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【内容摘要】随着高清化的普及，高清播出已经成为现阶段电视台播出的常态。中国教育电视台具备高清总控矩阵和高标清同播数字播出系统，该系统自2016年正式运行至今，播出系统运行稳定、节目播出安全顺畅。本文结合CETV早期教育电视频道播出系统高清化改造进行了探讨，并对系统设计思路进行了分析和小结。
【关键词】高清播出;高清播出总控;系统改造
随着高清电视的推广和普及，高清电视技术已成为广播电视技术发展和进步的必然趋势。①中国教育电视台具备高清总控矩阵和高标清同播数字播出系统，并顺利实现了主频道CETV-1和早期教育频道高、标清同播。本文结合CETV早期教育高清电视频道（简称“早教高清频道”）播出系统改造进行探讨，并对系统设计思路进行详细的分析和小结。
一、早教高清频道改造方案概述
CETV现有的早期教育标清播出数字付费频道，其播出系统为1主1备（1+1系统级备份）高标清兼容的系统配置模式，各系统内可同步播出主、备两路标清节目，可实现自动、手动播出控制方式，具备主备应急垫片及4路标清应急硬盘放像播出能力。
早期教育高清电视频道计划由现有高标清兼容的早期教育标清频道播出系统改造实现。为保证现有早期教育标清播出系统及改造后的高清播出系统能够安全稳定运行，将利用备份系统、备份路由完成播出改造、试运行工作。改造内容主要包括调整视频服务器相关通道及周边处理设备配置、部署高清键源设备、存储扩容等。
二、早教高清频道改造方案设计
电视频道高清播出系统主要包含总控信号调度、视频服务器、播出分控、监视监听、信号检测、二级存储等系统。核心设备包括主备编解码通道、主备控制、主备切换及周边处理、主备存储、主备总控矩阵及卫星接收解码、信号分配/转换、延时、时钟、同步、数据管理等设备。早教高清频道将利用上述系统设备对主备高清信号源进行控制切换，在完成音频响度控制及字幕、台标的叠加后，高清信号通过主备三选一选择后输出至高清编码复用传输系统。
（一）总控系统设计
总控系统按照主、备两个矩阵的结构设计，主、备矩阵拥有相同的输入信号，输出信号采用同目的主备矩阵各输出信号总量1/2的原则，任意一个下游系统均同时接收来自主、备两个矩阵的信号，且每个矩阵各接收输入信号总数的1/2（详见图1）。进入总控系统的外来信号均经视频、音频接口板转换接到系统，矩阵的输入与输出端口均由跳线板连接，便于临时用人工方式进行信号跳接，或某一部分设备出现故障时，用跳线跳过故障设备，从而保证安全播出。
总控矩阵系统选用主、备两台主机型号为Miranda NV8144的设备，其最大规模为144×144数字输入输出，目前系统配置为99×108输入输出规模。主备矩阵具备相同的HD/SD SDI输入输出通道，分别承担主路信号和备路信号的调度。每台矩阵输入按镜像分布，兼容高标清输入99路，兼容高标清输出108路。与总控矩阵配合使用的交叉变换器、帧同步器、固态延时器等设备环接在矩阵输入、输出端口间，可实现对其他所有接入矩阵系统的信号自由进行格式变换、信号同步及延时处理等。矩阵采用模块化设计，可根据需要插入板卡，信号的传输采用嵌入式音频方式。总控技术监测系统使用高标清多格式数字波形监测仪及专业音频监听设备以及专业液晶监视器，完成对总控各个信号源的技术监测与监视。由于总控部分需要监看的信号较多，总控信号显示与监看系统配置3台高标清32画面分割器与大屏相结合显示的方式，进行信号监看。经总控矩阵调度的信号如下：
1.总控矩阵输入信号
（1）中央电视台CCTV-1高标清信号主备8路：用于中央电视台《新闻联播》及其他重要时政要闻的转播，信号分别来自有线光缆传输解码和卫星接收，高清解码器采用符合广电总局行业标准、支持ASI/UDP/RTP传输协议、具备2路HD-SDI输出的AVS+解码设备，然后通过高标清兼容的帧同步器接入主备矩阵。
（2）主备4路演播室信号、8路外来节目信号：用于中国教育电视台新闻类栏目的直播以及平时临时性的直播活动，这些信号都是通过光纤送入总控系统，然后通过高标清兼容的帧同步器接入主备矩阵。
（3）自环信号：自环信号共有三种，第一种是高标清上/下变换的自环信号，通过上/下变换器实现全台信号格式的转换，总控系统最多支持8路信号同时完成上/下变换功能，通过信号的上/下变换可实现高清与标清系统的信号交叉调度;第二种是延时信号，通过高清延时器实现在直播过程中对节目的延时播出，高清延时器支持高清信号延时60秒播出，可通过设备本身的应急通道实现应急信号垫播;第三种是帧同步处理器的信号，即通过帧同步设备对信号进行相位校准与锁定等处理，主要用于我台各频道间并机播出。
（4）高标清应急信号：由视频服务器解码通道输出应急信号源，经过高标清视分分配给高清矩阵的四路信号。
（5）高标清频道的播出信号：有两类高标清频道的播出信号接入总控矩阵系统，其中一类是无台标字幕的净信号，可用于并机播出;一类为带台标字幕的末级播出信号，主要用于节目收录、直播演播室播出信号监视回采、其他监视系统监看等。
2.高清矩阵的输出信号
（1）播控矩阵信号：送给各个高标清播出频道的4路（每频道4路）播控矩阵信号，用于频道直播时，从相关演播室（部门）调入所需的信号源。
（2）监视信号：48路监视信号，每台矩阵送入总控画面分割器24个信号，可用于对所需信号源的调度监看。
（3）全臺信号共享输出：送各个演播室、收录室及导播间用信号。
（4）环路信号：统一信号处理的信号，包括信号帧同步处理器、上下变换、延时等。
为确保播总控系统的信号同步，同步系统在设计时，采用主备2台泰克TG700同步信号发生器及主备同步信号倒换器ECO422D，具有手动和自动倒换功能，ECO422D是同步自动倒换的核心，通过模拟分配放大器组成同步分配网络，为总控、各播出分控系统及台内各相关机房提供高精度、高稳定性的基准同步信号。 （二）视频服务器系统设计
高清视频服务器系统为每个频道配置物理上独立的主、备解码通道，具备独立的主、备垫片通道。高清视频服务器I/O处理控制运行在非Windows操作系统下，编解码模块采用非Windows操作系统。服务器中凡能提供在线备份的部件全部配备完整，服务器与存储管理、千兆以太网交换机、存储控制单元、电源等具有冗余设计，并支持热插拔;其他关键设备均采用冗余备份，系统网络通道无单一崩溃点。
视频服务器采用Omneon高清视频服务器，整个系统分为1-5频道主播出服务器部分和备播出服务器部分，6-10频道主播出服务器部分和备播出服务器部分。每个主播出服务器部分配备1台主机模块、3个解码模块用于高标清频道主播出及备垫片，1个编解码模块作为高清、标清上载/审看及外来信号上载模块，2台存储盘箱。每个备播出服务器部分配备1台主机模块、3个解码模块用于高标清频道备播出及主垫片模块，3个解码模块作为预播及播前审看模块，1个编解码模块作为外来信号上载模块，2台存储盘箱。编解码通道采用全硬件的模块化设计方式，与视频服务器主机之间采用千兆以太网线进行连接，各模块间相对独立，单独替换时不影响另外模块正常运行。可实现节目播放零帧精度。
两组视频服务器系统共满足了10个高/标清频道的播出任务、2个通道的垫片解码任务、4个通道的信号上载任务、5个预播解码任务、2个预播回看任务。单台存储模块共含有24块900GB企业级SAS硬盘驱动器，能提供16Tbytes的存储空间，可存储639小时50M码流高清素材。每套系统均有两台存储模块，能提供32Tbytes的存储空间，可存储1278小时50M码流高清素材。主备视频服务器的存储系统采用Raid 6双奇偶方式，可满足早期教育频道72小时在线节目存储容量。
（三）视音频系统
早期教育频道分控系统具备主、备双路高清节目的自动播出和切换控制，属系统内外双主备结构。系统中各关键设备前后设置跳线口，具备主、备播控机及软件的手动和自动倒换功能。具备播出节目信号监视监听和技术监测能力，能够实现在应急情况下以高清节目文件方式直接播出。可为高清频道分控系统的主备两路高清播出信号提供图文字幕、“高清”字符及台标键信号的叠加（详见下页图2）。
周边设备机箱具备主、备双电源，周边板卡支持热插拔，具备通过网络集中监测和控制调整功能，支持通过PC机对周边设备中每一模块进行参数调整、状态设定、发现错误即刻报警等功能，能够实现状态监控。
1.播出切换、控制系统
高清频道的播出控制系统采用混合主备模式，即同时采用“主控主、备控备”独立控制和RS422倒换器进行交叉控制的方式。正常情况下，主备播出控制机分别给主备切换设备和主备视频服务器发送控制命令，从而实现主备机分别控制主备设备的模式。当某控制机出现故障时，可通过RS422倒换器切换至另一控制机，从而实现一台控制机全面接管所有设备功能。
播出控制软件安装在播出工作站中，支持各类切换台、放像机、视频服务器等设备，支持多种控制协议;对各相关设备的控制能够达到帧精度。播控软件中可查看信号切换设备任务队列信息，如切换设备的任务执行时间、输入输出、设备名称信息。支持按不同的信号源设备查看播出任务信息，显示视频源名称、播出时间、时长、文件ID信息。播出在线响应关联素材信息，软件实时循环检测，发现播出线上迁移就绪的素材，立即发出通知提醒并可实现素材自动关联。采用与数据库松耦合设计，在节目单已加载情况下数据库服务器或网络出现故障时，播出控制软件可继续正常运行。
2.文件化互联接口系统
文件化互联系统支持接收备播消息自动迁移及内部自动拷贝等模式。提供MD5校验、自动技审等功能，并根据设备资源实现任务的自动分配。
可实现节目单系统对外的串联单接收;提供文件导入接口，播出成品文件的迁移入库;能够支持节目代码、节目状态等查询服务。
互联互通设备均采用非TCP/IP等通用网络协议进行数据交换。支持双向通讯，必要时可以应用为单向通讯提高安全级别，并支持白名单过滤机制。
播出域与外网连接，包括元数据、媒体文件，均实现网络协议隔离，网间无TCP/IP等通用协议连通，彻底阻断播出系统被攻击的可能。
3.预播及信号检测报警
配置高标清兼容信号检测单元，信号检测精确到帧，报警信息能够及时体现在相应的软件界面上。具备播出信号主备一致性监测、末级播出信号的监测功能，播出信号的监测精确到秒，并能够产生声、光报警提示，引导播控应急操作。
预播软件获取各频道播出节目单，按照离播出开始时间倒计时排序，将节目通过视频服务器通道解码播出。同时通知信号检测仪进行播出信号检测;可获取文件技审信息与人工复审信息，汇总后显示。
4.播出信号一致性比对
播出信号一致性比对针对播出末级三选一切换器的主备2路输入信号进行比对，通过检测信号状态来实现更准确、及时的报警，采用的专用面板支持声光报警，可提示值班人员进行手动应急切换，也可实现极端异态自动切换。
三、改造方案实施与小结
早教频道的现有分控系统设备以及视频服务器均为高标清兼容，通过修改配置参数和调整彩条、垫片接入信号格式即可实现高清播出。系统在升级改造过程中，对三部分信号路由进行修改：
一是将原有早期教育标清至编码矩阵的路由信号改为高清信号，原有的4台标清编码器换成AVS+高清编码器，现有播出分控系统去编码矩阵的物理线路不变，只将链路信号改为高清信号。
二是新增2条临时过渡的标清信号链路，进入早教标清编码器，经下变换输出后分别进入编码矩阵及画面分割器，待标清频道停播后再将标清信号链路拆除。
三是分别将原有的标清彩条信号、垫片信号及CQX应急信号源更换为高清信号。
对上述信號及路由修改完成后，将首先对备份系统进行配置部署并测试，待备份系统运行正常后，利用停播检修时间完成标清向高清播出频道的切割工作，此后完成主用系统高清改造工作。改造后的早教高清频道仍为数字付费频道，其播出系统保持原标清系统架构，主备外来信号由高标清兼容的两套矩阵调度系统分别提供，节目素材通过主备独立配置的视频服务器系统解码播出，可实现主备高清垫片循环播放及4路高清应急硬盘放像播出。
注释：
①郭全中：《“十四五”时期传媒业的新机遇与新挑战》，《传媒》2021年第12期。
【关键词】高清播出;高清播出总控;系统改造
随着高清电视的推广和普及，高清电视技术已成为广播电视技术发展和进步的必然趋势。①中国教育电视台具备高清总控矩阵和高标清同播数字播出系统，并顺利实现了主频道CETV-1和早期教育频道高、标清同播。本文结合CETV早期教育高清电视频道（简称“早教高清频道”）播出系统改造进行探讨，并对系统设计思路进行详细的分析和小结。
一、早教高清频道改造方案概述
CETV现有的早期教育标清播出数字付费频道，其播出系统为1主1备（1+1系统级备份）高标清兼容的系统配置模式，各系统内可同步播出主、备两路标清节目，可实现自动、手动播出控制方式，具备主备应急垫片及4路标清应急硬盘放像播出能力。
早期教育高清电视频道计划由现有高标清兼容的早期教育标清频道播出系统改造实现。为保证现有早期教育标清播出系统及改造后的高清播出系统能够安全稳定运行，将利用备份系统、备份路由完成播出改造、试运行工作。改造内容主要包括调整视频服务器相关通道及周边处理设备配置、部署高清键源设备、存储扩容等。
二、早教高清频道改造方案设计
电视频道高清播出系统主要包含总控信号调度、视频服务器、播出分控、监视监听、信号检测、二级存储等系统。核心设备包括主备编解码通道、主备控制、主备切换及周边处理、主备存储、主备总控矩阵及卫星接收解码、信号分配/转换、延时、时钟、同步、数据管理等设备。早教高清频道将利用上述系统设备对主备高清信号源进行控制切换，在完成音频响度控制及字幕、台标的叠加后，高清信号通过主备三选一选择后输出至高清编码复用传输系统。
（一）总控系统设计
总控系统按照主、备两个矩阵的结构设计，主、备矩阵拥有相同的输入信号，输出信号采用同目的主备矩阵各输出信号总量1/2的原则，任意一个下游系统均同时接收来自主、备两个矩阵的信号，且每个矩阵各接收输入信号总数的1/2（详见图1）。进入总控系统的外来信号均经视频、音频接口板转换接到系统，矩阵的输入与输出端口均由跳线板连接，便于临时用人工方式进行信号跳接，或某一部分设备出现故障时，用跳线跳过故障设备，从而保证安全播出。
总控矩阵系统选用主、备两台主机型号为Miranda NV8144的设备，其最大规模为144×144数字输入输出，目前系统配置为99×108输入输出规模。主备矩阵具备相同的HD/SD SDI输入输出通道，分别承担主路信号和备路信号的调度。每台矩阵输入按镜像分布，兼容高标清输入99路，兼容高标清输出108路。与总控矩阵配合使用的交叉变换器、帧同步器、固态延时器等设备环接在矩阵输入、输出端口间，可实现对其他所有接入矩阵系统的信号自由进行格式变换、信号同步及延时处理等。矩阵采用模块化设计，可根据需要插入板卡，信号的传输采用嵌入式音频方式。总控技术监测系统使用高标清多格式数字波形监测仪及专业音频监听设备以及专业液晶监视器，完成对总控各个信号源的技术监测与监视。由于总控部分需要监看的信号较多，总控信号显示与监看系统配置3台高标清32画面分割器与大屏相结合显示的方式，进行信号监看。经总控矩阵调度的信号如下：
1.总控矩阵输入信号
（1）中央电视台CCTV-1高标清信号主备8路：用于中央电视台《新闻联播》及其他重要时政要闻的转播，信号分别来自有线光缆传输解码和卫星接收，高清解码器采用符合广电总局行业标准、支持ASI/UDP/RTP传输协议、具备2路HD-SDI输出的AVS+解码设备，然后通过高标清兼容的帧同步器接入主备矩阵。
（2）主备4路演播室信号、8路外来节目信号：用于中国教育电视台新闻类栏目的直播以及平时临时性的直播活动，这些信号都是通过光纤送入总控系统，然后通过高标清兼容的帧同步器接入主备矩阵。
（3）自环信号：自环信号共有三种，第一种是高标清上/下变换的自环信号，通过上/下变换器实现全台信号格式的转换，总控系统最多支持8路信号同时完成上/下变换功能，通过信号的上/下变换可实现高清与标清系统的信号交叉调度;第二种是延时信号，通过高清延时器实现在直播过程中对节目的延时播出，高清延时器支持高清信号延时60秒播出，可通过设备本身的应急通道实现应急信号垫播;第三种是帧同步处理器的信号，即通过帧同步设备对信号进行相位校准与锁定等处理，主要用于我台各频道间并机播出。
（4）高标清应急信号：由视频服务器解码通道输出应急信号源，经过高标清视分分配给高清矩阵的四路信号。
（5）高标清频道的播出信号：有两类高标清频道的播出信号接入总控矩阵系统，其中一类是无台标字幕的净信号，可用于并机播出;一类为带台标字幕的末级播出信号，主要用于节目收录、直播演播室播出信号监视回采、其他监视系统监看等。
2.高清矩阵的输出信号
（1）播控矩阵信号：送给各个高标清播出频道的4路（每频道4路）播控矩阵信号，用于频道直播时，从相关演播室（部门）调入所需的信号源。
（2）监视信号：48路监视信号，每台矩阵送入总控画面分割器24个信号，可用于对所需信号源的调度监看。
（3）全臺信号共享输出：送各个演播室、收录室及导播间用信号。
（4）环路信号：统一信号处理的信号，包括信号帧同步处理器、上下变换、延时等。
为确保播总控系统的信号同步，同步系统在设计时，采用主备2台泰克TG700同步信号发生器及主备同步信号倒换器ECO422D，具有手动和自动倒换功能，ECO422D是同步自动倒换的核心，通过模拟分配放大器组成同步分配网络，为总控、各播出分控系统及台内各相关机房提供高精度、高稳定性的基准同步信号。 （二）视频服务器系统设计
高清视频服务器系统为每个频道配置物理上独立的主、备解码通道，具备独立的主、备垫片通道。高清视频服务器I/O处理控制运行在非Windows操作系统下，编解码模块采用非Windows操作系统。服务器中凡能提供在线备份的部件全部配备完整，服务器与存储管理、千兆以太网交换机、存储控制单元、电源等具有冗余设计，并支持热插拔;其他关键设备均采用冗余备份，系统网络通道无单一崩溃点。
视频服务器采用Omneon高清视频服务器，整个系统分为1-5频道主播出服务器部分和备播出服务器部分，6-10频道主播出服务器部分和备播出服务器部分。每个主播出服务器部分配备1台主机模块、3个解码模块用于高标清频道主播出及备垫片，1个编解码模块作为高清、标清上载/审看及外来信号上载模块，2台存储盘箱。每个备播出服务器部分配备1台主机模块、3个解码模块用于高标清频道备播出及主垫片模块，3个解码模块作为预播及播前审看模块，1个编解码模块作为外来信号上载模块，2台存储盘箱。编解码通道采用全硬件的模块化设计方式，与视频服务器主机之间采用千兆以太网线进行连接，各模块间相对独立，单独替换时不影响另外模块正常运行。可实现节目播放零帧精度。
两组视频服务器系统共满足了10个高/标清频道的播出任务、2个通道的垫片解码任务、4个通道的信号上载任务、5个预播解码任务、2个预播回看任务。单台存储模块共含有24块900GB企业级SAS硬盘驱动器，能提供16Tbytes的存储空间，可存储639小时50M码流高清素材。每套系统均有两台存储模块，能提供32Tbytes的存储空间，可存储1278小时50M码流高清素材。主备视频服务器的存储系统采用Raid 6双奇偶方式，可满足早期教育频道72小时在线节目存储容量。
（三）视音频系统
早期教育频道分控系统具备主、备双路高清节目的自动播出和切换控制，属系统内外双主备结构。系统中各关键设备前后设置跳线口，具备主、备播控机及软件的手动和自动倒换功能。具备播出节目信号监视监听和技术监测能力，能够实现在应急情况下以高清节目文件方式直接播出。可为高清频道分控系统的主备两路高清播出信号提供图文字幕、“高清”字符及台标键信号的叠加（详见下页图2）。
周边设备机箱具备主、备双电源，周边板卡支持热插拔，具备通过网络集中监测和控制调整功能，支持通过PC机对周边设备中每一模块进行参数调整、状态设定、发现错误即刻报警等功能，能够实现状态监控。
1.播出切换、控制系统
高清频道的播出控制系统采用混合主备模式，即同时采用“主控主、备控备”独立控制和RS422倒换器进行交叉控制的方式。正常情况下，主备播出控制机分别给主备切换设备和主备视频服务器发送控制命令，从而实现主备机分别控制主备设备的模式。当某控制机出现故障时，可通过RS422倒换器切换至另一控制机，从而实现一台控制机全面接管所有设备功能。
播出控制软件安装在播出工作站中，支持各类切换台、放像机、视频服务器等设备，支持多种控制协议;对各相关设备的控制能够达到帧精度。播控软件中可查看信号切换设备任务队列信息，如切换设备的任务执行时间、输入输出、设备名称信息。支持按不同的信号源设备查看播出任务信息，显示视频源名称、播出时间、时长、文件ID信息。播出在线响应关联素材信息，软件实时循环检测，发现播出线上迁移就绪的素材，立即发出通知提醒并可实现素材自动关联。采用与数据库松耦合设计，在节目单已加载情况下数据库服务器或网络出现故障时，播出控制软件可继续正常运行。
2.文件化互联接口系统
文件化互联系统支持接收备播消息自动迁移及内部自动拷贝等模式。提供MD5校验、自动技审等功能，并根据设备资源实现任务的自动分配。
可实现节目单系统对外的串联单接收;提供文件导入接口，播出成品文件的迁移入库;能够支持节目代码、节目状态等查询服务。
互联互通设备均采用非TCP/IP等通用网络协议进行数据交换。支持双向通讯，必要时可以应用为单向通讯提高安全级别，并支持白名单过滤机制。
播出域与外网连接，包括元数据、媒体文件，均实现网络协议隔离，网间无TCP/IP等通用协议连通，彻底阻断播出系统被攻击的可能。
3.预播及信号检测报警
配置高标清兼容信号检测单元，信号检测精确到帧，报警信息能够及时体现在相应的软件界面上。具备播出信号主备一致性监测、末级播出信号的监测功能，播出信号的监测精确到秒，并能够产生声、光报警提示，引导播控应急操作。
预播软件获取各频道播出节目单，按照离播出开始时间倒计时排序，将节目通过视频服务器通道解码播出。同时通知信号检测仪进行播出信号检测;可获取文件技审信息与人工复审信息，汇总后显示。
4.播出信号一致性比对
播出信号一致性比对针对播出末级三选一切换器的主备2路输入信号进行比对，通过检测信号状态来实现更准确、及时的报警，采用的专用面板支持声光报警，可提示值班人员进行手动应急切换，也可实现极端异态自动切换。
三、改造方案实施与小结
早教频道的现有分控系统设备以及视频服务器均为高标清兼容，通过修改配置参数和调整彩条、垫片接入信号格式即可实现高清播出。系统在升级改造过程中，对三部分信号路由进行修改：
一是将原有早期教育标清至编码矩阵的路由信号改为高清信号，原有的4台标清编码器换成AVS+高清编码器，现有播出分控系统去编码矩阵的物理线路不变，只将链路信号改为高清信号。
二是新增2条临时过渡的标清信号链路，进入早教标清编码器，经下变换输出后分别进入编码矩阵及画面分割器，待标清频道停播后再将标清信号链路拆除。
三是分别将原有的标清彩条信号、垫片信号及CQX应急信号源更换为高清信号。
对上述信號及路由修改完成后，将首先对备份系统进行配置部署并测试，待备份系统运行正常后，利用停播检修时间完成标清向高清播出频道的切割工作，此后完成主用系统高清改造工作。改造后的早教高清频道仍为数字付费频道，其播出系统保持原标清系统架构，主备外来信号由高标清兼容的两套矩阵调度系统分别提供，节目素材通过主备独立配置的视频服务器系统解码播出，可实现主备高清垫片循环播放及4路高清应急硬盘放像播出。
注释：
①郭全中：《“十四五”时期传媒业的新机遇与新挑战》，《传媒》2021年第12期。