4K/5G播控系统的规划设计

汤 浩

内蒙古广播电视台 内蒙古 呼和浩特市 010050

2018年国家广播电视总局印发的《关于促进智慧广电发展的指导意见》以及2019年工业和信息化部、国家广播电视总局、中央广播电视总台印发《超高清视频产业发展行动计划（2019-2022年）》，按照“4K 先行、兼顾8K”的总体技术路线，大力推进超高清视频产业发展和加快建立面向5G 的移动交互广播电视相关领域的应用，加快广播电视网络传播体系整体性转型升级，加快大数据、云计算、互联网协议第六版（IPv6）、第五代移动通信（5G）、新一代卫星直播技术等新一代信息技术在广播电视网络中的部署和应用，推动超高清电视业务发展，进一步加快广播电视媒体与新兴媒体融合发展，推动广播电视制播、传输、服务一体化，加强台网联动和统筹协调，着力打造融媒化制作、智慧化传播、精准化服务的广播电视智慧融媒体。目前，4K采编播等专用设备已形成产业化能力，建立较了为完善的超高清视频产业标准体系。

与当前主流的高清视频相比，4K 超高清节目的画面更通透、景物更逼真、色彩更丰富。截止到2022年，央视、广东台、杭州台、广州台、北京台、深圳台及上海文广集团均已开办4K频道，大部分省级电视台及地市级电视台均将4K 频道建设列入近几年建设计划中，将有更多的4K频道落地。内蒙古广播电视台4K 超高清电视还处于空白状态，远远满足不了观众的需求，为了在新一轮的竞争中不处于劣势，应尽快发展超高清电视及智慧广电，规划4K、5G 超高清电视传输、总控、播出相关系统。

现已规划两个频道的4K 超高清播出系统、4K超高清总控系统、4K 超高清节目收录系统、4K 超高清卫星车和5G 传输系统。遵循现有规范进行设计，兼顾安全、稳定和未来扩展需求，在基于以太网环境建设安全、可靠、高质量的4K 播出平台，具备外来信号接受处理能力，文件化播出能力，台内演播室信号交流、综合调度处理能力。

1 4K超高清播出系统的设计

基于超高清技术发展趋势，选用IP 架构规划两个频道4K 超高清电视播出系统，节目播出采用HLG标准，制作可选用中间格式，播出前统一转换为HLG 标准，节目播出采用ITU-R BT.2020色域。

1.1 基于IP 网络结构组建播出平台

如图1 系统视音频信号流程图所示，系统设备主要包括4K IP播出服务器、信号转换、调度信号及监看、信号处理等设备；调度信号通过转换后进入调度交换机；经制作后的UHD节目通过上载导入主备的UHD视频服务器系统播出，通过SDN实现系统信号的调度切换。视频服务器系统输出信号经过主、备的UHD键控设备后输出给编码设备；4K信号经过编码器输出主备两路信号。

图1 系统视音频信号流程图

本次系统同步信号采用PTP同步方式，采用主备两台PTP 主钟，为整个IP系统提供同步信号。

1.2 IP架构链路系统设计思路

目标是规划两个支持直播信号的4K 超高清电视播出频道，本平台基于IP架构设计。主要核心部件为4K IP 专用交换机，非IP信号通过转换设备转换为IP信号（以SMPTE ST2110 作为标准接入），再接入交换机进行信号交换。系统结构清晰，线路简单，如图2 IP 架构系统框图所示，系统配置交叉变换设备，以实现完成信号的上下变换、帧同步等处理功能，选用48口25G接口交换机，支持PTP接入。

图2 IP架构系统框图

4K 播出视频服务器满足UHD无压缩IP信号播出需求，每台完成一路UHD 信号播出，并提供台标叠加；播出主要以3840*216050p XAVC Class300500Mbps MXF文件格式存储，服务器支持音频播出不少于16 通道，能够输出IP信号，支持HD转UHD上变换和UHD转HD下变换。

IP/UHD 格式转换网关选用主备12 台或以上IP 网关（IPG），完成4K SDI 与SMPTE ST 2110 IP 信号之间的相互转换，实现信号间的同步处理。使播出系统同时具有IP和基带两种播出信号。

1.3 播出控制系统

播出控制系统是系统控制核心，主要由播控软件根据节目单控制完成信号切换播出，发送UHD视频服务器播出、外来信号播出、垫片播出、应急播出指令。与上载系统是文件交互，播出视频服务器接收备播系统传输过来的视频文件和图文文件；与编单系统是串联单的交互，接收编单系统发送过来的播出编排单，并将播后单返回给编单系统；与辅助系统主要是日志交互，提供故障、日志信息。

2 4K超高清总控系统设计

规划矩阵规模不少于60*60的4K 总控调度系统，采用网络核心+边缘切换的IP 方案。主备核心调度交换设备+边缘网关切换的IP方案，主备核心交换采用通用交换设备，边缘媒体节点设备包括ST2110 IP 4K 网关、ST2110 NAT 设备及ST2110 上下变换设备。信号监视采用IP 4K多画面+4K监视器方式，4K多画面不少于4路UHD信号监视，配备IP 4K 超高清技监设备，可以直接对ST21104K 信号进行技术监视。系统配备主备2台4K超高清延时器，延时时间不低于180s。系统需配备IP 流监测设备，可以对选切IP流进行技术分析及呈现、报警。系统配备SDN调度系统（含可编程面板），对IP总控信号进行灵活调度，提供播出系统统一的PPT 同步。选用IP 架构建设4K 超高清电视总控系统流程如图3 所示。需要配置IP 流业务交换机2 台、IP 网关12台、IP NAT 网关2 台、4K IP 交叉变换2 台、4K-IP 多画面2 台、4KUHD—HDMI 转换盒4 台、4K信号180s 延时器2 台、IP 信号技监设备1 台、4K 信号监视器2台、同步信号发生器2 台、总控SDN 控制调度系统1 套、IP 流监测分析系统1 套、可编程综合调度面板6台来实现以上功能。

图3 总控系统流程图

3 4K超高清节目收录系统设计

4K 收录系统配备卫星接收机，用于对卫星接收机接收下来的4K IP 流进行收录，可对上星4K 信号进行接收同时转换为TS over IP形式进行收录；系统配备4K 编码器，用于对系统4K 基带信号进行编码，对编码后的TS over IP （H.265） 信号进行收录；系统收录模式采用约单式和全天24 小时资源收录式两种模式；对于24小时收录，应不少于主备共12 通道；对于约单收录，应不少于主备共12通道；系统配置压缩IP 流监测系统，对TS 4K IP 信号进行实时监看分析；收录系统具有存储、迁移、回看、推送等多种功能，可存储至少3 个月的系统收录素材。采用IP收录架构流程，如图4所示。

图4 收录系统流程图

建设4K 超高清节目收录系统，需要配置卫星接收机（4K）4 台、4K 信号编码器2 台、约传单收录服务器3 台、资源收录服务器3 台、数据库服务器2 台、迁移、接口服务器2 台、IP 流监测服务器2 台、IP 流监测终端2台、收录核心服务软件1 套、IP流监测软件系统软件1 套、交换机2 台、存储系统1 套来实现上述功能。

4 4K编码传输系统设计

主备各2 路高清SDI 信号通过2组编码器按照AVS2编码格式编码，编码后输出IP 码流信号，通过SDH 设备传送到下游单位。采用1+1 热备份方式组网，保障系统安全性。为进一步加强节目质量监测，通过多画面显示监测报警系统进行上屏显示对2 主2备共4 套4K 节目进行上屏监看，当出现异态情况时进行语音报警提示，提高节目的安全播出质量。基于IP网络结构的播出平台视音频信号编码系统流程如图5所示。

图5 编码系统流程图

设计实现2套4K高清节目的编码传输系统，需要配置AVS2超高清编转码器4 台、网管软件系统1 套、节目多画面显示监测1 套、交换机3 台、SDH 传输设备2台来实现上述功能。

5 4K超高清5G、卫星车设计

4K 超高清5G、卫星车能满足卫星方式和5G 方式同时传输信号，满足超高清信号传输，超高清编码分系统支持超高清基带、IP 流输入输出，且满足SMPTE2110 及完善后的相关行业标准。5G、卫星传输基于IP网络结构流程如图6所示。

图6 5G、卫星传输IP网络结构流程图

支持卫星、5G传输超高清信号，编解码系统支持H.265/HEVC 编解码，支持10bit 4∶2∶2 及4∶2∶0 采样方式，并且支持HDR（高动态码率），支持5.1环绕声（杜比E）旁通。调制解调系统支持DVB-S2X 标准下的8PSK 及16PSK 调制解调，通过在编码环节增加BISS/RAS加密功能，可以对传输的素材进行加密，任何一台没有得到授权的接收设备都无法解码传输的节目内容。除天线系统外，所有主要系统均具备1∶1或主备热备份，保证在调制输出节点及功放输出节点有自动及手动切换器。同时配有应急跳线系统，并具备卫星接收环测能力。配备手持频谱仪（自带显示屏），频率检测范围不小于100kHz～7.5GHz。

需要配置车辆1 台、信号源接收天线1 台、4K 解码器2 台、4K 编码器2 台、切换器2 台、调制及高功放部分各1 套、主供电系统（市电三相380V/50Hz 四线或单相220V/50Hz 三线）输入和辅助供电系统（DC）、UPS 应急供电系统、5kW 车载取力供电系统1 套、充电机1 台、蓄电瓶1组、配电盘1套来实现上述功能。

6 4K超高清5G背包设计

4K 超高清5G 背包能满足4K超高清在5G 方式下信号传输，超高清编码分系统支持超高清基带、IP 流输入输出，且满足SMPTE2110 及完善后的相关行业标准。5G背包结构流程如图7所示。需配备2 套5G 背包、2 台服务器互为主备，当主服务器出现意外停止，前端会自动连接上备用服务器并正常工作，保障系统运行稳定。

图7 5G背包结构流程图

审稿人：安国利 内蒙古广播电视台正高级工程师