當(dāng)前環(huán)境下4K播出系統(tǒng)建設(shè)思路探討

唐廣言 東臺(tái)市廣播電視臺(tái)

1. 4K的參數(shù)選擇及不同環(huán)節(jié)的格式問(wèn)題

隨著“中央廣播電視總臺(tái) 4K 超高清電視節(jié)目制播技術(shù)規(guī)范（暫行）”的發(fā)布和實(shí)踐，目前各電視臺(tái)大部分都將4K節(jié)目的基本參數(shù)定義為4K分辨率，50幀幀率，BT.2020色域, 10bit量化，高動(dòng)態(tài)范圍（HDR）采用HLG標(biāo)準(zhǔn)。

在臺(tái)內(nèi)信號(hào)環(huán)節(jié)，主流采用無(wú)壓縮模式，隨著12G產(chǎn)品的逐漸成熟和ST2110標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，同軸電纜和光纖成為4K信號(hào)在臺(tái)內(nèi)傳輸?shù)闹髁鹘橘|(zhì)。

在臺(tái)外信號(hào)環(huán)節(jié)，衛(wèi)星傳輸必須采用 AVS2，但該技術(shù)在延遲上的問(wèn)題較大。所以在非衛(wèi)星場(chǎng)景，光纖直播回傳、播出編碼送下游有線公司等環(huán)節(jié)，普遍選擇H.265（HEVC）壓縮技術(shù)。

對(duì)錄播節(jié)目，已經(jīng)全面文件化。XAVC CLASS 300成為主要的送播交換格式，該壓縮格式的碼率為500Mbps，是目前高清MXF的10倍。所以對(duì)于部分電視臺(tái)，也可以考慮采用H.265作為交換格式。

2.4K播出系統(tǒng)建設(shè)架構(gòu)的選擇

隨著 SMPTE 2022-6、SMPTE 2110 等標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，使得在全I(xiàn)P環(huán)境上建設(shè)4K系統(tǒng)成為可能。所以在當(dāng)前環(huán)境下，面對(duì)4K播出系統(tǒng)的建設(shè)模式，有多種不同的選擇，可以采用同軸電纜（4×3G-SDI、12G-SDI），也可以采用 SDI Over IP，那么，這幾種建設(shè)模式目前的發(fā)展現(xiàn)狀到底如何？各有什么優(yōu)點(diǎn)和不足之處？這些是接下來(lái)我們需要重點(diǎn)探討的問(wèn)題。

2.1 4×3G-SDI的建設(shè)模式

目前，國(guó)內(nèi)兩個(gè)已經(jīng)落地的 4K 播出系統(tǒng)均采用這種模式。顧名思義，這種方式是采用四條3G-SDI鏈路來(lái)傳輸一路12G的4K/UHD信號(hào)，每根同軸電纜當(dāng)中跑的都是一路1080P信號(hào)，所用的視音頻周邊產(chǎn)品也是高清時(shí)代既有的產(chǎn)品，技術(shù)成熟、可靠。

但是這種模式下建設(shè)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，設(shè)備太多，部署成本高昂，而且4根線傳輸一路信號(hào)，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)遇到同步漂移的問(wèn)題。需要回到模擬分量時(shí)代的管理方式，即每過(guò)一段時(shí)間，逐個(gè)環(huán)節(jié)檢查同步，因此，維護(hù)管理會(huì)變得更加復(fù)雜。

總的來(lái)說(shuō)，4×3G-SDI的建設(shè)模式是目前產(chǎn)品最完善、技術(shù)最成熟、最容易落地的一種解決方案，但是它的缺點(diǎn)也是比較明顯的，特別是在總控環(huán)節(jié)，這種模式基本上不被接受，因此，隨著基帶IP技術(shù)和12G-SDI技術(shù)的發(fā)展，4×3G-SDI的建設(shè)模式必將被淘汰。

2.2 12G-SDI的建設(shè)模式

鑒 于 4×3G-SDI 技 術(shù) 上 的 缺 陷， 近 年 來(lái)，12G-SDI技術(shù)飛速發(fā)展。12G-SDI技術(shù)的熱點(diǎn)在演播室、轉(zhuǎn)播車等現(xiàn)場(chǎng)制作環(huán)節(jié)，尤其是在輕量化4K現(xiàn)場(chǎng)制作場(chǎng)景中，發(fā)展很快。因此，某一些視音頻廠商的產(chǎn)品在這個(gè)領(lǐng)域成熟較快。

在 12G-SDI技術(shù)架構(gòu)下，信號(hào)架構(gòu)可以完全回到目前大家熟悉的單線同軸模式，而且已經(jīng)具備了完善的產(chǎn)品線，包括切換開(kāi)關(guān)、切換臺(tái)、鍵控器、4x1、多畫面，矩陣也可以到144×144以上規(guī)模，且性價(jià)比較好。

但是 12G-SDI也有一個(gè)致命的弱點(diǎn)，那就是傳輸距離受限，經(jīng)測(cè)試加奈美的L-5.5CUHD同軸視頻電纜測(cè)試最多只能傳輸80米，更遠(yuǎn)距離需要采用光端機(jī)，而且跳線環(huán)節(jié)會(huì)引入較大的衰減。

綜上所述，在頻道規(guī)模不大的情況下，又不想太多改變管理模式時(shí)，建議采用12G-SDI模式搭建4K播出系統(tǒng)，可以快速上線、架構(gòu)成熟，性價(jià)比較高，而且管理模式可以幾乎不變，人員適應(yīng)成本最低。

2.3 SDI Over IP 的建設(shè)模式

由于 IT 技術(shù)的飛速發(fā)展，IP 的帶寬以及傳輸覆蓋的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)逐漸進(jìn)入廣電人的視野，隨著一系列協(xié)議的頒布，基于SDI Over IP架構(gòu)的播出產(chǎn)品已經(jīng)慢慢成為各大設(shè)備生產(chǎn)商關(guān)注的焦點(diǎn)，下面，首先介紹一下基帶IP協(xié)議的現(xiàn)狀。

ST2022-6 ：成熟的協(xié)議，解決了嵌入式 SDI信號(hào)和IP的封裝問(wèn)題。不需要PTP同步即可工作。但傳輸4K信號(hào)的話，需要＞12G的帶寬。4K系統(tǒng)中采用，對(duì)帶寬和端口會(huì)造成壓力，不建議使用。

ST2110 ：正在完善協(xié)議，已經(jīng)解決了視頻、音頻、元數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)通過(guò)IP進(jìn)行封裝的問(wèn)題。必須要PTP同步才能工作。傳輸一路4K信號(hào)只需要＜9G的帶寬，大量節(jié)省帶寬。

ST2059 ：定義了視音頻 IP 設(shè)備如何采用 PTP時(shí)鐘進(jìn)行同步。協(xié)議本身已成熟。

IS04/05/06：定義了視音頻 IP 設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)如何自發(fā)現(xiàn)、注冊(cè)等工作方式，最終服務(wù)于統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)管理的需求。目前只發(fā)布了IS04，05、06尚未正式發(fā)布。

ST2022-7：實(shí)現(xiàn)一個(gè)流傳輸?shù)逆溌啡哂?，成熟協(xié)議。各廠商基本都支持。

IP 在 4K 系統(tǒng)的建設(shè)中具備天然的優(yōu)勢(shì)，帶寬高，目前可以達(dá)到25G、40G、100G。對(duì)4K系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，25G/40G/100G接口可以很好容納在ST2110下9Gbps帶寬，而且一根光纖復(fù)用多個(gè)信號(hào)，可雙向傳輸，布線更少，物理部署簡(jiǎn)單，設(shè)備占用空間小，而且大量設(shè)備可以軟件化，系統(tǒng)更靈活，可以做到資源共享。

另外，IP 協(xié)議與格式無(wú)關(guān) ,基帶的 4K、HD、SD，壓縮域的TICO、TS等可以在一個(gè)交換機(jī)內(nèi)調(diào)度，能夠很好的適應(yīng)融媒體時(shí)代。

但是，從 SDI向 IP 的轉(zhuǎn)變也是一個(gè)艱難的過(guò)程。在IP環(huán)境下，技術(shù)均為IT技術(shù)，相對(duì)FPGA等硬件，可控性較差。而且SDI時(shí)代的所有維護(hù)管理習(xí)慣、應(yīng)急操作模式基本全部作廢，臺(tái)內(nèi)管理人員必須適應(yīng)全新的工作模式，從SDI時(shí)代的信號(hào)路由轉(zhuǎn)變?yōu)镮P時(shí)代的信號(hào)路由，無(wú)法所見(jiàn)即所得，必須依賴軟件才能工作。

3.結(jié)語(yǔ)

隨著廣電技術(shù)的發(fā)展，超高清播出系統(tǒng)的建設(shè)將會(huì)成為未來(lái)幾年內(nèi)播出系統(tǒng)建設(shè)的重點(diǎn)。本文介紹了幾種主流4K 播出系統(tǒng)建設(shè)的優(yōu)缺點(diǎn)， 4×3G是最成熟方案，但一定會(huì)被淘汰，維護(hù)難度大，不建議采用；12G-SDI方案，產(chǎn)品進(jìn)展上有些缺陷，但可以接受，性價(jià)比較高，管理維護(hù)幾乎不變，是目前比較好的一個(gè)選擇； IP是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，如果考慮目前開(kāi)始為未來(lái)幾年內(nèi)的IP化做技術(shù)積累，就要考慮一定程度降低該頻道的安全標(biāo)準(zhǔn)，目前不建議大規(guī)模使用。