广西电视台总控数字矩阵系统的设计.doc

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1、黄军忠魏 敏王成文徐国安邓端银广西电视台摘要旦矩阵出现故障，往往容易酿成重大的播出事故。因此，如何使总控矩阵切换系统更加安全可靠，是我们所要解决的一 个重要问题。广西电视台己于去年完成了电视播控系统的全数字化改 造。目前的电视节目制作和传输也基本实现了数字化。因此， 原数 / 模混合的总控矩阵系统，如图 1 所示，已经完成了广西 电视台的电视技术从模拟到数字的过渡期任务，因其存在数 字视频矩阵容量不足、模拟部分已显多余和整个系统由于信 号链路太复杂而不利于发生设备故障时的快速应急处理等问 题，已不适应当前电视节目制作、播出和传输等的需要，必 须要对总控矩阵系统进行全数字化改造。切换矩阵是电视中

2、心总控系统中不可缺少的关键性设备，其在信号的切换调度中发挥着重要作用的同时，也存在着极 大的风险。因此，如何把总控矩阵存在的风险降到最低，是 我们经常思考的一个重要问题。本文主要阐述如何从安全的 角度出发，设计出一个安全高效的总控矩阵切换控制系统。关键词总控 矩阵 数字化在电视中心完善的总控系统内，切换矩阵是不可缺少的核心设备，它通过对进出总控的电视信号进行切换调度，把 中心内外各节目制作、播控、存储、上载、监测和转录等机 房有机地联结在一起，实现电视中心的多功能。也正是因为总控矩阵在播出中所发挥的关键性作用，一一 总控系统的设计总控系统的设计要求：一是要把系统的安全性和可靠性放在首位；二是系

3、统要具备智能化和自动化，通过技术手段 确保系统的安全，尽可能地减少人工操作；三是系统考虑采 用嵌入音频的 SDI 格式，这样可以达到简化布线、减少设备2投资、节省机房用地和彻底解决视音频信号的同步传输问题；四是所选用的设备应是当前的主流产品，品牌在国际上 有较高的知名度和信誉度，性价比好，为国内多数大的电视 台所采用，避免使用技术超前，目前还处于实验性阶段的非 成熟产品。图 2 为新数字矩阵系统框图。在对总控矩阵系统进行全数字化改进时，针对原矩阵系 统存在的不足，对总控新数字矩阵系统做出了全新的设计， 主要体现在以下方面：要演播室的主路信号经视频分配器后，一路进矩阵，另一路不经矩阵调度就直接送

4、到播控切换台。 采取上述措施后，即便整个矩阵系统瘫痪了，也不会影响 CCTV-1 和演播室信号的转播。3. 矩阵周边设备的配置（1）矩阵周边帧同步机（FS）的配置帧同步机的配置方式大体有三种，如图 3、图 4 和图 5 所示。图 3 的配置方式，其优点是信号调度简单，矩阵发 生故障时跳线应急快捷，缺点是使用相对较多的帧同步机， 成本高；图 4 的配置方式，其优点是从矩阵调往任何机房 的信号都经过了帧同步机处理，缺点是需要大量的帧同步 机，成本最高；图 5 采用帧同步机共享的配置方式，其优 点是使用较少的帧同步机，成本低，缺点是矩阵的信号调 度麻烦，而且在调用帧同步机之前，先要确认该帧同步机 是

5、否正在被使用，以免误切信号。另外，图 5 的配置方式， 在矩阵出现故障而需要跳线应急时，不但跳线量大，而且 容易跳错线。在新数字矩阵系统的设计中，为节省投资，结合了图 3 和图 5 这两种配置方式的优点，采用图 6 所示的配置方式： 为常需要转播外来信号源的各播出频道配置主、备两台专用 帧同步机，而很少需要外来信号源的各演播室，则共享两台 帧同步机。这样，既达到了矩阵切换和应急的方便快捷，又 能相对地节省投资。1. 通过增加备份矩阵和备份矩阵控制电脑来加强矩阵硬件系统的安全性和可靠性在电视台的播出系统中，播出信号通道和设备都有备份， 唯独矩阵，因其价格昂贵和操作上的原因，一般不会采用两 台矩阵

6、作主备热备份，只提供了主备信号进入同一矩阵的不 同的两个通道。矩阵成了安全播出的瓶颈。为此，通常采取 如下措施来提高矩阵系统的安全性：矩阵的电源模块、控制板和交叉板（或交叉板中的交叉 点）采用主备热备份；选用由多块输入输出模块组成的矩 阵，这些模块采用冷备份的方式。避免使用输入、输出和交 叉模板各仅有一块插板的矩阵，因为这类矩阵的插板不但备 份成本高，而且任何一块插板有问题，都有可能造成矩阵的 瘫痪。即便采取以上措施也不能完全确保矩阵系统的安全， 因为曾发生过矩阵主备电源模块同时被烧坏的故障。据了 解，其他电视台也发生过与我们同样的 故障或因发生交叉板故障而造成矩阵瘫 痪的事故。 基于上述原因

7、，在总控新矩阵系统的设计中，我们采用了主备两台矩阵的热备 份方式，主路信号经由主矩阵来调度，备 路信号经由备矩阵来调度。这样，将极大 地提高矩阵系统的安全性。为确保矩阵电脑的安全，设计中采用 了互为备份的两台矩阵控制电脑。2. 在总控系统的信号链路上作如下设计，以便减少对播出矩阵的过分依赖在系统中，既要尽量发挥矩阵的作用，又要减少对矩阵 的过分依赖。在新数字矩阵系统的设计中，播出的 PGM 信号 不经矩阵调度就直接上传输设备，送入矩阵的PGM信号仅是 为了监测；CCTV-1 信号源的主路信号不经矩阵就直接送到 播控切换台，其余两路经矩阵调度后再送到播控切换台；主（2）矩阵周边视频分配器的配置视

8、频分配器具有信号分配、波形重整、阻抗匹配和隔 离故障设备的作用。如果矩阵的每个输入输出端口均配置 视分，则需要 224 台（块）视分，不仅设备费用高，而且 需要较大的设备安装空间。在新数字矩阵系统的设计中， 采用了另外一种配置方式，即矩阵的输入输出端口如果与 本机房的设备相连接（比如卫星接收机、SDH 解码器、光6543收发机、FS、嵌入器、解嵌器等设备），由于连线距离短，就不需要配置视分。而凡是与外机房设备相连接的矩阵端 口，由于连接线距离长，两机房的地电位也不完全相同，则 矩阵的输入输出端口需要配置视分。这样，仅需 46 台视分 即可解决问题。以上的机箱才具备交叉板的冗余备份功能（插双交叉

9、板或单交叉板双交叉点）。交叉点模块是矩阵的核心部件，它一旦损 坏，整台矩阵将陷于瘫痪。为了矩阵系统的安全，采用了 128 128 的矩阵机箱，尽管为此多付出 10% 的矩阵设备费，也 是值得的。另外，在安装新数字矩阵系统时，按照主矩阵为 128 128 的规模来搭建，今后扩展时，只需增购相关板卡即可。4. 播出矩阵的格式选择送到总控机房的信号源各式各样，绝大部分为嵌入音频 的 SDI 信号，也有极少量的模拟视音频信号或数字视频模拟 音频信号，比如，移动模拟小微波设备，暂时无法数字化。现 阶段，有些类型的矩阵具有非常强的功能，矩阵输入端口可 以输入各类信号，如嵌入音频的 SDI 信号、分离的模拟

10、视音 频信号或数字视频模拟音频信号、高清信号，甚至光信号。同 样，矩阵输出端口也可以输出各类信号。矩阵内部信号格式 的转换是通过各种矩阵输入输出功能模块来实现的。相对于 矩阵外接信号格式转换设备，其优点是节约成本和节省设备 安装空间，其缺点是如果一块功能模块出故障，往往会同时 影响到 8 路或 16 路信号，而且矩阵输入输出端口不同格式信 号之间不能应急跳线。从安全的角度出发，我台在新矩阵系统的设计中，采用 了矩阵外接信号格式转换模块的方式。这样，矩阵的输入输 出端口信号格式就统一为嵌入音频的 SDI 信号。7. 新数字矩阵系统的信号监视、监听和监测设计（1）新数字矩阵系统的视频信号监视设计随

11、着电视事业的发展，需要监视的电视信号越来越多。 传统的监视模式，由于受监视墙规模等等的限制，将不能满 足电视信号监视的需要，必须要做出相应的改进。近年来，有的电视台在设计总控系统时，配置大容量的 切换矩阵，把其中的部分输入端口环接矩阵输出端口所接设 备的输出信号，用部分矩阵输出端口作为监视。这样，既可 以减少监视墙占用的空间和减少监视墙上的黑屏现象（由于 信号源的原因，需要监视的时间不长，监视器大部分时间处 于关机黑屏的状态），又便于对矩阵输出端口所接设备的输出 信号的监视，如图 7 所示。5. 全标清数字矩阵系统高清晰度电视离我们越来越近了，现在的许多数字电视 设备都能高标清兼容。新数字矩阵

12、系统是否设计为高标清兼 容系统，是我们所要论证的重要问题之一。讨论的结果是新 数字矩阵系统设计为纯标清系统，理由如下： 广西电视台目前还没有高清演播室和高清播出频道， 矩阵高清功能近期用不上，以后如果有少量高清信号源需要 转播，通过下变换后接进总控矩阵系统即可； 高标清兼容系统太复杂，且矩阵输入、输出端口的信 号格式不同，不利于设备故障的跳线应急处理； 以后如果开播高清电视频道，并且高清信号源较多 ， 则另外搭建一个高清矩阵切换系统，高标清两个系统之间通 过上下变换来实现信号源的共享。这样的设计有其可取之处，优点显而易见，但也有其不足之处，即把过多的功能和作用集中在同一台矩阵身上，一 旦矩阵出

13、故障，影响面广，既要跳线应急转播信号又要跳线 应急监视信号，处理故障时过多的跳线，将不利于设备故障 的快速应急处理。广西电视台在设计新数字矩阵系统时采用了如图 8 所示 的方式。选用一台性能和价格相对较低的矩阵作为专门的监 视矩阵。这样，即使播出矩阵有故障，在跳线应急转播信号 之后，也不会影响对转播信号的监视。基于所设计的矩阵系统的结构，仅需配置三台多画面分 割器和三块显示大屏，即可解决矩阵系统的信号监视问题。6. 矩阵容量的考虑。由于新数字矩阵系统设计为主备两台矩阵，备矩阵用原 系统中的 48 48 矩阵，主矩阵只需 64 64 的矩阵即可满足 要求。然而，目前 64 64 的矩阵机箱只能插

14、单一的 64 64 输入、输出和交叉板模块，无冗余备份功能，只有 128 128还要智能化，具备路由冲突判断能力，检测预切换的信号链路是否正确，以便提高工作效率和播出的安全性。为此，要 求矩阵设备提供方免费提供基于串口或者网络通讯模式的矩 阵控制协议，供用户进行软件的开发。自行开发设计的矩阵系统控制软件具备了如下功能： 矩阵主备控制电脑相互间能镜象控制数据。当主控电 脑有故障时，能自动启用备控电脑，并在显示屏上提示主控 电脑有故障； 控制软件具有定时自动切换功能； 控制软件具有错误切换自动检测功能； 控制软件具有宏切换功能； 控制软件具有系统操作日志，并可对系统操作日志进 行加密，防止人为修改

15、日志的内容； 控制软件在操作界面上能进行手工切换操作，并且当 手动操作与自动操作有冲突时，手动操作优先于自动操作； 采用本地登录方式，控制数据保存在本矩阵控制电 脑里； 控制电脑采用 422 接口授时； 控制软件具有提醒功能。可以设定提醒内容和提醒 时间。根据串联单自动提醒检查信号切换，弹出提示窗口 并且发出提示音。能够设定单个提醒内容和设定发出提醒 的日期时间。用于提醒检查个别晚会、会议等节目的信号 切换； 可以自定义“输入模块”。将常用的信号切换路径编辑 为一个模块保存。下次使用的时候可以直接调出，修改切换 的日期和时间即可。编辑切换条目内容的时候，在输入“备 注”内容时使用输入模块完成。

16、在输入模块中相应的文本框、 选择框中完成内容填写和选择，点击确定按钮，软件会将该 内容以预定的格式填写到备注栏中。规范内容的格式是为了 方便查询统计； 控制软件具有查询、统计功能。可以根据串联单查询 统计切换条目（应该以“节目”为单位），便于日后统计总控 完成的播出任务，并可以生成报告。要求支持多条件匹配查 询、可以用不同方式返回查询结果； 将来更换任意一台矩阵，软件仍然可以控制新矩阵； 矩阵控制软件的安全性要求：当主控电脑有故障时， 保证备控电脑能及时启用，并且主控电脑因故障所产生的 错误数据信息避免镜像到备控电脑里去。每台矩阵均配置 有一块控制面板。控制面板的操作应优先于控制电脑的操 作，

17、并且矩阵控制电脑发生故障时，不影响控制面板的使 用。当该软件控制的三台矩阵中的任意一台或二台发生故 障时，软件能够不受其影响继续正常运行，并且能够控制其中一套多画面分割器用来监视播出矩阵的调度信号，另二套多画面分割器分别用来监视播出矩阵输入端口前的设备输 出信号和输出端口后的设备输出信号。对矩阵系统的信号进 行全方位的监视。（2）新数字矩阵系统的音频监听和监看设计利用数字矩阵的 MONITOR 输出端口 WOHLER 监听表 桥监听声音和利用分割器的显示大屏上的音柱对音频进行监 看，就可以解决嵌入音频的监听监看问题。（3）新数字矩阵系统的信号监测设计把两台播出矩阵的 MONITOR 输出口所接

18、的 WOHLER 的环出分别接到泰克 WVR6100 监测仪的路输入和路输 入。WVR6100 的环出再接到泰克 WFM601E 监测仪的 A 输入 和 B 输入，并把监视矩阵的其中一路输出接到主播出矩阵的 输入端口，就能完全解决矩阵系统的信号监测问题，如图 8 所示。8. 开发设计总控新数字矩阵系统控制软件在一个由三台数字矩阵组成的矩阵切换系统里，如果每 台矩阵分别由不同的电脑控制，主、备路信号和监视信号通 过手工操作矩阵控制电脑的方式来分别调度，不仅操作繁琐， 工作效率低下，而且容易产生误切换，增加值班人员的工作 量和工作时的心理压力。因此，设计开发一套矩阵系统控制软件，使得三台矩阵 可以

19、由同一台电脑来控制，把三台独立的矩阵整合成一个整 体就显得十分必要。开发设计的软件不但要能实现信号调度的自动化，而且其余的矩阵。信号源的转播； 帧同步机与矩阵间的联接方式便于信号的切换调度和 设备故障的快速跳线应急处理。二 总控新数字矩阵系统的特点1. 系统具有极高的安全系数 主备两台播出切换矩阵互为热备份，主备矩阵均配置 了备份电源模块和备份控制模块，两台矩阵几乎没有同时瘫 痪的可能； 主矩阵为 NV5128 多格式矩阵，在安全性方面具有特 点及优势：物理结构方面，输入端和输出端各为 8 个槽位，输 入板卡和输出板卡支持的信号路数都以 16 路为步进，构成128 128 规模（我们按 64

20、64 来配置，安装 4 块输入板卡 和4块输出板卡）。矩阵中含双控制板卡和双电源模块。而且， NV5128 没有独立的交叉点模块，它在每块输出板卡上分别 有一组12616的交叉点模块，保证了板卡之间的相互独立， 也即该 128 128 矩阵相当于是由 8 台 128 16 的小矩阵组 成的大矩阵，如图 9 所示。这样，即使有一块（组）交叉点 模块损坏，它也只是损失了矩阵中的 16 路输出（输入模块也 是同样的原理），没有影响其他信号输出，把矩阵风险降到了 最低；2. 功能强大的矩阵系统控制软件矩阵系统具有强大的系统控制软件。3. 完善的监视、监听和监测功能特别值得一提的是，NV5128 具有强

21、大的监视（Monitor） 功能 : 可以利用矩阵的输出板卡通过设置对多路目的端 （Destination）信号进行监视，还可以实现任意一条输出母线 对任何其他输出目的端信号进行监视。4. 高性价比在设计新数字矩阵系统时，采取以下措施来降低成本： 非播出设备，如监视矩阵，使用比较低端的设备； 原系统中的所有数字设备，包括部分视频线、视频头 和视频双通头等，均在新系统中继续使用； 把最好的设备用在主通道上，保证主通道的质量，把 旧设备用在备通道上，因为备通道极少能用到（主通道确保 质量，备通道主要是确保通畅，这也是目前在国际上的通行 做法）。整个系统造价并不高，而我们传输通道上的设备均为国 外知

22、名品牌的产品，设备运行稳定。因此，该系统具有较高 性价比。三 结束语播出工作是电视台的一项极为重要的工作，而播出安全又是我们工作的重中之重。在对总控矩阵系统进行改造 时，将安全性、可靠性和高效率的思想贯穿于整个新数字 矩阵系统的设计中。围绕安全播出这个中心，对如何做好 安全播出工作进行了探索与尝试，创新设计了主备两台总 控播出切换矩阵和主备两台矩阵控制电脑，使得矩阵硬件 系统更加的安全可靠；设计开发了具有智能化和自动化功 能的矩阵系统控制软件，把三台矩阵融为一体，既提高了 工作效率，又保证了信号调度的准确无误，即达到了矩阵 系统控制软件安全高效的目标；采用了独立的播出监视调 度矩阵，既大幅地减小了监视墙的占用空间，又能使播出 矩阵前后所接设备的输出信号监视监测更加的方便，有利 于播出安全。我们的上述做法也许可以给广播电视的同行 们提供一些有益的借鉴。 三台矩阵由同一台电脑来控制，配置主备两台控制电脑，同时各矩阵还配有一块遥控切换面板。矩阵的切换控制 具备了高可靠性； 矩阵的输入输出信号为单一格式，所有播出设备的输 入输出端均接进跳线器，方便设备故障时的应急跳线； 播出PGM信号不经矩阵调度就直接上传输设备；主要 演播室和 CCTV-1 的主路信号不经矩阵调度就直通相关频道 的切换台，即使矩阵全瘫痪了也不会影响到播出信号和重要