廣播電視時間同步組網方式的改進朱勤偉廣州珠江數碼集團有限公司數字播控部摘 要 ：本文詳細介紹時間同步的概念和主要的時間同步辦法 ，結合各廣播電視系統時間同步組網方式的現狀 ，提 出了將時間同步組網由混合同步方式調整為主從同步方式的建議 。關 鍵 詞 ：時 間 同 步 廣 播 電 視 EBU 時 碼 NTP 混 合 同 步 主 從 同 步時 間 同 步 對于廣播電視系統起著非常重要的作 用 ，各電視臺都已建立了基于 GPS 的時間同步系統 。 但在實際運行中 ，在排除傳輸延時的 因 素 后 ，不 僅 各 電視臺之間的時間仍然會出現不同步的現象 ，電 視 臺內部也會出現不同步的情況 ， 每逢重大直播和轉播 時， 各業務部門還是要通過對講系統進行人工對時 。 要解決這一 問 題 ，就需要詳細了解時間同步的概念和 主要的時間同步辦法 ，才能提出有效的解決辦法 。輸鏈路和外界干擾引起的信 號質量劣化和可靠性降 低使得網絡性能降低 。 混合同步方式將全網劃分為若 干 個 同 步 區 ，在區內設置主基準鐘 ，各同步節點配置 從 鐘 ，同步區內為主從同步網 ，同 步 區間為準同步方 式。 這樣可以減少時鐘級數 ，縮短定時信號傳送距離 ， 改善同步網 性 能 。 當同步區主基準時鐘精度較高時 ， 區間鏈路的周期性滑動很少 ，滿足指標要求 。全球衛星定位系統的出現 ，為獲得高精度頻率基 準提供了條 件 ，衛星定位系統具有銫鐘級別的高精度 長期頻率準 確 度 ，再配合本地短期穩定度好的高穩受 控銣鐘 ，可以獲得滿意的區內基準時鐘 。時間同步組網方式1時間同步可分為準 同 步 、主 從 同 步 、混 合 同 步 三種主要方式 。11準同步方式準同步方式是指在時間同步網內各個節點上 ，都 設立較高精度的獨立時鐘 ，各 時 鐘 獨 立 運 行 ，互 不 控 制。 優點是簡單 、靈活，缺點是存在周期性的滑動 。12主從同步方式主 從 同 步 方式是指在網內設置基準時鐘和若干 從鐘，以主基準時鐘控制從鐘的信號頻率 。 主 從 同 步 的 優 點 是 ，正常情況下不存在周期性 滑 動 ，對 從 鐘 性 能要求低 ，建 網 費 用 低 。 缺點是傳輸鏈路的不可靠會 影響時鐘傳送 ，同時存在產生定時環路的可能 。時鐘設備的等級劃分2在實際 應 用 中 ，時間同步網多采用分級主從同步 結 構 ，由此引出了時鐘設備的分級 ，根據精度和應用 場合，可分為 PRC LPR 基準鐘 、二級節點鐘和三級節 點鐘三種 ，分別適用于網絡核心層 、匯聚層和接入層 。PRC 稱 為 永 久 基 準 鐘 （Primary ReferenceClock），LPR 稱 為 區 域 基 準 鐘 （Local PrimaryReference），PRC 和 LPR 均 為 一 級 基 準 鐘 ，其 性 能 指標滿足 ITUT G811 建議。PRC 是由銫鐘源或氫鐘源提 供 高 精 度 基 準 信 號 ， 由于成本和維護的原因 ，PRC圖 1 IRIG B 與 DCLS 對 照 圖導航衛星系統提供高精度時鐘源 ，從衛星信號中解碼 出 標 準 秒 脈 沖 1PPS（即 標 準 1Hz 信 號 ）。 LPR 配 置 簡 單、可靠性高 、價 格 低 廉 ，且性能指標完全滿足國際標 準對基準 鐘 的 要 求 ， 因 此 ，LPR 成為時間同步網主用 的基準鐘系統 。LPR 輸出 的 信 號 ，可通過各種方式進行傳遞給二 級節點鐘 ，再傳遞給三級節點鐘 。 一般而言 ，二級節點 鐘配備銣鐘振蕩器作為數字鎖相環 ，價 格 較 高 。 三 級 鐘配備了基于高穩晶體振蕩器的數字鎖相環 ，價 格 低 廉，可大量配備使用 。IRIGDCLS 信號可通過 SDH 的 2M 專線傳輸 。 IRIGB 普通方式與 IRIGDCLS 方式的比較如圖 1 所示。34串行口 ASCII 字符串通 過 RS232 RS422 串 行 通 訊 口 ， 將 時 間 信 息 以 ASCII 碼字符串方式進行 編 碼 ，這種接口沒有統一的 標準，一般使用 UTONCORE 命令集輸出日期及 時 間 信 息 ， 或者一些自定義信息 ， 傳 輸 距 離 限 制 在 150m以內（加光電隔離驅動 ）。35EBUEBU 時鐘協議廣泛應用于廣播電視 ， 由 SMPTE12M 規范定義 ，主要 應 用 于 電 影 、電視和音樂的存儲 ，3主要時間同步信號時碼被作為媒介的元數據一同錄制 。EBU 僅包 含 時 、分 、 秒 、 視 頻 幀 信 號 ， 不 包 括 年 、 月 、 日 信 號 。 SMPTE12M 分 為 SMPTE 12M1 縱 向 時 間 碼 LTC 和 SMPTE12M2 輔助時間碼 ATC。36NTP（Network Time Protocol）NTP 協議定義了分布式時間服務器和客戶端之 間進行時間 同 步 的 機 制 ，它定義了協議實現過程中所 使用的結構 、算法、實體和協議 。 NTP 是一個簡單高效 的協議 ，至多每分鐘一個數據包即可將兩臺機器同步 至毫秒量級 。 它采用層級的概念來描述一臺機器離時 間源有幾個層級 。NTP 有一套嚴密的方法防止時間網上的 “時 間 自 環”和防止同步于時間不準確的時間服務器 。 它 是 通 過兩種方法來實現的 ：首 先 ，永 遠 不 能同步于自已發 布的時間 ； 然 后 ，NTP 比較幾個時間服務器同時發布 的時間 ，時間值明顯差異于其它時間服務器的那個時 間服務器將不被 NTP 用 于 時 間 同 步 ， 即 便 它 的 層 級 顯示最低 。 為了防止被攻擊 ，NTP 協議還可以提供認 證和加密的功能 。當 前應用較為廣泛的時間同步技術主要是 DCLS、NTP 和 EBU 方 式 。 其 中 利 用 DCLS 和 EBU 技 術獲得的時 間 精 度 較 高 ，但該方法無法實時監測傳輸 從基準鐘獲得標準時間后 ，需要將時間信息發送 到各種需要時間同步的設備上 。 目前國際上比較常用的 方 法 有 IRIG B、DCLS、NTP、ACTS、1PPS、串 行 口ASCII 字 符 串 、EBU 等 幾 種 方 法 ，作簡單介紹 。下面就這幾種方法 311PPS（1 Pulse per Second）秒 脈 沖 信 號 ，不 包 含 時 刻 信 息 ，但其上升沿標記 了準確的每秒的開始 ，通常用于本地 測 試 ，也 可 用 于 局內時間分配 ，精度達到 100ns 量級。32IRIGB（Inter Range Instrumentation Group）IRIG 編碼源于為磁帶記 錄 時 間 信 息 ，IRIGB 采 用 1kHz 的正弦波作為載頻進行幅 度 調 制 ， 對 最 近 的1 秒進行編碼 。 IRIGB 的幀內包括的內容有 ：年、天 、時 、 分 、 秒及控制信息等 。 其占用最大通道帶寬為 3kHz，可以用普通的雙絞線在樓內傳輸 ，也 可 在 模 擬 電話網上進行遠距離傳輸 。33DCLS(DC Level Shift)DCLS（DC Level Shift）是 IRIGB 未 調 制 前 的 信 號 ，其數據幀定義與 IRIGB 完 全 相 同 ，精 度 也 相 同 。測傳輸時延的變化 ， 還 可 以 充分利用現有的網絡資 源，組網簡 單 ，易 于 維 護 。 可 以 說 ，NTP 協 議 是 目 前 最 廣泛應用的標準時間協議 。廣播電視系統常用的 GPS 定 時 方 法 如 圖 2 所示。時間同步的精度4圖 2 GPS 定 時 方 法圖 2 中的時碼分配器 可 提 供 多 路 RS232 或 EBU 接口方式的定時信號 。 計算機系統的定時采用 NTP 方式，校時服務器通過 RS232 接口或 PCI 子鐘板卡 的時間同步的精度依賴于如下幾個方面 。41時鐘傳遞手段和路徑傳遞路徑越簡單越短 ，則傳遞時延和時延的不確 定性就越小 ，則定時越準確 。 專線方式最好 ，電路型交 換網次之 ，包交換網 （如因特網 ）較差。方式獲得標準時間 ，各子系統內的服務器采用 NTP網絡校時方式與校時服務器同步 。由于 RS232 接口抗干 擾 性 能 差 ，傳 輸 距 離 有 限 ，這 種 定 時方式一般都只 能在同一機房內近距離使用 ，不 能 組 網 使 用 。 而 現 在 的廣播電視系統十分龐大 ，臺 內 的 播 出 、制 作 、非 編 、 媒資等都需要建設獨立的時鐘系統 ，由此產生了不少 問題。（1）定時精度不高如 前 所 述 ，定 時 精 度取決于時鐘本振源 、傳 輸 路 徑和設備本身的精度 。 由 于 GPS 接收機本身的抗干 擾 技 術 、安裝的地理環境 、電 磁 干 擾 及人為操作等因 42時鐘本振源的準確度時 鐘 本 振 源的準確度越高 ， 則它的守時能力越 好。 在各種設備中 ，交換機設備時鐘本振源較好 ，SDH網 元 的 次 之 ，計 算 機 的 最 差 ，不 同 本 振源的守時能力 如表 1。表 1不同本振源的守時能力 素 的 影 響 ，GPS 接收機存在著降質的可能性 ；另 一 方110 （天 老 化 率 ）面 ，GPS 衛星由美國政府控制 ， 美國政府從未對 GPS信號的質量及使用期限給予任何的承諾和保證 ，而 且 美國政府還具有對特定地區 GPS 信號進行降質處理 的能力 。 因此在組建時間同步網時 ，一般需要配備銣 鐘作為備份 振 蕩 源 。 但是由于投資分散 ，為 了 控 制 成 本 ， 各 子 系 統 的 GPS 時 鐘 一 般只采用了高穩晶體振 蕩 器 ，精 度 不 高 ，長時間運行后會出 現時間漂移的情 況。（2）設備繁雜43設備本身的分辨率在物理學上 ，精度還取決于測量設備本身的分辨率。 各種時間同步方法能夠獲得的時間精度及其應用范圍如表 2。由 表 2 可 知 ，時間精度較高 。利 用 1PPS 和 IRIGB 方 式 獲 得 的表 2 時間同步的精度 種 類連 接 形 式傳 輸 距 離相 對 精 度適 用 范 圍IRIGB雙絞線或同軸電纜 12km10100s樓內近距離設備 DCLS64k DDN 專 線無 限 制100s1ms（需補償傳輸時延 ）樓內或遠距離設備 直 連12kmNTP公 用 因 特 網 、專 用 IP 網無 限 制1001000ms廣 域 網無 限 制10100ms城 域 網無 限 制200s10ms局 域 網100m 左 右10200s兩 節 點 LANACTS電 話 線無 限 制10100ms（需補償傳輸時延 ）遠 距 離 設 備1PPS同 軸 電 纜100m 左 右100ns 量級 測試用或樓內近距離設備 串 行 口 ASCII 字 符 串雙 絞 線100m 左 右10100ms樓內近距離設備 本 振 源老 化 率 最 低 準 確 度變 化1ms 需 用 時 間G811 規 定 的 1 級 時 鐘11011（最低準確度）約 32 年銣 原 子 鐘51011（月 老 化 率 ）約 75 月高穩晶體振蕩器 1109（天 老 化 率 ）約 115 天普通晶體振蕩器 7約 28 小 時一 般 計 算 機1105（天 老 化 率 ）約 100 秒維護不便 ，耗電量大 ，可靠性低 。（3）定時端口數量不足這種方 式 ，能夠提供的硬件相互隔離的定時端口 數 量 有 限 ，所以僅能滿足子系統內部 使 用 ，不 能 組 網 使用。（4）缺乏網管對時鐘系統進行管理和監測在整個定時系統中 ，沒有建立統一的網管 ，無 法 了解整個時鐘系統的運行情況 ，各時鐘之間的偏差不 能自動調整 ，所以電視中心內各部門仍然需要進行人 工校時 。方式和負載能力 ：（1）形式多樣的輸入輸出時間接口時 間 同 步 系統應支持各種方式時間輸入輸出接 口，輸入時間接口 應 支 持 1PPS、NTP、DCLS、ASCII 等接 口 ， 輸 出 接 口 應 支 持 1PPS、DCLS、IRIG B、NTP、EBU、RS232 RS422 等 接 口 。 用 戶 可以根據自身業務 需求，選用不同類型的時間接口來組建不同精度等級 的時間同步網 。（2）充足的輸出端口根 據 現 在 廣播電視的播出和制作系統都大量采 用 了 計 算 機 ，定 時 接 口 應 以 NTP 方 式 為 主 ，其 他 方 式為輔。 系統應可支持不少于 20 路硬件上相互隔離的 時間同步輸出端口 ，可 同 時 向 2040 個子系統提供時 間 同 步 信 號 ；每 個 NTP 端 口 可 支 持 100 臺 服 務 器 ，整6廣播電視時間同步組網方式的改進從根本 上 看 ，現在各電視臺時間同步方式采用的 是：個時間同步系統可同時支持 4000 臺 服 務 器 ，能 完 全（1）各子系統內部采用主從同步方式 ；（2）各子系統之間采用準同步方式 ；（3）整個電視臺采用混合同步方式 。一般而 言 ， 電視臺各子系統的距離都比較短 ，基 本在同一棟樓內 ，最遠也都會在同一 城 市 內 ，距 離 不超過 100km，時延不超過 100s。 這種應用場合 ，從時 間同步的概 念 出 發 ，廣播電視的時間同步系統應優選 主從同步方式 （如圖 3）。滿 足 新 聞 制 作 、節 目 制 作 、媒 體 資 產 管 理 、衛 星 收 錄 、音 頻 制 作 、硬 盤 播 出 、廣告業務等各 子系統的定時需 要 。同時可以通過一定 的組合方式輸出多路 EBU 信號，保證制作和錄像系統的需要 。所有需要時間同步的業務子系統 ，應 單 獨 使 用 硬 件上相互隔 離 的 端 口 ， 安全性要求較高的子系統 ，應將 NTP 端口置于防火墻之后 ， 而且不對外公開其 IP地址。 在這 個 系 統 中 ，校時服務器已經不需要使用傳 統的服務器 ，而是改由基準鐘上的硬件端口直接輸出 NTP 定 時 信 號 ，設備可靠性和穩 定 性 大 幅 提 高 ，也 大 大節省了安裝空間 、能耗和成本 。（3）網管和監測功能時間同步系統應具備完善的管理和監測功能 ，可 對設備工作狀態進行監控和管理 ，能 監 測 制 作 、播 出 等核心系統主要客戶端的定時狀態 ，保證廣播電視各 主要設備的定時精度 。（4）良好的可擴展性系 統 應 可 以根據以后業務的需求方便地擴展輸 出端口數量 。 有冗余備份設計 ，重要單板能做熱備份 ， 任一單板故障不會造成時鐘輸出中斷或惡化 。從安全 性 考 慮 ，系統最好還能同時具備支持北斗 圖 3 廣播電視系統主從時間同步方式 廣播電視系統至少設立 一 個 LPR 基 準 鐘 ，作 為整個系統的基準時鐘 ，必要時可設立 兩 個 LPR 基 準鐘，互為主備 。 LPR 基準鐘配備衛星接收系統 ，用衛星信號接收系統獲取長期穩定度優良的信號 ，并 配 備 高 性能的銣原子振蕩器作為本地備份振蕩器 。 在正常情況 下 ， 時間同步系統直接 獲 取 來 自 GPS 衛 星 接 收 系 統的時間信 號 。 當衛星信號異常時 ，則改用銣鐘作為 備 份 時 鐘 ， 保 證 在 GPS 不 可 用的狀態下仍能在較長 衛星系統的接口 ，統。必 要 時 可直接替換美國的 GPS 系總結7（下轉第 67 頁）銷售商通過電話確認便可以 知道此次訂購行為是有 人冒充了用戶乙 。這 種 方 式 適合于用戶支付廣電運營商自辦的業 務。 因此該支付方式很適用于運營商自主的業務 ，如 購買付費頻道 、繳基本收視費等 。射關系 （如 圖 4 中 所 示 ）：同一種業務可以對應多種支 付方式 ，使得用戶在開通某種業務時不受到支付方式 的限制 ，可根據自己的方便程度來選擇支付方式 。3數字電視綜合電子支付平臺的設計方案設計借助數 字 電 視 平 臺 ，廣電運營商可以為用戶提供 極其豐富的 支 付 型 業 務 ， 業務種類上包括 ： 購 物 、預 訂、銀行轉賬 、繳 費 充 值 、賬 單 支 付 、即 時 消 費 等 ；從 業 務運營主體 上 分 類 ： 有自身作為運營主體的業務 ，又 有以第三方為運營主體依托 于數字電視平臺開展的 業務。不 同 類 型 業 務 的 模 型 中 ， 各方業務關系也不相 同， 導致單一支付方式無法支撐開展所有的業務。 因 此， 廣電運營商必須設計與搭建一個綜合型的電子支 付平臺，才能保障越來越多的支付型業務的順利開展。綜合電子支付平臺架構如圖 4 所示。綜合電子 支 付 平 臺 由 “錢 袋 ”支 付 子 系 統 、網 絡 銀 行支付子系統以及銀行劃扣 支付子系統以及支持其 他支付方式的子系統構成 ，這些支付子系統使得廣電 運營商很方便地通過其業務 平臺向用戶提供豐富的 支付型增值業務 。32方案分析如圖 4 所 示 ，綜合電子支付平臺屬于綜合業務平 臺的一部分 ，具有如下特點 ：（1）支付平臺由各 個支付子系統組成 ，每 種 子 系 統都有其適用的業務類型 ，保證了可支撐的業務種類 31圖 4廣電運營商綜合電子支付平臺架構 小結4單獨一種支付方式能夠適用的業務是有限的 ，因此，廣電運營商必須搭建一個綜合電子支付平臺 。 用 戶通過這個平臺的一種或多種支付方式 ， 與 銀 行 、第 三方合作伙伴以及運營商建立關聯關系 ，