4K超高清電視播出系統(tǒng)技術(shù)策略探討

江立宇

（舟山廣播電視臺，浙江 舟山 316000）

0 引 言

隨著計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷進步，廣播電視技術(shù)日新月異，電視信號的清晰度已經(jīng)從傳統(tǒng)的標清進入高清，4K超高清電視以及更高分辨率的8K也已經(jīng)開始在大型活動、賽事直播中應(yīng)用。在這一階段，4K電視的制播逐漸成為國內(nèi)電視臺發(fā)展的主流方向[1]。

4K電視播出和高標清播出在技術(shù)架構(gòu)上有不同的選擇，分別是傳統(tǒng)的基帶播出架構(gòu)和基于無壓縮IP模式的IP播出架構(gòu)兩種，也代表了兩種技術(shù)走向。

1 基帶架構(gòu)播出模式

以往建設(shè)的高清播出系統(tǒng)多使用的是基帶播出模式。節(jié)目素材經(jīng)過采集、非編制作之后，通過播出服務(wù)器解碼輸出數(shù)字分量串行接口（Serial Digital Interface，SDI）基帶信號，再進行實時的臺標和字幕疊加，處理后的PGM在編碼后通過有線網(wǎng)絡(luò)送達用戶終端。傳統(tǒng)基帶架構(gòu)播出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)基帶架構(gòu)播出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

上述播出鏈路在應(yīng)對傳統(tǒng)HD/SD-SDI播出需求方面已經(jīng)發(fā)展到穩(wěn)定成熟階段。但隨著超高清時代的到來，4K信號使用4倍于1 080P的分辨率以及信號碼率，傳統(tǒng)SDI基帶方式在傳輸帶寬、傳輸距離等方面出現(xiàn)了瓶頸，所以在初期使用SQD或者2SI的四線方式，把4K信號分割為4個部分進行傳輸播出。目前也有通過12G-SDI方式建設(shè)的系統(tǒng)，但在大規(guī)模處理調(diào)度、長距離傳輸、高密度集成及成本控制等方面仍存在問題[2]。

面對這樣的情況，是否使用壓縮信號處理傳輸也成為討論的熱點，也有把4K信號通過TICO等淺壓縮技術(shù)來使用一根線纜傳輸?shù)姆绞匠霈F(xiàn)，但整體鏈路的處理環(huán)節(jié)需要解碼再編碼，多個環(huán)節(jié)會積累較大的時延，對實時制作場景并不完全適配。

基于這些情況，目前在4K的建設(shè)方面，雖然采編制播各個環(huán)節(jié)都已經(jīng)有了4K攝像機、4K非編、4K播出服務(wù)器等對應(yīng)的基帶產(chǎn)品，但并未組成滿足復(fù)雜場景實際業(yè)務(wù)需求的、具有合理性價比的解決方案。由此推進了對另一技術(shù)架構(gòu)的探索。

2 無壓縮IP播出模式

基帶架構(gòu)面臨的傳輸瓶頸使得廣電技術(shù)基礎(chǔ)架構(gòu)需要另尋出路。無壓縮IP技術(shù)對超高清的兼容性、IT化、通用架構(gòu)化等特性，為播出系統(tǒng)帶來了新的解決方案。無壓縮IP基于高速網(wǎng)絡(luò)，將信號在網(wǎng)絡(luò)上以相同于基帶信號的碼率進行傳輸。得益于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，具有25/100/400 Gb·s-1端口的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備逐漸大規(guī)模應(yīng)用，性價比得以提高[3]。

目前，電視臺4K播出系統(tǒng)建設(shè)中，更多地選擇無壓縮IP播出架構(gòu)。在整體的系統(tǒng)設(shè)計上，從IP系統(tǒng)的特點出發(fā)，重點關(guān)注網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及信號處理流程。

2.1 文件域、控制域、信號域網(wǎng)絡(luò)分離

IP化的基礎(chǔ)支撐是網(wǎng)絡(luò)，這里主要是指信號域網(wǎng)絡(luò)。而對整個4K播出系統(tǒng)而言，文件域、控制域網(wǎng)絡(luò)也是重要的組成部分。這三個不同網(wǎng)絡(luò)的功能需求有所不同。使用分離的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，能夠減少相互影響，提高系統(tǒng)的安全性，同時架構(gòu)清晰，也便于后期維護。文件域、控制域、信號域網(wǎng)絡(luò)分離的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 文件域、控制域、信號域網(wǎng)絡(luò)分離結(jié)構(gòu)圖

文件域網(wǎng)絡(luò)主要完成系統(tǒng)內(nèi)播控、編單、文件遷移等業(yè)務(wù)之間的數(shù)據(jù)交換以及文件FTP傳輸?shù)慕粨Q，主要為TCP/IP方式的點對點連接。安全性方面，考慮主備冗余的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可使用主備交換機堆疊+主機端口聚合的方式組成主備；或者采用主備網(wǎng)絡(luò)地址訪問的獨立主備交換方式。網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬方面，從4K播出目前使用的XAVC Class300格式500 Mb·s-1碼率文件來看，在頻道數(shù)不多的情況下，使用萬兆網(wǎng)絡(luò)能夠滿足傳輸要求。

控制域網(wǎng)絡(luò)主要完成播控機對周邊設(shè)備控制指令的傳輸，數(shù)據(jù)量較小，但需要考慮設(shè)備的控制接口。目前，主流IP設(shè)備的控制接口多使用千兆網(wǎng)絡(luò)接口，支持NMOS IS-04/05協(xié)議。這與傳統(tǒng)基帶設(shè)備使用串口控制有所不同，也是IP化建設(shè)中容易被忽略的問題。

信號域網(wǎng)絡(luò)接入直播信號、硬盤播出信號以及處理環(huán)節(jié)中的各級無壓縮4K信號，通過用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）進行傳輸分發(fā)，每路信號帶寬大（12 Gb·s-1帶寬），精度要求高，并且實時播出對于安全性有嚴苛的要求。因此，對于信號域網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，要求吞吐量高、交換延時小，需要支持大規(guī)模的多播，支持PTP時鐘協(xié)議，以及具備流量監(jiān)控能力等。

2.2 信號域網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)及控制方式

信號域網(wǎng)絡(luò)是IP系統(tǒng)三層網(wǎng)絡(luò)中要求最高的一層，是系統(tǒng)設(shè)計的重點。4K播出系統(tǒng)的信號域網(wǎng)絡(luò)通常選擇主備架構(gòu)的25 Gb·s-1光纖網(wǎng)絡(luò)，并且從獨立運行的角度出發(fā)，與總控調(diào)度系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解耦，只保持信號傳輸通道。如考慮將來大規(guī)模多4K頻道運行的情況，可能需要100 Gb·s-1或更高帶寬的葉脊架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，這里暫不討論。

組網(wǎng)方面，為保障信號傳輸安全，設(shè)計主備25 Gb·s-1網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備，適配SMPTE 2022-7的冗余鏈路傳輸標準，使每路信號通過主備路徑傳輸。所接入的設(shè)備也同樣要求具備主備端口接入的能力。這種方式從信號的處理順序邏輯來講屬于串聯(lián)方式，而信號域網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的物理連接為星型連接方式，各處理設(shè)備均連接到交換機，信號處理邏輯是由播控軟件來定義的。IP網(wǎng)絡(luò)星型連接方式如圖3所示。

圖3 IP網(wǎng)絡(luò)星型連接方式圖

在這種架構(gòu)下，當發(fā)生某一級處理設(shè)備故障時，可以通過軟件控制下游設(shè)備從交換機中獲取更上一級的信號進行播出，類似于傳統(tǒng)基帶鏈路中的跳線功能。系統(tǒng)中的設(shè)備支持SMPTE 2022-7標準，能夠雙鏈路連接到交換機來傳輸和接收信號，保證鏈路安全[4]。

信號切換的控制方面，播出考慮采用Internet組 管 理 協(xié) 議（Internet Group Management Protocol，IGMP）的邊緣切換方式。播控機向信號接收設(shè)備發(fā)送指令，受控設(shè)備通過IGMP協(xié)議通知交換機所希望接收的特定組播組的信息（即獲取相應(yīng)信號的組播流），然后離開之前所接收的組播組（即斷開前一個信號的組播流），從而實現(xiàn)信號切換。并且，交換機通過IGMP協(xié)議周期性地查詢網(wǎng)內(nèi)的組播組成員是否處于活動狀態(tài)，實現(xiàn)信號連接狀態(tài)的收集與維護。播控機對受控設(shè)備發(fā)送指令這一過程，對于目前主流的IP設(shè)備，主要是通過NMOS IS-04/05協(xié)議完成。

2.3 信號處理流程

隨著IP硬件周邊的逐漸豐富，采用功能分離的IP播出服務(wù)器+IP切換鍵混處理的系統(tǒng)架構(gòu)，逐漸成為4K播出系統(tǒng)的主流架構(gòu)。其特點是服務(wù)器和硬件周邊在功能上實現(xiàn)了解碼播出、切換和鍵功能的獨立。其邏輯鏈路與傳統(tǒng)處理流程也比較相近，如圖4所示。

圖4 IP播出服務(wù)器+IP切換鍵混處理邏輯鏈路圖

在此架構(gòu)中，IP播出服務(wù)器只保留了核心的文件解碼功能，享有獨立的資源，充分保證了服務(wù)器播出的安全性和穩(wěn)定性，也與傳統(tǒng)播出服務(wù)器的設(shè)計理念相契合。同時，IP播出服務(wù)器的計算資源壓力減小，可以使用通用IT設(shè)備結(jié)合軟件完成。這樣的方式符合IP技術(shù)的IT化、通用化、微服務(wù)化技術(shù)路線。運維方面，可按照通用設(shè)備類型進行管理，后期維護方便。對于無壓縮IP的流量整形技術(shù)，在通用IT架構(gòu)服務(wù)器中也已經(jīng)實現(xiàn)，通過網(wǎng)絡(luò)接口完成大流量的規(guī)范發(fā)包，能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量的IP播出。

處理通道方面，獨立的IP切換和鍵控設(shè)備針對信號的幀精度無縫切換需求，在硬件內(nèi)部設(shè)置AB通道。A通道用作鍵功能處理并輸出PGM信號。B通道用作預(yù)卷通道，負責提前從IP交換機上將待切換信號通過IGMP協(xié)議拉流接入，在IP流穩(wěn)定接入后，設(shè)備再將信號切入A處理通道疊加臺標字幕輸出。AB通道設(shè)計也使切換和鍵混功能更加穩(wěn)定。

切換鍵混設(shè)備可以自由選擇前級獨立的主、備IP播出服務(wù)器、墊片等信號，實現(xiàn)了交叉互備。此架構(gòu)下可以方便地選擇獨立的字幕設(shè)備，字幕的制作在單獨的軟件中，與播出互不影響，并且支持更加復(fù)雜的臺標、角標、字幕效果。

2.4 關(guān)于PTP和校時

IP系統(tǒng)中的同步是通過高精度時間同步協(xié)議（Precision Time Protocol，PTP）實現(xiàn)的。PTP對信號域的穩(wěn)定運行起到非常重要的作用。信號的精準切換、主備網(wǎng)絡(luò)交換的同步，都需要依靠PTP。SDI over IP過程中，以IP格式傳輸?shù)囊曇纛l及輔助數(shù)據(jù)包的發(fā)送、接收和重組節(jié)目信息都需要通過統(tǒng)一的時間標識來實現(xiàn)[5]。與基帶系統(tǒng)中的B.B同步信號一樣，IP化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)里也必須加入同步基準信號，以對視音頻數(shù)據(jù)流的傳輸進行同步鎖定。系統(tǒng)設(shè)計需要充分考慮安全，配置冗余的北斗/GPS雙模接收PTP時鐘設(shè)備，通過信號域交換機向所有接入設(shè)備分發(fā)。如果作為全臺PTP分發(fā)使用，建議考慮建設(shè)獨立的PTP分發(fā)網(wǎng)絡(luò)。在校時方面，PTP是絕對時間，所以可以通過PTP時鐘設(shè)備產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)時鐘（Network Time Protocol，NTP），供文件域各類型服務(wù)器及工作站校時使用。這樣的方式下，PTP與NTP為同源，更加統(tǒng)一。

3 結(jié) 語

本文對4K超高清電視播出系統(tǒng)技術(shù)策略進行研究探討，能夠使相關(guān)技術(shù)人員認識到IP技術(shù)給播出架構(gòu)帶來的變革，為舟山廣播電視臺將來的4K超高清播出建設(shè)提供了思路。同時，新技術(shù)對運維人員的技術(shù)儲備、運維工作管理流程都提出了更高的要求，需要運維人員提前完善相關(guān)知識技能體系，轉(zhuǎn)變思維方式。