵌入式QAM 信号监测板卡、交换网络和上位机应用软件构成，板卡完成QAM 信号的解调、解扰、测量和IP 打包输出，上位机软件从交换网络上接收板卡输出的指标和码流完成数据及画面的呈现显示。

本方案可靠性高、扩展性强，有效地解决了大量数字电视节目监测的问题。

关键词：数字电视监测 TR101_290 大卡解扰 TS Over IP 图1 数字电视生产流程图83监测主要是参考TR101_290标准，并对节目、PID 的带宽进行监测；视音频异态监测则是对视频的黑场、静帧，音频的音量丢失、音量过高过低等进行监测。

三个层次的监测分别能从不同层面反映信号的质量状态：信道监测反映了传输链路、调制设备的质量；码流监测则反映了编码、复用等设备的工作情况和具体指标；视音频异态监测则通常用于衡量节目源的质量。

1.3 系统整体架构针对信道、码流、视音频异态三个层面，系统采用板卡加多画面的结构进行监测，整个监测系统采用全IP化设计，接收的QAM 信号通过有线数字电视监测解扰板卡，完成解调、解扰、信道指标的监测、码流分析告警以及TS 流的IP 化。

IP 化的TS 流通过以太网进行汇聚、传输给上位机软件，通过多画面显示监测报警系统进行集中监测。

如图2所示，通过网络与媒体信息处理技术,利用DSP 多媒体处理器的高性能,配合CAM 大卡的解扰处理,完成对数字化信号的信源解扰、码流监测、数据封装,使数字信号可以通过以太网络进行传输,解扰后的码流及监测结果通过网络传送到位于PC 上的系统监测软件,系统监测软件完成对码流的解码及多画面显示、视音频内容监测及故障告警等。

2 详细实现方案2.1 嵌入式监测板卡本系列监测板卡是一种基于IP 组播的嵌入式广播电视信号监测设备。

根据接入信号的不同，采用相应的监测模块，完成对信道指标以及码流指标监测，码流数据进行IP 化打包，通过千兆网口组播输出，监测分析数据通过百兆网口输出。

板卡具体的组成结构和业务处理流程示意如图3所示。

（1）信号接口模块包含QAM 高频头模块，QAM 高频头将QAM 信号进行调谐与解调后，转换成并行码流信号。

（2）FPGA 模块对解调输出的TS 码流进行缓存、打包处理，并为DSP、解扰模块提供接口以便于监测和解扰。

（3）DSP 模块DSP 嵌入式处理器在设备启动时从闪存模块取得代码，并放入同步动态随机存储器中运行，在初始化过程中，通过读取闪存模块中的配置信息，对FPGA 以及其他模块进行操作，配置包括IP 地址、组播地址、MAC 地址、290监测门限及开关、工作模式等信息，初始化完成后，处理器响应从FPGA 发送过来的码流，将码流数据从缓存器中转移到同步动态随机存储器，并对其进行分析。

（4）解扰控制模块配合大卡对于解调输出的加扰TS进行解扰，并将解扰后的清流传回FPGA 便于后继打包传输。

图2 广播电视信号监测逻辑结构图图3 硬件结构示意图（5）同步动态随机存储器，即SDRAM用于存储工作中的代码、码流缓存数据、系统运行的各种参数等，嵌入式处理器工作用的存储空间主要由本模块提供，FPGA中的数据积累到一定量后会由嵌入式处理器转移到本模块中进行后续处理，嵌入式处理器对码流处理的中间结果和数据也存放在这里，最后交由网络接口模块发送出去。

（6）闪存模块保存着系统工作所需的内核、库代码、码流处理代码以及一些配置信息，码流监测设备上电后，嵌入式处理器会从此块读取所需的代码并放入到SDRAM中运行，并读取一些配置信息对参数进行配置，嵌入式处理器从网络接口模块读取到配置信息，也会将配置信息保存到闪存模块。

（7）网络接口模块网络接口模块分为千兆网络接口和百兆网络接口。

百兆接口模块分成4个通道：分析组播通道、IP地址组播通道、远程报警通道和配置通道。

分析组播通道负责将嵌入式处理器分析的290报警、信道参数、带宽统计、PCR分析、PSI/SI表格信息等信息组播到网络中；IP地址组播通道负责将设备的IP地址、工作状态、板卡类型等信息组播到网络中；配置通道负责接收客户端发送过来的配置信息并提交给嵌入式处理器进行处理；远程报警通道负责将报警信息发送给远端的中心服务器。

千兆接口为TS流组播通道，负责将嵌入式处理器提取的码流数据通过UDP组播方式发送到网络中。

2.2 网络通讯协议设计网络通讯协议是板卡和软件之间遵循的一个通讯标准，用来协调板卡和软件之间的工作。

网络通讯协议主要包含配置协议和分析协议两大类，配置协议主要是供软件来控制板卡的工作模式，分析协议主要是用来描述传输监测数据的规范。

（1）配置协议配置通道信息采用UDP单播方式发送，接收配置的IP地址即为设备本机IP地址，默认为192.168.0.124，可配置；通讯端口固定为1002。

配置信息的报文总长度不超过1400字节，一条配置命令必须打包在一个报文中发送，一个配置报文也仅能包含一条配置命令。

配置协议语法说明见表1。

sync_byte：值固定为0x47。

channel_num: 通道号，0xff表示无效的通道号，用于与通道无关的参数配置。

0~0xfe表示有效通道号。

通道号索引由0开始。

reserved：保留字。

data_type：数据类型，表明描述符所属的数据类型。

data_length：表示descriptor()的数据长度，单位字节。

descriptor()：数据描述符，根据data_type的不同表示不同的含义。

（2）分析协议分析数据信息采用UDP组播方式发送，组播目标IP地址默认为224.0.0.9，可配置，组播端口默认为5001，可配置。

一个分析通道数据（Analyse_Data）的总长度不超过1048576（=1024×1024）字节；当分析通道数据（Analyse_Data）的总长度超过1024字节时，需要拆分成最大长度为1024字节的分析通道数据包（Analyse_Packet）发送；不足1024字节时，按照实际长度打包在分析通道数据包（Analyse_Packet）中发送。

多通道产品的每个通道的分析通道数据包（Analyse_Packet）必须组播到不同的目的IP地址或端口。

Analyse_Packet的语法说明见表2。

sync_byte：8位字段，值固定为0x5a。

表1 配置通道协议语法语 法位数缩写Config_packet(){sync_byte8uimsbfchannel_num8uimsbffor(i=0;i<2;i++){Reserved8uimsbf}data_type16ledata_length16uimsbfdescriptor()}表2 分析通道数据包(Analyse_Packet)语法语 法位数缩写Analyse_Packet(){sync_byte8uimsbfFirst&Last8uimsbfCounter16uimsbffor(i=0;i<N;i++){Data8uimsbf}}84《有线电视技术》 2017年第11期 总第335期85First&Last: 1字节，高4位为F 表示后面的数据为Analyse_Data 的第一个包，低4位为F 表示后面的数据为Analyse_Data 的最后一个包，若为全0，表示为中间包。

Counter：2字节，为包计数器，16位循环计数。

Data：分析通道的载荷数据，按照First&Last 域的标识及循环计数从第一个包提取到最后一个数据包，即成为符合Analyse_Data()语法的完整分析通道数据。

该域的最大长度是1024。

分析通道数据包的最大长度是4+1024（Header+Payload）=1028。

2.3 应用软件节目音视频监测系统的核心功能有三方面：多画面显示、视音频异态监测、节目转码录音录像。

软件完成这三部分功能的核心逻辑如图4所示。

（1）多画面显示多画面显示的前提是对节目流进行解复用、解码，单套系统可支持45路标清节目的实时监测、录音录像和画面显示。

多画面软件支持对AVS+、AVS、H.264、H.265、MPEG-2、MPEG-4的任意视频，以及DRA、AC3、MP2、MP3、AAC、DRA+的任意音频进行直接解码。

（2）视音频异态监测视音频异态监测的原理是由软件对码流中传输的视频内容解码，并对解码后得到的原始视音频数据进行分析。

常见的视音频故障的监测原理和参数如表3所示。

（3）节目转码录音录像系统采用了磁盘预分配的录音录像技术，在正式录音录像前预先规划好磁盘使用空间，避免频繁的创建和删除录音录像文件，如图5所示。

和传统的录音录像方式相比有以下突出的优势：（1）减少磁盘碎片，提高硬盘访问速度，因为在开始的时候就已经为文件预分配好一系列连续的磁盘空间。

（2）避免同一时间创建大量文件，减少同时创建文件时对硬盘带来的冲击，延长磁盘使用寿命。