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        SDI和IP比較

        2016-03-09 03:36:57吉姆·德菲利皮斯
        傳播與制作 2016年2期
        關(guān)鍵詞:信號設(shè)備設(shè)計

        吉姆·德菲利皮斯

        相信大家都知道一切都走向IP,即萬物互聯(lián),甚至實時視頻信號都IP化。的確,SMPTE 2022已存在一段時間,10Gb/s或25Gb/s IP交換機已可供貨,40Gb/s IP交換機指日可待,那么何樂而不為?難道這不是明智地選擇嗎?

        首先比較這兩種技術(shù)?,F(xiàn)以3Gb/s SDI和10Gb/s IP交換機作為基礎(chǔ)討論。首先,描述傳統(tǒng)SDI矩陣的設(shè)計宗旨。

        ·分發(fā)串行數(shù)字輸入信號,每個輸入端口一個信號發(fā)送到一個或更多個輸出端口;

        ·無論有多少被路由和切換的活動信號,都提供一致的延遲和性能;

        ·提供確定的切換時間。

        現(xiàn)在說說IP交換機的設(shè)計宗旨:

        ·管理多個輸入和輸出端口;

        ·跟蹤全部路由表項目(網(wǎng)絡(luò)狀態(tài));

        ·處理或分類IP數(shù)據(jù)包且發(fā)送到適當(dāng)?shù)南乱宦酚伞?/p>

        因此看起來它們是有不同使用情況的兩種設(shè)備。事實上,每種設(shè)備的技術(shù)和協(xié)議都是針對不同使用情況開發(fā)的,因而發(fā)展成為最適合預(yù)期應(yīng)用的技術(shù)和協(xié)議。

        那么為什么要嘗試用非所長?IP視頻的支持者會說現(xiàn)成的硬件降低總成本。他們還說IP技術(shù)是普遍采用的技術(shù),因此更多的研發(fā)導(dǎo)致更多創(chuàng)新和進(jìn)一步改進(jìn)。此外,大大小小廠商可供應(yīng)各種IP產(chǎn)品,提供大型交換結(jié)構(gòu)的靈活設(shè)計。

        不用反駁這些觀點,他們說的是對的,關(guān)鍵的問題是我們應(yīng)懷疑什么?如果包括制造業(yè)、運輸業(yè)、電信業(yè)、商業(yè)和銀行業(yè)等的主要行業(yè)都采用IP,實時視頻制作為何不為?帶寬

        首先要談的是帶寬。要討論的不僅是端口帶寬或內(nèi)部處理帶寬,還要討論每種解決方案的總聚合帶寬(TAB)。對于SDI,這相當(dāng)簡單:

        TAB=(輸入端口數(shù))×(輸出端口數(shù))×端口帶寬

        例如,一個典型的大型電視中心視頻矩陣現(xiàn)為1024×10243G SDI矩陣,TAB是3.15pb/s,即3150000Gb/s。此帶寬可按照指令使用,是限定的和確定的。

        當(dāng)然,這些Gb/s并非全部一直在使用。事實上,大部分時間視頻信號可能都是彩條信號!但被要求時,對任意輸入到任意輸出絕無延遲或限制。

        從IP方面來看,帶寬計算起來有點困難。IP交換機中通常被指定的是“線路速率”,即從端口或多個端口可輸入或輸出的物理接口最大數(shù)據(jù)帶寬。但這沒有給我們提供此交換機的TAB或吞吐量。有很多因素進(jìn)入IP交換機的吞吐量,如背板帶寬、處理速度、緩沖以及某種程度上的電源。

        某主要IP交換機廠家的大型企業(yè)IP交換機的規(guī)格(16個插槽、每個插槽10G b/s)能夠處理320G b/s的最大聚合處理帶寬。每個插槽能夠安裝不同的線路接口卡,但在我們的討論中,假定是一塊四端口10Gb以太網(wǎng)卡。因而我們有64×64(4×16×2)視頻切換的可能性,320Gb/s的TAB。計算結(jié)果每端口輸入或輸出速率不到3Gb/s。順便提一下,此交換機體積7RU,最大功耗約4.5kW。

        相比之下,一個SDI 3Gb/s 64×64矩陣體積4RU,耗電0.25kW,TAB為12.3Tb/s。

        到目前為止,看來SDI在TAB、功率和尺寸方面較優(yōu)。延遲和抖動

        第二個要比較的問題是延遲或等待時間。在每一個設(shè)備和處理中都有延遲。它來自于這個事實,即電子的運動速度比光速要小得多,而且需要更高的功率(這產(chǎn)生熱量),兩者都使得在時鐘速度方面有所增加,因此未來降低功率和熱量,設(shè)備把串行視頻(數(shù)據(jù))轉(zhuǎn)換為并行視頻(串并轉(zhuǎn)換)。

        IP交換機的延遲起因于必須在包到達(dá)時緩沖它,處理它,然后發(fā)送出去。根據(jù)交換機設(shè)計、業(yè)務(wù)負(fù)載和數(shù)據(jù)包大小,數(shù)據(jù)包丟失方面所要求的性能規(guī)定緩沖區(qū)大小。較小的數(shù)據(jù)包意味著較少的總緩沖區(qū),但要求交換機處理速度增大。較大的數(shù)據(jù)包可能要求較低的處理速度,但由于它們的尺寸,必然要求較大的緩沖區(qū)。

        我們假定至少有一個緩沖區(qū)足以處理多個數(shù)據(jù)包(如3個或4個)。實時視頻的統(tǒng)計也是對IP交換機的一個挑戰(zhàn)。大部分IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)包到達(dá)時間假設(shè)是從最短到最長延遲均勻分布(泊松分布)。不過,在實時視頻中,每個端口的包傳輸率是恒定的。更壞的是,由于視頻信號中許多是同步的,數(shù)據(jù)包到達(dá)時間將擠在一起,可能產(chǎn)生沖突而導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失。視頻統(tǒng)計并不很適合旨在傳輸被隨機間隔排列的小異步數(shù)據(jù)包(非流水式連續(xù)不斷的實時視頻)的典型IP交換機。

        產(chǎn)生的延遲將會怎樣?通常一臺IP交換機有一最短的延遲,這是在輕負(fù)載的情況下,而且有一最長的延遲,這是總緩沖長度。在大型的多級交換機中,可能有多個緩沖區(qū)。因此,延遲將是可變的但有限。數(shù)據(jù)包延遲大約5-15μs。順便提一下,如果一個數(shù)據(jù)包在最長緩沖延遲時間內(nèi)不能通過IP交換機,它將丟失。

        在SDI的情況下,這種可變延遲被稱為抖動。數(shù)據(jù)包可變的到達(dá)一終端接收設(shè)備(如制作視頻切換臺或效果器)的時間將不僅要求重新校準(zhǔn)電視中心的同步(因為依然要求進(jìn)行干凈的淡入淡出或插入一個圖形疊加),而且要求重新取樣和時基重整重組的視頻信號以消除抖動。如果總延遲變化在電視行時間(對1080p60為15μs)的一小部分內(nèi),一般的視頻設(shè)備將能夠處理此變化。如果數(shù)據(jù)包延遲超過一電視行時間,那么可能導(dǎo)致類似于不同步切換的后果。

        SDI有抖動,但抖動值較?。?-5ns)。sDI信號可能由制作切換臺視頻參考得到即時補償,但此補償將始終是一致和穩(wěn)定的。

        面向未來

        無疑,為增大端口帶寬而升級SDI矩陣是一種升降機式操作方式。普遍預(yù)期是SDI矩陣將持續(xù)使用7-15年,這是一個典型的電視中心的使用期。IP交換解決方案的前途在于它從一開始就是面向未來,路由器能夠用軟件升級,除了前面談到的物理最大帶寬和端口數(shù)外沒有固有限制。如果現(xiàn)在有超額能力的承受得起的IP交換機,那么未來就無憂,對嗎?

        兩件事有待考慮。一是IP設(shè)備的半壽命約18個月到3年。在此半壽命內(nèi),也許可以升級或擴展系統(tǒng)。半壽命后,將有新的更好的型號,通常價格更低,性能更佳。因此,如果未來用途不在IP交換機設(shè)計的半壽命內(nèi),找到合適規(guī)模的IP交換機并等待下一個開發(fā)周期可能會更好,或者就安裝傳統(tǒng)的SDI矩陣。

        要考慮的另一點是,IP交換機能夠與SDI矩陣競爭(端口對端口)的唯一方式是超安全標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計此交換機和交換結(jié)構(gòu)。當(dāng)未來需求到來,即UHDTV,可能把超安全標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的IP交換機推向其極限,也許達(dá)不到原來的延遲、抖動和丟包性能指標(biāo)。

        其它已經(jīng)提出的面向未來的概念是使用溫和的低延遲視頻壓縮。4:1帶寬壓縮意味著當(dāng)前1080p60設(shè)備能夠處理UHDTV信號。不過,這增加信號流程內(nèi)所有點(包括監(jiān)測點)的編解碼成本和復(fù)雜性。這也許是一種權(quán)宜之計。在串行數(shù)字和實時制作中,用于信號分配的中間壓縮從長遠(yuǎn)看沒有大顯身手。結(jié)語

        提出了一些問題后,我們需仔細(xì)考慮這兩個選擇。視頻制作機構(gòu)多快必須提供要求3Gb/s以上的實時視頻?全I(xiàn)P交換結(jié)構(gòu)有何優(yōu)缺點?IP廠商將支持此產(chǎn)品,包括升級且需要多長時間?

        我們知道SDI矩陣能夠勝任其設(shè)計初衷的工作。IP交換機亦是如此。在我們知道在快速發(fā)展的直播電視中IP交換的表現(xiàn)之前,還需付出一定的時間和努力。endprint

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