IP 化技術在電視制播融合中的網絡架構與信號傳輸應用

郝延軍

（濱州博興縣融媒體中心，山東 濱州 256500）

0 引言

隨著互聯網、數字電視、移動通信等新技術在傳媒領域的快速融合與發展，網際互連協議（Internet Protocol，IP）化技術的引入為電視制播業帶來了巨大機遇。IP 化電視制播網絡不僅可以傳輸高清電視信號，還支持基于超文本傳輸協議（Hypertext Transfer Protocol，HTTP）的流媒體點播，以及基于實時傳輸協議（Realtime Transport Protocol，RTP）、實時傳輸控制協議（Realtime Transport Control Protocol，RTCP）的媒體流分發等新型電視服務。

IP 化技術利用互聯網協議對音視頻信號進行數字化編碼、傳輸和交換，采用分組交換的方式傳送壓縮編碼后的數字視頻流，有效提高了電視制播系統的靈活性。傳統的標準定義串行數字接口和高清串行數字接口等專用同軸電纜和光纖信號鏈路，正逐步向支持多種數字信號的芯片和以太網交換機等硬件設備組成的IP 化網絡架構融合過渡。本文從IP 化技術概述、電視制播融合的IP 化網絡架構、IP 化技術在制播融合電視信號傳輸中的應用3 個方面，分析IP 化技術在推動電視制播融合中的關鍵作用。

1 IP 化技術概述

IP 化技術是基于IP 協議的網絡技術，是指使用IP 技術對傳統的音視頻模擬信號進行數字化編碼、壓縮和封裝成流格式數據包，然后通過IP 網絡進行分組傳輸的過程[1]。

IP 化技術的核心是IP 分組傳輸，其基本思路是首先使用數字編碼器對模擬音視頻信號進行數字化編碼和壓縮，生成數字比特流。編碼器輸出的數字比特流通過流媒體服務器進行分封裝處理，生成能夠在IP 網絡上傳輸的格式化數據分組，為流媒體傳輸提供條件。目前，主要的流媒體傳輸協議有面向HTTP 應用的HTTP 實時流媒體（HTTP Live Streaming，HLS）、HTTP 動態自適應流（Dynamic Adaptive Streaming over HTTP，DASH）等，以及面向實時傳輸的RTP 等。經過封裝處理后的流媒體數據分組進入IP 網絡層，根據目的IP 地址由路由器進行分組轉發，以進行端到端的信號傳輸。在信號接收端會解封裝數據分組，還原成數字比特流，然后經過解碼器進行解碼和數字模擬轉換，最終轉換為用戶可以感知的音視頻信號。IP 化技術是數字電視網絡傳輸的基礎，也是推動傳統專用信號鏈路電視制播系統向基于分組交換的IP 網絡制播系統融合的關鍵技術[2]。

2 電視制播融合的IP 化網絡架構

2.1 電視制播融合

傳統電視制播系統由獨立的采集錄制設備、導播設備、播出鏈路組成，制作系統主要采用串行數字接口（Serial Digital Interface，SDI）和矩陣切換器構建，具有系統封閉、距離限制等缺點，制作環節中的視頻信號、音頻信號難以靈活調度。

電視制播融合是基于數字技術對傳統電視制作和播出系統進行數字化改造和功能互聯的過程，主要包括以下流程。第一，制播流程融合。融合采集制作、播出傳輸兩個獨立環節，提升制播效率。第二，制播系統融合。融合圖像采集、聲音采集、燈光控制、虛擬演播室等系統功能，實現資源共享和協同工作。第三，制播資源融合。通過內容資源共享平臺，達成制作端和播出端的深度協作。第四，固定電視和移動電視融合。支持接入多屏終端，實現電視節目向多終端的無縫分發。第五，有線電視網和無線數字電視網的融合，統一內容制作和傳輸網絡。第六，電視網與廣電數據中心的深度融合。由廣電數據中心提供云計算、大數據等技術，以支持電視制播。電視制播融合標志著一個高度協同和開放的新一代數字電視制播模式的形成，而IP 化技術是實現這一融合的核心基礎。

2.2 IP 化核心網及接入網構成

IP 化電視制播網絡的核心網采用高速光傳輸平臺，確保滿足大量高清視頻內容的傳輸需求。IP化核心網及接入網的構成如表1 所示。

表1 IP 化核心網及接入網的構成

核心層主要由高端路由器、大容量傳送平臺組成。路由器采用分組轉發技術，實現數據流的交換與轉發。主干路由器提供大量10GE 端口，數據交換能力強。路由器之間通過光傳送網（Optical Transport Network，OTN）系統互聯，形成網狀結構。傳送平臺以密集波分復用（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）系統為主，在一根光纖上可支持幾十個波道，通過建鏈、掛接多個OTN 系統可實現大容量傳輸[3]。多協議標記交換（Multi-Protocol Label Switching，MPLS）技術用于流量工程，能夠提高線路利用率。接入層包含多功能接入設備和專業編碼設備。接入設備支持無源光纖網絡（Passive Optical Network，PON）、同軸承載以太網（Ethernet Over Cable，EOC）等技術接入各類終端，支持多格式編碼，并組幀打包成IP 流進行傳送。核心層和接入層之間部署傳送網關，實現服務控制、統計等功能，構成一個可擴展、可控的IP 化傳送保障網。

3 IP 化技術在制播融合電視信號傳輸中的應用

3.1 流媒體信號的IP 化傳輸

流媒體是電視制播系統中大量存在的信號形式，包括視頻流、音頻流等。實現流媒體信號的IP化傳輸，是電視制播融合IP 化的關鍵環節。流媒體信號源包括模擬信號源和數字信號源。對于模擬信號源，如模擬攝像機，需要先通過視頻編碼器將其數字化，常用的編碼標準有MPEG-2、H.264 等。

數字化后的流媒體信號，進行IP 封裝后才能在IP 網絡上傳輸。最常用的傳輸協議是RTP。RTP提供了一系列傳輸功能，包括序號標識、時間戳、載荷類型識別、內置冗余校驗，滿足了實時傳輸需求。典型的RTP 封裝方式有以下3 種：第一，RTP 直接封裝編碼數據，適用于點對點傳輸；第二，MPEGTS 提供定時功能，RTP 確保包序，適用于單點到多點的應用；第三，由MP4 文件格式提供更強的媒體同步能力[4]。

RTP 主要應用于傳輸音視頻流，如將攝像機RTP 流導入導播系統、兩地互聯的遠程采訪等場景。RTP 的特點確保了這些實時流媒體信號的時延性和傳輸質量。RTP 傳輸需要在源端和接收端分別部署支持RTP 的編碼器、流媒體服務器，以完成流媒體的RTP 打包和解析處理。

3.2 同步串行接口信號的IP 化傳輸

SDI 是電視行業長期以來使用的高質量數字視頻傳輸接口，可提供同步定時功能。如何實現SDI接口信號的IP 化傳輸，是電視制播融合過程中的技術難點。

SDI 接口主要用于傳輸未壓縮的數字視頻，應用場景以點到點為主。它支持固定碼率傳輸，符合不同接口標準。SDI 采用了嚴格的定時同步機制，能夠保證源端到終端的零延遲傳輸。目前，IP 化傳輸有兩種較為成熟的技術方案。第一，SMPTE 2022 標準。該方案直接在SDI 鏈路層使用用戶數據 報 協 議（User Datagram Protocol，UDP）、RTP進行封裝，以保持源端的時序特征，適合于對終端定時有硬性需求的應用場合，如有源電視轉播站等。第二，SMPTE 2110 標準。該標準將SDI 中的視頻流、音頻流、數據流進行拆分，分別以獨立流的形式進行IP 封裝傳輸。這種方案更靈活，但對IP 網絡的定時同步機制要求更高。SDI 信號IP 化的核心是使用支持SDI over IP 標準的編碼轉換設備，在保證傳輸質量的基礎上準確復制源端時序[5]。

4 結語

IP 化技術的引入使電視制播網絡架構發生重大變革，從過去的專網模式向融合的IP化網絡演進。在技術層面，IP 化的核心在于完成音視頻信號的數字編碼和封裝，以實現基于分組交換的流媒體傳輸。這需要在編碼標準、傳輸協議、網絡設備等環節進行技術創新和優化，以確保在IP 網絡環境下仍能提供高質量的信號傳輸。