尹寶興

（中央廣播電視總臺，北京 100859）

今天，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的影響已深入到社會的各個領(lǐng)域，專業(yè)音頻行業(yè)也不例外。利用網(wǎng)絡(luò)傳輸各類音頻信息具有諸多優(yōu)勢，可對傳輸信號內(nèi)容進行實時監(jiān)控，信號路由可動態(tài)調(diào)整，傳輸帶寬大且距離遠等，使音頻系統(tǒng)更加靈活、便捷，且兼容性高。對于廣播電視領(lǐng)域而言，基于AoIP（Audio over IP）技術(shù)的音頻系統(tǒng)已經(jīng)十分廣泛。常用的AoIP技術(shù)有Dante、Ravenna、Qlan等，其中， Ravenna協(xié)議主要應(yīng)用于廣播電視領(lǐng)域，Dante協(xié)議主要應(yīng)用于擴聲領(lǐng)域。Ravenna協(xié)議是AES67標準的前身，而Dante、Qlan設(shè)備又可以通過AES67標準與Ravenna設(shè)備互相通信，并且SMPTE2110-30／31標準中關(guān)于音頻方面的內(nèi)容又基本參照了AES67標準，所以Ravenna協(xié)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(tǒng)的設(shè)計中采用了AoIP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，筆者以此為例，解析基于AoIP的錄音車音頻系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、信號路由、設(shè)備配置、網(wǎng)絡(luò)設(shè)置及調(diào)試。

1 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及信號路由

1.1 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及信號路由

B2錄音車的音頻系統(tǒng)設(shè)計了兩部分，第一部分是基于AoIP以交換機為核心的樹形網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖1所示，可支持Ravenna、Dante協(xié)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(xié)議的基帶星形網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖2所示。兩種架構(gòu)并存且相互備份，這樣設(shè)計的目的是為了在極大限度發(fā)揮AoIP系統(tǒng)的靈活性、多樣性、可擴展性的基礎(chǔ)上，保證系統(tǒng)的可靠性、安全性。

圖1 AoIP樹形網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖2 MADI基帶星形架構(gòu)

音頻系統(tǒng)內(nèi)主調(diào)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(shè)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(diào)音臺系統(tǒng)工作在雙網(wǎng)IP構(gòu)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(diào)音臺。但考慮到極端情況，有可能雙交換機同時出現(xiàn)故障，因此，在設(shè)計IP構(gòu)架的同時，也考慮了MADI基帶構(gòu)架對IP構(gòu)架進行全系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)全癱瘓的情況下，可以手動將系統(tǒng)切換至MADI構(gòu)架繼續(xù)進行工作。IP和MADI信號分別進入主調(diào)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(gòu)架均出現(xiàn)問題時，可以手動在調(diào)音臺上按下AB路切換按鍵，將系統(tǒng)信號輸入由A-IP切換至B-MADI，完成輸入系統(tǒng)構(gòu)架的切換，以保證極端雙網(wǎng)故障時依然可以在基帶構(gòu)架下完成安全播出。

1.2 設(shè)備的配置及功能

調(diào)音臺mc256為分離式架構(gòu)，所有音頻信號的處理均在核心機箱Nova73上完成，調(diào)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(wǎng)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(wǎng)絡(luò)音頻系統(tǒng)對接?？紤]到目前國內(nèi)擴聲演藝市場基于AoIP技術(shù)的音頻系統(tǒng)主要采用Dante協(xié)議，而目前版本的Dante固件如果變?yōu)锳ES67模式無法滿足鏈路的主備切換，所以為了系統(tǒng)的安全性、可靠性與便捷性，不使用Ravenna與Dante系統(tǒng)對接。

圖3 mc256調(diào)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(wǎng)絡(luò)無縫倒換（SPS冗余機制，雙路所傳輸?shù)膬?nèi)容完全相同，當其中一條路徑發(fā)生丟包狀況時，接收端會根據(jù)另一條路徑獲取數(shù)據(jù)；當兩條路徑都正常時，接受端會使用先到達的數(shù)據(jù)包），可與ST2110架構(gòu)的轉(zhuǎn)播車或EFP系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)音頻系統(tǒng)的基帶備份，以保證在主備音頻網(wǎng)絡(luò)同時癱瘓時，系統(tǒng)還可以正常運作。在一些需要大量輸入輸出的錄播節(jié)目中，MADI卡可作為擴展接口使用，保證系統(tǒng)有足夠的輸入輸出以滿足節(jié)目制作的要求。

Dallis接口箱（如圖5）內(nèi)部擁有音頻矩陣，可實現(xiàn)傳聲器信號、AES3信號、MADI信號以及Ravenna信號的相互路由。應(yīng)對直播類的節(jié)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(wǎng)絡(luò)癱瘓時，車內(nèi)仍可取到全部的音頻信號。

車內(nèi)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(shù)，該技術(shù)可利用現(xiàn)有的音頻網(wǎng)絡(luò)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(diào)音臺使用了Yamaha QL1（具備32通道Dante端口，支持AES67標準），主備調(diào)音臺可通過IP網(wǎng)絡(luò)共享AES67音頻信號。Lawo的所有接口箱均支持發(fā)送Ravenna、ST2110-30/31 IP數(shù)據(jù)包的同時，發(fā)送出AES67數(shù)據(jù)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(diào)音臺。輸入的IP信號通過交換機之后分別進入主備調(diào)音臺。主備調(diào)音臺制作好的節(jié)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(xiàn)應(yīng)急切換。這種全信號完全基于IP數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)備份，大大優(yōu)于傳統(tǒng)基帶音頻系統(tǒng)只能分配部分源信號至備份系統(tǒng)的方式，使備份系統(tǒng)更加強大充足，而不僅僅是簡單的應(yīng)急操作。

錄音車還配備了A_MADI 4（如圖7），該設(shè)備可以進行Ravenna與MADI信號之間的轉(zhuǎn)換?？紤]到目前市場還處于AoIP技術(shù)與傳統(tǒng)基帶技術(shù)的過渡階段，為了方便錄音車與傳統(tǒng)基帶系統(tǒng)的轉(zhuǎn)播車或者EFP系統(tǒng)對接，可以使用A_MADI 4與之進行互通。

2 信號傳輸鏈路的聯(lián)通

為打通系統(tǒng)的信號傳輸鏈路，并使之穩(wěn)定工作，首先要解決音頻系統(tǒng)的PTP（Precision Time Protocol）時鐘同步問題，這是信號傳輸?shù)那疤帷?/p>

2.1 關(guān)于PTP時鐘同步

音頻系統(tǒng)從模擬時代進入數(shù)字網(wǎng)絡(luò)時代后，由于音頻信號需要經(jīng)過基于同一時間基準的數(shù)模轉(zhuǎn)換、編碼解碼等處理，轉(zhuǎn)換為符合網(wǎng)絡(luò)傳輸格式后才能在系統(tǒng)中傳輸，所以設(shè)備之間的同步顯得尤為重要，可以說設(shè)備之間的時鐘同步是音頻數(shù)據(jù)包有效傳輸?shù)那疤?。AoIP技術(shù)采用精確時間協(xié)議來進行設(shè)備之間的同步。

在同一個PTP時鐘系統(tǒng)中，所有的設(shè)備只有在相同的域（Domain）內(nèi)才能進行同步，在一個域內(nèi)建立的時間與其他域中的時間無關(guān)，域允許多個時鐘系統(tǒng)共享相同的通信網(wǎng)絡(luò)。Ravenna協(xié)議中采用PTP v2版本，域的值可以被設(shè)定，默認狀態(tài)下為0，Ravenna設(shè)備之間若想實現(xiàn)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(shè)備PTP時鐘設(shè)置界面

圖9 Ravenna卡端口時鐘狀態(tài)

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(yōu)先級進行排序，從而幫助PTP時鐘系統(tǒng)自動推選出相同域內(nèi)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(jié)點的Priority 1（即圖8中的Prio1），用戶可以自定義這個數(shù)值，較小的數(shù)值表示較高的優(yōu)先級。若各節(jié)點的Priority 1相同，Class、Accuracy、Variance將會被依次比較，這3個參數(shù)不可以被用戶自定義，它們由廠家或者設(shè)備本身決定。若這4個參數(shù)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(shè)備的MAC地址。

PTP時鐘網(wǎng)絡(luò)需為樹狀拓撲結(jié)構(gòu)，鏈路不能形成閉環(huán)。為此，PTP設(shè)備端口有主（Master）、從（Slave）、被動（Passive）三種狀態(tài)，其中被動狀態(tài)不會參與時鐘同步，目的是斷開鏈路防止鏈路形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)。最佳主時鐘算法會根據(jù)層級關(guān)系和域的情況來自動設(shè)置端口狀態(tài)。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(tài)。這4個端口都處于同一個域，為了避免PTP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形成環(huán)路，只有1個端口處于從屬狀態(tài)（Slave），其他3個端口為被動狀態(tài)（Passive）。

2.2 系統(tǒng)中的同步及聯(lián)通設(shè)置

系統(tǒng)的主時鐘發(fā)生器采用SPG8000A，該設(shè)備可接收BB、GPS多種時鐘同步信號，并且可以將這些信號轉(zhuǎn)換為PTP、Word Clock或者BB輸出。由于該設(shè)備的PTP端口不支持ST2022-7冗余，若主交換機癱瘓，系統(tǒng)的同步會出現(xiàn)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(zhuǎn)換為PTP同步時鐘，通過A MADI 4的主備AoIP網(wǎng)口接入主備交換機，以為交換機上的所有AoIP設(shè)備提供PTP同步時鐘。這種情況下，如果主交換機癱瘓，系統(tǒng)的時鐘同步也不會受到影響。

圖10 Ravenna收發(fā)流網(wǎng)頁

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

待系統(tǒng)中的設(shè)備同步完成后，需要通過網(wǎng)頁對設(shè)備進行收發(fā)流的設(shè)置。圖10所示為A_MADI 4與Nova73之間的收發(fā)流設(shè)置。首先，通過A_MADI 4的IP地址訪問Ravenna收發(fā)流網(wǎng)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(yīng)的MADI輸入通道（見圖11）。ra0與ra1代表A_MADI 4的2個物理網(wǎng)口。

接下來需要對Nova73進行收流設(shè)置。使用者可以通過Nova 73 Ravenna端口的IP地址，或者在網(wǎng)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(wǎng)頁（見圖10）后在Rx Streams處點擊connect，可以看到目前系統(tǒng)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(fā)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(fā)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(shè)備使用Delay（samples）來處理網(wǎng)絡(luò)中音頻數(shù)據(jù)包不能按順序到達接收端的問題。例如，3號音頻數(shù)據(jù)包在1號、2號之前到達接收端，緩存區(qū)會保留3號音頻數(shù)據(jù)包直到1號、2號到達，之后再以正確的順序?qū)?shù)據(jù)包進行解封裝，保證音頻播出正常。通常這個數(shù)值至少為發(fā)送端Frame size（幀大小，每個數(shù)據(jù)包中的采樣點數(shù)量）數(shù)值的兩倍，以保證接收端有足夠的時間接收讀取數(shù)據(jù)包，這個數(shù)值也會影響總線路延時（發(fā)送延時、網(wǎng)絡(luò)傳輸延時與接收延時之和）。例如，音頻采樣頻率為48 kHz，F(xiàn)rame size為48，Delay（samples）為96。那么，發(fā)送延時=48/48 kHz=0.001 s=1 ms，接收延遲則為2 ms，數(shù)據(jù)包在運行正常的網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)难訒r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(shè)備的首發(fā)流頁面配置完畢后，需要進行備份，這樣在網(wǎng)頁配置被改變后可以快速恢復(fù)。

圖11 A_MADI 4 發(fā)流配置界面

圖12 選擇想要訪問的Ravenna端口

圖13 Nova73收流設(shè)置界面

3 交換機配置

為了保證Ravenna數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸，需要對交換機進行一些簡單的配置，確保數(shù)據(jù)包丟包為零，同時防止網(wǎng)絡(luò)堵塞延遲。

如果在Ravenna系統(tǒng)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(xié)議）功能。該功能可應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)中建立樹形拓撲，避免形成二層網(wǎng)絡(luò)環(huán)路，解決局域網(wǎng)中的“廣播風暴”問題。如果系統(tǒng)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(shù)據(jù)包只能由交換機來轉(zhuǎn)發(fā)，各個終端設(shè)備不會進行廣播數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，所以廣播數(shù)據(jù)包不會因此充斥網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)而言，交換機的I G M P Snooping、IGMP Querier（互聯(lián)網(wǎng)組播協(xié)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(wǎng)絡(luò)流量，使數(shù)據(jù)更有效地傳輸。例如，當網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)包。對于沒有加入這個組播組的設(shè)備，交換機則不會向這些設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，節(jié)省了這些設(shè)備的傳輸帶寬。如圖14，表示IP地址為172.16.88.89的設(shè)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(shè)備相互交換數(shù)據(jù)。

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(fā)送成員報告，刷新組播成員列表。交換機會根據(jù)成員列表向?qū)?yīng)的端口發(fā)送組播數(shù)據(jù)包。

在因特網(wǎng)創(chuàng)建初期，沒有考慮到實時傳輸大量數(shù)據(jù)的情況，所以網(wǎng)絡(luò)在這種情況下可能會發(fā)生堵塞、丟包、延遲等問題。為了改進這種狀況，人們對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)運行體制進行了相應(yīng)的修改與增補。QoS（服務(wù)質(zhì)量）機制中的Diff-Serv（區(qū)分服務(wù)模型）可以有效地解決這些網(wǎng)絡(luò)故障。為滿足系統(tǒng)對不同應(yīng)用及不同服務(wù)質(zhì)量的要求，就需要網(wǎng)絡(luò)能根據(jù)實際需求來進行資源的分配和調(diào)度，對不同類型的數(shù)據(jù)流提供不同的服務(wù)質(zhì)量。實時性要求高且重要的數(shù)據(jù)包優(yōu)先處理，例如RTP數(shù)據(jù)包、PTP數(shù)據(jù)包。對于實時性不強的普通數(shù)據(jù)包，提供較低的處理優(yōu)先級，網(wǎng)絡(luò)擁塞時甚至丟棄。

圖14 IGMP數(shù)據(jù)包

4 總結(jié)

B2錄音車音頻系統(tǒng)是CCTV第一輛采用AoIP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的錄音車音頻系統(tǒng)。交付以來，已經(jīng)完成了國慶閱兵C系統(tǒng)、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(jié)目的環(huán)繞聲及三維聲的節(jié)目制作。進一步印證了AoIP音頻系統(tǒng)在穩(wěn)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(fā)揮重要的作用。

在廣播電視領(lǐng)域中音視頻IP化已是必然，從傳統(tǒng)的看得見摸得著的基帶鏈路，到IP化之后，這些將變?yōu)樘摂M化、軟件化的路由矩陣。對于系統(tǒng)工程師而言，使用計算機便可自由調(diào)度系統(tǒng)中的所有鏈路，監(jiān)看系統(tǒng)中所有設(shè)備的運行情況，這為系統(tǒng)的調(diào)試以及排查提供了極大的便利。但與此同時，也對系統(tǒng)工程師的要求更高了，需要完善自己的知識架構(gòu)，要了解學習有關(guān)網(wǎng)絡(luò)方面的基礎(chǔ)知識，在系統(tǒng)設(shè)計時需要考慮設(shè)備之間的兼容性、互通性，要提前做好整個系統(tǒng)的IP地址規(guī)劃等。進入AoIP時代，IP技術(shù)使得音頻系統(tǒng)更加靈活，更具包容性，音頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x更遠，傳輸?shù)耐ǖ罃?shù)量更多，設(shè)備的擴展與更新也變得更便捷，可以滿足更多的應(yīng)用需求。