高清電視IP 融合播出系統結構淺析

梁 波，李銳鋒

（云南省曲靖市廣播電視臺，云南 曲靖 655000）

0 引 言

電視播控系統通過視頻切換矩陣，承擔著來自視頻服務器、演播室現場、轉播車回傳、央視新聞節目、衛星接收視頻以及墊播視頻等多種信號的接收、調度及分配任務。隨著技術的發展，電視信號從標清、高清到超高清的逐步過渡以及頻道數量的增加，原有數字分量串行接口（Serial Digital Interface，SDI）基帶信號播出系統的劣勢逐漸顯現。SMPTE ST2110 技術標準正式發布以后，以IP 數據流為主的融合高清、超高清電視播出系統優勢盡顯[1]。

根據SMPTE ST2110 技術標準，綜合其他城市廣播電視臺播出系統的建設經驗，曲靖市廣播電視臺初步確立了以IP 總控調度為中心，涵蓋IP 總控、頻道分控、時鐘同步、監測監看四個大系統的融合IP 高清電視播出控制系統。本文重點從IP 總控系統、頻道分控兩方面闡述曲靖市廣播電視臺新一代播出系統的結構特點。

1 IP 總控矩陣系統

根據曲靖市廣播電視臺現有3 個高清電視頻道播出的要求，同時兼顧未來4K 超高清電視節目播出的需求，結合以往案例的實施經驗，在兼顧安全和經濟的基礎上，技術部門對IP 融合高清播出總控系統的信號源、調度矩陣、控制面板、設備狀態監控、信號監看以及測量系統進行了全面的考慮和設計。方案采用無壓縮SDI over IP 矩陣，實現信號流的集中控制[2]。

1.1 IP 總控系統構成

IP 總控系統由視頻切換矩陣、GPS 時鐘基準同步授時、衛星接收機、多畫面監看和提示（UMD）、技術指標監測報警以及周邊輔助設備等構成。

1.2 總控系統的功能

IP 總控系統為曲靖市廣播電視臺3 套高清電視頻道提供播出節目所需的信號來源，為演播室、播控中心提供同步信號，實現外部源視頻與臺內播出視頻信號的同步、無臺標播出凈信號的節目回錄調度，實現曲靖市廣播電視臺各演播室、新聞直播間、轉播車之間電視信號的互連互通，為全臺播出系統、演播室提供統一的GPS 衛星授時。

1.3 總控系統設計原則

IP 總控系統的設計遵循以下原則。

（1）設備安全可靠。主、備鏈路設備具有穩定、可靠運行的能力及冗余備份，不能存在單一設備崩潰點。

（2）系統先進合理。總控播出系統須充分考慮制播設備IT 化、系統IP 化的發展趨勢，具有一定的前瞻性，確保未來發展需求。

（3）硬件擴展靈活。總控播出系統的核心設備應具備調度靈活、擴展潛力大的特征，能充分滿足節目生產制作部門對不同格式視頻信號的交換及播出需要。

（4）結構簡潔易于維護。總控系統的設計應力求結構簡單、邏輯清楚，方便播控值機人員操作及技術人員日常維護檢修。

2 IP 總控矩陣設計

IP 總控矩陣設計采用IP 架構矩陣替代以往的視頻矩陣，通過軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）控制軟件對高清SDI over IP 信號進行調度控制[3]。

2.1 交換機切換

SDN 控制下的切換方式為交換機切換，如圖1所示。

圖1 交換機切換示意圖

視頻凈切換的實現機制為：在基帶SDI 轉IP 數據流網關卡端，對接入的基帶信號進行幀同步確保基準相同、相位一致，根據SMPTE ST 2110 技術標準將基帶SDI 信號轉碼成IP 數據流信號，并確保幀結束信號相鄰同步，為視頻凈切換創造必備條件；切換檢測模塊一旦檢測到SDN 控制軟件通過串口發過來的切換組播地址和端口號命令，就去檢測該通道對應的IP 包中的幀結束信號，為保證兩通道的切換同步進行，在接收到第一條切換命令后，切換控制模塊并不會在檢測到MARK BIT 后馬上執行切換操作（實時地改變當前通道的組播地址和端口號），而是要再等下一個MARK BIT 到來時再執行切換操作，從而給下一個通道切換命令的發送預留足夠的時間[4]。切換過程分為3 個階段。

（1）切換前。切換前，源網關卡輸出視頻源1（10.0.0.1：10001）到通過SDN 目的1 網關卡，視頻源2（10.0.0.2：10001）到目的2 網關卡。

（2）切換中。切換時，Node 程序通過千兆交換機向SDN 發送切換視頻源2 指令，SDN 接收到切換指令后通過千兆交換機到服務器調取流表，獲取流表后返回數據到Node 程序。Node 程序收到返回數據后發送指令到源網關卡，源網關卡收到指令后建立視頻源1 組播地址（10.0.0.1：10001）和視源2組播地址（10.0.0.2：10001）。SDN 根據流表信息建立視頻源2 至目的1 網關卡，建立視源1 至目的2 網關卡。

（3）切換后。SDN 通過流表信息會對視頻源1和視源2 同時轉換到預留組播地址，最終將視源1（10.0.0.1：10001）輸出至目的2 網關卡，將視源2（10.0.0.2：10001）輸出至目的1網關卡。完成切換后，SDN 將通過交換機到服務器進行新流表存儲、舊流表刪除動作。

2.2 視頻信號數據流同步對齊

由于進入總控系統的視頻信號格式多樣，為確保技術指標符合國家廣播電視總局的播出標準，需要對到達總控系統的源視頻信號進行格式變換、統一的GPS 授時及信號同步，確保時間、相位的精確一致。網關卡在接收到同步信號后，會從BB 同步信號中分離出與之相對應的時鐘和幀頭信號。在SDI 基帶信號轉IP 數據流網關卡實現凈切換，以及最終IP 數據流轉SDI 基帶信號過程中，網關卡將IP 信號封裝成SDI 輸出時，都會利用從BB 同步信號分離出來的時鐘信號。首先實現SDI 與BB 同步信號的頻率同步，之后利用從BB 同步信號中分離出來的幀頭信號，配合網關卡中的行場相位調整模塊，可以將SDI 基帶信號與BB 信號相位調齊[5]。

2.3 GPS 衛星同步校時

同步時鐘系統是保障廣播電視安全播出的重要手段之一。為確保播控系統正常運行，設計時，曲靖市廣播電視臺3 個頻道的分控系統、新聞演播室、直播間、中央電視臺衛星接收信號、轉播車需要通過網路和時碼分配器接收一個來自總控播出系統中心衛星時鐘接收機發出的時鐘同步信號，以實現日常播出特別是現場直播的準時。

3 頻道獨立分控系統設計

3.1 頻道分控系統設計原則

分控系統設計為3 個獨立的電視播出頻道，每個頻道使用主備SDI over IP 鏈路方式。主、備通道路由是兩個具有斷電旁通和同步的功能的獨立信號路由構成，主、備播出信號最終通過自動倒換器進行倒換。頻道分控系統由視頻源信號、格式變換、視頻切換、監測畫面顯示、同步、時鐘顯示系統及設備組成。通過自動播控軟件控制的RS-422、RS-232 接口進行控制。

3.2 頻道分控系統原理

3 個頻道分控系統獨立完成電視播出任務。SDI over IP 鏈路通過IP 鍵控器實現信號的調度切換、臺標及字幕疊加功能，并通過IP4 選1 倒換器實現信號自動倒換輸出以及轉換為SDI 信號送編碼器。各頻道播出信號的監看采用大屏幕多畫面分割結合的方式實現，實現SDI 信號、SDI over IP 信號的混合監看。

3.3 分控配套設備

分控配套設備主要包括數字視頻分配器、倒換器等模塊以及數字鍵控器、字幕機、網絡設備檢測模塊等設備，主要完成數字信號分配、通道信號處理，實時監測機箱板卡模塊的工作狀態和參數。

3.4 分控系統信號顯示與監看

采用簡單網絡管理協議（Simple Network Management Protocol，SNMP），通過遠程設置軟件實現監控畫面的快速創建、布局結構修改、多種畫面分割預置的快速調用，實現各個頻道視頻信號的獨立顯示與監看。分控系統具備嵌入音頻的SDI、萬 兆SFP+ 接 口 的SDI over IP 信號、HDMI 信 號的輸入及HDMI、HDSDI 同步輸出、動態UMD 和Tally 顯示，嵌入音頻的PPM 與VU 表音柱顯示，還可根據提前設置的監測門限，實時檢測播出節目視頻信號丟失、黑場、靜幀、嵌入音頻丟失、靜音以及失真情況，并同步顯示在電視墻上。

4 結 語

IP 融合架構高清電視播出系統自2021 年7 月建設完成后，經過9 個多月的穩定運行，各項播控技術指標符合國家廣播電視總局安全播出管理要求，但在使用過程中也暴露了一些技術人員的部分短板，主要是IP 播出架構涉及的IT 技術、使用的協議較多，與傳統基帶SDI 視頻信號相比，部分技術維護人員認為IP 數據流信號的維護、流程檢修及監測不夠直觀，需要進行學習，更新相關知識，但整個高清電視播出控制系統在安全性、穩定性、可靠性方面以及擴展性方面展現出較大的靈活優勢。