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【摘要】 本文主要介绍了Studer Route 3000音频矩阵结构以及应用，着重阐述TDM总线技术在矩阵中的应用。
【关键字】 Studer Route 3000矩阵Score LiveD21mTDM
引言
我台新建的总控系统是一个完整基于网络化智能化的全数字系统，利用STUDER数字音频矩阵和联汇CAS虚拟网络矩阵及相关智能切换设备，实现了网络智能化。作为播控系统的核心——音频矩阵在实现节目自动转播和互转上起着无可替代的作用。随着数字音频技术的高速发展，软硬件水平的提高，高性能DSP和高速总线的应用，使基于数字技术的音频矩阵方案能够得以不断发展。本文就我台Studer Route 3000音频矩阵的分析和应用与大家作一个交流，请同行和专家指正。
一. Studer Route 3000矩阵在我台总控系统中的应用
我台在新大楼播控系统中，采用Studer数字音频矩阵和CAS网络虚拟矩阵相结合的方式，并行地将各直播间信号调度切换后送给四选一设备，保证主、备播出信号的一致性。如图1，采用这一架构，可以保证矩阵系统主要播出流程中不会产生由任何设备的单点故障带来停播等严重问题，保证系统的可靠、安全、灵活。在应用中，Studer Route 3000能实现在所有输入信号和输出信号之间建立灵活、逻辑完善的路由关系，任何一个输入均可路由到任何一个输出上，同时具备对输入信号不间断的彩条监测和音频监听、以及反相静音报警等智能化功能，有效提高我台值班人员的应急反应能力。
二. Studer Route 3000矩阵分析
1.Studer Route 3000结构组成
我台主矩阵选用Studer Route 3000数字音频矩阵，它采用双电源，由强大的信号处理单元ScoreLive和灵活、易于扩充的输入输出单元D21m组成，包括DSP卡、HD卡、HOST卡、Line卡、AES卡和MADI卡等。
DSP卡是音频处理的核心。通过I/O接口（RJ45），将D21m的音频输入信号送到DSP卡内部的处理芯片上进行音频处理，并可决定输入输出信号的连接和切换。每个DSP提供两个高密度的输入接口（192通道）和两个高密度的输出接口（192通道），Route 3000最大可容纳1728个输入和1728个输出，也就是可以支持9个DSP模块。根据实际需要我台配置了3个DSP模块，其中一DSP处理五块MADI卡音频信号，一块MADI I/O卡能传输64Ch，五块为320Ch，超过单个接口的通道数，因此DSP的两个I/O接口都需通过RJ45与HD卡连接。
HOST卡是矩阵控制命令的翻译和处理的核心，负责与外界控制信息的交流。HOST卡RJ45以太网接口连接到交换机，通过局域网将控制信号送到矩阵控制软件、矩阵表头检测软件。
D21m是音频接口系统，不同类型的接口卡可以插在同一D21m单元中，并支持热拔插。接口卡的输入信号通过D21M机箱背板输入HD板卡，再由HD卡转换成RJ45信号传输给DSP卡进行数字处理，完后再进入HD卡，HD卡转换格式后再送到接口卡，完成信号输出。矩阵内部信号流程见图2。
2.矩阵表头监测及报警
Route 3000矩阵系统的内部监测软件RadioActiveMeter能够检测矩阵输入输出信号的状态，针对各种主要音频参数的监测，包括静音、削波、相位等音频指标，并经行报警提示。监测软件通过MADI卡从矩阵内部TDM总线上取得音频信号，再以MADI光纤方式传送至软件安装的电脑进行表头显示，最大可监测64Ch。在现有的系统设计中，根据各频道时间执行列表我台只监测直播间光纤信号、数字信号和直播间去卫星三路信号，使用其表头显示功能以及音频信号静音反相时颜色提醒和声音报警的功能。
3.矩阵控制系统
主矩阵提供了CNR控制系统，使用TCP/IP控制协议，通过网络对STUDER 音频矩阵设备进行控制、监视、编排切换计划以及用户管理。系统使用C++实现后台服务，使用QT实现客户端，使用Flex+Spring+ibatis构架的WEB系统。控制系统框架图如图3所示。
矩阵实时控制客户端（QT端）作为独立安装的软件，分别安装在服务器和工作站上，实时监视各通道连接状态，并对矩阵的输入输出通道进行手动或者计划连接。WEB系统完成矩阵的系统设置，通道配置，管理组屏、用户，维护模板等任务，通过浏览器登录WEB后台服务来设置。最重要的就是“物理通道”和“逻辑通道”的配置，以保证通道信息与Router 3000矩阵内部通路的对应关系一致。配置完的通道数据、用户数据、模板信息等通过后台服务模块保存在数据库中。 CNR控制系统数据库采用主备同步机制的双向热备份方式，一旦备数据库接收不到主数据库的心跳，则自动接替主数据库的功能，保证数据的安全。WEB系统和客户端发送命令，向数据库写数据，主服务读取数据库中的数据，并将这些数据化成矩阵底层接口兼容的数据，矩阵接收到命令后修改路由，并将修改后的状态送到数据库。
三. Studer Route 3000矩阵核心技术TDM母线技术
1.TDM技术
TDM（时分复用）通过不同信道或时隙中的交叉位脉冲，同时在同一通信媒体上传输多个数字化数据、语音和视频信号。TDM总线是单向传输总线，在DSP的同步串口之间采用点对点方式传输高速数字信号，将不同通道的数据按照固定位置分配时隙（timeslot：8bit数据）合在一定速率的通路上。每个时隙的速率为一个标准的PCM话路64kb/s。每通道时隙的重复频率为Ts=8KHz，即帧周期为125us。
TDM技术在电信电话网中是基本的应用技术。矩阵切换就是很类似于电话交换的应用。事实上，数字音频（AES）也是一种时分复用技术。见图3。
1个AES帧（Frame）包含2个子帧（Subframe），在传送AES信号时，从时间线上看，每一个AES帧中的子帧1先传，接着传子帧2。
2.TDM技术在音频矩阵中的应用
传统的矩阵包括输入模块、交叉点切换模块和输出模块。其中，交叉点切换模块电路是矩阵的核心部分，它实质上是一类电子开关，由控制系统对特定输入通道与特定输出通道进行联接或切换。矩阵的规模增大时，其交叉点的数量呈几何级的增长，这不仅大大增加了设计和制造大规模交叉点电路的成本和难度，而且降低了矩阵的可靠性和整体性能。于是，人们把眼光投向时分复用技术（TDM）。
TDM切换技术不需要交叉点切换模块，它采用一条公共的TDM数据总线。在数据总线上，每一路的音频输入被固定指配为唯一的时隙。在进行音频信号切换时，为了使信号能够接通门电路，将输入信号联接至特定的输出上，其数据总线的带宽要求大于输入信号的比特率与输入信号路数的乘积。
下面以1比特的输入信号为例具体说明其工作原理，如图4所示，所有输入信号都分配有一个在某一时刻是唯一的固定时隙，写驱动（Input Write Enables）能按一定的时间关系打开门电路，让输入信号通过；相应读驱动使能（Input Read Enables）信号打开相应的输出端门电路，实现指定的输入与输出的通路联接和切换。输入1被送到输出6，输入5被送到输出4，5。
采用TDM替代大规模矩阵的交叉点电子切换电路十分简洁，成本低。但这种方式也有不足之处：（1）正如前面提到的TDM其数据总线的带宽要求大于输入信号的比特率与输入信号路数的乘积。但用于大规模音频矩阵中时，数据带宽能否满足需求。（2）TDM由于共用数据总线，当总线上的驱动器损坏或短路时，矩阵是否会瘫痪。
四. 结束语
我台以Studer Route 3000矩阵和联汇CAS网络为核心构建的播控系统实现了构成模式、管理模式的理论创新和技术革新，便于将来系统扩充和二次开发。Route 3000矩阵不仅满足了我台多个频道之间的节目交换，而且还满足了传输需求和多变的广播形式，给我台的节目传输工作带来极大的可靠性、便利性、灵活性。
【关键字】 Studer Route 3000矩阵Score LiveD21mTDM
引言
我台新建的总控系统是一个完整基于网络化智能化的全数字系统，利用STUDER数字音频矩阵和联汇CAS虚拟网络矩阵及相关智能切换设备，实现了网络智能化。作为播控系统的核心——音频矩阵在实现节目自动转播和互转上起着无可替代的作用。随着数字音频技术的高速发展，软硬件水平的提高，高性能DSP和高速总线的应用，使基于数字技术的音频矩阵方案能够得以不断发展。本文就我台Studer Route 3000音频矩阵的分析和应用与大家作一个交流，请同行和专家指正。
一. Studer Route 3000矩阵在我台总控系统中的应用
我台在新大楼播控系统中，采用Studer数字音频矩阵和CAS网络虚拟矩阵相结合的方式，并行地将各直播间信号调度切换后送给四选一设备，保证主、备播出信号的一致性。如图1，采用这一架构，可以保证矩阵系统主要播出流程中不会产生由任何设备的单点故障带来停播等严重问题，保证系统的可靠、安全、灵活。在应用中，Studer Route 3000能实现在所有输入信号和输出信号之间建立灵活、逻辑完善的路由关系，任何一个输入均可路由到任何一个输出上，同时具备对输入信号不间断的彩条监测和音频监听、以及反相静音报警等智能化功能，有效提高我台值班人员的应急反应能力。
二. Studer Route 3000矩阵分析
1.Studer Route 3000结构组成
我台主矩阵选用Studer Route 3000数字音频矩阵，它采用双电源，由强大的信号处理单元ScoreLive和灵活、易于扩充的输入输出单元D21m组成，包括DSP卡、HD卡、HOST卡、Line卡、AES卡和MADI卡等。
DSP卡是音频处理的核心。通过I/O接口（RJ45），将D21m的音频输入信号送到DSP卡内部的处理芯片上进行音频处理，并可决定输入输出信号的连接和切换。每个DSP提供两个高密度的输入接口（192通道）和两个高密度的输出接口（192通道），Route 3000最大可容纳1728个输入和1728个输出，也就是可以支持9个DSP模块。根据实际需要我台配置了3个DSP模块，其中一DSP处理五块MADI卡音频信号，一块MADI I/O卡能传输64Ch，五块为320Ch，超过单个接口的通道数，因此DSP的两个I/O接口都需通过RJ45与HD卡连接。
HOST卡是矩阵控制命令的翻译和处理的核心，负责与外界控制信息的交流。HOST卡RJ45以太网接口连接到交换机，通过局域网将控制信号送到矩阵控制软件、矩阵表头检测软件。
D21m是音频接口系统，不同类型的接口卡可以插在同一D21m单元中，并支持热拔插。接口卡的输入信号通过D21M机箱背板输入HD板卡，再由HD卡转换成RJ45信号传输给DSP卡进行数字处理，完后再进入HD卡，HD卡转换格式后再送到接口卡，完成信号输出。矩阵内部信号流程见图2。
2.矩阵表头监测及报警
Route 3000矩阵系统的内部监测软件RadioActiveMeter能够检测矩阵输入输出信号的状态，针对各种主要音频参数的监测，包括静音、削波、相位等音频指标，并经行报警提示。监测软件通过MADI卡从矩阵内部TDM总线上取得音频信号，再以MADI光纤方式传送至软件安装的电脑进行表头显示，最大可监测64Ch。在现有的系统设计中，根据各频道时间执行列表我台只监测直播间光纤信号、数字信号和直播间去卫星三路信号，使用其表头显示功能以及音频信号静音反相时颜色提醒和声音报警的功能。
3.矩阵控制系统
主矩阵提供了CNR控制系统，使用TCP/IP控制协议，通过网络对STUDER 音频矩阵设备进行控制、监视、编排切换计划以及用户管理。系统使用C++实现后台服务，使用QT实现客户端，使用Flex+Spring+ibatis构架的WEB系统。控制系统框架图如图3所示。
矩阵实时控制客户端（QT端）作为独立安装的软件，分别安装在服务器和工作站上，实时监视各通道连接状态，并对矩阵的输入输出通道进行手动或者计划连接。WEB系统完成矩阵的系统设置，通道配置，管理组屏、用户，维护模板等任务，通过浏览器登录WEB后台服务来设置。最重要的就是“物理通道”和“逻辑通道”的配置，以保证通道信息与Router 3000矩阵内部通路的对应关系一致。配置完的通道数据、用户数据、模板信息等通过后台服务模块保存在数据库中。 CNR控制系统数据库采用主备同步机制的双向热备份方式，一旦备数据库接收不到主数据库的心跳，则自动接替主数据库的功能，保证数据的安全。WEB系统和客户端发送命令，向数据库写数据，主服务读取数据库中的数据，并将这些数据化成矩阵底层接口兼容的数据，矩阵接收到命令后修改路由，并将修改后的状态送到数据库。
三. Studer Route 3000矩阵核心技术TDM母线技术
1.TDM技术
TDM（时分复用）通过不同信道或时隙中的交叉位脉冲，同时在同一通信媒体上传输多个数字化数据、语音和视频信号。TDM总线是单向传输总线，在DSP的同步串口之间采用点对点方式传输高速数字信号，将不同通道的数据按照固定位置分配时隙（timeslot：8bit数据）合在一定速率的通路上。每个时隙的速率为一个标准的PCM话路64kb/s。每通道时隙的重复频率为Ts=8KHz，即帧周期为125us。
TDM技术在电信电话网中是基本的应用技术。矩阵切换就是很类似于电话交换的应用。事实上，数字音频（AES）也是一种时分复用技术。见图3。
1个AES帧（Frame）包含2个子帧（Subframe），在传送AES信号时，从时间线上看，每一个AES帧中的子帧1先传，接着传子帧2。
2.TDM技术在音频矩阵中的应用
传统的矩阵包括输入模块、交叉点切换模块和输出模块。其中，交叉点切换模块电路是矩阵的核心部分，它实质上是一类电子开关，由控制系统对特定输入通道与特定输出通道进行联接或切换。矩阵的规模增大时，其交叉点的数量呈几何级的增长，这不仅大大增加了设计和制造大规模交叉点电路的成本和难度，而且降低了矩阵的可靠性和整体性能。于是，人们把眼光投向时分复用技术（TDM）。
TDM切换技术不需要交叉点切换模块，它采用一条公共的TDM数据总线。在数据总线上，每一路的音频输入被固定指配为唯一的时隙。在进行音频信号切换时，为了使信号能够接通门电路，将输入信号联接至特定的输出上，其数据总线的带宽要求大于输入信号的比特率与输入信号路数的乘积。
下面以1比特的输入信号为例具体说明其工作原理，如图4所示，所有输入信号都分配有一个在某一时刻是唯一的固定时隙，写驱动（Input Write Enables）能按一定的时间关系打开门电路，让输入信号通过；相应读驱动使能（Input Read Enables）信号打开相应的输出端门电路，实现指定的输入与输出的通路联接和切换。输入1被送到输出6，输入5被送到输出4，5。
采用TDM替代大规模矩阵的交叉点电子切换电路十分简洁，成本低。但这种方式也有不足之处：（1）正如前面提到的TDM其数据总线的带宽要求大于输入信号的比特率与输入信号路数的乘积。但用于大规模音频矩阵中时，数据带宽能否满足需求。（2）TDM由于共用数据总线，当总线上的驱动器损坏或短路时，矩阵是否会瘫痪。
四. 结束语
我台以Studer Route 3000矩阵和联汇CAS网络为核心构建的播控系统实现了构成模式、管理模式的理论创新和技术革新，便于将来系统扩充和二次开发。Route 3000矩阵不仅满足了我台多个频道之间的节目交换，而且还满足了传输需求和多变的广播形式，给我台的节目传输工作带来极大的可靠性、便利性、灵活性。