4K超高清电视播出系统技术策略探讨

2022-10-08江立宇

电视技术 2022年9期

关键词：基带交换机架构

江立宇

（舟山广播电视台，浙江舟山 316000）

0 引言

随着计算机和网络技术的不断进步，广播电视技术日新月异，电视信号的清晰度已经从传统的标清进入高清，4K超高清电视以及更高分辨率的8K也已经开始在大型活动、赛事直播中应用。在这一阶段，4K电视的制播逐渐成为国内电视台发展的主流方向[1]。

4K电视播出和高标清播出在技术架构上有不同的选择，分别是传统的基带播出架构和基于无压缩IP模式的IP播出架构两种，也代表了两种技术走向。

1 基带架构播出模式

以往建设的高清播出系统多使用的是基带播出模式。节目素材经过采集、非编制作之后，通过播出服务器解码输出数字分量串行接口（Serial Digital Interface，SDI）基带信号，再进行实时的台标和字幕叠加，处理后的PGM在编码后通过有线网络送达用户终端。传统基带架构播出系统结构如图1所示。

图1 传统基带架构播出系统结构图

上述播出链路在应对传统HD/SD-SDI播出需求方面已经发展到稳定成熟阶段。但随着超高清时代的到来，4K信号使用4倍于1 080P的分辨率以及信号码率，传统SDI基带方式在传输带宽、传输距离等方面出现了瓶颈，所以在初期使用SQD或者2SI的四线方式，把4K信号分割为4个部分进行传输播出。目前也有通过12G-SDI方式建设的系统，但在大规模处理调度、长距离传输、高密度集成及成本控制等方面仍存在问题[2]。

面对这样的情况，是否使用压缩信号处理传输也成为讨论的热点，也有把4K信号通过TICO等浅压缩技术来使用一根线缆传输的方式出现，但整体链路的处理环节需要解码再编码，多个环节会积累较大的时延，对实时制作场景并不完全适配。

基于这些情况，目前在4K的建设方面，虽然采编制播各个环节都已经有了4K摄像机、4K非编、4K播出服务器等对应的基带产品，但并未组成满足复杂场景实际业务需求的、具有合理性价比的解决方案。由此推进了对另一技术架构的探索。

2 无压缩IP播出模式

基带架构面临的传输瓶颈使得广电技术基础架构需要另寻出路。无压缩IP技术对超高清的兼容性、IT化、通用架构化等特性，为播出系统带来了新的解决方案。无压缩IP基于高速网络，将信号在网络上以相同于基带信号的码率进行传输。得益于网络技术的发展，具有25/100/400 Gb·s-1端口的网络设备逐渐大规模应用，性价比得以提高[3]。

目前，电视台4K播出系统建设中，更多地选择无压缩IP播出架构。在整体的系统设计上，从IP系统的特点出发，重点关注网络架构、网络协议以及信号处理流程。

2.1 文件域、控制域、信号域网络分离

IP化的基础支撑是网络，这里主要是指信号域网络。而对整个4K播出系统而言，文件域、控制域网络也是重要的组成部分。这三个不同网络的功能需求有所不同。使用分离的网络设计，能够减少相互影响，提高系统的安全性，同时架构清晰，也便于后期维护。文件域、控制域、信号域网络分离的结构如图2所示。

图2 文件域、控制域、信号域网络分离结构图

文件域网络主要完成系统内播控、编单、文件迁移等业务之间的数据交换以及文件FTP传输的交换，主要为TCP/IP方式的点对点连接。安全性方面，考虑主备冗余的网络架构，可使用主备交换机堆叠+主机端口聚合的方式组成主备；或者采用主备网络地址访问的独立主备交换方式。网络传输带宽方面，从4K播出目前使用的XAVC Class300格式500 Mb·s-1码率文件来看，在频道数不多的情况下，使用万兆网络能够满足传输要求。

控制域网络主要完成播控机对周边设备控制指令的传输，数据量较小，但需要考虑设备的控制接口。目前，主流IP设备的控制接口多使用千兆网络接口，支持NMOS IS-04/05协议。这与传统基带设备使用串口控制有所不同，也是IP化建设中容易被忽略的问题。

信号域网络接入直播信号、硬盘播出信号以及处理环节中的各级无压缩4K信号，通过用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）进行传输分发，每路信号带宽大（12 Gb·s-1带宽），精度要求高，并且实时播出对于安全性有严苛的要求。因此，对于信号域网络设备，要求吞吐量高、交换延时小，需要支持大规模的多播，支持PTP时钟协议，以及具备流量监控能力等。

2.2 信号域网络组网及控制方式

信号域网络是IP系统三层网络中要求最高的一层，是系统设计的重点。4K播出系统的信号域网络通常选择主备架构的25 Gb·s-1光纤网络，并且从独立运行的角度出发，与总控调度系统网络解耦，只保持信号传输通道。如考虑将来大规模多4K频道运行的情况，可能需要100 Gb·s-1或更高带宽的叶脊架构网络，这里暂不讨论。

组网方面，为保障信号传输安全，设计主备25 Gb·s-1网络交换设备，适配SMPTE 2022-7的冗余链路传输标准，使每路信号通过主备路径传输。所接入的设备也同样要求具备主备端口接入的能力。这种方式从信号的处理顺序逻辑来讲属于串联方式，而信号域网络中设备的物理连接为星型连接方式，各处理设备均连接到交换机，信号处理逻辑是由播控软件来定义的。IP网络星型连接方式如图3所示。

图3 IP网络星型连接方式图

在这种架构下，当发生某一级处理设备故障时，可以通过软件控制下游设备从交换机中获取更上一级的信号进行播出，类似于传统基带链路中的跳线功能。系统中的设备支持SMPTE 2022-7标准，能够双链路连接到交换机来传输和接收信号，保证链路安全[4]。

信号切换的控制方面，播出考虑采用Internet组管理协议（Internet Group Management Protocol，IGMP）的边缘切换方式。播控机向信号接收设备发送指令，受控设备通过IGMP协议通知交换机所希望接收的特定组播组的信息（即获取相应信号的组播流），然后离开之前所接收的组播组（即断开前一个信号的组播流），从而实现信号切换。并且，交换机通过IGMP协议周期性地查询网内的组播组成员是否处于活动状态，实现信号连接状态的收集与维护。播控机对受控设备发送指令这一过程，对于目前主流的IP设备，主要是通过NMOS IS-04/05协议完成。

2.3 信号处理流程

随着IP硬件周边的逐渐丰富，采用功能分离的IP播出服务器+IP切换键混处理的系统架构，逐渐成为4K播出系统的主流架构。其特点是服务器和硬件周边在功能上实现了解码播出、切换和键功能的独立。其逻辑链路与传统处理流程也比较相近，如图4所示。

图4 IP播出服务器+IP切换键混处理逻辑链路图

在此架构中，IP播出服务器只保留了核心的文件解码功能，享有独立的资源，充分保证了服务器播出的安全性和稳定性，也与传统播出服务器的设计理念相契合。同时，IP播出服务器的计算资源压力减小，可以使用通用IT设备结合软件完成。这样的方式符合IP技术的IT化、通用化、微服务化技术路线。运维方面，可按照通用设备类型进行管理，后期维护方便。对于无压缩IP的流量整形技术，在通用IT架构服务器中也已经实现，通过网络接口完成大流量的规范发包，能够实现高质量的IP播出。

处理通道方面，独立的IP切换和键控设备针对信号的帧精度无缝切换需求，在硬件内部设置AB通道。A通道用作键功能处理并输出PGM信号。B通道用作预卷通道，负责提前从IP交换机上将待切换信号通过IGMP协议拉流接入，在IP流稳定接入后，设备再将信号切入A处理通道叠加台标字幕输出。AB通道设计也使切换和键混功能更加稳定。

切换键混设备可以自由选择前级独立的主、备IP播出服务器、垫片等信号，实现了交叉互备。此架构下可以方便地选择独立的字幕设备，字幕的制作在单独的软件中，与播出互不影响，并且支持更加复杂的台标、角标、字幕效果。

2.4 关于PTP和校时

IP系统中的同步是通过高精度时间同步协议（Precision Time Protocol，PTP）实现的。PTP对信号域的稳定运行起到非常重要的作用。信号的精准切换、主备网络交换的同步，都需要依靠PTP。SDI over IP过程中，以IP格式传输的视音频及辅助数据包的发送、接收和重组节目信息都需要通过统一的时间标识来实现[5]。与基带系统中的B.B同步信号一样，IP化网络系统里也必须加入同步基准信号，以对视音频数据流的传输进行同步锁定。系统设计需要充分考虑安全，配置冗余的北斗/GPS双模接收PTP时钟设备，通过信号域交换机向所有接入设备分发。如果作为全台PTP分发使用，建议考虑建设独立的PTP分发网络。在校时方面，PTP是绝对时间，所以可以通过PTP时钟设备产生网络时钟（Network Time Protocol，NTP），供文件域各类型服务器及工作站校时使用。这样的方式下，PTP与NTP为同源，更加统一。