超高清数字电视的IP化技术探讨

范可川 蒙文凯

摘  要：科学技术的进步促进了许多行业的创新。随着4K乃至8K超高清电视技术的发展，超高分辨率电视节目制播的应用需求与日俱增。本文基于电视制播系统的现状以及面向超高清电视发展所必须解决的技术问题，提出基于IP技术架构的解决方案。核心思路是将SDI基带信号转换为IP数据包，从而大大提高超高清电视节目制作与传输的性能与效率，使超高清电视制播技术真正在应用领域及市场化推进上迈出坚实的一步。

关键词：超高清数字电视;4k;8k;制播技术;IP化技术                  中图分类号：TN949.197                  文献标识码：A

文章编号：1671-0134（2020）08-117-03                                     DOI：10.19483/j.cnki.11-4653/n.2020.08.031

本文著录格式：范可川，蒙文凯 . 超高清数字电视的IP化技术探讨[J].中国传媒科技，2020（8）：117-119.

在电视技术高速发展的今天，大屏化以及超高分辨率视频图像的呈现已经日益普及。广播电视已进入了4K超高清技术高速发展阶段，近年来包括央视在内的多个广播电视台已经陆续开展了4K超高清电视节目的制作与播出工作。2018年10月1日央视CCTV4K超高清电视频道通过卫星及全国有线网络播出，标志着超高分辨率电视技术应用进入崭新的发展阶段。由于4K、8K超高分辨率视频信号制作与播出对相关的技术要求很高，原有的电视系统很难满足超高清电视制作与传输的要求，新技术的应用与发展迫在眉睫。

1.传统电视制作播出系统架构面对4K超高清制作所存在的问题

广播电视技术已进入了一个媒体深度融合、新技术应用层出不穷的高速发展阶段。经历了高清晰度电视（HDTV）稳定成熟的发展阶段后，4K超高清晰度电视（UHDTV ）技术以其更高的画面分辨率、更宽的色域以及更高的动态范围，极大地超越了原来高清晰度电视给观众带来的视听体验。超高的画面分辨率及高动态图像、3D全景音频能够带给用户更震撼、更贴近真实的观看感受。传统标清电视（SDTV）传输系统标准SMPTE295，带宽为270Mbit/s;高清电视（HDTV）传输系统标准SMPTE292，带宽为1485 Mbit/s;4K超高清电视（UHDTV）标准SMPTE2036，带宽为11880Mbit/s。综合比较分析，4K信号所占带宽是2K高清信号的8倍。通常情况下，传统的基带4K超高清视频制作包含4×3GB SDI（Serial Digital Interface，数字分量串行接口）和12GB SDI两种方式传输。4×3GB SDI方式需要大量布线，设备之间连线复杂，电缆数量几乎是现有系统的四倍;而12GB SDI方式的传输距离是短板。因此，对于电视技术人员来说，必须利用更为先进的IP技术，有效地解决上述问题。

2.超高清数字电视IP化技术探讨

如今IP技术在中国电视制播应用技术相对成熟，涵盖高清电视节目前后期制作编辑、信号传输、信号监控和测评等。音视频数据流和办公文件流可以混合传输使用，同时二者可以维持一种互相不干扰、互相补充的状态。现有的SDI-over-IP技术可以完全替代传统方法。这种新的基于IP网络构建的IP化矩阵使用IP交换机+ SDN技术取代传统的SDI矩阵架构。SDN网络架构可通过编程实现数据流的管理调配，为视音频信号等提供更多传输通道，确保信号的传输质量。SDI-over-IP相对传统的输入输出接口，还可以有效地将基带信号快速转换为IP数据包，轻松地调度信号的输入和输出，支持多路数据传输，并在以太网高效传输。

2.1全面优化IP化技术系统结构

使用高分辨率数字IP技术，其中，IP化的系统可以利用虚拟化、大数据和云计算等尖端技术来优化系统结构，共享资源，加强各个部门之间的协作以及系统管理经验，大大提升了工作效率。同时由于IP技术架构在各种开放平台中的广泛应用，可以扩展交互式多屏功能的业务发展;这些功能有助于促进电视台等传统媒体实施开展的新媒体业务，弥补不足和缺点，提高竞争力。在实施超高清数字电视IP化后，实现三网之间的协议统一，解决各个网络存在的问题，实现传统媒体与新兴市场的融合，满足新媒体时代人们不断增长的需求。

2.2增加网络系统的扩展性

由于IP网络的技术架构相对比较简单，其网络架构具有易于配置、管理维护高效便捷的特点。利用 IP网络架构技术可以轻松实现超高清电视信号的混合调配、超远距离传输，日后系统扩容发展也易于操作;IP架构下电视设备只需接到互联网网关设备，就可以轻松地完成电视画面质量在标准分辨率、高分辨率和超高分辨率之间的转换。而目前传统SDI技术设备的通用性能仍然很低，国产设备在SDI设备核心技术的掌握上相对落后，而国外SDI设备产品的价格又普遍过高。反而在IP技术领域，中国本土产品的起点很高，国产化程度高，发展前景广阔，可以大大降低建设IP架构系统的成本。

3.電视制播系统实现IP化的技术解决方案

3.1解决方案的整体思路

在4K超高清电视节目制作传输过程中，技术人员需要采用有效的解决方案来解决网络速度和传输的问题，IP技术则为电视制播网络提供了有效的解决方案。利用IP网络技术和光纤特性来实现SDI信号和IP分组数据（SDI-over-IP）信号的有效转换。这样不仅可以解决4K技术下电视节目制作过程中出现的技术问题，还可以进一步解决网络传播速度的问题。

在电视台制作和播出业务中，包含文件域和信号域两类场景。文件域从其诞生开始，经历了从单机到网络到全台网的发展，已经实现了基于IP化的架构模式;信号域目前全国都尚处在传统SDN网络架构模型，IP化尚在探索阶段。随着SDI-over-IP框架的成熟，在演播室、播出系统的建设中，可逐步采用IP化网络进行信号域的试点，再逐步推广到全信号的IP化。最终实现信号域和文件域基于IP网络技术充分融合，全台系统统一监控、统一维护，实现基于IP的软件定义电视台的技术目标。

由于传统SDN架构硬件链路不具备弹性，在系统升级换代时需要推翻重建;在4k超高清系统建设中每路信号都要被拆成4路3G SDI传输，矩阵端口需求是高清的四倍，规模越来越大;按原来的SDI技术架构继续发展越发困难。而IP架构具有可利用现有IT成熟技术、格式无关、灵活弹性等优势，行业标准化组织如EBU、SMPTE、AMWA、NOMS等都在致力推动媒体信号域架构IP化的发展，一系列标准，如ST 2110、ST2059、IS04、IS05等协议标准，也取得了较广泛共识与支持。在此基础上，信号域全IP化已经成为现实。在基于IP的网络体系结构中，大多数电视制作设备和传输系统虽然只需要使用一种网络方法进行制作，但是却需要更多的设备进行SDI信号转换。由于网络连接方法是双向多通道连接的，可以帮助优化电视制作网络的技术架构，可以有效地提高电视信号的传输效率和质量。此外，在传输层面，技术人员可以充分利用IP技术来传播其他有价值的电视制作信息，以提高带宽传输应用程序的效率，进一步将应用程序的功能最大化。

3.2解决方案的优化

3.2.1解决方案存在的不足

将传统SDI信号转化IP数据包的过程中，必须考虑信号的转换、控制以及设备的兼容性，同时也要考虑传统制播体系相对落后的设备现状。在传输阶段，会存在严重的信号延迟问题，对电视系统的性能产生不利影响。通常电视制作时发生的信号延迟必须控制在5帧以内。同时电视信号传输的延迟也要求控制在严格的范围内。

3.2.2解决方案的优化对策

数据统计表明，大多数10G交换机在交换大型数据包（视频信号）时产生的延迟相对较小。与高清电视（1080/50i）信号相比，过渡延迟更长，相对于2K技术来说，4K超高清信号延迟的持续时间超过了18微秒。同时，如果具有相对良好网络环境的网络交换机（例如局域网）就会以恒定的速度与同步系统进行链接。IP网络体系结构解决方案可以有效防止信号不好而引起的信号延迟问题。

电视制播系统采用时间同步技术来避免信号延迟问题，传统的SDI基带信号系统中我们采用BB锁相式来处理视频信号的同步。而对于IP系统中的超高码率的信号则需要相应的IP网络同步技术来处理同步问题，即依靠PTP（精确时间协议）来实现IP网络电视信号超高码率传输的时间和频率的同步需求，其时钟同步精度达到纳秒量级。很好地解决了信号在以太网传输中的同步瓶颈，尤其是基于SDI-over-IP技术处理的电视信号。SMPTE基于PTP第2版的标准（ SMPTE2059），专门用于广播电视应用。SMPTE ST2059-1/2规定了专业广电环境中时间和频率同步的精确时间同步，协议规定必须准确地同步系统的主时钟（由同步系统实现的时钟）和从时钟（包括时钟开关和SDI IP转换到终端），特别是主时钟和从时钟系统之间的参考时间变化（偏移量表示）。在数据包通信期间，主时钟和从属系统会受到信号线更换的影响。最高时钟的精确时间同步原理如下：在系统中，主时钟在指定的时间段内（通常每秒一次）传输消息信息，并响应系统从时钟的总时间和消息。想获取信息即发送时间信息标注并添加其它相关信息的“时间戳”;接收器则根据时钟历史记录计算网络延迟和参考误差。为了应对因各种设备故障导致的主时钟信息丢失的情况，PTP协议定义了下一个具有时间精确度的设备自动接替主时钟的功能。

4.电视制播系统IP化网络架构解决方案技术分析

实际开发过程中，基于IP体系结构的解决方案具有以下优点。

首先，IP化网络架构解决方案技术架构简单，可以进一步减少电视设备和电视系统所需的电缆连接数量，减少了设备的接口，系统设计相对简单。基于网络传输的双向特性，IP系统所有设备都连接至IP交换机，视频数据、音频数据、同步数据等都可在同一根网线中传输，极大简化了系统架构。

第二，基于IP网络架构的电视制播系统具有很高的灵活性。电视技术人员利用成熟的网络技术设计的电视制播系统，能够利用IP架构通过软件技术来替代传统电视制播系统的硬件功能去实现电视前期制作、信号传输到最终播出的系统功能，大大简化了系统结构、降低了系统运维成本，实现对系统高效便捷的管理。

第三，IP化网络架构解决方案技术具有易于升级扩容的优势。基于IP技术架构的电视制播系统可以参照统一的技术标准进行升级扩容，从而大大简化电视制播系统的升级改造及日后的扩容发展。

5.超高清电视技术IP化发展的意义

处于高速发展时期的媒体行业正面临前所未有的机遇和挑战，新技术、新媒介的不断涌现，促使我们必须利用全新的技术体系来适应广播电视技术的高速发展。[1]当前媒体融合的大背景下，超高清电视IP化系统建设要求电视台必须进行技术创新，搭建全新的电视制播技术架构;IP化将大大推动全台网络化、云技术等部署的进程。同时，新的技术应用对电视台技术人员也是一个机遇和挑战，在学习、理解、适应IP化技术的过程中，提高了自身核心竞争力。[2]新的IP技术使超高清电视信号在采、编、播及传输过程中避免了过多编解码过程造成的信号损失，最大限度保障了节目的质量。[3]传统电视技术中，视频、音频、以太网、光纤网等线缆密布，给升级、维护带来很大的技术难题。基于IP以太网交换技术可实现灵活的管理和配置。[4]扩大对新媒体的支持。新媒体业务所需的文件通常码率比较低，但根据许多新媒体平台版本来看，通过IP方法进行内容分散和接收，减少了系统设置以及默认值的操作过程，相对统一的封装格式减少了跨不同平台的不同制造商的生产系统之间的障碍，为潜在的新业务支持提供了一个开放、灵活和独立的发展基础。

结语

在超高清电视技术发展已成为主流的今天，相关电视技术人员必须意识到传统电视技术系统的短板，通过学习全新的IP技术方案来解决所遇到的问题。随着IP技术的成熟，传统广电技术走向IP 化，将大大拓展广电发展空间，使超高清电视技术应用走入千家万户，为广大观众提供更高质量的电视节目。

参考文献

[1]徐俭，马春，徐有聪.媒体融合时代电视中心IP化基础架构技术初探[J].广播电视信息，2017（3）：64-67.

[2]韦安明.电视中心基础架构IP化探討[J].广播与电视技术，2015，42（4）：18-21.

[3]贾宏君，李晓宇.2016年SMPTE电视技术标准化跟踪研究[J].广播与电视技术，2017，44（3）：155-160.

[4]董峰.SDI-over-IP关键技术研究[J].现代电视技术，2018（11）：109-112.

作者简介：范可川（1964-），男，广西陆川县，高级工程师，研究方向：广播电视技术、超高清数字电视节目制作、播出;蒙文凯（1968-），男，广西横县，高级工程师，研究方向：广播电视技术、超高清数字电视节目制作、播出。