自动化播出系统-数字音频网的建设

(中央人民广播电台 朱峰)
1 引言
音频技术的数字化作为一种日益成熟的技术，注定是广播电台技术应用的发展方向。而计算机网络技术的飞速发展，把广播节目的采集、录制和播出带进了一个新的时代。与此同时，音频节目的共享、在线调用也变得越来越迫切了。由此而产生的基于计算机网络技术的自动化播出系统，可以使广播电台的节目采集、制作和播出产生一个质的飞跃和革命性进步。
目前这种自动化播出系统已在不少广播电台得到了应用，而更多的广播电台也准备采用这种系统。因此如何建设这一系统，是技术工作者应该了解和掌握的。实际上，每个电台可根据其性质、任务和工作模式，设计符合各自需要和特点的自动化播出系统。不过其中也存在一些共同的设计原则和方法；本文将对此做一些探讨，并对中央人民广播电台的自动化播出系统做一简要介绍，其中不妥之处希望得到大家的指正。 
2 设计原则和系统构成
为了实现广播电台全面的数字化和自动化，在系统整体设计时应考虑以下几个方面的要求：
(1）根据业务流程，使自动化播出系统包含采、录、编、播等各个环节，达到一体化，因此，要覆盖全台的各个编播业务部门；
(2)根据不同的使用要求，针对采集、录制、编辑、复制、审听、管理、节目编排及播出等工作环节，考虑音频工作站的功能和性能；
(3)根据播出形式，如：直播、录播、主持人方式、点播方式或是混合方式，来设计自动化播出系统，使之满足工作的需要；
(4)系统要有一定的扩展性，能够扩容，尽可能采用标准组件、接口和配置；
(5)系统要安全可靠，并便于管理和使用，同时要考虑系统的备份和恢复；
(6)音频资料要考虑存档和共享。
根据上述要求，我们认为，自动化播出系统应采用"一次设计、分步实施"的总原则。在一次设计时，应全面考虑各种使用要求，从而系统性地来构架这一系统。可以按照计算机系统应用开发的方式，参照广播业务的特点来设计和建设这一系统。
总体上讲，自动化播出系统可分为集中式和分布式两种，当然，在实际使用中也不排除上述两种模式共同存在的混合式。这两种模式主要区别在音频接口及处理单元的物理位置。集中式结构的音频接口及处理单元，无论是录音单元、播放单元还是信号处理单元都集中放在一起，一般放在一个主机机箱中，而录音和播出用计算机只是通过网络给主机发出各种指令，所有的音频输入、输出、信号处理和储存都是在主机上完成的。所有录音和播出用计算机实际只是一个控制器。因此如果录音或播出用计算机与主机不在同一地点，则主机和控制器之间不仅要敷设计算机网络连线，同时还要敷设音频信号线。分布式结构中的录音单元和播放单元是放置在各自的工作站内的，而录音工作站和播放工作站之间只需用计算机网络连线连接即可，数字音频文件可以通过网络相互传递。上述两种结构方式各有特点，集中式结构一般由音频专业公司开发，除主机外，对系统中其他设备的性能要求不是很高，但其开放性和扩展性略差一些，而且布线上比较麻烦。分布式结构由于采用大众化的计算机网络技术，具有较强的开放性和扩展性，而且放置的位置比较灵活，所以近年来被广泛地采用。因此一般认为分布式结构将会得到进一步的发展，故此本文重点讨论分布式系统。
整个自动化播出系统可分为：网络系统和应用（数字音频处理）系统。网络系统又可分为：布线子系统和网络设备子系统。应用系统也可进一步分为：播出子系统、录制子系统及管理子系统。
音频文件的储存格式也有多种形式，但主要有压缩和非压缩两种。压缩方式一般分为有损压缩和无损压缩，目前为了提高压缩率，降低占用系统资源，大都采用有损压缩。常见的压缩编码算法有：MPEG Ⅰlayer2（MP2）、layer3（MP3）、MPEG Ⅱ、MUSICAM、ADPCM、Dolby－AC2、Dolby－AC3及 APT－X100等，实际上MUSICAM属于 MP2。当前在音频工作站中采用最广的压缩编码是MUSICAM(MP2),而在因特网上则采用MP3编码。对于那些有高质量要求的音频工作站，音频文件则为非压缩的线性格式。

3 结构化布线技术的应用
为了满足全台范围对自动化系统的使用，布线系统的建设是一项基础设施的建设，应一次实施。由于自动化播出系统实际是一套计算机网络系统，布线系统应采用结构化布线（即综合布线）技术。物理上应采用星型的布线方式，垂直干线采用多芯光缆，考虑到系统的可靠性和安全性，多芯光缆应分两条路由敷设。水平布线可采用五类非屏蔽或超五类屏蔽双绞线，敷设到每个机房的双绞线至少要两条。这样一方面提高了水平线缆的抗干扰能力和可靠性，同时也提供了一个高速、宽带的传输通道（超五类双绞线，100米内超过150Mbps），为将来的发展留有余地。
另外，光缆除了敷设到技术区之外，同时也应敷设到编辑区，可接入编辑区的配线室或微机室，通过编辑区原有的信息用综合布线系统（考虑新建大厦应已有此系统）可以直接接到记者编辑的桌面。这样，记者编辑将来就可在其办公室进行音频资料和节目的编辑和审听了，甚至部分节目的制作也可在记者编辑的办公桌前完成。
因此布线系统的建设是一个非常重要的环节，在系统建设的前期就必须进行全面设计统筹考虑，否则将来还得改造。

4 网络设备的选用
为了能将各个音频工作站和服务器有机地连接起来，网络设备是必不可少的。一个具有一定规模的网络系统，一般可采用两级或三级结构来组成。中心网络设备一般选用企业级或部门级交换机，相应的第二级或第三级网络设备则选用部门级交换机或堆栈式集线器来组成。
目前常用的网络协议有：以太网、FDDI（光纤分布数据接口）、ATM（异步传输模式）。以太网又有共享式和交换式两种，且速率有10Mbps、100Mbps和1000Mbps之分。FDDI技术出现较早，可靠性和效率较高，且已非常稳定和完善，但价格较贵，目前国内应用和配件较少。ATM速度较快，且有服务质量保证（QoS），适用于多媒体系统，但价格很高。比较而言，以太网技术价格便宜，而且对于音频系统，特别是当音频数据经过压缩后，网络系统已能满足速率和带宽的要求。因此，目前性价比最好的应是以太网。不过主干速率不应低于100Mbps，且以交换式为宜，各端口的速率可根据各自的经济实力选用10Mbps或100Mbps。
在网络建设中，另外要考虑的问题是虚网的划分能力和第三层交换。当网络用户较少时，可不必考虑上述问题，但当网络用户较多时，虚网的划分就非常有必要了。虚网划分可以抑制网络的广播风暴，提高传输效率，同时更利于网络管理。此外，对于较大规模的网络，应有必要的网络管理和监控手段，这时，就应配备一套网管系统。 5 应用系统的建立
由播出子系统、录制子系统和管理子系统构成的自动化播出系统实际上主要是由音频工作站组成的。从结构上讲，音频工作站一般是由计算机、专业用音频卡、网卡和相应的软件组成。也有一些音频工作站，主要用于文艺类节目制作的音频工作站配有专门的音频输入、输出和信号处理器件，以及控制键盘。从功能上讲，音频工作站一般可分为播出工作站、录音工作站和文艺制作站。
（1）播出子系统
播出子系统一般由多台播出工作站组成，播出工作站应满足播出要求，有较高的可靠性和安全性。应有的功能为：根据事先编排的节目表，按照标准时间自动播放已制作好的节目；同时也可由播音主持人或操作人员根据需要切换到手动选择播出并可随时插播紧急通告或新闻，点播所需节目以及插播音乐和广告。播出工作站的操作界面需简洁明了，利于操作，同时应提供播出监控信息，如播出状态、标准时间、倒计时等。 
有些播出工作站可同时播放多个通道的立体声节目，从而可使一台工作站同时播出多套节目，或者对于一套节目可进行淡入淡出混播及待播节目的预听。也有些播出工作站还能控制周边设备，如 CD－JUKEBOX等，并能显示广播文字稿。
为了提高播出子系统的可靠性和安全性，一般每套播出节目配备主、备工作站各一台，并在双机热备的情况下工作。当主机因故障停播时，自动切换备机播出。根据统计，就系统而言，存放音频数据的硬盘故障率较高，因此硬盘最好采用冗余阵列（如 RAID 5），并在阵列中放置一块热备硬盘。一旦阵列出现故障，热备盘可自动补上，保证硬盘始终处于冗余状态。为提高速率硬盘阵列可用Ultra Wide SCSI，并选用差分接口，当然将来可选用光纤接口。
(2)录制子系统
录制子系统也是由多台录音工作站和文艺制作站组成，可根据业务需要选择录制工作站的台数和种类。语言类节目或播出节目的录制可在两通道录音工作站上完成，在这类工作站上可以实现节目的剪辑、简单的声效处理、多轨合成（4－8轨）、时间轴缩放、即录即播、波形幅度调整、插入式录音以及覆盖式录音等功能。覆盖式录音主要是符合原有录音习惯。
对于大型文艺类节目的制作，应采用高性能的音频工作站。为了保证节目的质量，这类工作站均不对音频信号进行压缩，音频文件以线性格式存储，有的工作站采用高分辨率的A／D、D／A转换器，量化位数可达20位甚至24位。为了满足文艺类节目的制作，其声效处理功能比较强大，一般包括EQ调整、延时器、混响器、均衡器、降噪处理器等多种信号处理模块，并且有多轨输入和输出，内部虚拟轨的数量较多，可达数百轨。
(3)管理子系统
管理子系统的功能包括：播出节目的编排、播出节目的审批、广告管理、人员管理、系统备份和恢复以及音频资料管理等。
节目编排一般包括栏目设置和节目设置，这一部分实际上主要由软件实现。节目编排有时可在播出工作站直接实现，有时则在一台专门的管理工作站完成。播出节目的审批一般包括对节目的审听和播出确认。广告管理一般包括广告节目的编排、播出广告的查询和统计以及广告计费等功能。人员管理要有身份认证和工作组划分，并按级别设置各自的权限。同时应考虑一旦系统发生故障或宕机，应有系统备份，并尽快恢复。 
音频资料管理一般采用数据库来完成，音频资料库可由一中心服务器来管理，以此实现全台范围的音频资料共享。也就是说，可将全台的所有音频资料以数据方式存放在与中心服务器相连的硬盘阵列柜及光盘库或磁带库中。因此联网的音频工作站可在线调用音频资料库中的资料。为了保证系统的可靠性和安全性，中心服务器应采用双机热备方式，如全镜像或Cluster方式。由于硬盘较贵，所有硬盘阵列上只存放常用资料，而大量的后备资料可存储在光盘或磁带上。其中比较常用的可以在线方式存放，最不常用的存在光盘或磁带上的资料可离线存放，这样可增大总存储量。
(4)操作系统和数据库的选用
目前常见的网络操作系统为Windows NT和UNIX，Windows NT使用简便灵活，价格便宜，但可靠性和效率比 UNIX略差一些。不过由于自动化播出系统一般规模不大，所有绝大部分均采用WindowsNT作为操作系统。用户界面大都采用Windows 3.X或Windows 9X。网络一般采用TCP／ip协议，系统采用客户机（Citent）／服务器（Server）结构。不过随着Internet的普及将来有可能发展成为浏览器（Browser）／服务器（Server)结构。
数据库现大都采用关系型数据库，进一步的发展将为面向对象的数据库。现在Windows NT上实现的 access和 SQL Server比较常用，对于规模较大的系统可采用 Oracle、Sybase或 Informix等。

6 系统主要音频技术参数和标准问题
对于自动化播出系统，不同的产品其技术参数可能有所不同，但作为专业系统，主要音频技术参数应满足相关标准和规范要求有：
采样率：48kHz、44.1kHz、32kHz等；量化精度：16bit以上；音频接口：具备模拟接口和AES／EBU数字接口；信噪比：100dB；频响：20Hz－20kHz(采样率在44.1kHz以上时)；失真＋噪声(1kHz时)：<85dB；通道相位差(20Hz-20kHz)：0.2°/0.5°；数据格式：线性和MUSICAM方式压缩；压缩比：1∶4至1：24。
对于系统的规范除了上述一些技术参数以外，还要考虑以下问题，如：关于数字系统和设备的同步，关于系统的满度电平以及关于数字音频文件格式。
数字音频系统和设备不同于模拟的音频系统和设备，当对两个以上的设备所发生的数字信号进行复用时，就必须对这些设备进行同步，否则就会造成一些信号丢失。因此，在系统建设时，就应对此给予考虑，彻底的解决方法是建立一套同步系统，这时要求数字设备应配备同步接口。
为了使传输系统中模拟通道与数字通道音频信号的电平相一致，有必要统一A／D、D／A转换器的满度电平。因此在选择系统时，可考虑输入、输出电平可调节的A/D、D/A，其范围为15－26dB。
为了规范数字音频工作站音频文件格式，便于节目的交换，和数据共享，有必要统一音频文件的格式。根据ITU和EBU的建议应选用BWF（Broadcas ting Wave Format）文件格式。

7 中央人民广播电台自动化播出系统简介
中央人民广播电台的自动化播出系统，在建设过程中由于受到客观条件的制约，选择了多家产品。其中以西门子公司提供的CARAT（Computer Aided Radio And Television）系统为主体，但由于西门子公司的产品较贵，我们在对自动化系统扩容时，经比较又选用了其他国内外厂家的产品，如联汇公司的 DE－200系统以及Creamware公司的产品。
网络系统布线时，主干分两条路由，每条路由敷设六芯光缆，水平用超五类屏蔽双绞线。网络设备选用 CISCO公司的产品，中心交换机为两台 5509，各楼层选用 2924XL，采用 100M交换以太网。由于西门子CARAT系统用的是FDDI，为此我们在5509上加FDDI与100M以太网转换模块。另外在5509中还加入了三层交换模块，这样整个网络能够实现三层交换和一定的虚网划分。
自动化播出系统设有中央服务器和播出服务器。中央服务器由两台SUN公司的E3500和硬盘阵列柜组成，进一步扩展时准备增加光盘库或磁带库。中央服务器用于共享音频资料的存储，供全台对音频资料的在线调用和存储。播出服务器存放已制做好的准备播出的音频节目。另外系统中还包括若干录制工作站、管理工作站等。

8 总结
随着科学技术的不断发展，新技术和新概念将层出不穷，我们必须随时了解和掌握这些新科技，并将其运用于实际工作中。计算机网络技术是当今发展最快，应用最广的一项技术，它已渗透到各个领域。而广播领域也毫不例外，因此我们必须对此加以深入研究，并尽快掌握，为广播事业的发展做出贡献。