高清電視IP 融合播出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)淺析

梁 波，李銳鋒

（云南省曲靖市廣播電視臺，云南 曲靖 655000）

0 引 言

電視播控系統(tǒng)通過視頻切換矩陣，承擔著來自視頻服務(wù)器、演播室現(xiàn)場、轉(zhuǎn)播車回傳、央視新聞節(jié)目、衛(wèi)星接收視頻以及墊播視頻等多種信號的接收、調(diào)度及分配任務(wù)。隨著技術(shù)的發(fā)展，電視信號從標清、高清到超高清的逐步過渡以及頻道數(shù)量的增加，原有數(shù)字分量串行接口（Serial Digital Interface，SDI）基帶信號播出系統(tǒng)的劣勢逐漸顯現(xiàn)。SMPTE ST2110 技術(shù)標準正式發(fā)布以后，以IP 數(shù)據(jù)流為主的融合高清、超高清電視播出系統(tǒng)優(yōu)勢盡顯[1]。

根據(jù)SMPTE ST2110 技術(shù)標準，綜合其他城市廣播電視臺播出系統(tǒng)的建設(shè)經(jīng)驗，曲靖市廣播電視臺初步確立了以IP 總控調(diào)度為中心，涵蓋IP 總控、頻道分控、時鐘同步、監(jiān)測監(jiān)看四個大系統(tǒng)的融合IP 高清電視播出控制系統(tǒng)。本文重點從IP 總控系統(tǒng)、頻道分控兩方面闡述曲靖市廣播電視臺新一代播出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點。

1 IP 總控矩陣系統(tǒng)

根據(jù)曲靖市廣播電視臺現(xiàn)有3 個高清電視頻道播出的要求，同時兼顧未來4K 超高清電視節(jié)目播出的需求，結(jié)合以往案例的實施經(jīng)驗，在兼顧安全和經(jīng)濟的基礎(chǔ)上，技術(shù)部門對IP 融合高清播出總控系統(tǒng)的信號源、調(diào)度矩陣、控制面板、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、信號監(jiān)看以及測量系統(tǒng)進行了全面的考慮和設(shè)計。方案采用無壓縮SDI over IP 矩陣，實現(xiàn)信號流的集中控制[2]。

1.1 IP 總控系統(tǒng)構(gòu)成

IP 總控系統(tǒng)由視頻切換矩陣、GPS 時鐘基準同步授時、衛(wèi)星接收機、多畫面監(jiān)看和提示（UMD）、技術(shù)指標監(jiān)測報警以及周邊輔助設(shè)備等構(gòu)成。

1.2 總控系統(tǒng)的功能

IP 總控系統(tǒng)為曲靖市廣播電視臺3 套高清電視頻道提供播出節(jié)目所需的信號來源，為演播室、播控中心提供同步信號，實現(xiàn)外部源視頻與臺內(nèi)播出視頻信號的同步、無臺標播出凈信號的節(jié)目回錄調(diào)度，實現(xiàn)曲靖市廣播電視臺各演播室、新聞直播間、轉(zhuǎn)播車之間電視信號的互連互通，為全臺播出系統(tǒng)、演播室提供統(tǒng)一的GPS 衛(wèi)星授時。

1.3 總控系統(tǒng)設(shè)計原則

IP 總控系統(tǒng)的設(shè)計遵循以下原則。

（1）設(shè)備安全可靠。主、備鏈路設(shè)備具有穩(wěn)定、可靠運行的能力及冗余備份，不能存在單一設(shè)備崩潰點。

（2）系統(tǒng)先進合理?？偪夭コ鱿到y(tǒng)須充分考慮制播設(shè)備IT 化、系統(tǒng)IP 化的發(fā)展趨勢，具有一定的前瞻性，確保未來發(fā)展需求。

（3）硬件擴展靈活。總控播出系統(tǒng)的核心設(shè)備應(yīng)具備調(diào)度靈活、擴展?jié)摿Υ蟮奶卣鳎艹浞譂M足節(jié)目生產(chǎn)制作部門對不同格式視頻信號的交換及播出需要。

（4）結(jié)構(gòu)簡潔易于維護?？偪叵到y(tǒng)的設(shè)計應(yīng)力求結(jié)構(gòu)簡單、邏輯清楚，方便播控值機人員操作及技術(shù)人員日常維護檢修。

2 IP 總控矩陣設(shè)計

IP 總控矩陣設(shè)計采用IP 架構(gòu)矩陣替代以往的視頻矩陣，通過軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）控制軟件對高清SDI over IP 信號進行調(diào)度控制[3]。

2.1 交換機切換

SDN 控制下的切換方式為交換機切換，如圖1所示。

圖1 交換機切換示意圖

視頻凈切換的實現(xiàn)機制為：在基帶SDI 轉(zhuǎn)IP 數(shù)據(jù)流網(wǎng)關(guān)卡端，對接入的基帶信號進行幀同步確保基準相同、相位一致，根據(jù)SMPTE ST 2110 技術(shù)標準將基帶SDI 信號轉(zhuǎn)碼成IP 數(shù)據(jù)流信號，并確保幀結(jié)束信號相鄰同步，為視頻凈切換創(chuàng)造必備條件；切換檢測模塊一旦檢測到SDN 控制軟件通過串口發(fā)過來的切換組播地址和端口號命令，就去檢測該通道對應(yīng)的IP 包中的幀結(jié)束信號，為保證兩通道的切換同步進行，在接收到第一條切換命令后，切換控制模塊并不會在檢測到MARK BIT 后馬上執(zhí)行切換操作（實時地改變當前通道的組播地址和端口號），而是要再等下一個MARK BIT 到來時再執(zhí)行切換操作，從而給下一個通道切換命令的發(fā)送預留足夠的時間[4]。切換過程分為3 個階段。

（1）切換前。切換前，源網(wǎng)關(guān)卡輸出視頻源1（10.0.0.1：10001）到通過SDN 目的1 網(wǎng)關(guān)卡，視頻源2（10.0.0.2：10001）到目的2 網(wǎng)關(guān)卡。

（2）切換中。切換時，Node 程序通過千兆交換機向SDN 發(fā)送切換視頻源2 指令，SDN 接收到切換指令后通過千兆交換機到服務(wù)器調(diào)取流表，獲取流表后返回數(shù)據(jù)到Node 程序。Node 程序收到返回數(shù)據(jù)后發(fā)送指令到源網(wǎng)關(guān)卡，源網(wǎng)關(guān)卡收到指令后建立視頻源1 組播地址（10.0.0.1：10001）和視源2組播地址（10.0.0.2：10001）。SDN 根據(jù)流表信息建立視頻源2 至目的1 網(wǎng)關(guān)卡，建立視源1 至目的2 網(wǎng)關(guān)卡。

（3）切換后。SDN 通過流表信息會對視頻源1和視源2 同時轉(zhuǎn)換到預留組播地址，最終將視源1（10.0.0.1：10001）輸出至目的2 網(wǎng)關(guān)卡，將視源2（10.0.0.2：10001）輸出至目的1網(wǎng)關(guān)卡。完成切換后，SDN 將通過交換機到服務(wù)器進行新流表存儲、舊流表刪除動作。

2.2 視頻信號數(shù)據(jù)流同步對齊

由于進入總控系統(tǒng)的視頻信號格式多樣，為確保技術(shù)指標符合國家廣播電視總局的播出標準，需要對到達總控系統(tǒng)的源視頻信號進行格式變換、統(tǒng)一的GPS 授時及信號同步，確保時間、相位的精確一致。網(wǎng)關(guān)卡在接收到同步信號后，會從BB 同步信號中分離出與之相對應(yīng)的時鐘和幀頭信號。在SDI 基帶信號轉(zhuǎn)IP 數(shù)據(jù)流網(wǎng)關(guān)卡實現(xiàn)凈切換，以及最終IP 數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)SDI 基帶信號過程中，網(wǎng)關(guān)卡將IP 信號封裝成SDI 輸出時，都會利用從BB 同步信號分離出來的時鐘信號。首先實現(xiàn)SDI 與BB 同步信號的頻率同步，之后利用從BB 同步信號中分離出來的幀頭信號，配合網(wǎng)關(guān)卡中的行場相位調(diào)整模塊，可以將SDI 基帶信號與BB 信號相位調(diào)齊[5]。

2.3 GPS 衛(wèi)星同步校時

同步時鐘系統(tǒng)是保障廣播電視安全播出的重要手段之一。為確保播控系統(tǒng)正常運行，設(shè)計時，曲靖市廣播電視臺3 個頻道的分控系統(tǒng)、新聞演播室、直播間、中央電視臺衛(wèi)星接收信號、轉(zhuǎn)播車需要通過網(wǎng)路和時碼分配器接收一個來自總控播出系統(tǒng)中心衛(wèi)星時鐘接收機發(fā)出的時鐘同步信號，以實現(xiàn)日常播出特別是現(xiàn)場直播的準時。

3 頻道獨立分控系統(tǒng)設(shè)計

3.1 頻道分控系統(tǒng)設(shè)計原則

分控系統(tǒng)設(shè)計為3 個獨立的電視播出頻道，每個頻道使用主備SDI over IP 鏈路方式。主、備通道路由是兩個具有斷電旁通和同步的功能的獨立信號路由構(gòu)成，主、備播出信號最終通過自動倒換器進行倒換。頻道分控系統(tǒng)由視頻源信號、格式變換、視頻切換、監(jiān)測畫面顯示、同步、時鐘顯示系統(tǒng)及設(shè)備組成。通過自動播控軟件控制的RS-422、RS-232 接口進行控制。

3.2 頻道分控系統(tǒng)原理

3 個頻道分控系統(tǒng)獨立完成電視播出任務(wù)。SDI over IP 鏈路通過IP 鍵控器實現(xiàn)信號的調(diào)度切換、臺標及字幕疊加功能，并通過IP4 選1 倒換器實現(xiàn)信號自動倒換輸出以及轉(zhuǎn)換為SDI 信號送編碼器。各頻道播出信號的監(jiān)看采用大屏幕多畫面分割結(jié)合的方式實現(xiàn)，實現(xiàn)SDI 信號、SDI over IP 信號的混合監(jiān)看。

3.3 分控配套設(shè)備

分控配套設(shè)備主要包括數(shù)字視頻分配器、倒換器等模塊以及數(shù)字鍵控器、字幕機、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備檢測模塊等設(shè)備，主要完成數(shù)字信號分配、通道信號處理，實時監(jiān)測機箱板卡模塊的工作狀態(tài)和參數(shù)。

3.4 分控系統(tǒng)信號顯示與監(jiān)看

采用簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（Simple Network Management Protocol，SNMP），通過遠程設(shè)置軟件實現(xiàn)監(jiān)控畫面的快速創(chuàng)建、布局結(jié)構(gòu)修改、多種畫面分割預置的快速調(diào)用，實現(xiàn)各個頻道視頻信號的獨立顯示與監(jiān)看。分控系統(tǒng)具備嵌入音頻的SDI、萬 兆SFP+ 接 口 的SDI over IP 信號、HDMI 信 號的輸入及HDMI、HDSDI 同步輸出、動態(tài)UMD 和Tally 顯示，嵌入音頻的PPM 與VU 表音柱顯示，還可根據(jù)提前設(shè)置的監(jiān)測門限，實時檢測播出節(jié)目視頻信號丟失、黑場、靜幀、嵌入音頻丟失、靜音以及失真情況，并同步顯示在電視墻上。

4 結(jié) 語

IP 融合架構(gòu)高清電視播出系統(tǒng)自2021 年7 月建設(shè)完成后，經(jīng)過9 個多月的穩(wěn)定運行，各項播控技術(shù)指標符合國家廣播電視總局安全播出管理要求，但在使用過程中也暴露了一些技術(shù)人員的部分短板，主要是IP 播出架構(gòu)涉及的IT 技術(shù)、使用的協(xié)議較多，與傳統(tǒng)基帶SDI 視頻信號相比，部分技術(shù)維護人員認為IP 數(shù)據(jù)流信號的維護、流程檢修及監(jiān)測不夠直觀，需要進行學習，更新相關(guān)知識，但整個高清電視播出控制系統(tǒng)在安全性、穩(wěn)定性、可靠性方面以及擴展性方面展現(xiàn)出較大的靈活優(yōu)勢。