錄音車音頻系統基于AoIP網絡架構的設計及配置

尹寶興

（中央廣播電視總臺，北京 100859）

今天，網絡技術的影響已深入到社會的各個領域，專業音頻行業也不例外。利用網絡傳輸各類音頻信息具有諸多優勢，可對傳輸信號內容進行實時監控，信號路由可動態調整，傳輸帶寬大且距離遠等，使音頻系統更加靈活、便捷，且兼容性高。對于廣播電視領域而言，基于AoIP（Audio over IP）技術的音頻系統已經十分廣泛。常用的AoIP技術有Dante、Ravenna、Qlan等，其中， Ravenna協議主要應用于廣播電視領域，Dante協議主要應用于擴聲領域。Ravenna協議是AES67標準的前身，而Dante、Qlan設備又可以通過AES67標準與Ravenna設備互相通信，并且SMPTE2110-30／31標準中關于音頻方面的內容又基本參照了AES67標準，所以Ravenna協議兼容性較強。

中央廣播電視總臺（CCTV）音頻部在B2三維聲錄音車音頻系統的設計中采用了AoIP網絡架構，筆者以此為例，解析基于AoIP的錄音車音頻系統的網絡架構、信號路由、設備配置、網絡設置及調試。

1 系統的網絡架構及信號路由

1.1 系統的網絡架構及信號路由

B2錄音車的音頻系統設計了兩部分，第一部分是基于AoIP以交換機為核心的樹形網絡架構，如圖1所示，可支持Ravenna、Dante協議，兼容AES67以及ST 2110-30／31標準；第二部分是以Lawo Nova 73為核心基于MADI協議的基帶星形網絡架構，如圖2所示。兩種架構并存且相互備份，這樣設計的目的是為了在極大限度發揮AoIP系統的靈活性、多樣性、可擴展性的基礎上，保證系統的可靠性、安全性。

圖1 AoIP樹形網絡架構

圖2 MADI基帶星形架構

音頻系統內主調音臺使用Lawo mc256，核心機箱為Nova 73，接口箱為3臺Dallis，其中有2臺為遠端接口箱，1臺為本地接口箱。交換機使用Cisco SG 550，主時鐘為Tektronix SPG8000A。

所有設備的控制端口分別接入控制交換機，互為冗余的Ravenna、Dante端口分別接入主備音頻交換機，3臺Dallis接口箱均以主備IP的方式連入主備核心交換機。在正常情況下，調音臺系統工作在雙網IP構架之下，3臺接口箱會分別輸出IP信號至主備交換機而后進入主備調音臺。但考慮到極端情況，有可能雙交換機同時出現故障，因此，在設計IP構架的同時，也考慮了MADI基帶構架對IP構架進行全系統的備份。3臺接口箱在具備IP輸出的同時，也連接另外一條MADI光纜至Nova 73。也就是在主備IP網絡全癱瘓的情況下，可以手動將系統切換至MADI構架繼續進行工作。IP和MADI信號分別進入主調音臺輸入通路A和B。正常情況下，所有輸入通道均選擇A-IP信號。當雙IP構架均出現問題時，可以手動在調音臺上按下AB路切換按鍵，將系統信號輸入由A-IP切換至B-MADI，完成輸入系統構架的切換，以保證極端雙網故障時依然可以在基帶構架下完成安全播出。

1.2 設備的配置及功能

調音臺mc256為分離式架構，所有音頻信號的處理均在核心機箱Nova73上完成，調音臺本身只是控制臺面（見圖3）。Nova73 （如圖4）配有1張AES3+1張MADI卡（32路AES3輸入輸出+4個MADI端口）、1張Dante卡（4對Dante端口）、4張Ravenna卡（每張卡擁有4個Ravenna端口）、4張DSP卡（每張DSP卡最多支持96通道的處理能力）、2張核心路由卡（可實時自動完成故障倒換）。

Dante卡每對網口支持64路輸入輸出（共256路輸入輸出），主要用于與外部Dante網絡音頻系統對接?？紤]到目前國內擴聲演藝市場基于AoIP技術的音頻系統主要采用Dante協議，而目前版本的Dante固件如果變為AES67模式無法滿足鏈路的主備切換，所以為了系統的安全性、可靠性與便捷性，不使用Ravenna與Dante系統對接。

圖3 mc256調音臺的控制臺面

圖4 核心機箱Nova73

Ravenna卡每個端口最多可支持128路輸入輸出，該車配備了共2 048通道支持AES67、ST2110-30/31標準的Ravenna端口，并支持ST2022-7雙網絡無縫倒換（SPS冗余機制，雙路所傳輸的內容完全相同，當其中一條路徑發生丟包狀況時，接收端會根據另一條路徑獲取數據；當兩條路徑都正常時，接受端會使用先到達的數據包），可與ST2110架構的轉播車或EFP系統通過網絡實現互通，避免大量接線的麻煩。

在一些安全級別要求較高的直播活動中，MADI卡可作為網絡音頻系統的基帶備份，以保證在主備音頻網絡同時癱瘓時，系統還可以正常運作。在一些需要大量輸入輸出的錄播節目中，MADI卡可作為擴展接口使用，保證系統有足夠的輸入輸出以滿足節目制作的要求。

Dallis接口箱（如圖5）內部擁有音頻矩陣，可實現傳聲器信號、AES3信號、MADI信號以及Ravenna信號的相互路由。應對直播類的節目，可將傳聲器、AES3的輸入信號同時路由到Ravenna與MADI端口的輸出，同時將信號送到錄音車中，保證主備網絡癱瘓時，車內仍可取到全部的音頻信號。

車內的擁有2臺Pyramix音頻工作站亦可通過Ravenna音頻流進行錄制與回放，每臺工作中可進行128路的錄制與回放。2臺工作站之間的時間碼同步使用rtpMIDI技術，該技術可利用現有的音頻網絡通過交換機傳輸MTC時間碼，保證工作站之間在相同的時間碼下進行錄音，為后期的音頻制作提供了便捷。

備調音臺使用了Yamaha QL1（具備32通道Dante端口，支持AES67標準），主備調音臺可通過IP網絡共享AES67音頻信號。Lawo的所有接口箱均支持發送Ravenna、ST2110-30/31 IP數據包的同時，發送出AES67數據包。DanteController

（如圖6）可以讀取到AES67的組播信號，然后將信號連接至備份調音臺。輸入的IP信號通過交換機之后分別進入主備調音臺。主備調音臺制作好的節目信號也通過IP和基帶的方式分別送至接口箱及車外接口板。IP輸出通過IP管理軟件進行切換而基帶輸出則要通過手動跳線的方式實現應急切換。這種全信號完全基于IP數據包的轉發備份，大大優于傳統基帶音頻系統只能分配部分源信號至備份系統的方式，使備份系統更加強大充足，而不僅僅是簡單的應急操作。

錄音車還配備了A_MADI 4（如圖7），該設備可以進行Ravenna與MADI信號之間的轉換。考慮到目前市場還處于AoIP技術與傳統基帶技術的過渡階段，為了方便錄音車與傳統基帶系統的轉播車或者EFP系統對接，可以使用A_MADI 4與之進行互通。

2 信號傳輸鏈路的聯通

為打通系統的信號傳輸鏈路，并使之穩定工作，首先要解決音頻系統的PTP（Precision Time Protocol）時鐘同步問題，這是信號傳輸的前提。

2.1 關于PTP時鐘同步

音頻系統從模擬時代進入數字網絡時代后，由于音頻信號需要經過基于同一時間基準的數模轉換、編碼解碼等處理，轉換為符合網絡傳輸格式后才能在系統中傳輸，所以設備之間的同步顯得尤為重要，可以說設備之間的時鐘同步是音頻數據包有效傳輸的前提。AoIP技術采用精確時間協議來進行設備之間的同步。

在同一個PTP時鐘系統中，所有的設備只有在相同的域（Domain）內才能進行同步，在一個域內建立的時間與其他域中的時間無關，域允許多個時鐘系統共享相同的通信網絡。Ravenna協議中采用PTP v2版本，域的值可以被設定，默認狀態下為0，Ravenna設備之間若想實現同步，域的值首先要相同，見圖8。

圖5 Dallis接口箱

圖6 DanteController

圖7 A_MADI 4

圖8 Ravenna設備PTP時鐘設置界面

圖9 Ravenna卡端口時鐘狀態

最佳主時鐘算法（Best Master Clockal Algorithm，BMCA）會按照一定的順序來對時鐘的優先級進行排序，從而幫助PTP時鐘系統自動推選出相同域內的最佳主時鐘，其中透明時鐘不會參與主時鐘的選舉。這種算法首先會比較各個PTP節點的Priority 1（即圖8中的Prio1），用戶可以自定義這個數值，較小的數值表示較高的優先級。若各節點的Priority 1相同，Class、Accuracy、Variance將會被依次比較，這3個參數不可以被用戶自定義，它們由廠家或者設備本身決定。若這4個參數都無法找出最佳主時鐘，算法將會依次比較Priority 2（即圖8中的 Prio2）和設備的MAC地址。

PTP時鐘網絡需為樹狀拓撲結構，鏈路不能形成閉環。為此，PTP設備端口有主（Master）、從（Slave）、被動（Passive）三種狀態，其中被動狀態不會參與時鐘同步，目的是斷開鏈路防止鏈路形成閉環結構。最佳主時鐘算法會根據層級關系和域的情況來自動設置端口狀態。圖9顯示了Nova73的Ravenna卡中4個Ravenna端口同時接收PTP信息時的端口狀態。這4個端口都處于同一個域，為了避免PTP系統結構形成環路，只有1個端口處于從屬狀態（Slave），其他3個端口為被動狀態（Passive）。

2.2 系統中的同步及聯通設置

系統的主時鐘發生器采用SPG8000A，該設備可接收BB、GPS多種時鐘同步信號，并且可以將這些信號轉換為PTP、Word Clock或者BB輸出。由于該設備的PTP端口不支持ST2022-7冗余，若主交換機癱瘓，系統的同步會出現問題，無法達到備份目的，所以將SPG8000A的Word Clock輸出到A_MADI 4，由A_MADI 4將Wordclock轉換為PTP同步時鐘，通過A MADI 4的主備AoIP網口接入主備交換機，以為交換機上的所有AoIP設備提供PTP同步時鐘。這種情況下，如果主交換機癱瘓，系統的時鐘同步也不會受到影響。

圖10 Ravenna收發流網頁

在AoIP系統中，首先要確保支持PTP音頻設備PTP域值相同，PTP域值在音頻系統中通常為0，這樣才能保證這些設備處于同一個同步系統，之后要調整A_MADI 4的PTP Priority 1的值，這個值要低于其他設備才能使其成為PTP主時鐘。

待系統中的設備同步完成后，需要通過網頁對設備進行收發流的設置。圖10所示為A_MADI 4與Nova73之間的收發流設置。首先，通過A_MADI 4的IP地址訪問Ravenna收發流網頁（見圖10），在TX Streams窗口中可以更改音頻流的名字、格式、組播地址以及音頻流對應的MADI輸入通道（見圖11）。ra0與ra1代表A_MADI 4的2個物理網口。

接下來需要對Nova73進行收流設置。使用者可以通過Nova 73 Ravenna端口的IP地址，或者在網頁右上角的下拉菜單中選擇想要訪問的Ravenna端口（見圖12），進入網頁（見圖10）后在Rx Streams處點擊connect，可以看到目前系統中的音頻流，選擇想要接收的音頻流（見圖13）。由于Nova 73的Ravenna板卡擁有4個Ravenna端口，所以，需要在收流界面選擇用來接收的端口。A_MADI 4發出的音頻流支持SMPTE 2022-7（SPS）冗余機制，收流界面會看到A_MADI 4的2個端口發出的音頻流，Nova 73的Ravenna 板卡需要使用2個端口去接收這一對音頻流。

Lawo的Ravenna設備使用Delay（samples）來處理網絡中音頻數據包不能按順序到達接收端的問題。例如，3號音頻數據包在1號、2號之前到達接收端，緩存區會保留3號音頻數據包直到1號、2號到達，之后再以正確的順序對數據包進行解封裝，保證音頻播出正常。通常這個數值至少為發送端Frame size（幀大小，每個數據包中的采樣點數量）數值的兩倍，以保證接收端有足夠的時間接收讀取數據包，這個數值也會影響總線路延時（發送延時、網絡傳輸延時與接收延時之和）。例如，音頻采樣頻率為48 kHz，Frame size為48，Delay（samples）為96。那么，發送延時=48/48 kHz=0.001 s=1 ms，接收延遲則為2 ms，數據包在運行正常的網絡中傳輸的延時大約為皮秒級別，幾乎可以忽略不計，總線路延時大約為3 ms。

所有設備的首發流頁面配置完畢后，需要進行備份，這樣在網頁配置被改變后可以快速恢復。

圖11 A_MADI 4 發流配置界面

圖12 選擇想要訪問的Ravenna端口

圖13 Nova73收流設置界面

3 交換機配置

為了保證Ravenna數據穩定傳輸，需要對交換機進行一些簡單的配置，確保數據包丟包為零，同時防止網絡堵塞延遲。

如果在Ravenna系統中有2臺或2臺以上的交換機相互連接，則要開啟交換機的STP（Spanning Tree Protocol，生成樹協議）功能。該功能可應用于網絡中建立樹形拓撲，避免形成二層網絡環路，解決局域網中的“廣播風暴”問題。如果系統中的各個交換機沒有相互連接，則不需要開啟STP，因為廣播數據包只能由交換機來轉發，各個終端設備不會進行廣播數據包的轉發，所以廣播數據包不會因此充斥網絡而導致交換機處理性能下降甚至徹底癱瘓。

對于A o I P音頻系統而言，交換機的I G M P Snooping、IGMP Querier（互聯網組播協議）功能一定要開啟。

IGMP Snooping的目的是為了控制交換機中各個端口的網絡流量，使數據更有效地傳輸。例如，當網絡中存在一個RTP組播流時，只有該組播組的成員可以接收到這個RTP的數據包。對于沒有加入這個組播組的設備，交換機則不會向這些設備發送數據，節省了這些設備的傳輸帶寬。如圖14，表示IP地址為172.16.88.89的設備是239.9.96.1與224.0.0.251這兩個組播組的成員，則它可以與這兩個組播中其他設備相互交換數據。

IGMP Querier開啟后，交換機會充當IGMP查詢器。各個終端會定期向查詢器發送成員報告，刷新組播成員列表。交換機會根據成員列表向對應的端口發送組播數據包。

在因特網創建初期，沒有考慮到實時傳輸大量數據的情況，所以網絡在這種情況下可能會發生堵塞、丟包、延遲等問題。為了改進這種狀況，人們對現有網絡體系結構以及網絡運行體制進行了相應的修改與增補。QoS（服務質量）機制中的Diff-Serv（區分服務模型）可以有效地解決這些網絡故障。為滿足系統對不同應用及不同服務質量的要求，就需要網絡能根據實際需求來進行資源的分配和調度，對不同類型的數據流提供不同的服務質量。實時性要求高且重要的數據包優先處理，例如RTP數據包、PTP數據包。對于實時性不強的普通數據包，提供較低的處理優先級，網絡擁塞時甚至丟棄。

圖14 IGMP數據包

4 總結

B2錄音車音頻系統是CCTV第一輛采用AoIP網絡結構的錄音車音頻系統。交付以來，已經完成了國慶閱兵C系統、武漢軍運會開閉幕式、深圳跨年音樂會320路多聲道錄制三個超大型節目的環繞聲及三維聲的節目制作。進一步印證了AoIP音頻系統在穩定性的前提下具備的靈活性和多樣性。此音頻車也一定會在今后4K三維聲時代的音頻制作中發揮重要的作用。

在廣播電視領域中音視頻IP化已是必然，從傳統的看得見摸得著的基帶鏈路，到IP化之后，這些將變為虛擬化、軟件化的路由矩陣。對于系統工程師而言，使用計算機便可自由調度系統中的所有鏈路，監看系統中所有設備的運行情況，這為系統的調試以及排查提供了極大的便利。但與此同時，也對系統工程師的要求更高了，需要完善自己的知識架構，要了解學習有關網絡方面的基礎知識，在系統設計時需要考慮設備之間的兼容性、互通性，要提前做好整個系統的IP地址規劃等。進入AoIP時代，IP技術使得音頻系統更加靈活，更具包容性，音頻數據傳輸的距離更遠，傳輸的通道數量更多，設備的擴展與更新也變得更便捷，可以滿足更多的應用需求。