◆李 光

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一種基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的雙機(jī)熱備音頻系統(tǒng)

◆李 光

(海軍裝備部信息系統(tǒng)局 北京 100841)

本文針對(duì)會(huì)議場(chǎng)所、指揮控制中心的音頻系統(tǒng)建設(shè)需求，設(shè)計(jì)了一種基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的雙機(jī)熱備音頻系統(tǒng)，以提高音頻系統(tǒng)的可靠性與容災(zāi)性能，為會(huì)議場(chǎng)所、指揮控制中心的音頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建設(shè)提供參考。

音頻系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；雙機(jī)熱備音頻系統(tǒng)

0 引言

聽(tīng)覺(jué)是人類獲取信息的重要感官之一。現(xiàn)代會(huì)議場(chǎng)所、指揮控制中心，音視頻系統(tǒng)在多媒體展示、遠(yuǎn)程協(xié)商、遠(yuǎn)程會(huì)議、視頻指揮等應(yīng)用中發(fā)揮的作用越來(lái)越重要。和視頻信號(hào)相比，音頻信號(hào)傳輸帶寬小。當(dāng)傳輸帶寬有限，即使視頻畫面有卡頓、延遲、馬賽克，甚至沒(méi)有視頻畫面，只要音頻信號(hào)連貫清晰，就不影響通信雙方相互理解對(duì)方的意圖。因此，音頻通信是音視頻通信的保底手段。隨著音頻系統(tǒng)在會(huì)議場(chǎng)所、指揮控制中心擔(dān)負(fù)的任務(wù)越來(lái)越重，對(duì)系統(tǒng)可靠性的要求也越來(lái)越高。因此，在這類重要場(chǎng)所，要求設(shè)計(jì)與建設(shè)具有備份手段的音頻系統(tǒng)，防止因設(shè)備出現(xiàn)故障而造成重大損失。

1 非熱備系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一種高可靠的音頻系統(tǒng)核心結(jié)構(gòu)采用兩臺(tái)數(shù)字調(diào)音臺(tái)，其中一臺(tái)側(cè)重于錄制播出的調(diào)音控制，另一臺(tái)側(cè)重于現(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)聲的調(diào)音控制。系統(tǒng)前端話筒及音源的信號(hào)經(jīng)無(wú)源分配器分貝送入錄制調(diào)音臺(tái)和擴(kuò)聲調(diào)音臺(tái)。整個(gè)系統(tǒng)鏈路以數(shù)字音頻信號(hào)為主。同時(shí)數(shù)字調(diào)音臺(tái)應(yīng)用方便靈活，可把接入系統(tǒng)的各類音源，結(jié)合實(shí)際需要和操作、控制習(xí)慣分配到控制臺(tái)面，能方便快捷地滿足多個(gè)音頻錄制的需求。兩臺(tái)調(diào)音臺(tái)的輸出信號(hào)分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。輸出接切換系統(tǒng)，切換系統(tǒng)配置兩臺(tái)多通道二選一切換器，其中一臺(tái)主用，另一臺(tái)備用。數(shù)字、模擬信號(hào)分別進(jìn)入主備兩個(gè)切換器，確保了主備數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)的路由不存在單點(diǎn)故障。經(jīng)過(guò)備切換器輸出的數(shù)字信號(hào)接入音頻分配器，而后分別送入視頻加嵌主用通路、錄機(jī)、服務(wù)器等。經(jīng)過(guò)備切換器輸出的數(shù)字信號(hào)直接送入視頻加嵌備用通路，提高了系統(tǒng)的可靠性[1]。采用類似方法，為提高可靠性設(shè)計(jì)的非熱備方式音頻系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 音頻備份系統(tǒng)：非熱備方式

如圖1所示的系統(tǒng)中，多個(gè)話筒接入智能混音器后，與其他音源經(jīng)過(guò)音頻分配器送至兩臺(tái)音頻處理設(shè)備，音頻處理器的輸出經(jīng)過(guò)切換器或跳線盒送至功放和其他設(shè)備。正常工作狀態(tài)下，接線連接至主用音頻處理設(shè)備；當(dāng)主用音頻處理設(shè)備出現(xiàn)故障，將接線連接至備用音頻處理設(shè)備從而實(shí)現(xiàn)主備切換。

音頻系統(tǒng)的數(shù)字化，尤其數(shù)字處理器的廣泛應(yīng)用，大大提高了系統(tǒng)性能，完善了系統(tǒng)功能，而數(shù)字技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合，使得系統(tǒng)的處理和管理能力大為增強(qiáng)，音頻系統(tǒng)從此發(fā)生了質(zhì)的變化[2]。本文將網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字音頻處理技術(shù)結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種雙機(jī)熱備的音頻系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)可靠性。

2 熱備系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在計(jì)算機(jī)技術(shù)中，雙機(jī)熱備屬于集群技術(shù)的一個(gè)分支。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，雙機(jī)熱備就是一種利用故障點(diǎn)轉(zhuǎn)移的方式來(lái)保障業(yè)務(wù)連續(xù)性，其業(yè)務(wù)的恢復(fù)不是在原服務(wù)器上，而是在備用服務(wù)器上。雙機(jī)熱備的工作原理可理解為：當(dāng)工作服務(wù)器出現(xiàn)異常，不能支持應(yīng)用正常運(yùn)行時(shí)，備份服務(wù)器自動(dòng)接管工作主機(jī)的工作，繼續(xù)支持關(guān)鍵應(yīng)用服務(wù)，維持系統(tǒng)7×24小時(shí)不間斷運(yùn)行?？梢?jiàn)，雙機(jī)熱備不具備故障主機(jī)修復(fù)功能，只是將故障點(diǎn)隔離并轉(zhuǎn)移，具體包括運(yùn)行進(jìn)行、磁盤資源和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)等。另外，對(duì)于普通用戶來(lái)說(shuō)，不必關(guān)心所要使用的服務(wù)和資源在哪個(gè)節(jié)點(diǎn)的具體位置，雙機(jī)熱備系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)完成[3]。

數(shù)字音頻處理器雖然沒(méi)有服務(wù)器運(yùn)行的進(jìn)程復(fù)雜，但是可以借鑒上述原理，將數(shù)字音頻處理器視為提供音頻服務(wù)的服務(wù)器構(gòu)成熱備系統(tǒng)?；陔p機(jī)熱備的思想，以兩臺(tái)支持網(wǎng)絡(luò)控制的數(shù)字音頻處理器和一臺(tái)控制終端為主構(gòu)成熱備系統(tǒng)。數(shù)字音頻處理器和控制終端均接入網(wǎng)絡(luò)，由安裝在控制終端中的軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)兩臺(tái)數(shù)字音頻處理器的狀態(tài)從而控制數(shù)字音頻處理器的運(yùn)行。系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 音頻備份系統(tǒng)：熱備方式

在如圖1所示的系統(tǒng)中，所配置的兩臺(tái)音頻處理設(shè)備類型、型號(hào)無(wú)需相同，可以為兩臺(tái)調(diào)音臺(tái)、兩臺(tái)數(shù)字音頻處理器或調(diào)音臺(tái)和音頻處理器混合使用。適用于在現(xiàn)有音頻系統(tǒng)基礎(chǔ)上增配設(shè)備以提高系統(tǒng)可靠性的情形。在圖2所示的系統(tǒng)中，要求所配置的兩臺(tái)音頻處理必須為支持網(wǎng)絡(luò)控制的數(shù)字音頻處理器，且一般情況下為同型號(hào)的音頻處理器。兩種備份方式的對(duì)比如表 1所示。

表 1兩種音頻系統(tǒng)對(duì)比

序號(hào)對(duì)比項(xiàng)非熱備方式熱備方式 1系統(tǒng)特點(diǎn)可采用不同類型音頻處理設(shè)備必須采用同類型數(shù)字音頻處理器 2切換方式人工干預(yù)，手動(dòng)接線或控制切換器自動(dòng)切換，無(wú)需人工干預(yù) 3配套設(shè)備音頻分配器、音頻切換器/跳線盒音頻分配器、交換機(jī)、服務(wù)器、音頻加法器 4運(yùn)維難易度兩臺(tái)音頻處理設(shè)備需分別調(diào)試兩臺(tái)數(shù)字音頻處理器可采用相同的控制軟件 5恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)毫秒級(jí)

由于非熱備方式中的音頻切換器或跳線盤需采用人工干預(yù)的方式切換信號(hào)路由，所以效率相對(duì)較低。尤其是使用跳線盤，需人工插拔接線，可能導(dǎo)致接線錯(cuò)誤或故障。

3 熱備系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

基于上述熱備系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，采用兩臺(tái)Biamp Tesira系列的高性能音頻服務(wù)器，構(gòu)成的熱備系統(tǒng)實(shí)例如圖3所示。

圖3 熱備系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

圖3所示的音頻系統(tǒng)由音源/拾音系統(tǒng)、DSP系統(tǒng)、播放系統(tǒng)三部分組成。音源/拾音系統(tǒng)部分，數(shù)字話筒和模擬話筒組成拾取的音頻信號(hào)分別通過(guò)數(shù)字會(huì)議主機(jī)和混音器傳輸，與其他音頻經(jīng)過(guò)無(wú)源分配器一分為二，進(jìn)入DSP系統(tǒng)。DSP系統(tǒng)部分中，系統(tǒng)的核心設(shè)備——音頻處理器采用雙機(jī)熱備，假如主機(jī)出現(xiàn)故障，自動(dòng)切換到備機(jī)運(yùn)行。核心設(shè)備采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，僅在一臺(tái)設(shè)備上就可實(shí)現(xiàn)音頻放大、衰減、混音、音頻路由、均衡調(diào)節(jié)、嘯叫抑制、回聲消除等功能，而無(wú)需其他設(shè)備，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。主機(jī)和備機(jī)的輸出經(jīng)過(guò)無(wú)源混音器送至播放系統(tǒng)中的音頻功放，再經(jīng)由音箱擴(kuò)聲輸出。

系統(tǒng)中配置的集中控制臺(tái)通過(guò)交換機(jī)與主機(jī)、備機(jī)通信；安裝在集中控制臺(tái)中的軟件采用獨(dú)立線程監(jiān)控主機(jī)和備機(jī)的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，以IP數(shù)據(jù)包的形式向主備機(jī)同時(shí)發(fā)送心跳詢問(wèn)數(shù)據(jù)包：當(dāng)主機(jī)工作發(fā)生故障，心跳響應(yīng)超時(shí)，軟件由此判斷主機(jī)失效，開啟備機(jī)，以實(shí)現(xiàn)容災(zāi)?？刂平K端上的軟件可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送故障郵件至相關(guān)人員及運(yùn)維方，將音視頻系統(tǒng)與IT系統(tǒng)融合，打通與OA、ERP等IT軟件連接通道，使會(huì)議發(fā)起、進(jìn)行、故障排除、售后服務(wù)等各個(gè)環(huán)節(jié)無(wú)縫結(jié)合。系統(tǒng)不僅支持通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)切換，也支持通過(guò)軟件手動(dòng)控制主備機(jī)切換，方便運(yùn)維人員對(duì)設(shè)備的維護(hù)保障。

不論主機(jī)還是備機(jī)，在正常工作狀態(tài)下，兩者實(shí)時(shí)保持?jǐn)?shù)據(jù)同步。安裝在集中控制臺(tái)上的控制軟件采用圖形化的GUI，兩臺(tái)數(shù)字音頻處理器輸入、輸出的場(chǎng)景化控制形象直觀。通過(guò)控制軟件時(shí)刻保持主機(jī)與備機(jī)的參數(shù)設(shè)置同步，保證了兩臺(tái)數(shù)字音頻處理器的輸入增益、混音、均衡、嘯叫抑制、回聲消除、增益結(jié)構(gòu)等設(shè)置一致，避免分別調(diào)試設(shè)備的繁瑣過(guò)程。此外，音頻系統(tǒng)控制軟件包括多用戶管理和日志管理：多用戶管理支持權(quán)限分級(jí)，不用用戶按級(jí)別賦予不同的權(quán)限，實(shí)現(xiàn)人員與崗位的管理；日志管理可記錄、查詢用戶操作，做到操作可追溯。由此保證音頻系統(tǒng)的使用安全性和可靠性。

4 小結(jié)

本文所述的雙機(jī)熱備的音頻系統(tǒng)，基于高性能數(shù)字音頻處理器和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將前端音視頻系統(tǒng)和后端運(yùn)維服務(wù)體系無(wú)縫整合，打通IT軟件系統(tǒng)的連接通道，提高了音頻系統(tǒng)的的可靠性、可用性、抗毀性與容災(zāi)性能。此設(shè)計(jì)可用于音視頻系統(tǒng)的工程建設(shè)中，為建設(shè)大型會(huì)議場(chǎng)所、指揮控制中心的音視頻系統(tǒng)提供了參考。

[1]李曉凱，牛雨迪，蔡云.高可靠數(shù)字化大型演播室音頻系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電影技術(shù)，2017.

[2]劉洪波.會(huì)議室音頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析[J].廣播電視信息，2017.

[3]姜茂.機(jī)熱備技術(shù)及其在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用[J].軟件導(dǎo)刊，2013.