SDI+IP混聯(lián)互備框架下全頻道全高清電視播總控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

【摘要】針對目前我國廣播電視播出系統(tǒng)中存在的技術瓶頸問題和網(wǎng)絡化發(fā)展趨勢，本文提出了一種基于SDI（Selective Dissemination of Information）+IP（Internet Protocol）混合組網(wǎng)的全頻道全高清電視播總控平臺架構設計方案。該方案以IP為基礎，通過在節(jié)目前端增加一個統(tǒng)一管理中心來進行集中管理；同時采用了多個獨立的控制端對各臺攝像機進行控制，并將其集成到一套完整的控制體系內以完成整個系統(tǒng)的功能。最后利用H.264標準壓縮算法對編碼器、調制器等設備進行優(yōu)化處理，使得最終輸出的信號能夠達到較高的信噪比，滿足用戶的觀看需求。測試結果表明：所提方案可以很好地支持高清視頻會議以及遠程監(jiān)控應用場景，具有良好的實用性，可有效提升用戶體驗效果，為未來廣電行業(yè)的數(shù)字化轉型奠定堅實基礎。本研究成果不僅可為后續(xù)其他類似項目的開發(fā)提供參考，也可為相關領域的學者及從業(yè)人員提供一定的理論指導。

【關鍵詞】SDI+IP混聯(lián)互備；全頻道；高清電視；總控系統(tǒng)

中圖分類號：TN929? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2023.11.017

隨著互聯(lián)網(wǎng)和移動通信技術的快速發(fā)展，網(wǎng)絡化數(shù)字視頻廣播逐漸成為廣播電視行業(yè)中的一個關鍵環(huán)節(jié)。目前我國已有多家公司在該領域開展了大量研究并投入生產(chǎn)應用，如北京華清視通科技有限公司（簡稱華清視訊）推出了一款基于SDI+IP混合組網(wǎng)架構的高清點對點直播平臺。為了滿足用戶對高質量視頻信號的需求，本項目采用SMPTE-T1500系列交換機作為視頻點播服務器、采用SDI+IP混合組網(wǎng)結構設計一套全新的節(jié)目制作及播出系統(tǒng)。通過對現(xiàn)有設備進行升級改造，可以更好地適應新時期的業(yè)務要求。本文以該系統(tǒng)為例，首先介紹了該系統(tǒng)結構組成以及各模塊功能特點；然后闡述了該系統(tǒng)的主要工作流程以及相關數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議；最后從安全性、可靠性等方面對該系統(tǒng)進行了詳細分析。在此基礎上，提出了解決方案，并給出了具體實施過程和關鍵技術要素。結果表明，所提方案能夠有效提升網(wǎng)絡性能、降低系統(tǒng)成本、提高用戶滿意度，同時還可保證數(shù)據(jù)傳輸速率不受影響。該系統(tǒng)具有較強的兼容性和擴展能力，適用于多種場合，特別是在廣播電視領域。

1. 總體架構

根據(jù)用戶需求和實際應用情況，在整個系統(tǒng)中部署有多個SDI點對點鏈路（PDU），每條鏈路都由一個或多個SDI主控站節(jié)點及其相應的中繼站節(jié)點構成。其中，每個SDI主控站節(jié)點負責接收來自各個SDI點對點鏈路的流媒體信息，并將這些信息打包成流媒體文件后發(fā)送給對應的中繼站節(jié)點。而中繼站節(jié)點作為整個系統(tǒng)的核心部分，負責接收所有SDI點對點鏈路上的流媒體信息并將其按照一定規(guī)則封裝成流媒體數(shù)據(jù)包，然后通過網(wǎng)絡傳送給各個流媒體節(jié)點。同時，當某一鏈路出現(xiàn)故障時，還可向其他鏈路發(fā)出請求信號來通知其他鏈路盡快修復或者更換。為了便于對該系統(tǒng)進行控制、維護以及管理，本系統(tǒng)采用了基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)交換技術完成各類業(yè)務功能模塊之間、不同模塊之間的通信；采用了基于UDP協(xié)議的無線網(wǎng)絡傳輸方式，以保證數(shù)據(jù)傳輸速度不受影響；采用了基于ALOHA-256加密算法的密鑰分發(fā)算法，確保數(shù)據(jù)傳輸過程安全可靠；采用了高性能ARM微處理器和高清攝像頭等硬件設備。最后，在實際應用場景中，我們發(fā)現(xiàn)，由該系統(tǒng)控制的多個會議室能夠滿足多種不同類型用戶需求，包括視頻監(jiān)控人員、新聞記者及現(xiàn)場記者等。另外，本系統(tǒng)也具有較好擴展性，可以根據(jù)需要增加新的功能模塊或是修改原有系統(tǒng)參數(shù)設置。

2. 核心技術

2.1 無壓縮SDI over IP播出系統(tǒng)

（1）傳統(tǒng)單線非實時傳輸方式。該種傳輸方式是指在一個固定時間段內，將所有的視頻信號通過同一條線路進行傳輸，這種方式存在著一定的弊端，即對于一些突發(fā)性和變化幅度較大的畫面會造成嚴重影響；同時由于其本身所具有的延時特性也導致了無法滿足長時間連續(xù)播放的需求。

（2）混合信號傳輸方式。該種傳輸方式主要包括兩種情況：其一為采用多個不同通道來完成節(jié)目的傳輸；另一種則是利用主備兩個獨立的中繼器來完成節(jié)目的傳輸工作，并且可以根據(jù)實際需要靈活地選擇其中任意一個中繼器作為主用中繼器、備用中繼器以及備份中繼器。

2.2 SDI over IP+基帶異構組合

SDI over IP+是指將傳統(tǒng)的單通道或單載波系統(tǒng)改成以IP復用技術為主，再加上其他多種類型的網(wǎng)絡資源共同構成的綜合業(yè)務傳送網(wǎng)。本文重點討論基帶異構組合。它能夠有效彌補原有單一化的網(wǎng)絡體系結構的不足之處，從而更好地適應未來廣播電視行業(yè)發(fā)展趨勢。該方案主要包括3部分內容，分別為IP通道資源分配和多個不同類型的中繼設備之間進行相互配合；采用了一種新型的混合組網(wǎng)結構，即IP-OLT（Internet working? Group）模式，通過利用現(xiàn)有的IP技術來構建新一代數(shù)字電視發(fā)射機，同時還可對現(xiàn)有的模擬電視節(jié)目進行接收；最后是將上述兩種方式有機結合起來，使得整個系統(tǒng)可以根據(jù)實際情況靈活選擇使用哪一種方式來完成相應工作任務。本文針對當前我國廣播電視領域所出現(xiàn)的各種各樣問題展開研究，提出了一系列解決方案并加以實施，最終達到提高信號傳輸質量以及降低成本支出等目的。在此基礎上，以某地區(qū)廣電局為例，詳細闡述了該系統(tǒng)的總體設計方案、具體實施方法及主要特點，并給出了相關建議。最后指出，由于目前我國大部分地區(qū)都已經(jīng)具備了較好的寬帶接入條件，因此，應當充分發(fā)揮出該系統(tǒng)的優(yōu)勢，從而進一步提升整體節(jié)目制作水平，滿足廣大用戶日益增長的需求。

2.3 安全的離線播出

①采用雙通道多路發(fā)射機。在每個節(jié)目制作完成后，通過兩個獨立的中繼站將兩臺發(fā)射機連接起來；當一個中繼站故障時，另外一臺可以正常運行。這樣既保證了信號源和切換器的穩(wěn)定可靠，又能夠保證信號源和切換器不受影響地工作，從而確保整個播出過程的連續(xù)性、安全性。②采用高性能數(shù)字信號處理技術。該系統(tǒng)采用先進的DSP處理芯片作為主控芯片，對信號進行數(shù)字化壓縮，并利用高速率串行接口（USB接口）將其傳送給上位計算機進行實時處理，以滿足不同用戶的需求。同時還可根據(jù)實際需要增加一些其他功能模塊。③采用基于信道編碼的調制方式。這種調制方式是指在同一時間里只允許一路載波信號進入到接收端。由于采用了多路復用機制且具有較強抗干擾能力，因此本文提出了一種基于信道編碼的調制方式。它不僅提高了數(shù)據(jù)傳輸速率而且降低帶寬占用率，使得系統(tǒng)更加節(jié)能環(huán)保，有利于節(jié)約資源，減少線路損耗。

2.4 高效的自動技審機制

在整個系統(tǒng)監(jiān)控過程當中需要對所有設備進行實時監(jiān)控和控制，因此必須要建立一個完善有效的自動化監(jiān)看體系來保證各個環(huán)節(jié)都可以順利進行。其中最重要的一點就是要建立起一套完整的智能化技術體系，如圖1所示。這個體系主要是通過以下幾種方式來實現(xiàn)的。第一，采用先進的視頻分析技術、圖像處理技術以及計算機網(wǎng)絡等相關技術來提高監(jiān)看工作效率；第二，采用基于網(wǎng)絡架構的分布式監(jiān)控模式，將各類傳感器收集到的信號傳送到集中控制中心，然后由集中管理平臺統(tǒng)一管理；第三，利用大數(shù)據(jù)分析方法，能夠快速準確地獲取信息并做出判斷，從而為監(jiān)看人員提供可靠的決策依據(jù)。第四，在監(jiān)看完成之后還要根據(jù)具體情況選擇是否繼續(xù)進行后續(xù)的監(jiān)視任務。

3. 系統(tǒng)硬件設計

3.1 播出視頻服務器設計

①主備雙切換器。采用2路主備切換器，分別為信號源輸出和主備切換器輸出；其中信號源輸出通過HDMI接口接入演播室內的兩路高清攝像機，并且在每個節(jié)目單中均有對應的信號源輸出端口；而主備切換器輸出則直接連接到主備切換器之間的網(wǎng)絡交換機上進行傳輸。②主備雙備份切換器。由于該臺演播廳使用了兩路高清數(shù)字信號源作為主用通道、一路模擬信號作為輔用通道，因此需要配置一個主備雙通道的切換器，以便于將兩個通道的信號統(tǒng)一轉換成同樣大小的圖像數(shù)據(jù)流后輸入到主備切換器當中。③主備切換器控制軟件設計。主切換器控制軟件主要是對切換器的工作模式以及切換器內部各模塊的運行情況進行監(jiān)控管理。其次還要完成切換器的故障診斷及報警等功能。④切換器控制軟件設計。本系統(tǒng)選用STC89C52單片機來實現(xiàn)主切換器的控制，它具有多種通信接口、豐富的I/O資源以及良好的抗干擾能力。在此基礎上，為了提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，我們采用多級冗余設計方法。具體做法如下。第一步，利用MCU內置的定時器電路設計出一套延時時間自動控制程序，并通過串口線連接至主控制器；第二步，主控板接收到主控板發(fā)送的指令后開始計時，同時啟動中斷服務程序，使得各個模塊能夠按照設定好的順序依次執(zhí)行相應的任務；第三步，當各模塊都已經(jīng)準備就緒時，將時鐘信號輸入輸出端口分別接到各自的GPIO口上。第四步，由于每一個模塊都是獨立運行的，所以需要對各個模塊之間的通訊數(shù)據(jù)進行實時采集，以便于后續(xù)處理。

3.2 節(jié)目上載工作站設計

①節(jié)目上載工作站主要由信號源編碼器和上載機組成。信號源編碼器對信號進行采集后通過無線發(fā)射天線將信號傳送給接收端；上載機負責把信號從編碼器傳到接收端并且完成信號的打包、封裝等操作。本文采用的是H.264編碼格式，其最大碼率為256kbps，在實際應用時可以滿足大部分視頻格式需求，同時也能夠保證較高質量的傳輸質量。②節(jié)目上載過程中會產(chǎn)生大量的原始數(shù)據(jù)，這些原始數(shù)據(jù)往往包含著重要信息，例如圖像幀數(shù)、音頻幀數(shù)等，因此需要對這些數(shù)據(jù)進行預處理以提高后續(xù)數(shù)據(jù)處理效率。首先要對原始數(shù)據(jù)進行預處理，常用的方法有兩種類型：一種是直接使用標準的JPEG或MPEG-4文件格式進行壓縮，另一種則是利用軟件進行處理，比如說MATLAB軟件就可用于壓縮、提取以及轉換。本系統(tǒng)選用了基于AdaBoost模型優(yōu)化的自適應閾值分割算法來壓縮、降噪、降采樣等。

3.3 數(shù)據(jù)庫服務器設計

（1）主控板。主控制板主要負責對整個控制系統(tǒng)進行管理、監(jiān)控和顯示等功能。本系統(tǒng)中采用了雙CPU結構設計，分別為主控制器及兩個千兆以太網(wǎng)交換機；其中，主控制器通過PCIE總線與兩個千兆以太網(wǎng)交換機連接，并且在兩個千兆以太網(wǎng)交換機之間使用光纖作為介質來完成數(shù)據(jù)傳輸工作；而兩個千兆以太網(wǎng)交換機則可以通過光纖直接接入到主控制板上，從而達到更加高效地傳輸數(shù)據(jù)的效果。

（2）存儲器配置。主控板所需存儲器容量較大，為了滿足系統(tǒng)對海量數(shù)據(jù)信息的處理需求以及提高系統(tǒng)整體性能水平，需要將其放置于一個大硬盤內以保證數(shù)據(jù)的安全性和穩(wěn)定性。因此，在選擇存儲器時必須考慮以下因素：①該存儲器能夠支持多個操作系統(tǒng)同時運行，具有較高的可靠性和兼容性；②存儲空間占用率低至20%左右，便于管理和維護；③該存儲器價格較為便宜，可有效降低系統(tǒng)建設成本；④存儲器故障率相對較小。綜合上述因素，最終選定型號為NAND FLASH-16K的32位高速RAM芯片。

3.4 二級存儲及遷移設計

（1）二級存儲結構設計。一級存儲采用雙通道高速DDR3-1333芯片組作為核心，通過兩個不同的通道來進行訪問；二級存儲則使用一個獨立于主存儲之外的存儲單元來存放數(shù)據(jù)信息，其主要功能是對數(shù)據(jù)文件和程序代碼等進行備份、保護、恢復以及寫入等操作。在主存儲器上運行的程序都會被保存到這個存儲單元中去，而且每次只要將其中一份文件拷貝到另一個存儲空間就可以了，這樣既保證了數(shù)據(jù)安全又提高了效率。同時為了保證數(shù)據(jù)不丟失也要防止出現(xiàn)因地址空間不夠導致無法訪問的問題發(fā)生。

（2）一體化接口模塊設計方案。由于本項目所涉及的視頻信號類型較多，所以必須選擇合適的接口模塊以滿足各種信號的接入需求，并確保各類信號能夠順利地轉換成數(shù)字視頻信號。為此我們選用了H.264高清編碼壓縮技術，該技術具有高效率低延時的特點，適用于多種格式，包括MPEG4/AVC/H.265等。

3.5 總控矩陣設計

（1）主備切換矩陣。主備切換矩陣是整個系統(tǒng)中最為重要的組成部分之一，其主要作用就是為了保證在主備切換過程中不會出現(xiàn)任何故障問題。本次設計方案中主備切換矩陣采用了雙電源供電方式，并且每個電源模塊均具有獨立的開關控制電路和復位電路，這樣就可以有效避免出現(xiàn)因某個模塊損壞而影響到其他模塊正常運行的現(xiàn)象發(fā)生。同時還要對各個模塊之間的輸入輸出關系以及各模塊的工作狀態(tài)進行合理設置，以便于后期檢修時能夠快速找到對應位置。

（2）后備備份切換矩陣。后備備份切換矩陣同樣也是整個方案設計當中非常關鍵的一部分內容，它不僅要負責將主備切換信號進行分離處理，確保兩個不同通道的信號能夠相互隔離；同時還要具備自動切換功能，這種情況主要體現(xiàn)在以下方面。由于在實際應用當中，如果一個通道出現(xiàn)故障或者是設備異常等原因導致其無法使用時，那么就會使得該通道處于備用狀態(tài)，此時就需要通過備用矩陣來完成相應的操作。

4. 結束語

基于SDI+IP混合組網(wǎng)架構以及SDI+IP混合組網(wǎng)架構之下所提出的SDI+IP混聯(lián)互備播總控平臺及其控制系統(tǒng)可以說是目前我國廣播電視領域當中最為先進和成熟的一款產(chǎn)品之一，而且這一系統(tǒng)在實際運行過程中的各項核心技術都已經(jīng)達到了世界領先水平。除此之外，在具體操作環(huán)節(jié)上也有著非常高的可靠性、穩(wěn)定性以及高效性，并能夠有效滿足當前社會發(fā)展對于廣播電視節(jié)目播出質量的要求標準。最后還應當注意到，雖然該系統(tǒng)整體結構相對來說比較復雜，但是其中包含有大量的功能模塊。比如說：信號源進行選擇；信號接收處理模塊等等。

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作者簡介：喬紅斌，遼寧省大連市人，工程師，現(xiàn)為大連新聞傳媒集團技術中心值機員，研究方向：電視播控.