一、项目背景和简介
随着技术的飞速发展，广播电台设备和系统正在发生巨大的变化。除了开始大量使用数字设备外，系统结构也不断向网络化发展。
网络化的系统可以使电台的数据采集、节目制作、节目播出以及节目交换发生根本的变化，使节目播出模式更加灵活多变，操作更加简单，系统更加安全可靠，大大提高广播电台在媒体竞争日益激烈环境下的地位，为广播电台带来更大的发展空间。
河南人民广播电台新广播大厦于2002落成。随着新大楼的建成，河南人民广播电台对整个播控系统进行全面的改造和升级。新系统的架构必须选用具有一定领先和超前的先进技术和方案，以保证河南人民广播电台在今后的发展空间。
经过不断比较和多方论证，河南人民广播电台最终选用了基于ATM技术的网络化电台播控系统。这是该系统最关键和突出的核心技术和特点。
新的网络化电台播控系统于2003年建成投入使用。该系统包括有7套直播间和总控播出系统。播控系统采用了英国AudixBroadcast公司的网络化数字直播调音台ADD9000以及ATM网络化数字音频播控系统－ANTS。
系统中的ATM网络采用了英国Marconi公司的ASX-200BX ATM交换机作为核心，共设置了11个ATM网络节点，其中7个节点是配备了ATM网络接口的ADD9000数字播出调音台，分别位于7个直播间；4个节点是具有不同传统数字音频接口的ATM网络音频转换接口，位于总控室，用于接收输送外来信号和外转信号。通过ATM网络，7个直播间和总控系统连成一个整体。所有音频信号在网络节点处转换成为网络信号进入ATM网络，实现对所有音频信号的网络化管理、调配和路由控制。在各个网络节点，可以根据需要将相应的音频信号提取处理，从网络信号转换成为AES数字音频信号，用于连接其他非网络化音频设备。
整套网络播控系统采用英国AudixBroadcast公司开发的ANTS管理软件进行管理。该软件是一个综合管理系统，可以实现ATM网络的各种管理功能，同时也能够对所有音频信号进行设置、调度和发送，构成了完整的电台播控管理系统。
新系统通过全新的电台播出和管理方式，以及稳定高效的系统性能，为河南人民广播电台的播出提供了更多样化的节目播出方式，并有效地提高了节目品质和播出质量，使得河南人民广播电台的节目收听率不断提升，增强了电台在激烈竞争中的市场地位。
该系统自投入使用三年以来，其稳定的性能表现和明显的市场成效，充分证明了ATM网络在电台播控领域应用的成功。
二、系统核心技术－ATM网络化数字音频传输技术
国际专业音频工程师协议（AES）经过多方考察和论证，于2002年正式推出用于数字音频网络化传输的AES47标准。全称是《AE47-2002：AES standard for digital audio—Digital input-output interfacing—Transmission of digital audio over asynchronous transfer mode（ATM）networks》。《AES47-2002:数字音频的AES标准－数字输入/输出接口方式－在异步转移模式(ATM)网络上传送数字音频》。这是AES组织第一个基于网络技术的专业音频传输标准。
2.1 ATM网络技术
ATM(Asynchronous Transfer Mode)是1988年由ITU-T（国际电信联盟电信标准化部门）针对电信网络支持宽带多媒体业务而提出的一种传输模式，被推荐为宽带综合业务数据网B-ISDN的信息传输模式和基础。
ITU对ATM的定义是：ATM是一种异步转移模式。异步是指ATM统计复用的性质。转移模式是指网络中所采用的复用、交换、传输技术，即信息从一地转移到另一地所用的传递方式。在这种转移模式中，信息被组织成信元（CELL），来自某用户信息的各个信元不需要周期性地出现。因此，ATM就是一种在网络中以信元为单位进行统计复用和交换、传输的技术。用ATM技术构建的网络称为ATM传输网，它是由VC级的信道网（或电信网），VP级的通路网和传输媒体网3级组成。在ATM模式下，网络具有多方连接的功能，其中包括支持广播（broadcast）型连接和多播（multicast）型连接的能力。[page]
ATM是一种新型分组交换技术，信元实际上是具有固定长度的分组，信元总长度为53个字节，其中前5个字节是信头，后48个字节是信息段，或称有效载荷。信头则包含表示信元去向的逻辑地址、优先等级、流量控制和差错控制等信息。ATM以信元的方式传送信息，与业务的特性、比特率无关，具有良好的数据兼容能力。任何业务的信息，包括话音、数据及图像等，经过切割封装成统一格式信元后，都可以在网络中进行传输与交换进行传输。
ATM采用异步时分复用方式，将来自不同信息源的信元汇集到一起，在缓冲器内排队，队列中的信元根据到达的先后，按优先等级逐个输出到传输线路上，形成首尾相接的信元流。具有同样标志的信元在传输线上并不对应着某个固定的时隙，也不是按周期出现的，避免了复杂的信元顺序控制工作。异步时分复用使ATM具有很大的灵活性，任何业务都按实际信息量来占用资源，使网络资源得到最大限度的利用。此外，不论业务源的性质有多么不同（如速率高低、突发性大小、质量和实时性要求如何），网络都按同样的模式来处理，真正做到完全的业务综合。
此外，ATM可通过设置AAL层，对业务类型进行划分，通过AAL层的适配把不同类型业务转换成统一的ATM标准，实现使用同一个网络来承载各种应用业务的目的，再辅之必要的网络管理功能，信令处理与连接控制功能，可以设置多级优先级（如连接优先级和信元优先级等）管理功能，使ATM能够广泛适应各类业务的要求，在单一的主体网络中携带多种信息媒体，承载多种类型业务。
为了提高处理速度、保证质量、降低时延和信元丢失率，ATM以面向连接的方式工作。通信开始时先通过呼叫建立虚电路，并将虚电路标志写入信头，网络根据虚电路标志将信元送往目的地。同时在呼叫过程向网络提出传输所希望使用的资源，网络根据当前的状态决定是否接受这个呼叫。其中资源的约定并不像电路交换中给出确定的电路或PCM时隙，只是用以表示将来通信过程所可能使用的通信速率。虚电路是可以拆除释放的。在ATM网络的节点上完成的只是虚电路的交换。虚电路建立后，发送和接收方即建立了具有固定速率的单独传输通道，在整个传输过程中，这个虚电路连接是不会中断和更改的，这样就能够完全保障传输的质量要求，即具有良好的QoS保障。
为了简化网络的控制，ATM将差错控制和流量控制交给终端去做，不需逐段链路的差错控制和流量控制，ATM信头的功能被大大简化，从而提高信头的处理速度，使信元的排队时延大大缩短。
因此，ATM结合了电路交换和分组交换的优点，即ATM兼顾了分组交换方式统计复用、灵活高效和电路交换方式传输时延小、实时性好的优点。
2.2 AES47标准
随着现代专业音频制作的不断发展，为改进专业音频信号长距离实时传输的状况，AES组织成立专门的项目小组，在考察分析当今多种网络传输技术后，结合专业音频信号实时传输的一些特殊要求，决定采用ATM异步转移模式，作为专业音频信号在网络中的传输方式。AES在2002年正式制定和推出了AES47-2002标准。这是关于如何采用ATM网络传输专业音频信号的接口规范。也是AES组织第一个将现代网络技术应用到专业音频传输的技术标准。2006年，AES组织根据网络技术的发展和实际应用的一些变化，对标准进行了一定的修改，推出了AES47-2006版本。
ATM网络目前已经是一种非常成熟，应用广泛的网络技术。在网络层面上，已有相应的各种标准和规范。因此在AES-47标准中，主要是针对专业音频信号与ATM网络协议数据接口的规范和定义。在ATM网络技术规范中，网络能够自动无缝地兼容和连接各种具有不同速率或编码方式的ATM接口，如25M，155M双绞线接口或622M光纤接口等。因此AES47标准中没有涉及到具体的物理接口规范。而且ATM网络是一个综合管理非常完善的系统，因此AES47标准中也不涉及专业音频信号转换为ATM网络信号后，在ATM网络内的路由和管理规范。[page]
ATM已是当前各大电信公司核心的骨干传输网络，具有全球性的互通和互连。通过AES47标准，我们可以在全球范围内实现专业音频信号的实时传输和共享应用。
根据AES47-2002版本的标准，采用ATM网络传输专业音频信号，主要有以下方面的特性和特点：
1、延时固定而且小，确保专业音频信号所要求的传输时延
对于许多专业音频信号的应用，例如电台播出，信号从话筒到调音台，再返送到耳机的总延时要求不超过3ms。信号如果需要通过网络进行长距离传输，则需要考虑信号的总延时，时钟的同步等相关问题。任何一种用于专业音频信号进行实时传输的系统都必须能够满足这样的基本要求。这也是AES47标准决定采用ATM模式网络作为专业音频传输网络的重要原因之一。
通过ATM网络，信号传输经过的处理过程如图1所示：
图1 信号在ATM网络中的传输处理过程
在这个过程中，发送和接收端的数模和模数转换大约各需要0.5ms。信号在网络中的路由交换及传输，50公里单程的延时为0.25ms。
信号在发送接收端的信号封包/拆包过程，信号同步，缓存所需的时间。这些延时是与网络信号打包格式大小以及信号包传输间隔相关的。
如采用AES47标准传输2通道的48kHz采样24bit PCM信号，封包、拆包以及信号同步过程的延时时间只有125us。信号缓存时间与上述的信号格式和类型相关，延时也为125us。如果传输信号的通道越多，采样率越高，这个时间会更短。
根据以上数据，采用AES47标准通过ATM网络，在相距50公里的两个地点，路由交换和传输2通道24bit/48kHz的无压缩专业音频信号，来回双程的信号延时为：
（A/D/A转换延时0.5ms+封包/拆包/同步延时0.125ms+缓存延时0.125ms+50km网络路由交换及传输延时0.25ms）x2＝1.75ms。
由此我们可以看到，采用AES47标准作为专业音频信号的远程实时传输网络是具有非常优秀的延时特性。
2、信号在网络中传输具有充分的QoS保障。
作为专业音频信号的实时传输，信号必须能够以确定的质量和恒定的速率进行传输。由于ATM网络自有的特性，每路信号的传输都建立在独立的传输虚电路基础上，因此能够确保信号传输通道的稳定性以及速率。
3、传输速率高，可传输高品质，无压缩，多通道专业音频信号，并实现高密度和高容量的路由矩阵系统
在现有的ATM标准中，有多种不同的基础传输速率。采用3类双绞铜线电缆，可以实现25.6Mb/s的传输速率；采用5类双绞铜线电缆，可以实现155Mb/s的传输速率；而采用光纤线缆，则可实现622Mb/s和1.2Gb/s的传输速率，而且都是双工传输，即可同时双向传输，每个方向的传送速率都能够得到保障的。在AES47标准中，在25.6Mb/s的传输速率下，就可实现双向传送16通道24bit/48kHz的无压缩数字音频信号。如采用622Mb/s的速率，传输通道更可增加到384通道。
因此，根据AES47的格式规范，在ATM网络中可以很方便地传输单声道、立体声、5.1环绕声或MADI 等具有不同通道数量的信号格式。
而且，由于每个端口都可以传输多通道数字音频信号，在一个普通的ATM交换机上就可实现大容量的数字音频路由矩阵功能。如一个16端口的25Mb/s速率ATM交换机就可实现256×256规模的路由矩阵功能，而仅占用1U的高度，这是传统模拟或数字音频矩阵所无法实现的。
4、同一网络可同时传输不同采样频率的音频信号。
AES47标准中，仅对音频信号转换为ATM网络信号的接口格式作了规范。这是与信号格式不相关的。而且各路音频信号是通过各自要求的虚电路进行连接和传输，因此，各路音频信号可以具有不同的采样频率。32kHz，44.1kHz，48kHz，88.2kHz，96kHz和192kHz等采样频率的信号都可以通过一个ATM网络进行混合传输。[page]
这使得采用AES47标准建立的音频传输网络，可以符合更多类型的信号和节目的应用，具有广泛的适应性。
5、ATM网络具有和广域网连接的一致性，可以实现更广范围的连接和传输
如前所述，ATM网络是目前全世界电信系统的核心骨干网络，构成了一个覆盖全球的ATM广域网络。采样AES47标准后，将可以很方便地利用这个现有的广域网络，在全城、全国以至全球范围实现专业音频信号的实时互连、传输和共享。这将为专业音频应用带来更多的发展空间，特别是对于着重于音频信号播出的电台，将带来更多样化的制作和播出模式，推动电台广播的进一步发展。
6、具有良好的扩展性和稳定的可靠性
ATM网络是AES47标准的基础和核心，采用AES47标准建立的音频传输网络将完全继承和拥有ATM网络的所有特性和特点。
作为一种在电信领域成熟和广为应用的网络技术，ATM良好的扩展性和稳定的可靠性是得到验证的。目前ATM网络产品已经实现标准化，通过堆叠等技术，可以很方便地进行ATM网络规模和性能进行扩展。
如前所述，ATM技术简化了信元的信头信息，在交换机内仅需进行虚电路的交换，减少了交换机在寻址、纠错和序列控制等方面的工作，而将这些工作分配到了发送和接收终端，均衡了网络负载，使得网络的运行更加安全和稳定。
7、具有更全面的信号控制能力
ATM是根据综合多媒体业务数据网络的要求而设计的，为满足各种不同领域、不同业务的特性要求，它具有非常丰富和强大的网络管理和控制功能。
AES47标准充分继承了ATM网络的强大功能。它仅在数字音频和ATM信元的数据接口上进行了规范。转换为ATM信元后的数字音频信号就可以通过ATM网络原有的功能进行全面控制和管理。传统的数字音频信号转换为网络信号后，通过ATM网络，我们可以更方便地实现数字音频的信号的路由、分配和监控，实现一对一或一对多的传输以及路由。
8、可以兼容传输其他各种类型的信号和数据。
如果构建了ATM网络，它不但能够通过AES47标准传输和管理专业数字音频，而且同样能够传输和管理其他类型的数据和信号，如视频信号、计算机数据信号和工业控制信号等等。这能够将各种应用的网络进行集成和综合，实现统一的应用网络平台，充分利用资源，节约投资。
2.3 AES47标准的应用和产品开发现状
AES47标准推出后，得到了许多专业音频厂家和用户的支持，并在这个标准的基础上研究和开发的相关的技术和产品。目前国际上应用和开发ATM专业音频产品的著名用户和厂家有：
英国BBC广播电台，这是世界上首先将ATM网络技术应用到专业音频领域的大型专业用户。BBC在AES47标准推出前，已经在ATM网络应用方面作了大量的研究和试验，采用ATM网络技术为一套节目构建了备份播出的数字音频系统。BBC也为AES47标准的制定作了大量的工作，并提供了很多有用的参考数据。
英国Capital Radio广播公司，这是世界上首家将ATM网络用于实际广播的公司。Capital Radio在英国全国各地都设有独立广播电台，他们已在11个广播电台中安装了ATM网络接口节点，通过英国电信公司的全国ATM网络连接起来，实现了11个广播电台播出信号的实时传输和共享使用。
Audix Broadcast（UK）公司，这是世界上第一家能够提供基于ATM网络的全套电台播出系统的公司。包括具有ATM网络传输和控制功能的数字广播调音台，数字音频的ATM网络接口以及全套的ATM网络数字音频路由管理系统。BBC和Capital Radio大部分的ATM音频网络系统设备都是由该公司提供。[page]
NineTile（UK），AES47标准起草小组成员John Grant所在公司，致力于ATM网络数字音频产品的研究和开发，主要为用户设计和开发专业音频和ATM网络接口的模块。
SSL（UK），世界著名的顶级调音台制作厂家，已开发基于ATM网络技术的高品质专业音频转换接口。
Calrec（UK），英国著名大型数字播出调音台制作厂家，其大型调音台可以配备基于ATM网络技术的音频传输模块。
Lawo（Germany），是德国著名的专业调音台和数字音频矩阵制作厂家，已在其调音台和数字音频矩阵产品中使用ATM网络传输模块。
Glensound（UK），英国专业音频设备厂商，以开发一系列ATM网络接口的数字音频设备。包括接口，路由控制器等。
Sony Broadcast（UK），已推出部分基于ATM网络技术的相关产品。
我们相信，随着对ATM网络技术优势认识的不断深入，将会有更多的厂商加入到ATM数字音频网络技术和产品的开发，也将有更多的用户采用符合AES47标准的产品和系统。
三、河南人民广播电台ATM网络播控系统
河南人民广播电台新广播大厦于2002落成，新的电台播控系统于2003年建成投入使用。新电台的播控系统包括有7套直播间和总控播出系统。整个播控系统是采用了英国Audix Broadcast公司的ATM网络数字直播调音台以及ATM网络化数字音频播控系统设备。
3.1 系统特点和播出通道结构
河南人民广播电台新的播出总控系统将ATM网络作为播出信号的主传输通道，传统总控系统内核心的数字音频矩阵则由ATM交换机所取代，由ATM网络路由系统担任总控的主路由控制系统。
所有直播室的调音台都具有ATM网络传输接口，可以将调音台的音频信号传送到总控，并从总控调用其他音频信号。每个直播间的主播出信号是通过ATM网络传送到总控室。
在整个过程中，音频信号都是转换为完全意义上的网络信号后再进行传输、路由和管理。而目前国内其他的网络化电台，主要还是在信号传输连接结构上实现了网络化，传输的信号仍然是采用TDM传输的传统数字音频信号。
因此，河南人民广播电台新播控系统是一个完整的基于ATM网络的网络化播控系统。也是目前国内第一家实现了完全网络化的电台播控系统。
在ATM网络作为主播出通道和路由控制系统的基础上，该系统同时配备了一套模拟矩阵作为备份路由系统。调音台在通过ATM网络传送主播出信号的同时，也将一路AES数字信号和一路模拟立体声信号传送到总控室。其中模拟立体声播出信号进入备份路由系统，AES数字播出信号上跳线盘作备份。
ATM路由控制输出的主播出信号及模拟矩阵输出的备播出信号都接入多选1应急切换器，同时将应急工作站的输出信号作为第2级备播信号，整个总控的播出端口形成了由主播、备播和应急工作站三路信号构成的应急播出系统。播出通道结构见图2：
图2 系统播出通道结构示意图
3.2 ATM数字音频网络
在河南人民广播电台播控系统的ATM网络中，核心交换机采用的是英国Marconi公司的ASX-200BX ATM交换机，配备的ATM网络接口模块是双绞线接口模块，共3组模块，每个模块有6个端口，每个端口传输速率为25Mb/s。而且ASX-220BX交换机上还预留有一个模块插槽，可配备其他类型，如光纤接口的ATM网络模块，用于更远距离和更大容量的信号传输。
根据AES47标准的规范格式，在25Mb/s的ATM网络端口上，可以双向实时传输16通道的24bit/48kHz AES数字音频信号。因此，根据此配置，通过ASX-200BX ATM交换机，整个播控系统可实现最大288×288的数字音频路由功能。[page]
ATM网络共有7个直播间，每个直播间的调音台都配备有一个ATM数字音频转换模块，通过25Mb/s网络端口与总控ATM交换机连接，可实现双向16通道24bit/48kHz数字音频信号的传输，完全满足一般直播间与总控系统之间信号交换的需要。
在总控系统中，为方便外来信号接入ATM网络，以及将音频信号从ATM网络调出，配备了4个ATM网络音频转换接口。它们同样通过25Mb/s网络接口与ATM交换机相连。每个转换接口都配备了16通道的传统音频信号输出/输出接口，如XLR模拟接口，XLR数字接口，具体数量和配置各有不同。
该系统目前仅使用了11端口连接所有的具有ATM网络接口的数字音频设备，系统的实际总容量为176×176。还有7个25Mb/s端口空闲，可用于系统今后的扩展和升级。
河南人民广播电台整个播控系统ATM网络的结构示意图如图3：
图3 ATM网络结构示意图
3.4 ANTS－ATM数字音频网络管理系统
AES47标准只是对数字音频信号和ATM网络信元的数据接口进行了规范和定义，而对于如何管理运行在ATM网络上的数字音频信号则没有进行规定。这方面的功能和特性将由各家设备厂商在ATM网络标准的规范下进行开发。
关于ATM网络内部的管理和控制功能，在ATM网络标准和技术文件中都有非常详细的介绍，而且ATM网络中的管理和控制功能也是非常丰富和强大的，能够满足各种不同类型业务的要求。
由于AES47标准推出的时间不长，如何在ATM网络中真正实现对专业音频信号的实时传输进行有效的控制和管理，并没有太多的厂家对此有更多的经验和实践。但是，一个强大的数字音频网络传输系统必须具有相应强大的管理和控制功能，才能充分发挥实际应用的效果。因此网络管理系统是一个ATM数字音频网络中非常关键和核心的组成部分。
河南人民广播电台ATM数字音频网络系统的网络管理系统是Audix Broadcast公司自行开发研究的ANTS系统。这是世界上第一套完整的ATM数字音频网络管理系统。
Audix Broadcast公司很早开始进行ATM数字音频网络设备和系统的开发和研究。他们是最早承担BBC公司ATM数字音频试验网络的开发、研究和建设，积累了较多的经验。同时，他们还帮助Capital Radio在全英国构建了一个由12个ATM网络节点组成的广域ATM数字音频网络，并为其开发和设计了整个网络系统的数字音频路由和管理控制软件，为最终成功开发全套的ATM数字音频网络管理系统－ANTS奠定了重要基础。
河南人民广播电台的ATM数字音频网络电台播控系统，是世界上第二家大规模应用ATM数字音频网络技术的电台。但却是全世界第一套全部采用ATM网络技术构建的数字电台播出和总控系统，也是ANTS网络管理系统应用最为全面和深入的系统。
ANTS网络管理系统采用双服务器结构。服务器平台为专门定制开发的实时Linux系统，以CF卡作主存储系统，没有任何活动机械部件。具有很高的稳定性和安全性。ANTS系统软件全部基于Java开发，具有很好的移植性能，客户端软件可在多种操作系统中运行。
通过ANTS系统，可以对整个ATM数字音频网络系统进行全面的管理和控制：
1、ANTS总控电脑可监控整个网络的运行状况，了解各直播间的信号路由状况；
2、结合调音台的功能，通过ATM网络可实现7个直播间相互联通，并进行多台联播。
3、为各直播间设置和分配信号资源，使各直播间的调音台能够自由调配总控分配的信号，共享各路外来信号或某个直播间的播出信号。同时，总控室可以自由调用各直播间调音台的输出信号。[page]
4、ANTS总控电脑负责设定主输出通道的信号源，可根据时间日程表进行自动切换各频道的播出信号。
5、在ANTS总控电脑上的X-Y控制面板上可方便地进行所有外来信号和外转信号的调配和路由。
6、在ANTS的监听控制面板，可以选取ATM网络中任意输入和输出信号进行临时监听和监测。
