可靠性与数字电视播出系统 左建平 柯翰冰
随着数字化技术的发展和国外数字电视的开播,国内实现全数字电视播出的要求日渐迫切。目前,各电视台都在研究电视系统数字化的课题,有的已经进入实施阶段。播出系统是节目的最终出口,从各条制作线上完成的节目最终到这里汇合,通过播控、总控、微波、发射诸播出环节再传送到千家万户。播出系统一经投入使用便不能退出,设备的连续工作时间是电视台各系统中最长的。播出系统出现故障可能导致传送信号中断或信号劣化,并会立即反映在观众的电视屏幕上,从而造成停播劣播事故。这种错误的结果是不可逆的,即没有重来和改过的机会。因此,必须对播出系统的可靠性提出极高的要求。播出技术人员除了要加强学习数字电视有关技术知识外,还需掌握可靠性技术的有关理论。只有进行深入细致的可靠性研究,作好可靠性设计,才能使数字电视播出系统稳定可靠地发挥最大效益,保障安全播出。
1、 寿命特性曲线与数字电视设备
可靠性理论的基本论点就是设备的使用是有时限的,是有寿命的。一个设备的功能失效的发生概率称为失效率(λ)。设备的失效率与时间有图1所示关系： 
由寿命特性曲线可见,设备的失效期分为三个阶段,即:早期失效期、使用寿命期、耗损失效期。
A、 早期失效期
设备接入的早期,失效率非常高,随着时间增加,失效率逐渐下降。造成失效率高的主要原因有:未被发现的制造缺陷、运输过程中的损坏、错误的安装使用等造成设备的状态不良。所以许多厂商在交货之前都对设备规定一个“老炼期”,即规定一个时限让设备连续运行,以剔除不合格的产品,这个工作亦称为“拷机”。故在数字播出设备选型时应选择成熟可靠的产品。在系统安装,调试阶段必须坚持科学的原则,发现问题应即时解决,决不能草率仓促,不能人为的缩短调试时间,以避免在设备的早期失效期内投入使用而使播出系统可靠性降低。
B、 使用寿命期
设备在通过早期失效期后,失效率即达到最低水平。正常情况下,失效率为一常数。这是因为经过筛选、调整,设备内各部件均达到稳定的工作状态。所以,判断是否进入使用寿命期的重要标志是失效率是否稳定下来。使用寿命期是数字播出设备正式投入使用,发挥最大效能的时期。在使用寿命期内,让设备工作在所要求的环境下,按技术规程对设备进行维护保养,掌握正确地使用方法是保障高可靠性、延长设备使用寿命的重要条件。
C、 耗损失效期
当产品的失效率开始显著升高时,设备既进入第三寿命期,即耗损失效期,亦称最终寿命期。图1中TW点表示设备的寿命终止时刻或耗损失效期的开始。从这一点起,设备的失效率迅速上升。耗损失效的原因是设备本身的老化所造成的,如腐蚀或氧化,绝缘的击穿或漏电,金属在真空或其表面的离子迁移,磨损或疲劳,塑料制品的压缩或龟裂等。当产品的失效率达到不能容忍的程度时,应当进行更换或修理。对有些设备而言更换其关键性的寿命较短的部件即可减缓失效率的上升速度,而更换处理对另一些设备而言则可重新进入使用寿命期。
以上介绍了寿命特性曲线。可以看出,设备的可靠性的提高应针对不同时期的特点正确的对设备进行维护,适时更换短寿命器件将可延长数字播出设备的使用寿命。
2、 设备储备与数字播出系统
设备储备即冗余设计是可靠性理论中的重要技术,经常通过并联储备结构来实现,其数学模型如图2: 
其可靠度计算公式是:
R=1-(1-R1)(1-R2)…(1-Rn)
R1,R2,…Rn为各并联臂上子系统的可靠度
设备储备是提高系统可靠性的极其有效的方法。传统播出系统设计中,考虑到系统的可靠性,采用视音频跳线板、应急切换器,以备应急切换及便于测试维修,其可靠性模型如图3所示: 
由图可见,系统为三联并接结构。各通道相对独立,均可传送播出信号。假设三个并接子系统的失效率相同,且设λ=1/500=0.002(实际远小于此值),每天连续使用18小时,则系统的可靠度为:
R=1-(1-R1)(1-R2)(1-R3)=1-(1-e-λT)3=1-(1-e-0.002×18)3=0.999955789
而并联臂上单个子系统的可靠度为:
r=e-0.002×18=0.964640293
如果在可靠度值上看差距尚不明显的话,换算成平均无故障时间MTBF看一看:
三联并接系统
MTBF=1/λ=-T/ln(R)=-18/ln0.999955789=407133.6038小时
而单个子系统
MTBF=1/λ=500小时
即三联子系统的平均无故障时间是单个无储备子系统的814倍,可见储备技术对系统可靠性的显著贡献。所以在设计数字电视播出系统时亦应采用此设计思想，即让系统具有应急跳接或切换手段。#p#分页标题#e#
近来出现的硬盘数字播出系统大多采用了储备技术,一般是一主一备方式，但也有例外。如SEACHANGE硬盘播出系统有节点和硬盘阵列两层,各层上都采用了储备技术,在不考虑两节点同时损坏和单通道的使用情况下,三节点系统的可靠性模型如图4: 
若用前述假设条件,则系统的可靠度计算如下:
R=1-(1-e-λT)6=1-0.0353597066=0.999999998
可见其可靠性是很高的,但是若出现与假设条件不同的情况,即同时出现两节点损坏时,则系统处于瘫痪状态。对此必须有应对措施,至少应有应急信号源直通切换或跳接措施,考虑到播出台标及游动字幕的需要,并考虑应急的快捷直观,最好使用数字切换台。需要说明的是该系统用于多通道播出时可靠性会有所降低。
3、可靠性退化和系统环境
设备和系统的可靠性随着设备耗损期的到来会降低,降低的速度是逐渐变化的,不良使用将导致设备耗损期的提前到来或加快可靠性降低的进程。即使是在设备的使用寿命期内,设备和系统的可靠性亦有可能降低或退化。造成可靠性退化的原因有两大方面,一是客观环境不利于电子设备正常稳定的发挥作用,如温度,湿度,灰尘,负载率等不符合要求。二是使用者装配失误,粗暴的使用,不必要的频繁维护维修等人为的因素。可见播出技术人员在使用数字设备时,必须保证系统处于良好的环境下工作,并尽量避免人为因素造成系统的可靠性退化。
数字播出系统的可靠性研究是一个较长时期的任务。在系统设计之前就要开始可靠性调查，在系统设计时应在满足功能和性能的条件下进行可靠性设计，在系统安装调试时进行可靠性实验，在系统投入使用后要防止可靠性退化。总之可靠性研究要不断进行，麻痹和松懈只会导致系统可靠性降低。
