IP技術(shù)在4K超高清電視系統(tǒng)中的應(yīng)用

陳文旭

（作者單位：廣東廣播電視臺）

隨著電視技術(shù)的發(fā)展，對圖像質(zhì)量的要求也越來越高，從最初的標(biāo)清信號到高清信號，再從目前的高清信號發(fā)展到4K超高清電視信號，都是電視行業(yè)不斷的追求更高的圖像質(zhì)量，以滿足觀眾欣賞高品質(zhì)節(jié)目的需求。相對于高清電視信號，4K超高清電視信號有更高的圖像質(zhì)量要求，采用3 830×2 160的圖像分辨率，信息量是高清的4倍，采用逐行掃面方式，信息量是高清的2倍，因此，4K超高清信號的信息量是高清的8倍，基帶信號傳輸帶寬需求達(dá)到12 GB。面對高帶寬的需求，傳統(tǒng)的SID傳輸方式越來越有局限性，同時隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，IP技術(shù)在電視行業(yè)的應(yīng)用已越趨成熟，因此，構(gòu)建一套IP化的電視系統(tǒng)架構(gòu)將成為發(fā)展趨勢。下面將從電視系統(tǒng)架構(gòu)IP化的驅(qū)動力、系統(tǒng)架構(gòu)以及相關(guān)技術(shù)等方面進(jìn)行闡述和探討。

1 系統(tǒng)架構(gòu)IP化驅(qū)動力

目前，4K超高清電視基帶信號帶寬達(dá)到12 GB，在SDI架構(gòu)下采用4×3 GB SDI線和12 GB SDI線兩種方式傳輸。采用4×3 GB SDI方式將導(dǎo)致系統(tǒng)連接線過多，走線更加困難，同時給后期系統(tǒng)的維護(hù)、改造和擴(kuò)容帶來不便。采用12 GB SDI方式受限于技術(shù)發(fā)展，目前在傳輸距離、整個系統(tǒng)的互聯(lián)互通等方面都有一定的局限性。同時，在維護(hù)方面，采用SDI方式系統(tǒng)需要維護(hù)人員進(jìn)行信號的監(jiān)測、故障的發(fā)現(xiàn)、重復(fù)、實(shí)驗(yàn)、判斷等多項(xiàng)流程后才能確定故障點(diǎn)，因此，系統(tǒng)故障點(diǎn)的排查和解決具有一定的不確定性。

圖1 基于SDI的系統(tǒng)

圖2 基于IP的系統(tǒng)

采用IP架構(gòu)來構(gòu)建演播室系統(tǒng)將是未來發(fā)展的方向，目前相關(guān)電視臺和影視制作公司在建的4K超高清系統(tǒng)中，大部分都采用了IP化的系統(tǒng)架構(gòu)，以滿足系統(tǒng)的靈活性，簡化性、易用性等方面的要求。如圖1所示，基于SDI的系統(tǒng)連線復(fù)雜，單臺設(shè)備需分別連接至不同的對端，若采用4×3 GB SDI方式，連線更是4倍之多。如圖2所示，采用IP的系統(tǒng)，突破傳統(tǒng)端到端的對應(yīng)關(guān)系，所有設(shè)備都連接至IP交換機(jī)，輕松實(shí)現(xiàn)連線自由，同時視頻數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)、同步數(shù)據(jù)等都可在同一根網(wǎng)線中傳輸，極大簡化了系統(tǒng)架構(gòu)，使系統(tǒng)在建設(shè)、維護(hù)、擴(kuò)容等方面提供靈活性和便利性。同時，系統(tǒng)IP化后，打破傳統(tǒng)單個系統(tǒng)形成一個孤島的局面，形成多個系統(tǒng)互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)各路資源共享，以順應(yīng)媒體融合的發(fā)展趨勢。

2 IP化的4K超高清演播室系統(tǒng)架構(gòu)

一個演播室系統(tǒng)由信號源系統(tǒng)、切換系統(tǒng)、音頻系統(tǒng)、同步系統(tǒng)、監(jiān)看系統(tǒng)、管理系統(tǒng)等部分組成。如圖3所示，系統(tǒng)基于IP交換機(jī)為核心的系統(tǒng)架構(gòu)，各系統(tǒng)的信號進(jìn)行IP數(shù)據(jù)包封裝后通過IP網(wǎng)絡(luò)同時連接至主、備核心交換機(jī)，通過核心交換機(jī)實(shí)現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)發(fā)和調(diào)度，同時通過切換臺系統(tǒng)和音頻系實(shí)現(xiàn)PGM信號的處理和切換，實(shí)現(xiàn)視、音頻PGM信號向外圍系統(tǒng)的輸出，外圍系統(tǒng)包括總控系統(tǒng)、加嵌系統(tǒng)、媒資系統(tǒng)等。

在演播室系統(tǒng)中，外來信號格式具有多樣化的特點(diǎn)，具有IP格式的4K信號源，也會有12 GB SDI和4×3 GB SDI的信號源。對于SDI格式的4K外來信號源，可通過SDI轉(zhuǎn)換IP的方式實(shí)現(xiàn)信號格式的轉(zhuǎn)換，目前SDI轉(zhuǎn)IP或者IP轉(zhuǎn)SDI的技術(shù)和產(chǎn)品已成熟，為系統(tǒng)信號的格式統(tǒng)一提供了有利條件。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)圖

在IP網(wǎng)絡(luò)端口方面，目前100 Gbps的光發(fā)送和接收模塊技術(shù)已成熟，為切換臺系統(tǒng)、監(jiān)看系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)單個端口傳輸多路4K信號提供了基礎(chǔ)條件，一個100 Gbps的端口最大可實(shí)現(xiàn)8路4K超高清信號同時發(fā)送和接收。同時，交換機(jī)可提供多種規(guī)格的光收發(fā)器，包括1 Gbps、10 Gbps、25 Gbps、50 Gbps等，各個系統(tǒng)可根據(jù)自身帶寬需求選擇不同規(guī)格的光收發(fā)器進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)最大化的連接自由。

同時，為節(jié)省系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，系統(tǒng)交換機(jī)采用組播的方式進(jìn)行信號的轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)單個發(fā)送者對應(yīng)多個接收者的數(shù)據(jù)通信。組播傳輸采用D類IP地址，地址范圍是224.0.0.0-239.255.255.255。通過組播組管理協(xié)議（IGMP）對各個系統(tǒng)主機(jī)進(jìn)行管理，主機(jī)通過組播組管理協(xié)議加入和離開組播組，核心交換機(jī)通過組播組管理協(xié)議維護(hù)組成員信息。因此，通過組播的方式，實(shí)現(xiàn)單路4K超高清信號在切換臺系統(tǒng)、監(jiān)看系統(tǒng)以及外網(wǎng)系統(tǒng)等系統(tǒng)間自由交換。

3 IP化系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 IP系統(tǒng)同步鎖相

電視系統(tǒng)所有的信號在時間必須同步，兩個以上的信號切換、混合必須在同步基礎(chǔ)上才能操作，傳統(tǒng)的電視架構(gòu)一般采用BB黑場信號或者三電平信號進(jìn)行同步。而在IP架構(gòu)下，采用的是PTP精準(zhǔn)時間協(xié)議，其具體流程如圖4所示，通過主從同步發(fā)送和接收的四個時間戳，從時鐘相對于主時鐘的時鐘偏差為 [(t2-t1)-(t4-t3)]/2。PTP采用基于網(wǎng)絡(luò)的主-從模式定時協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有設(shè)備均可被PTP同步，同步可實(shí)現(xiàn)亞秒級精度。

圖4 PTP處理流程

3.2 網(wǎng)絡(luò)冗余備份

采用主、備交換機(jī)雙鏈路冗余備份，所有信號通道都連接至主備交換機(jī)，當(dāng)一臺交換機(jī)出現(xiàn)故障時，信號無縫切換至另一臺交換機(jī)。同時，根據(jù)SMPTE 2022-7標(biāo)準(zhǔn)，定義了在高碼率傳輸下數(shù)據(jù)保護(hù)切換機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)信號的應(yīng)急切換。

3.3 SDN管理

SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)），是網(wǎng)絡(luò)虛擬化的一種實(shí)現(xiàn)方式，通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制面與數(shù)據(jù)面的分離，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)流量的靈活控制，使網(wǎng)絡(luò)作為管道變得更加智能。在電視系統(tǒng)中，SDN是IP化架構(gòu)的關(guān)鍵組成部分，通過SDN管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控、配置、維護(hù)等操作，同時，SDN具備預(yù)警、告警、故障分析等處理能力。因此，通過SDN管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)運(yùn)維流程簡單化和智能化。

3.4 IP凈切換

采用末端凈切換方式，由于系統(tǒng)采用IP組播技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分發(fā)，因此，流接收通過加入/離開源相對應(yīng)的組播組實(shí)現(xiàn)源的選擇，通過IGMP協(xié)議實(shí)現(xiàn)加入/離開組播組，當(dāng)接收者從當(dāng)前組播組離開并加入新的組播組，從而實(shí)現(xiàn)信號的切換。但交換機(jī)數(shù)據(jù)包并不是連續(xù)的數(shù)據(jù)流，因此，交換機(jī)并不知道視頻幀的邊界，導(dǎo)致數(shù)據(jù)流重疊的現(xiàn)象。為達(dá)到信號凈切換的目的，接收者邊接收邊解析兩路IP化信號流，并丟掉不必要的數(shù)據(jù)包，從而實(shí)現(xiàn)信號流的凈切換。

4 結(jié)語

廣播電視正處于變革的時代，隨著4K超高清電視的發(fā)展，傳統(tǒng)基于SDI的系統(tǒng)已不能滿足廣播電視高清化的需求，隨著IP技術(shù)的成熟，為傳統(tǒng)廣電向IP化發(fā)展提供了新的機(jī)會，雖然目前在IP化道路上還有一定的困難，包括系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題、全產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)品發(fā)展問題、運(yùn)維人員能力問題等，都給我們提出了新的挑戰(zhàn)，但這也是發(fā)展的必經(jīng)之路，我們將在這條道路上努力前行