當前環境下4K播出系統建設思路探討

唐廣言 東臺市廣播電視臺

1. 4K的參數選擇及不同環節的格式問題

隨著“中央廣播電視總臺 4K 超高清電視節目制播技術規范（暫行）”的發布和實踐，目前各電視臺大部分都將4K節目的基本參數定義為4K分辨率，50幀幀率，BT.2020色域, 10bit量化，高動態范圍（HDR）采用HLG標準。

在臺內信號環節，主流采用無壓縮模式，隨著12G產品的逐漸成熟和ST2110標準的發布，同軸電纜和光纖成為4K信號在臺內傳輸的主流介質。

在臺外信號環節，衛星傳輸必須采用 AVS2，但該技術在延遲上的問題較大。所以在非衛星場景，光纖直播回傳、播出編碼送下游有線公司等環節，普遍選擇H.265（HEVC）壓縮技術。

對錄播節目，已經全面文件化。XAVC CLASS 300成為主要的送播交換格式，該壓縮格式的碼率為500Mbps，是目前高清MXF的10倍。所以對于部分電視臺，也可以考慮采用H.265作為交換格式。

2.4K播出系統建設架構的選擇

隨著 SMPTE 2022-6、SMPTE 2110 等標準的不斷完善，使得在全IP環境上建設4K系統成為可能。所以在當前環境下，面對4K播出系統的建設模式，有多種不同的選擇，可以采用同軸電纜（4×3G-SDI、12G-SDI），也可以采用 SDI Over IP，那么，這幾種建設模式目前的發展現狀到底如何？各有什么優點和不足之處？這些是接下來我們需要重點探討的問題。

2.1 4×3G-SDI的建設模式

目前，國內兩個已經落地的 4K 播出系統均采用這種模式。顧名思義，這種方式是采用四條3G-SDI鏈路來傳輸一路12G的4K/UHD信號，每根同軸電纜當中跑的都是一路1080P信號，所用的視音頻周邊產品也是高清時代既有的產品，技術成熟、可靠。

但是這種模式下建設的系統結構比較復雜，設備太多，部署成本高昂，而且4根線傳輸一路信號，長期運行會遇到同步漂移的問題。需要回到模擬分量時代的管理方式，即每過一段時間，逐個環節檢查同步，因此，維護管理會變得更加復雜。

總的來說，4×3G-SDI的建設模式是目前產品最完善、技術最成熟、最容易落地的一種解決方案，但是它的缺點也是比較明顯的，特別是在總控環節，這種模式基本上不被接受，因此，隨著基帶IP技術和12G-SDI技術的發展，4×3G-SDI的建設模式必將被淘汰。

2.2 12G-SDI的建設模式

鑒 于 4×3G-SDI 技 術 上 的 缺 陷， 近 年 來，12G-SDI技術飛速發展。12G-SDI技術的熱點在演播室、轉播車等現場制作環節，尤其是在輕量化4K現場制作場景中，發展很快。因此，某一些視音頻廠商的產品在這個領域成熟較快。

在 12G-SDI技術架構下，信號架構可以完全回到目前大家熟悉的單線同軸模式，而且已經具備了完善的產品線，包括切換開關、切換臺、鍵控器、4x1、多畫面，矩陣也可以到144×144以上規模，且性價比較好。

但是 12G-SDI也有一個致命的弱點，那就是傳輸距離受限，經測試加奈美的L-5.5CUHD同軸視頻電纜測試最多只能傳輸80米，更遠距離需要采用光端機，而且跳線環節會引入較大的衰減。

綜上所述，在頻道規模不大的情況下，又不想太多改變管理模式時，建議采用12G-SDI模式搭建4K播出系統，可以快速上線、架構成熟，性價比較高，而且管理模式可以幾乎不變，人員適應成本最低。

2.3 SDI Over IP 的建設模式

由于 IT 技術的飛速發展，IP 的帶寬以及傳輸覆蓋的優勢已經逐漸進入廣電人的視野，隨著一系列協議的頒布，基于SDI Over IP架構的播出產品已經慢慢成為各大設備生產商關注的焦點，下面，首先介紹一下基帶IP協議的現狀。

ST2022-6 ：成熟的協議，解決了嵌入式 SDI信號和IP的封裝問題。不需要PTP同步即可工作。但傳輸4K信號的話，需要＞12G的帶寬。4K系統中采用，對帶寬和端口會造成壓力，不建議使用。

ST2110 ：正在完善協議，已經解決了視頻、音頻、元數據等數據通過IP進行封裝的問題。必須要PTP同步才能工作。傳輸一路4K信號只需要＜9G的帶寬，大量節省帶寬。

ST2059 ：定義了視音頻 IP 設備如何采用 PTP時鐘進行同步。協議本身已成熟。

IS04/05/06：定義了視音頻 IP 設備在網絡內如何自發現、注冊等工作方式，最終服務于統一網絡管理的需求。目前只發布了IS04，05、06尚未正式發布。

ST2022-7：實現一個流傳輸的鏈路冗余，成熟協議。各廠商基本都支持。

IP 在 4K 系統的建設中具備天然的優勢，帶寬高，目前可以達到25G、40G、100G。對4K系統來說，25G/40G/100G接口可以很好容納在ST2110下9Gbps帶寬，而且一根光纖復用多個信號，可雙向傳輸，布線更少，物理部署簡單，設備占用空間小，而且大量設備可以軟件化，系統更靈活，可以做到資源共享。

另外，IP 協議與格式無關 ,基帶的 4K、HD、SD，壓縮域的TICO、TS等可以在一個交換機內調度，能夠很好的適應融媒體時代。

但是，從 SDI向 IP 的轉變也是一個艱難的過程。在IP環境下，技術均為IT技術，相對FPGA等硬件，可控性較差。而且SDI時代的所有維護管理習慣、應急操作模式基本全部作廢，臺內管理人員必須適應全新的工作模式，從SDI時代的信號路由轉變為IP時代的信號路由，無法所見即所得，必須依賴軟件才能工作。

3.結語

隨著廣電技術的發展，超高清播出系統的建設將會成為未來幾年內播出系統建設的重點。本文介紹了幾種主流4K 播出系統建設的優缺點， 4×3G是最成熟方案，但一定會被淘汰，維護難度大，不建議采用；12G-SDI方案，產品進展上有些缺陷，但可以接受，性價比較高，管理維護幾乎不變，是目前比較好的一個選擇； IP是未來的發展趨勢，如果考慮目前開始為未來幾年內的IP化做技術積累，就要考慮一定程度降低該頻道的安全標準，目前不建議大規模使用。