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        高清電視IP 融合播出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)淺析

        2022-06-13 16:49:02李銳鋒
        電視技術(shù) 2022年5期
        關(guān)鍵詞:視頻信號關(guān)卡基帶

        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(tǒng)通過視頻切換矩陣,承擔(dān)著來自視頻服務(wù)器、演播室現(xiàn)場、轉(zhuǎn)播車回傳、央視新聞節(jié)目、衛(wèi)星接收視頻以及墊播視頻等多種信號的接收、調(diào)度及分配任務(wù)。隨著技術(shù)的發(fā)展,電視信號從標(biāo)清、高清到超高清的逐步過渡以及頻道數(shù)量的增加,原有數(shù)字分量串行接口(Serial Digital Interface,SDI)基帶信號播出系統(tǒng)的劣勢逐漸顯現(xiàn)。SMPTE ST2110 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布以后,以IP 數(shù)據(jù)流為主的融合高清、超高清電視播出系統(tǒng)優(yōu)勢盡顯[1]。

        根據(jù)SMPTE ST2110 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),綜合其他城市廣播電視臺播出系統(tǒng)的建設(shè)經(jīng)驗(yàn),曲靖市廣播電視臺初步確立了以IP 總控調(diào)度為中心,涵蓋IP 總控、頻道分控、時鐘同步、監(jiān)測監(jiān)看四個大系統(tǒng)的融合IP 高清電視播出控制系統(tǒng)。本文重點(diǎn)從IP 總控系統(tǒng)、頻道分控兩方面闡述曲靖市廣播電視臺新一代播出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

        1 IP 總控矩陣系統(tǒng)

        根據(jù)曲靖市廣播電視臺現(xiàn)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(jié)目播出的需求,結(jié)合以往案例的實(shí)施經(jīng)驗(yàn),在兼顧安全和經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)上,技術(shù)部門對IP 融合高清播出總控系統(tǒng)的信號源、調(diào)度矩陣、控制面板、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、信號監(jiān)看以及測量系統(tǒng)進(jìn)行了全面的考慮和設(shè)計。方案采用無壓縮SDI over IP 矩陣,實(shí)現(xiàn)信號流的集中控制[2]。

        1.1 IP 總控系統(tǒng)構(gòu)成

        IP 總控系統(tǒng)由視頻切換矩陣、GPS 時鐘基準(zhǔn)同步授時、衛(wèi)星接收機(jī)、多畫面監(jiān)看和提示(UMD)、技術(shù)指標(biāo)監(jiān)測報警以及周邊輔助設(shè)備等構(gòu)成。

        1.2 總控系統(tǒng)的功能

        IP 總控系統(tǒng)為曲靖市廣播電視臺3 套高清電視頻道提供播出節(jié)目所需的信號來源,為演播室、播控中心提供同步信號,實(shí)現(xiàn)外部源視頻與臺內(nèi)播出視頻信號的同步、無臺標(biāo)播出凈信號的節(jié)目回錄調(diào)度,實(shí)現(xiàn)曲靖市廣播電視臺各演播室、新聞直播間、轉(zhuǎn)播車之間電視信號的互連互通,為全臺播出系統(tǒng)、演播室提供統(tǒng)一的GPS 衛(wèi)星授時。

        1.3 總控系統(tǒng)設(shè)計原則

        IP 總控系統(tǒng)的設(shè)計遵循以下原則。

        (1)設(shè)備安全可靠。主、備鏈路設(shè)備具有穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的能力及冗余備份,不能存在單一設(shè)備崩潰點(diǎn)。

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

        (3)硬件擴(kuò)展靈活??偪夭コ鱿到y(tǒng)的核心設(shè)備應(yīng)具備調(diào)度靈活、擴(kuò)展?jié)摿Υ蟮奶卣?,能充分滿足節(jié)目生產(chǎn)制作部門對不同格式視頻信號的交換及播出需要。

        (4)結(jié)構(gòu)簡潔易于維護(hù)。總控系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)力求結(jié)構(gòu)簡單、邏輯清楚,方便播控值機(jī)人員操作及技術(shù)人員日常維護(hù)檢修。

        2 IP 總控矩陣設(shè)計

        IP 總控矩陣設(shè)計采用IP 架構(gòu)矩陣替代以往的視頻矩陣,通過軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Network,SDN)控制軟件對高清SDI over IP 信號進(jìn)行調(diào)度控制[3]。

        2.1 交換機(jī)切換

        SDN 控制下的切換方式為交換機(jī)切換,如圖1所示。

        圖1 交換機(jī)切換示意圖

        視頻凈切換的實(shí)現(xiàn)機(jī)制為:在基帶SDI 轉(zhuǎn)IP 數(shù)據(jù)流網(wǎng)關(guān)卡端,對接入的基帶信號進(jìn)行幀同步確保基準(zhǔn)相同、相位一致,根據(jù)SMPTE ST 2110 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)將基帶SDI 信號轉(zhuǎn)碼成IP 數(shù)據(jù)流信號,并確保幀結(jié)束信號相鄰?fù)?,為視頻凈切換創(chuàng)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(fā)過來的切換組播地址和端口號命令,就去檢測該通道對應(yīng)的IP 包中的幀結(jié)束信號,為保證兩通道的切換同步進(jìn)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(zhí)行切換操作(實(shí)時地改變當(dāng)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(zhí)行切換操作,從而給下一個通道切換命令的發(fā)送預(yù)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(wǎng)關(guān)卡輸出視頻源1(10.0.0.1:10001)到通過SDN 目的1 網(wǎng)關(guān)卡,視頻源2(10.0.0.2:10001)到目的2 網(wǎng)關(guān)卡。

        (2)切換中。切換時,Node 程序通過千兆交換機(jī)向SDN 發(fā)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(jī)到服務(wù)器調(diào)取流表,獲取流表后返回數(shù)據(jù)到Node 程序。Node 程序收到返回數(shù)據(jù)后發(fā)送指令到源網(wǎng)關(guān)卡,源網(wǎng)關(guān)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(jù)流表信息建立視頻源2 至目的1 網(wǎng)關(guān)卡,建立視源1 至目的2 網(wǎng)關(guān)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(zhuǎn)換到預(yù)留組播地址,最終將視源1(10.0.0.1:10001)輸出至目的2 網(wǎng)關(guān)卡,將視源2(10.0.0.2:10001)輸出至目的1網(wǎng)關(guān)卡。完成切換后,SDN 將通過交換機(jī)到服務(wù)器進(jìn)行新流表存儲、舊流表刪除動作。

        2.2 視頻信號數(shù)據(jù)流同步對齊

        由于進(jìn)入總控系統(tǒng)的視頻信號格式多樣,為確保技術(shù)指標(biāo)符合國家廣播電視總局的播出標(biāo)準(zhǔn),需要對到達(dá)總控系統(tǒng)的源視頻信號進(jìn)行格式變換、統(tǒng)一的GPS 授時及信號同步,確保時間、相位的精確一致。網(wǎng)關(guān)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(yīng)的時鐘和幀頭信號。在SDI 基帶信號轉(zhuǎn)IP 數(shù)據(jù)流網(wǎng)關(guān)卡實(shí)現(xiàn)凈切換,以及最終IP 數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)SDI 基帶信號過程中,網(wǎng)關(guān)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(shí)現(xiàn)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(wǎng)關(guān)卡中的行場相位調(diào)整模塊,可以將SDI 基帶信號與BB 信號相位調(diào)齊[5]。

        2.3 GPS 衛(wèi)星同步校時

        同步時鐘系統(tǒng)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(tǒng)正常運(yùn)行,設(shè)計時,曲靖市廣播電視臺3 個頻道的分控系統(tǒng)、新聞演播室、直播間、中央電視臺衛(wèi)星接收信號、轉(zhuǎn)播車需要通過網(wǎng)路和時碼分配器接收一個來自總控播出系統(tǒng)中心衛(wèi)星時鐘接收機(jī)發(fā)出的時鐘同步信號,以實(shí)現(xiàn)日常播出特別是現(xiàn)場直播的準(zhǔn)時。

        3 頻道獨(dú)立分控系統(tǒng)設(shè)計

        3.1 頻道分控系統(tǒng)設(shè)計原則

        分控系統(tǒng)設(shè)計為3 個獨(dú)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(dú)立信號路由構(gòu)成,主、備播出信號最終通過自動倒換器進(jìn)行倒換。頻道分控系統(tǒng)由視頻源信號、格式變換、視頻切換、監(jiān)測畫面顯示、同步、時鐘顯示系統(tǒng)及設(shè)備組成。通過自動播控軟件控制的RS-422、RS-232 接口進(jìn)行控制。

        3.2 頻道分控系統(tǒng)原理

        3 個頻道分控系統(tǒng)獨(dú)立完成電視播出任務(wù)。SDI over IP 鏈路通過IP 鍵控器實(shí)現(xiàn)信號的調(diào)度切換、臺標(biāo)及字幕疊加功能,并通過IP4 選1 倒換器實(shí)現(xiàn)信號自動倒換輸出以及轉(zhuǎn)換為SDI 信號送編碼器。各頻道播出信號的監(jiān)看采用大屏幕多畫面分割結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn),實(shí)現(xiàn)SDI 信號、SDI over IP 信號的混合監(jiān)看。

        3.3 分控配套設(shè)備

        分控配套設(shè)備主要包括數(shù)字視頻分配器、倒換器等模塊以及數(shù)字鍵控器、字幕機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備檢測模塊等設(shè)備,主要完成數(shù)字信號分配、通道信號處理,實(shí)時監(jiān)測機(jī)箱板卡模塊的工作狀態(tài)和參數(shù)。

        3.4 分控系統(tǒng)信號顯示與監(jiān)看

        采用簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(Simple Network Management Protocol,SNMP),通過遠(yuǎn)程設(shè)置軟件實(shí)現(xiàn)監(jiān)控畫面的快速創(chuàng)建、布局結(jié)構(gòu)修改、多種畫面分割預(yù)置的快速調(diào)用,實(shí)現(xiàn)各個頻道視頻信號的獨(dú)立顯示與監(jiān)看。分控系統(tǒng)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(tài)UMD 和Tally 顯示,嵌入音頻的PPM 與VU 表音柱顯示,還可根據(jù)提前設(shè)置的監(jiān)測門限,實(shí)時檢測播出節(jié)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(jié) 語

        IP 融合架構(gòu)高清電視播出系統(tǒng)自2021 年7 月建設(shè)完成后,經(jīng)過9 個多月的穩(wěn)定運(yùn)行,各項(xiàng)播控技術(shù)指標(biāo)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(shù)人員的部分短板,主要是IP 播出架構(gòu)涉及的IT 技術(shù)、使用的協(xié)議較多,與傳統(tǒng)基帶SDI 視頻信號相比,部分技術(shù)維護(hù)人員認(rèn)為IP 數(shù)據(jù)流信號的維護(hù)、流程檢修及監(jiān)測不夠直觀,需要進(jìn)行學(xué)習(xí),更新相關(guān)知識,但整個高清電視播出控制系統(tǒng)在安全性、穩(wěn)定性、可靠性方面以及擴(kuò)展性方面展現(xiàn)出較大的靈活優(yōu)勢。

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