4K/5G播控系統(tǒng)的規(guī)劃設計

湯 浩

內蒙古廣播電視臺 內蒙古 呼和浩特市 010050

2018年國家廣播電視總局印發(fā)的《關于促進智慧廣電發(fā)展的指導意見》以及2019年工業(yè)和信息化部、國家廣播電視總局、中央廣播電視總臺印發(fā)《超高清視頻產業(yè)發(fā)展行動計劃（2019-2022年）》，按照“4K 先行、兼顧8K”的總體技術路線，大力推進超高清視頻產業(yè)發(fā)展和加快建立面向5G 的移動交互廣播電視相關領域的應用，加快廣播電視網(wǎng)絡傳播體系整體性轉型升級，加快大數(shù)據(jù)、云計算、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第六版（IPv6）、第五代移動通信（5G）、新一代衛(wèi)星直播技術等新一代信息技術在廣播電視網(wǎng)絡中的部署和應用，推動超高清電視業(yè)務發(fā)展，進一步加快廣播電視媒體與新興媒體融合發(fā)展，推動廣播電視制播、傳輸、服務一體化，加強臺網(wǎng)聯(lián)動和統(tǒng)籌協(xié)調，著力打造融媒化制作、智慧化傳播、精準化服務的廣播電視智慧融媒體。目前，4K采編播等專用設備已形成產業(yè)化能力，建立較了為完善的超高清視頻產業(yè)標準體系。

與當前主流的高清視頻相比，4K 超高清節(jié)目的畫面更通透、景物更逼真、色彩更豐富。截止到2022年，央視、廣東臺、杭州臺、廣州臺、北京臺、深圳臺及上海文廣集團均已開辦4K頻道，大部分省級電視臺及地市級電視臺均將4K 頻道建設列入近幾年建設計劃中，將有更多的4K頻道落地。內蒙古廣播電視臺4K 超高清電視還處于空白狀態(tài)，遠遠滿足不了觀眾的需求，為了在新一輪的競爭中不處于劣勢，應盡快發(fā)展超高清電視及智慧廣電，規(guī)劃4K、5G 超高清電視傳輸、總控、播出相關系統(tǒng)。

現(xiàn)已規(guī)劃兩個頻道的4K 超高清播出系統(tǒng)、4K超高清總控系統(tǒng)、4K 超高清節(jié)目收錄系統(tǒng)、4K 超高清衛(wèi)星車和5G 傳輸系統(tǒng)。遵循現(xiàn)有規(guī)范進行設計，兼顧安全、穩(wěn)定和未來擴展需求，在基于以太網(wǎng)環(huán)境建設安全、可靠、高質量的4K 播出平臺，具備外來信號接受處理能力，文件化播出能力，臺內演播室信號交流、綜合調度處理能力。

1 4K超高清播出系統(tǒng)的設計

基于超高清技術發(fā)展趨勢，選用IP 架構規(guī)劃兩個頻道4K 超高清電視播出系統(tǒng)，節(jié)目播出采用HLG標準，制作可選用中間格式，播出前統(tǒng)一轉換為HLG 標準，節(jié)目播出采用ITU-R BT.2020色域。

1.1 基于IP 網(wǎng)絡結構組建播出平臺

如圖1 系統(tǒng)視音頻信號流程圖所示，系統(tǒng)設備主要包括4K IP播出服務器、信號轉換、調度信號及監(jiān)看、信號處理等設備；調度信號通過轉換后進入調度交換機；經(jīng)制作后的UHD節(jié)目通過上載導入主備的UHD視頻服務器系統(tǒng)播出，通過SDN實現(xiàn)系統(tǒng)信號的調度切換。視頻服務器系統(tǒng)輸出信號經(jīng)過主、備的UHD鍵控設備后輸出給編碼設備；4K信號經(jīng)過編碼器輸出主備兩路信號。

圖1 系統(tǒng)視音頻信號流程圖

本次系統(tǒng)同步信號采用PTP同步方式，采用主備兩臺PTP 主鐘，為整個IP系統(tǒng)提供同步信號。

1.2 IP架構鏈路系統(tǒng)設計思路

目標是規(guī)劃兩個支持直播信號的4K 超高清電視播出頻道，本平臺基于IP架構設計。主要核心部件為4K IP 專用交換機，非IP信號通過轉換設備轉換為IP信號（以SMPTE ST2110 作為標準接入），再接入交換機進行信號交換。系統(tǒng)結構清晰，線路簡單，如圖2 IP 架構系統(tǒng)框圖所示，系統(tǒng)配置交叉變換設備，以實現(xiàn)完成信號的上下變換、幀同步等處理功能，選用48口25G接口交換機，支持PTP接入。

圖2 IP架構系統(tǒng)框圖

4K 播出視頻服務器滿足UHD無壓縮IP信號播出需求，每臺完成一路UHD 信號播出，并提供臺標疊加；播出主要以3840*216050p XAVC Class300500Mbps MXF文件格式存儲，服務器支持音頻播出不少于16 通道，能夠輸出IP信號，支持HD轉UHD上變換和UHD轉HD下變換。

IP/UHD 格式轉換網(wǎng)關選用主備12 臺或以上IP 網(wǎng)關（IPG），完成4K SDI 與SMPTE ST 2110 IP 信號之間的相互轉換，實現(xiàn)信號間的同步處理。使播出系統(tǒng)同時具有IP和基帶兩種播出信號。

1.3 播出控制系統(tǒng)

播出控制系統(tǒng)是系統(tǒng)控制核心，主要由播控軟件根據(jù)節(jié)目單控制完成信號切換播出，發(fā)送UHD視頻服務器播出、外來信號播出、墊片播出、應急播出指令。與上載系統(tǒng)是文件交互，播出視頻服務器接收備播系統(tǒng)傳輸過來的視頻文件和圖文文件；與編單系統(tǒng)是串聯(lián)單的交互，接收編單系統(tǒng)發(fā)送過來的播出編排單，并將播后單返回給編單系統(tǒng)；與輔助系統(tǒng)主要是日志交互，提供故障、日志信息。

2 4K超高清總控系統(tǒng)設計

規(guī)劃矩陣規(guī)模不少于60*60的4K 總控調度系統(tǒng)，采用網(wǎng)絡核心+邊緣切換的IP 方案。主備核心調度交換設備+邊緣網(wǎng)關切換的IP方案，主備核心交換采用通用交換設備，邊緣媒體節(jié)點設備包括ST2110 IP 4K 網(wǎng)關、ST2110 NAT 設備及ST2110 上下變換設備。信號監(jiān)視采用IP 4K多畫面+4K監(jiān)視器方式，4K多畫面不少于4路UHD信號監(jiān)視，配備IP 4K 超高清技監(jiān)設備，可以直接對ST21104K 信號進行技術監(jiān)視。系統(tǒng)配備主備2臺4K超高清延時器，延時時間不低于180s。系統(tǒng)需配備IP 流監(jiān)測設備，可以對選切IP流進行技術分析及呈現(xiàn)、報警。系統(tǒng)配備SDN調度系統(tǒng)（含可編程面板），對IP總控信號進行靈活調度，提供播出系統(tǒng)統(tǒng)一的PPT 同步。選用IP 架構建設4K 超高清電視總控系統(tǒng)流程如圖3 所示。需要配置IP 流業(yè)務交換機2 臺、IP 網(wǎng)關12臺、IP NAT 網(wǎng)關2 臺、4K IP 交叉變換2 臺、4K-IP 多畫面2 臺、4KUHD—HDMI 轉換盒4 臺、4K信號180s 延時器2 臺、IP 信號技監(jiān)設備1 臺、4K 信號監(jiān)視器2臺、同步信號發(fā)生器2 臺、總控SDN 控制調度系統(tǒng)1 套、IP 流監(jiān)測分析系統(tǒng)1 套、可編程綜合調度面板6臺來實現(xiàn)以上功能。

圖3 總控系統(tǒng)流程圖

3 4K超高清節(jié)目收錄系統(tǒng)設計

4K 收錄系統(tǒng)配備衛(wèi)星接收機，用于對衛(wèi)星接收機接收下來的4K IP 流進行收錄，可對上星4K 信號進行接收同時轉換為TS over IP形式進行收錄；系統(tǒng)配備4K 編碼器，用于對系統(tǒng)4K 基帶信號進行編碼，對編碼后的TS over IP （H.265） 信號進行收錄；系統(tǒng)收錄模式采用約單式和全天24 小時資源收錄式兩種模式；對于24小時收錄，應不少于主備共12 通道；對于約單收錄，應不少于主備共12通道；系統(tǒng)配置壓縮IP 流監(jiān)測系統(tǒng)，對TS 4K IP 信號進行實時監(jiān)看分析；收錄系統(tǒng)具有存儲、遷移、回看、推送等多種功能，可存儲至少3 個月的系統(tǒng)收錄素材。采用IP收錄架構流程，如圖4所示。

圖4 收錄系統(tǒng)流程圖

建設4K 超高清節(jié)目收錄系統(tǒng)，需要配置衛(wèi)星接收機（4K）4 臺、4K 信號編碼器2 臺、約傳單收錄服務器3 臺、資源收錄服務器3 臺、數(shù)據(jù)庫服務器2 臺、遷移、接口服務器2 臺、IP 流監(jiān)測服務器2 臺、IP 流監(jiān)測終端2臺、收錄核心服務軟件1 套、IP流監(jiān)測軟件系統(tǒng)軟件1 套、交換機2 臺、存儲系統(tǒng)1 套來實現(xiàn)上述功能。

4 4K編碼傳輸系統(tǒng)設計

主備各2 路高清SDI 信號通過2組編碼器按照AVS2編碼格式編碼，編碼后輸出IP 碼流信號，通過SDH 設備傳送到下游單位。采用1+1 熱備份方式組網(wǎng)，保障系統(tǒng)安全性。為進一步加強節(jié)目質量監(jiān)測，通過多畫面顯示監(jiān)測報警系統(tǒng)進行上屏顯示對2 主2備共4 套4K 節(jié)目進行上屏監(jiān)看，當出現(xiàn)異態(tài)情況時進行語音報警提示，提高節(jié)目的安全播出質量?；贗P網(wǎng)絡結構的播出平臺視音頻信號編碼系統(tǒng)流程如圖5所示。

圖5 編碼系統(tǒng)流程圖

設計實現(xiàn)2套4K高清節(jié)目的編碼傳輸系統(tǒng)，需要配置AVS2超高清編轉碼器4 臺、網(wǎng)管軟件系統(tǒng)1 套、節(jié)目多畫面顯示監(jiān)測1 套、交換機3 臺、SDH 傳輸設備2臺來實現(xiàn)上述功能。

5 4K超高清5G、衛(wèi)星車設計

4K 超高清5G、衛(wèi)星車能滿足衛(wèi)星方式和5G 方式同時傳輸信號，滿足超高清信號傳輸，超高清編碼分系統(tǒng)支持超高清基帶、IP 流輸入輸出，且滿足SMPTE2110 及完善后的相關行業(yè)標準。5G、衛(wèi)星傳輸基于IP網(wǎng)絡結構流程如圖6所示。

圖6 5G、衛(wèi)星傳輸IP網(wǎng)絡結構流程圖

支持衛(wèi)星、5G傳輸超高清信號，編解碼系統(tǒng)支持H.265/HEVC 編解碼，支持10bit 4∶2∶2 及4∶2∶0 采樣方式，并且支持HDR（高動態(tài)碼率），支持5.1環(huán)繞聲（杜比E）旁通。調制解調系統(tǒng)支持DVB-S2X 標準下的8PSK 及16PSK 調制解調，通過在編碼環(huán)節(jié)增加BISS/RAS加密功能，可以對傳輸?shù)乃夭倪M行加密，任何一臺沒有得到授權的接收設備都無法解碼傳輸?shù)墓?jié)目內容。除天線系統(tǒng)外，所有主要系統(tǒng)均具備1∶1或主備熱備份，保證在調制輸出節(jié)點及功放輸出節(jié)點有自動及手動切換器。同時配有應急跳線系統(tǒng)，并具備衛(wèi)星接收環(huán)測能力。配備手持頻譜儀（自帶顯示屏），頻率檢測范圍不小于100kHz～7.5GHz。

需要配置車輛1 臺、信號源接收天線1 臺、4K 解碼器2 臺、4K 編碼器2 臺、切換器2 臺、調制及高功放部分各1 套、主供電系統(tǒng)（市電三相380V/50Hz 四線或單相220V/50Hz 三線）輸入和輔助供電系統(tǒng)（DC）、UPS 應急供電系統(tǒng)、5kW 車載取力供電系統(tǒng)1 套、充電機1 臺、蓄電瓶1組、配電盤1套來實現(xiàn)上述功能。

6 4K超高清5G背包設計

4K 超高清5G 背包能滿足4K超高清在5G 方式下信號傳輸，超高清編碼分系統(tǒng)支持超高清基帶、IP 流輸入輸出，且滿足SMPTE2110 及完善后的相關行業(yè)標準。5G背包結構流程如圖7所示。需配備2 套5G 背包、2 臺服務器互為主備，當主服務器出現(xiàn)意外停止，前端會自動連接上備用服務器并正常工作，保障系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

圖7 5G背包結構流程圖

審稿人：安國利 內蒙古廣播電視臺正高級工程師