SDI/IP混合播出系統的視頻信號監測及測量方法

梁 波，茹國鈺

（云南省曲靖市廣播電視臺，云南 曲靖 655000）

0 引 言

傳統數字分量串行接口（Serial Digital Interface，SDI）基帶視頻信號的測量一直遵循兩個基本目的：一是檢測視頻信號質量的優劣，判斷其是否符合國家及行業標準；二是通過對視頻信號的測量和分析，快速定位制播系統的故障原因并解決問題。IP架構的制播系統出現之后，信號測量的目的沒有改變，發生變化的是測量的內容、方法及工具[1]。為此，本文著重介紹SDI基帶視頻信號的測量與IP數據流信號測量之間的聯系和區別。

1 SDI基帶視頻信號測量與IP數據流信號測量的聯系和區別

SDI基帶視頻信號測量與IP數據包信號測量的相似點主要體現在以下方面：對于系統工程師來說，IP架構下的數據包信號只是另一種獲取視頻、音頻和輔助數據的接口，原來插在矩陣上的BNC視頻線纜換成了插在交換機上的光纖。兩種方式下，信號測量的方法、排除故障的思路都沒有改變，仍是在信號源、傳輸的路由及目的中排查數據及報錯情況[2]。IP系統和SDI系統的對比如表1所示。

SDI基帶視頻信號系統通過同步信號進行鎖相，實現整個制播系統設備的同步。一般通過循環冗余校驗（Cyclic Redundancy Check，CRC）以及定時基準信號（Timing Reference Signal，TRS）來判斷視頻以及同步在傳輸中是否發生錯誤。但是在IP系統中，基帶信號的CRC（循環冗余校驗）和TRS（定時基準信號）在轉換后將無法被檢測出來，需要監看網絡的幀校驗序列（Frame Check Sequences，FCS）和CRC錯誤來判斷傳輸是否發生錯誤[3-5]。為避免發生數據包不完整或者丟失的情況，采取使用前向糾錯（Forward Error Correction，FEC）等補償手段保證數據能夠完整重現。如果網絡帶寬、接收端緩存不夠大，會導致一些數據包沒有按時到達接收端，出現畫面卡頓的情況。

從表1可以看到，SDI基帶視頻系統與IP數據包系統的區別還有很多，而在測量中主要體現在以下幾個方面。

表1 IP系統和SDI系統對比

1.1 測量內容不同

由于傳輸原理和鏈路不同，SDI基帶視頻信號測量是對串行數字信號進行直接測量，即測量的是物理層，而IP架構系統內傳輸的是IP數據流，想要測量視頻信號，必須先測量IP數據流。反映在測量上的區別就是由原來的電平、波形、眼圖檢測變成了數據包檢測。如圖1所示。

圖1 IP系統測量相比SDI系統測量的區別

兩個系統的同步信號鎖定方式也有所不同。SDI基帶系統由BB等同步信號鎖定，通過相位檢測確定同步信號是否鎖定；IP架構系統由PTP同步信號鎖定，通過檢測系統內主從時間差即PTP offset值確定同步信號是否鎖定，若絕對值在1μs內，即認為示波器鎖定上了時鐘源。

總體來看，SDI基帶信號測量的主要指標有眼圖，同步相位，CRC error、Log及Payload，IP架構測量對應的指標為IP數據包狀態信息，PTP delay和offset，FCS error和SDP。

1.2 測量過程不同

在SDI基帶信號系統中，如果視頻監控畫面異常，可以快速地定位到相關的線纜或者故障設備。但是在IP架構系統中，當視頻畫面出現異常，不能馬上定位到故障節點，因為圖像是被封裝到數據包中。在保證數據包正確的情況下，具有較大時間差異的數據包也可能導致視頻中斷，因為這些數據包沒有出現丟失，甚至順序也是正確的，只是到達的時間晚了，堆積在接收端的緩沖區之外，導致視頻中斷。

因此，IP架構下信號的測量是一個間接的測量過程。在保證數據包正確的情況下，還要關注網絡流量過載、網絡延時及前向糾錯等情況，甚至需要綜合IP架構下信號的各項指標以及結合FCS和CRC錯誤，綜合各項指標來進行判斷。

1.3 測量工具多樣

SDI基帶信號系統的檢測工具主要為傳統示波器，IP架構系統不再使用SDI基帶信號進行傳輸，而是使用RTP數據包進行網絡傳輸，在帶來靈活性、敏捷性的同時，將給信號測量帶來挑戰。因為這種傳輸形式是間接的，無法直接進行測量。根據檢測對象不同，實踐中將檢測工具分類為網絡檢測類、流狀態檢測類以及圖像檢測類三種，如表2所示。從曲靖市廣播電視臺的使用經驗來看，在IP系統的日常使用中，選用一套包含IP/SDI混合示波器和系統IP controller的軟件，能夠比較全面地對系統運行情況進行監測，同時能夠照顧到現階段的IP和SDI混合方式播出系統。

表2 常用測量工具分類

2 測量思路

有了合適的測量工具，需要確定測量的順序，明確IP數據包和SDI基帶信號指標之間的關系。從以下幾個方面進行分析。

2.1 信號要求

測量應采用基于信號標準（協議）的信號指標。SMPTE ST2110標準規定了系統中視頻、音頻和輔助數據之間保持同步的方法，IP架構系統域內封裝打包以及描述的方法。因此該標準相應的檢測內容就是系統測量的重要參考指標。

2.2 測量順序

測量過程應利用分層網絡模型確定測量順序。IP系統中，傳統七層網絡模型被簡化為五層模型，以便清晰對應IP系統應用，如圖2所示。每層網絡對應有需要監測的參數。

圖2 網絡模型對應關系

根據五層模型所示，IP測量包括物理層檢查，數據鏈路層檢查，網絡層檢查（IP地址和組播地址），傳輸層檢查（SDP文件、PTP狀態），應用層檢查（IP設定是否符合標準，NMOS控制參 數等）。

2.3 綜合考量雙系統下的比對測量

目前，多數廣播電視臺從安全播出的角度出發，還處在SDI基帶系統向IP技術架構系統過渡的時期，IP技術架構系統建設項目會同時涉及IP數據流和SDI基帶信號接口。要完整體現系統狀況，需要同時對IP數據流和SDI基帶信號指標進行同步測試。日常工作中，技術人員不僅要檢查基帶SDI視頻信號是否正常，還要確認在IP路由中的數據包信號是否正常，最終SDI基帶信號指標與IP數據包指標相互結合，分析定位問題產生的節點和原因。

從實際看，目前IP/SDI融合制播系統中，往往最終信號的輸出主要還是以基帶SDI視頻信號接口的形式出現，而末級信號往往同時經過了IP路由和SDI基帶路由。當末級信號出現問題，技術人員不僅要檢查基帶路由中視頻信號是否正常，還要檢查確認信號是否在IP路由中就已經出現問題，或是在IP和SDI轉換的過程中出現問題，最終相互結合IP指標和SDI指標，定位問題產生的節點和原因。

曲靖市廣播電視臺的IP/SDI融合制播系統建設完成并投入試播時，技術人員對整個環節信號檢查時發現，payload ID與實際信號不符。技術人員使用基帶示波器逐級檢查，發現基帶信號中均有這個問題，據此推斷問題很可能不是發生在基帶系統中，而是在IP系統中產生的。經過層層排查，技術人員發現在SDI基帶視頻信號轉IP數據流的設備上，由于設置不正確導致payload ID信息與實際信號格式不符。

另外，如果只依靠肉眼監看圖像細節和質量并不可行，還需要依靠傳統的波形矢量范圍顯示等工具以及高標準監視器來進行畫面監看。傳統的波形圖和矢量圖顯示依舊是視頻工程師查看畫面、進行質量把控的重要工具。

2.4 測量重點

IP架構系統指標本身的特性要求需要組合多個指標來測量IP系統。在IP架構系統中，即使將光纖插入到示波器，設備收到了正確的數據包，也會出現各種圖像問題，因為數據包間隔過大也會導致圖像顯示不正確。同時，還要關注流量過載、網絡延時、前向糾錯等情況，甚至需要綜合IP信號的各項指標，結合FCS和CRC錯誤來進行判斷。

目前，IP系統測量聚焦于與媒體IP數據流特點相關的指標，而一些通用網絡指標則不在重點關注之列。在媒體流大數據帶寬的前提下，測量的一個隱性前提是網絡基本特性是良好的，否則大數據無法實現正常通信。一些非SMPTE ST2110標準所規定的指標，比如IT網絡常用的網絡性能測試指標，包括速率、帶寬、帶寬利用率、吞吐量、時延、丟包率等，主要表現網絡的基本性能。這些指標與其他已有標準的IP指標有關聯性，在檢測完相關SMPTE ST 2110標準的指標后，對于這些非SMPTE ST 2110標準的指標如何檢測，指標對系統的好處和重要性等，還需要繼續深入認識。

傳統的SDI示波器會測量眼圖、抖動、payload等指標，因為這些指標是基帶信號本身的特性，即測量的對象是物理層。IP系統傳輸的本質是RTP包的傳輸，RTP數據包本身并沒有基帶信號的這些特性。RTP數據需要復合OSI的7層模型，每層的傳輸都會添加不同的數據包頭，技術人員通過解析數據包來間接測量IP信號的參數?；鶐到y中的指標如電平、波形、眼圖等，不再適用于IP系統，而通過數據包本身看不出來圖像質量的情況，只有將數據包解析出來，才能對圖像進行分析。

3 結 語

通過SDI基帶信號和IP數據包的對比分析，曲靖市廣播電視臺技術團隊對于SDI/IP混合播出系統逐漸有了一個基本的測量思路，即IP測量順序基于五層網絡模型，測試內容是基于信號標準的各種指標，同時結合SDI基帶信號指標以及傳統的示波器視頻波形和矢量等參數綜合考量。