数字电视信号智能监控应急系统.docx

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数字电视信号智能监控应急系统

目录

1概述2

2研制目标和技术要求2

2.1研制目标2

2.2技术要求2

3设计思想和设计方案2

3．1设计思想2

3.2设计方案2

4技术路线和研制方法2

4.1技术路线2

4.2研制方法2

5研制内容和技术关键2

5.1研制内容2

5.2技术关键2

6技术创新2

7研制成果及达到的性能指标2

1概述

在当今电子与信息领域中，数字技术的发展是一场革命，它带动了整个信息处理、传输、存储技术的发展，使得整个社会进入数字时代。

在广播电视领域，由于广播电视信号自身的复杂性和该行业的特殊要求，数字化的起步稍晚，难度也大，国外一些发达国家已经基本上完成了广播电视信号由模拟信号向数字信号的转换，实现了广播电视信号的数字化。

我国广播电视信号目前仍主要停留在模拟信号阶段，国家广电总局在完成了采用数字信号的卫星电视试播之后，又制定了普及我国数字电视播放的计划，确定了我国广播电视向数字化过渡的时间表，并在《广播影视科技“十五”计划和2010年远景规划》中明确提出：

到2005年我国有线数字电视用户超过3000万户，2010年全面实现数字广播电视，2015年停止模拟广播电视的播出。

国家广电总局广播电视规划院院长姜文波介绍了2008年全国地面数字电视的规划：

地面无线电视正在向数字化进行积极的转换中，计划用3到5年的时间完成全国3000多个省、市、县的推广应用，2008年首先是在六个奥运城市和广州、深圳等37个城市开展地面数字高标清电视的播出。

由于国内电视行业数字化改造起步较晚，各个地区发展并不平衡。

更多的电视台在数字改造初期看重的主要是数字电视功能的顺利实现以及数字电视用户的大力发展上，因此对安全播出产品的需求并不是十分迫切，所以对这类产品关注的企业并不是很多，有一些产品也只实现了一些简单的码流备份和切换功能，对安全性考虑不够全面。

最近一两年来，随着数字电视用户数量的大量增加，加上党的十七大召开、人大政协两会、奥运会的召开等重大事件的影响，数字电视的安全播出保障被提到了非常重要的位置，进而对这一类产品的需求就变得非常迫切。

由于国内的厂商对这一类产品的开发起步较晚，很多有线电视网络公司只能花巨资购买国外公司的产品。

国外科技水平比较高，目前我国的模拟电视系统、数字电视系统基本上都是参照国外电视系统的框架搭建的，由于国外的数字电视系统研发起步较早，例如美国DirecTV/BSS于1994年6月开始了数字SDTV的卫星直播业务，1996年12月美国又批准了以HDTV为基础的ATSC数字电视标准并决定到2009年2月停止模拟制NTSC电视播出，全部改为数字电视播出，再加上国外的大公司研发技术力量雄厚，主要的数字电视标准都由欧美发达国家所掌握，在产品线上也比较齐全。

目前国内市场主要被美国的SA（科学亚特兰大公司）、Harris、英国的Snellwilcox等公司所垄断，他们的产品大都能够实现ASI信号的监测分析和自动切换，监测的主要参数有TS同步字节、PAT、PMT等参数，一般都配备完善的网管软件，但是价格比较昂贵，通常每套的价格在人民币30万元左右。

本项目是为了保障当前的数字电视系统安全播出而研发的数字电视信号智能监控应急系统，它采用大规模FPGA作为核心处理单元，以ETR290为标准对DVB-ASI信号进行实时分析检测，当信号出现中断、同步错误、PID丢失等异常情况时，能够按照预先设置好的规则进行实时智能切换，当信号回复正常时又可以实时自动切换回主路信号，大大提高了数字电视信号播出的安全性，保障了数字电视系统的无故障、不间断播出，其在广播电视系统中的应用见图1.1。

图1.1数字电视信号智能应急切换系统在系统中的应用

目前国内广播电视部门使用的具有类似功能的产品大多为国外进口产品，同这些产品比较，该系统具有如下优点：

1）功能更强，不仅可以实现信号的实时切换，还可以实现信号的实时垫播。

2）不仅能设置在矩阵中，还可独立使用，切换速度快。

3）可结合和兼容多种信号，包括ASI、SDI、AES、模拟视/音频等信号。

4）垫播功能强，既可以使用已录制好内容，也可以实时生成垫播内容。

2研制目标和技术要求

2.1研制目标

本项目的研制目标是：

研制一种能够实现“对各种模拟、数字信号进行实时监测和智能切换”的功能模块，该模块可以不依赖于复用器、矩阵等设备独立使用，也可以与上述设备通过综合网管系统互相配合实现广播电视的安全播出，同时给出实时监测结果和报警记录，在主路信号出现问题时自动切换至备路信号，在主、备路都有问题时则自动垫播或者产生出辅助信号，在主路信号恢复时还可以自动恢复到主路信号，从而保证各种信号的不中断安全播出。

2.2技术要求

本项目的技术要求：

●提供基本信息：

能够向用户提供关于数字信号的最基本的信息，如TS流的传输速率、同步错误、TS包长度、视音频比例、PSI表的简要信息等，SDI信号的格式、传输速率等。

●实时监测：

本系统应该针对ASI信号，按照DVBETR290标准规定的3级检错内容进行设计，能够对SDI信号按照SMPTE259M/292M/272M和CCIR656标准进行实时检测。

●显示节目信息：

能够通过软件显示，描述一个节目内容的PSI以及PMT、SDT和EIT的具体信息。

●应急切换：

当信号出现异常时，能够进行主备以及垫播信号的实时切换。

3设计思想和设计方案

3.1设计思想

广播电视行业是一个相对特殊的行业，它肩负着宣传党和国家的方针政策的重要使命，在节目的制作、播出、传递过程中不允许出现任何差错，一旦出现问题，必须做到及时发现，实时应急切换，保证信号的安全。

应急切换产品作为广播电视信号的中心重要设备，其切换的可靠性和稳定性尤为重要，在监测过程中要求做到正确判断信号的状态，可靠的切换，避免误切换；当发现信号出现问题时，要保证输入信号的实时切换。

因此，在进行产品设计时，必须考虑信号检测的可靠性、切换的实时性和稳定性及设备的先进性。

综合以上几点，我们在研制过程中，始终坚决贯彻了以下设计思想：

●跨越传统的手动切换，实现智能检测、应急自动切换。

传统的信号应急主要依靠手工实现，实现的方式主要有跳线方式或矩阵切换方式。

在数字电视系统中，以往的应急切换设备只能对信号的有无、通断进行检测，如想要对码流进行深入分析，需要借助码流分析仪才能够实现。

本项目所研发的系统选用Altera公司的FPGA作为核心处理单元，将输入输出、逻辑分析、综合运算和控制系统通过CPU内核有机结合成一个整体。

可以对信号进行深入分析和监测，例如对ASI信号可进行PAT、PMT分析，PID检测，对SDI信号可进行EAV、SAV、EDH检测以及色度亮度和内容分析。

对ASI按照DVBETR290标准规定的3级检错内容而设计；对SDI信号能按照SMPTE259M/292M/272M和CCIR656标准进行检测；对数字音频按照AES/EBU标准进行检测；对模拟视频转换为CCIR656标准进行检测。

通过鉴别信号传输过程中的变化和错误，实时给出报警信息，并进行相应的应急处理，完成智能监测、报警和应急自动切换，确保数字电视信号的高效、安全播出和传输。

●单芯片实现信号转换、分析及切换功能，化复杂为简单。

要实现码流信号的分析、切换功能，按照传统的方式至少需要2-3颗芯片即信号串并转换芯片+信号分析处理芯片+切换芯片才能完成。

这样设计的电路不但芯片采购受限，而且价格高。

本系统采用了大规模FPGA技术，在单芯片内即实现了信号串并转换、信号分析处理、信号切换三大功能，在一个2U高的电路板内就可以实现信号的均衡、转换、检测、分析、切换、分配、通讯等所有功能，将复杂的多芯片转换电路化为单芯片电路。

同时由于FPGA的高度可编程性，只要烧录不同的程序，就可以分别对ASI信号和SDI信号进行处理，非常灵活。

●采用“模板匹配”技术，保证信号检测的可靠性。

在实际系统应用中，应急切换器产品使用中的一个很重要问题是防止误切换。

本系统采用出了“模板匹配”技术，根据每个信号的特点可以给出与之匹配的参数，并允许合理的误差范围。

将预设的数据放入CPU中，当FPGA对信号分析处理后，与对应的模板数据比较，准确的判断信号的状态，保证信号检测的可靠性。

●增加垫播功能，提高数字电视信号切换的稳定性。

本智能监控应急系统在主、备路双输入的基础上还提供了第3路辅助输入，并且此路输入信号的所有节目信息、PID等都可以被实时修改成与原来主路信号一致。

在主路信号出现问题时自动切换至备路信号，在主备路都有问题时则自动垫播或者产生出辅助信号，在主路信号恢复时还可以自动恢复回主路信号，从而保证各种信号的不中断安全播出，提高了信号切换的稳定性。

●采用分布式结构，并增加监视和预警机制，提高系统可靠性。

信号监控处理模块采用分布式结构，每块板卡只处理一路ASI码流信号，各自独立，互不影响，任何模块发生故障都不会影响其他模块，消除瓶颈问题。

万一出现故障，值班人员仅凭借着信号的报警状态就可以确定故障点，排除故障的时间大大缩短。

本项目在单元电路设计上不仅优化电路设计，精选核心器件，而且在各种电路板上都增加了不同的检测电路，例如在控制单元上增加了通讯检测功能及温度报警功能，所有这些功能确保了万一发生故障，使得操作使用者在第一时间就可以做出反应，避免更严重事故的发生。

例如，假如系统通风不良，机箱内温度会持续升高，温度高到一定程度，会引起元件老化乃至损坏，会发生短路甚至燃烧，引起严重的事故，而这时如果在适当的温度进行报警，操作者就可以及时采取措施，如加强通风，打开制冷设备等，从而确保系统的正常工作。

●兼容各种数字/模拟信号格式，立足SD（标清）信号标准，并能充分适应HD（高清）信号标准。

目前我国广播电视行业正处于“数模同播”时期，且绝大部分电视台播出的信号都是SD（标准清晰度）信号，但在一些特殊的时间和特殊的事件时将采用HD（高清晰度）标准，以后会逐步向HD标准过渡。

基于这种现状，本项目采用兼容当前存在的各种模拟和数字视音频信号，立足SD信号标准并能充分适应HD标准的设计思路。

在电路设计上采取选用能pin-to-pin（管脚兼容）SD与HD标准的芯片，以超大规模FPGA分析运算单元为核心，以多种信号转换单元为桥梁，将多种格式的模拟、数字信号都转换为FPGA可以识别的数字信号格式，通过网管软件的管理，设计了一种对各种格式的模拟数字广播电视信号进行实时监测、报警，并进行智能应急切换的总体方案。

由于严格按照这一思想指导实践，最终设计出了符合我国国情，适应不同地区不同需求的应急切换系统。

●模块化单元电路设计，检测、维护、升级方便快捷。

智能监控应急系统是一个非常复杂的系统，但对于用户来说，他希望面对的是一个使用简单，结构清晰的产品。

由于应急切换器是一个中心设备，任何时候都不能停止工作，这就要求应急切换系统要非常便于维护，万一出现故障，工作人员不会手足无措、无从下手，而是能够迅速判断故障所在，并在最短的时间内使系统恢复正常。

广播电视行业对故障率的要求是非常严格甚至是苛刻的，故障的严重与否是以秒来结算的，因此，我们确定了把复杂留给自己，把简单交给客户的原则，采用模块化的设计，同时最大限度减少模块的种类，以Kd-7021应急切换器为例，它只有切换、控制、电源这三种模块，所有同类单元都有明确标识，用户不需要了解电路板的内容，仅凭外观就可以更换电路板，这就使得对产品的使用培训、产品维护等都变得非常简单，真正做到令客户满意。

3.2设计方案

本项目所依据的技术原理是高频数字信号传输和处理理论，应用的技术包括差分信号传输技术、高频数字PLL技术、串行数字信号时钟数据恢复技术和基于FPGA的数字信号分析技术。

由于DVB-ASI信号是以270MHz的