基于AoIP技術的廣播播控系統分析

張博文　牛睿　張莉

【摘 要】 基于廣播業務流程、功能需求及播控系統架構，分析不同應用規模的AoIP廣播播控系統設計。

【關鍵詞】 AoIP；廣播播控系統；AES67；安全播出；同步

文章編號： 10.3969/j.issn.1674-8239.2017.08.006

【Abstract】Based on the broadcast business process， functional requirements and broadcast control system architecture， the author analyzed the design of AoIP broadcast control system on different application scale.

【Key Words】AoIP； broadcast control system； AES67； safe broadcast； synchronization

1 AoIP技術概述

在廣播電視專業領域，實時數字音頻的傳輸通常是通過AES3（AES/EBU）或AES10（MADI）協議來進行的，隨著IP技術的迅猛發展，人們一直期待著利用應用最為廣泛、性價比最高的以太網來實現這一傳輸任務。如果實時音頻的傳輸能夠兼容現有的以太網絡，系統架構將變得簡單化，機房布線也將變得更加簡潔，同時以太網的交換特性，也有利于改變只能點對點傳統數字音頻傳輸的局限，從而實現數字音頻傳輸的軟交換和軟路由。

所謂AoIP（Audio over Internet Protocol），是指利用網絡傳輸采樣率不低于 44.1 kHz，量化精度不低于16 bit的高性能流化音頻，區別于常說的VoIP（Voice over IP），那是用作語音通信的低性能流化音頻。同時，AoIP的第二個特征是利用現有的網絡，且延時小于10 ms。

2017年國家新聞出版廣電總局發布了GY/T 304-2016《高性能流化音頻在IP網絡上的互操作性規范》，該標準是參照AES67-2015《High-performance streaming audio-over-IP interoperability》編制的。

2 業務流程及功能分析

播控系統是廣播電視業務流程中的樞紐環節，也是核心環節，其系統安全性是整個廣播工藝系統中的重中之重。其包括信號輸入、調度控制、選擇切換、監聽監測、節目慢錄、信號輸出六個功能模塊，如圖1所示，所有外來信號以及臺內節目信號在此進行匯聚、調度，并進行監測監聽。

2.1 信號輸入模塊

播控系統的信號輸入包括廣播直播室信號、錄音室信號、衛星接收外來信號、光纜接收外來信號、微波接收外來信號等。輸入的節目信號均為需要調度、監聽的節目信號，廣播直播室信號通常為主備PGM信號，錄音室信號可以作為備份直播室信號，外來信號包括中央臺、省市臺節目信號及回傳的外場直播信號等。

2.2 調度控制模塊

調度控制模塊可對所有匯聚的節目信號進行調度，可由指定輸入信號源對應任意輸出通道進行信號輸出，實現矩陣交叉式調度，調配功能強大且靈活。采用AoIP模式的調度矩陣還可指定任意端口的輸入輸出功能和信號數量。

另外，調度控制模塊很重要的一個功能是對播控系統內各設備進行集中控制，包括核心矩陣、監聽監測設備、慢錄工作站、切換選擇器等，方便臺內技術人員對播控系統統一管理。

2.3 監聽監測模塊

監聽監測模塊具備對所有匯聚的音頻信號進行選擇性監聽監測的功能，可對任意一路輸入信號或輸出信號的質量進行把控，是保證節目質量的重要功能模塊。該模塊可將信號監測數據通過圖形、數據表的方式展示在監視器墻上，臺內值班人員可以直觀地看到信號質量。在遇有突發故障或不穩定狀況時監聽監測系統可進行報警，提示工作人員進行系統設備維修維護。

2.4 選擇切換模塊

為滿足總局62號令的要求，保證節目播出的安全性，播出通道需要考慮冗余備份，因此需要對主備路的節目信號進行選擇切換：正常情況下播出主路信號，遇有突發情況時切換到備路信號或備播節目內容。切換模塊具備斷電旁通功能。

2.5 節目慢錄模塊

為了監控播出質量、記錄停播事故、對主持人進行考評，需要慢錄模塊對節目進行錄制，同時，慢錄模塊可以對廣告商提供播后查詢的功能。

2.6 信號輸出模塊

信號輸出包括給傳輸系統、慢錄系統及監聽監測系統的信號。隨著廣播節目播出渠道的多樣化，信號輸出逐漸增多，包括網站播出、手機APP、微博微信、網絡電臺等。輸出信號通常為各頻道PGM信號，可隨意分配不同的輸入節目源進行輸出，并對輸出的音頻信號進行處理。

3 系統架構分析

播控系統擔負著所有頻道節目的播出調度功能，調配著所有節目信號的進出。所以，設計播控系統要建立大系統的概念，充分考慮各技術平臺相互轉換時可能存在的問題，為整個系統提供匹配的工作電平。同時，要考慮整個播控系統的安全可靠，核心設備考慮冗余，排除單點故障，保障節目播出的安全。

播控系統目前有三種架構模式：音頻矩陣架構、音頻矩陣與AoIP混合架構、AoIP架構。

3.1 音頻矩陣架構

播控系統采用的傳統方式是音頻矩陣架構，如圖2所示，目前普遍應用于各廣播電臺，其信號是基于AES/EBU數字音頻信號格式傳輸的，核心設備采用主備數字音頻矩陣，輸入信號包括廣播直播室、錄音室、衛星接收信號、光纜接收信號、微波接收信號、電視播控信號及其他的信號源，主備矩陣的輸出信號通過選擇切換器傳送至中波發射臺、FM發射臺、微波、網絡公司、新媒體播出及其他播出平臺。周邊配備智能化控制及監看系統。endprint

這種架構的優勢是技術成熟、普及度高，臺內的技術人員對這套播控系統的操作熟悉；缺點是擴展性差、線纜數量龐雜，隨著臺內節目信號的增加以及頻道數量的增加，在系統擴展上需要采取整體替換的方式，這給廣播電臺的業務發展帶來瓶頸。

3.2 音頻矩陣與AoIP混合架構

目前國內先進的電臺都在采用網絡化方案建設數字矩陣與網絡矩陣相結合的智能總控系統，如圖3所示。這種廣播播控的架構采用數字音頻矩陣作為主要播出通道（數字音頻矩陣可以配置一主一備，也可以配置一臺），AoIP核心交換機作為備份的播出通道。信號源包括廣播直播室、錄音室、衛星接收信號、光纜接收信號、微波接收信號、電視播控信號以及其他的信號源；輸出的節目信號通過四選一或多選一選擇切換器進行播出通道的選擇和應急切換，將廣播播出的節目傳送至中波發射臺、FM發射臺、微波以及網絡公司等，AoIP核心交換機的輸出同時可作為新媒體播出及其他播出平臺的信號源。在控制系統方面，采用網絡化控制系統，通過監控服務器及屏控工作站實現在總控大屏上對信號和數據的監看功能。

這種音頻矩陣與AoIP混合的架構從根本上是音頻播控系統的過渡產物，目前許多大臺采取這樣的架構，例如中央人民廣播電臺、云南人民廣播電臺等。這種架構更多地考慮了廣播電臺對安全性的要求，目前對這種架構的認可度還是很高。在一些新臺建設的項目中，也多采用這種模式進行設計規劃。

這種架構的優勢是結合了傳統音頻矩陣模式和AoIP模式的優點，具有一定的擴展性和靈活性；缺點是兩種模式帶來系統的復雜性高，給系統的操作維護帶來一定的難度，并且系統的擴展性存在一定的限制，沒有從實質上解決傳統音頻矩陣擴展難的問題。

3.3 AoIP架構

AoIP架構是未來廣播播控的發展方向。核心設備采用AoIP交換機和播出交換機，采用主備的方式，如圖4所示。輸入信號包括廣播直播室、錄音室、衛星接收信號、光纜接收信號、微波接收信號、電視播控信號以及其他的信號源；輸出的節目信號通過播出交換機進行播出通道的選擇和應急切換，將廣播播出的節目傳送至中波發射臺、FM發射臺、微波以及網絡公司等。

網絡化總控方案有著傳統音頻矩陣方案所不可能有的技術優勢，大大降低了傳統音頻布線的復雜程度，很多傳統方案中大量使用的音分和A/D、D/A，在網絡化方案中數量可以大大減少，節約了系統投資；而且也大大提高了系統的性能與靈活性，很多傳統音頻矩陣系統難以實現的信號備份、報警、監測等功能都可以在網絡化主控系統中較容易地實現；由于網絡化主控系統的技術特點，信號的備份變得相對容易，使整個系統的安全性和可靠性大大提高。

網絡化系統的擴展非常容易，比如從一個64×64規模的矩陣擴展成為128×128規模是非常容易的，而且可以在線擴容，中間不會有任何設備被浪費；而傳統的音頻矩陣系統要進行升級擴容，相對比較復雜。因此，在系統擴展方面AoIP系統具有明顯的優勢。

4 AoIP播控系統的設計和分析

AoIP播控系統是當下廣播電臺技術發展的新趨勢，逐步應用于各大廣播電臺。基于上文介紹的AoIP播控系統架構和特點，對AoIP播控系統進行設計并分析。

4.1 AoIP網絡

針對不同規模的廣播電臺應采用不同的設計方案，設計時需結合項目規模、安播要求等要素。

目前，各類音頻設備廠家對AoIP的支持程度不同，部分設備可直接輸出IP流數據，有些則需要由AES/EBU數字音頻信號轉換成IP流數據。進入AoIP網絡內部的所有數據都以IP流的格式傳輸，通常采用的格式為采樣頻率48 kHz，24 bit音頻流，基礎網絡基于OSI模型的網絡IP層來進行網絡傳輸，采用千兆以太網架構，每個1 000 Mb/s的傳輸鏈路可以容納400通道音頻流數據，并支持單播和組播。AoIP技術以IEEE1588標準的PTP（Precision Time Protocol，網絡測量和控制系統的精密時鐘同步協議標準）協議進行時鐘同步，利用RTP（Real-time Transport Protocol，實時傳輸協議）進行數據傳輸，同時采用DiffServ（Differentiated Service，區分服務體系結構）作為QoS（Quality of Service）服務。在AoIP網絡設計上，網絡模式和以太網絡基本一致，可以是靈活多變的，根據建設規模選用不同的網絡架構。

根據傳統廣播播控業務習慣，AoIP網絡按功能可以分為直播網絡、制作網絡、總控網絡三個子網，這三個子網互聯互通，不同類型的業務區域獨立設置網絡交換機，采用千兆以太網傳輸。其中，直播網絡主要包括廣播電臺各直播室AoIP交換機，在直播區域內形成AoIP網絡節點；制作網絡主要包括各錄音室對外傳輸信號，在錄音區域形成網絡節點；總控網絡主要包括廣播總控信號的匯集和分發，廣播總控對外的信號分發等。

對于不同規模的廣播電臺，AoIP網絡架構分為四種：三層網絡架構、二層網絡架構、環形網絡架構、混合網絡架構。

4.1.1 三層網絡架構

三層網絡架構將AoIP網絡分成核心層、匯聚層、接入層，如圖5所示，適用直播室較多的大型廣播電臺。核心層交換機之間相互獨立，形成冗余的核心交換網絡，每層交換機與上層交換機分別連接，保證各傳輸鏈路的冗余。

4.1.2 二層網絡架構

二層交換網絡分為核心層和接入層，如圖6所示，適用于中小型廣播電臺。與三層網絡架構不同的是，不再設置匯聚層交換機，所有接入層（直播區、制作區、播總控區）交換機直接與核心交換機相連接。所有鏈路均設置主備，核心交換機相互獨立。

4.1.3 環形網絡架構

環形網絡架構也稱為無核心網絡架構，如圖7所示，適用于規模較小的廣播電臺。其最大的特點是無核心網絡節點，交換機通過堆疊的方式串接成AoIP網絡，每個交換機有兩個方向鏈路，一個鏈路出現問題，可以通過另外一條鏈路進行網絡互通。采用環形網絡架構的AoIP網絡需考慮生成樹協議。endprint

4.1.4 混合網絡架構

混合網絡架構是網絡異構的一種形式，也稱為拓撲異構，即采用不同方式的網絡架構進行組網，進一步提高網絡安全性。混合架構可以是三層網絡+環形網絡架構，也可以是二層網絡+環形網絡架構（如圖8所示），同樣也可以是雙核心的三層網絡+二層網絡架構。這取決于網絡節點的數量和項目整體的情況。這種架構可應用于各種規模的廣播電臺。

4.1.5 AoIP網絡的接入

按照制播網絡的建設思路，把AoIP網絡中的各個設備看作網絡設備，例如調音臺、音頻處理器、音頻矩陣、播出工作站等。不同的是，目前并不是所有的音頻設備都可以接入AoIP網絡，大部分的音頻設備多采用傳統的AES/EBU或模擬音頻接口。因此，需要對數字/模擬兩種音頻信號進行轉換，即為AoIP接入節點，如圖9所示。

4.2 AoIP網絡音頻監控系統

4.2.1 傳統音頻監控系統

傳統的音頻監控系統和傳輸網是分離的，不管是采用插入監測還是CobraNet監測，都需要打斷原來的信號鏈路去獲取關鍵節點的音頻數據，從而再建一個龐大的監測系統，如圖10所示。這種模式占據大量的音頻輸出端口，線路復雜繁瑣，而且監測功能單一。

4.2.2 AoIP音頻監控系統

AoIP是利用以太網組件來傳輸音頻信號的，線路傳輸除音頻信號外，設備狀態、溫濕度、視頻監控等信息，都可以在同一個網絡中傳輸，配套管理客戶端即可構建一套完整的網絡監控系統，通過AoIP路由的建立，實現了對播出鏈路關鍵節點信號的實時質量分析，如圖11所示。這種監控系統的模式打破了傳統播控、監測、網絡三大系統的壁壘，除個別需要異構備份的播出通道外，大部分業務都統一到IP平臺上，使得廣播監控系統得到精簡和融合。

使用AoIP技術的網絡音頻監控，只需要將具有AoIP端口的音頻設備接入AoIP網中，通過管理工作站就可以對其進行管控，網絡中龐大的音頻數據都可以被檢測，并且可以任意調配，不會因為網絡中有其他IP數據存在而受到干擾或者擁塞。

AoIP監控系統的功能模塊包括路由管理、設備管理、監測報警、統計分析、監聽對講、慢錄回放、綜合管理以及大屏顯示。由于監測直接針對信號源本身，利用軟件插件可在大屏獲得豐富的音頻參數顯示和分析，如圖12所示。

AoIP監控系統大屏監控的內容包括音頻質量監測數據、直播室監控圖像、信號鏈路拓撲監測圖、設備狀況監測圖以及環境監測數據。廣播播控值班人員可直觀地監控整個播出線的質量狀況。

4.3 網絡安全

安全性是播控系統建設的重要原則，也是AoIP系統建設的重要考量因素，設計時應考慮合理的冗余備份。AoIP網絡備份可分為兩種：雙網備份、異構備份。

4.3.1 雙網備份

雙網備份與傳統的播控系統的備份模式相同，AoIP網絡建設完整的兩套傳輸鏈路，所有音頻設備均接入兩套AoIP網絡，如圖13所示。

雙網備份的AoIP網絡在任何一個網絡或網絡節點出現問題時，可以實現自動檢測、零秒切換，保證信號鏈路不中斷，保障播出安全，符合總局62號令對安全播出的要求。

4.3.2 異構備份

異構備份是采用兩種完全不同的模式進行傳輸，可以分為傳輸方式異構、路由異構、拓撲異構以及設備異構。如上文提到的音頻矩陣與AoIP混合架構，采用IP傳輸和AES/EBU傳輸兩種不同的傳輸模式進行傳輸互備，這種異構方式廣泛應用于各大廣播電臺，是目前較為認可的備份方式。

除AES3+AoIP的模式之外，還可采用MADI+AoIP的模式進行，如圖14所示。

4.4 同步系統

AoIP的同步系統是以IEEE1588標準的PTP協議進行時鐘同步。PTP協議是在標準以太網中以一個標準網絡時鐘為參考設置主、從時鐘，通過節點間信息發送與接收計算相應的時間戳，每個節點的從時鐘與主時鐘進行信息交換以修正時間偏差，每一次從發送端到接收端的數據包中都包含主、從時鐘的偏差量，從時鐘持續不斷地進行校準已達到與主時鐘的同步，從而周期性地對網絡中所有節點的時鐘進行校正，使整個AoIP網達到精準時間同步，如圖15所示。

4.5 數字音頻云應用

基于AoIP架構的傳輸網絡使得數字音頻設備之間通過IP鏈路實現功能模塊的互通，不管信號源和目的地的位置，也不管處理單元的位置，只要接入AoIP網絡即成為一個整體，例如調音臺的備份不再簡單的“以臺備臺”，控制面板既可以通過本地調音臺DSP機箱進行信號處理，也可以通過遠程調音臺主機處理信號，通過軟件定義工作流程，形成類似“云”的應用模式，如圖16所示。這種模式也大大提升了網絡安全性，實現了多樣化的災備方案和新媒體融合。

5 結束語

IP化是廣播電視技術發展的大趨勢，這種技術的產生對廣播電視的傳統技術產生了巨大的沖擊，對管理和操作能力也提出了新的要求。相信在不久的將來，AoIP網絡將成為播控系統建設的標配。

（編輯 杜 青）endprint