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        4K超高清電視播出系統(tǒng)技術(shù)策略探討

        2022-10-08 11:32:04江立宇
        電視技術(shù) 2022年9期
        關(guān)鍵詞:信號設(shè)備系統(tǒng)

        江立宇

        (舟山廣播電視臺,浙江 舟山 316000)

        0 引 言

        隨著計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷進(jìn)步,廣播電視技術(shù)日新月異,電視信號的清晰度已經(jīng)從傳統(tǒng)的標(biāo)清進(jìn)入高清,4K超高清電視以及更高分辨率的8K也已經(jīng)開始在大型活動、賽事直播中應(yīng)用。在這一階段,4K電視的制播逐漸成為國內(nèi)電視臺發(fā)展的主流方向[1]。

        4K電視播出和高標(biāo)清播出在技術(shù)架構(gòu)上有不同的選擇,分別是傳統(tǒng)的基帶播出架構(gòu)和基于無壓縮IP模式的IP播出架構(gòu)兩種,也代表了兩種技術(shù)走向。

        1 基帶架構(gòu)播出模式

        以往建設(shè)的高清播出系統(tǒng)多使用的是基帶播出模式。節(jié)目素材經(jīng)過采集、非編制作之后,通過播出服務(wù)器解碼輸出數(shù)字分量串行接口(Serial Digital Interface,SDI)基帶信號,再進(jìn)行實(shí)時的臺標(biāo)和字幕疊加,處理后的PGM在編碼后通過有線網(wǎng)絡(luò)送達(dá)用戶終端。傳統(tǒng)基帶架構(gòu)播出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 傳統(tǒng)基帶架構(gòu)播出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

        上述播出鏈路在應(yīng)對傳統(tǒng)HD/SD-SDI播出需求方面已經(jīng)發(fā)展到穩(wěn)定成熟階段。但隨著超高清時代的到來,4K信號使用4倍于1 080P的分辨率以及信號碼率,傳統(tǒng)SDI基帶方式在傳輸帶寬、傳輸距離等方面出現(xiàn)了瓶頸,所以在初期使用SQD或者2SI的四線方式,把4K信號分割為4個部分進(jìn)行傳輸播出。目前也有通過12G-SDI方式建設(shè)的系統(tǒng),但在大規(guī)模處理調(diào)度、長距離傳輸、高密度集成及成本控制等方面仍存在問題[2]。

        面對這樣的情況,是否使用壓縮信號處理傳輸也成為討論的熱點(diǎn),也有把4K信號通過TICO等淺壓縮技術(shù)來使用一根線纜傳輸?shù)姆绞匠霈F(xiàn),但整體鏈路的處理環(huán)節(jié)需要解碼再編碼,多個環(huán)節(jié)會積累較大的時延,對實(shí)時制作場景并不完全適配。

        基于這些情況,目前在4K的建設(shè)方面,雖然采編制播各個環(huán)節(jié)都已經(jīng)有了4K攝像機(jī)、4K非編、4K播出服務(wù)器等對應(yīng)的基帶產(chǎn)品,但并未組成滿足復(fù)雜場景實(shí)際業(yè)務(wù)需求的、具有合理性價比的解決方案。由此推進(jìn)了對另一技術(shù)架構(gòu)的探索。

        2 無壓縮IP播出模式

        基帶架構(gòu)面臨的傳輸瓶頸使得廣電技術(shù)基礎(chǔ)架構(gòu)需要另尋出路。無壓縮IP技術(shù)對超高清的兼容性、IT化、通用架構(gòu)化等特性,為播出系統(tǒng)帶來了新的解決方案。無壓縮IP基于高速網(wǎng)絡(luò),將信號在網(wǎng)絡(luò)上以相同于基帶信號的碼率進(jìn)行傳輸。得益于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,具有25/100/400 Gb·s-1端口的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備逐漸大規(guī)模應(yīng)用,性價比得以提高[3]。

        目前,電視臺4K播出系統(tǒng)建設(shè)中,更多地選擇無壓縮IP播出架構(gòu)。在整體的系統(tǒng)設(shè)計上,從IP系統(tǒng)的特點(diǎn)出發(fā),重點(diǎn)關(guān)注網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及信號處理流程。

        2.1 文件域、控制域、信號域網(wǎng)絡(luò)分離

        IP化的基礎(chǔ)支撐是網(wǎng)絡(luò),這里主要是指信號域網(wǎng)絡(luò)。而對整個4K播出系統(tǒng)而言,文件域、控制域網(wǎng)絡(luò)也是重要的組成部分。這三個不同網(wǎng)絡(luò)的功能需求有所不同。使用分離的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計,能夠減少相互影響,提高系統(tǒng)的安全性,同時架構(gòu)清晰,也便于后期維護(hù)。文件域、控制域、信號域網(wǎng)絡(luò)分離的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

        圖2 文件域、控制域、信號域網(wǎng)絡(luò)分離結(jié)構(gòu)圖

        文件域網(wǎng)絡(luò)主要完成系統(tǒng)內(nèi)播控、編單、文件遷移等業(yè)務(wù)之間的數(shù)據(jù)交換以及文件FTP傳輸?shù)慕粨Q,主要為TCP/IP方式的點(diǎn)對點(diǎn)連接。安全性方面,考慮主備冗余的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),可使用主備交換機(jī)堆疊+主機(jī)端口聚合的方式組成主備;或者采用主備網(wǎng)絡(luò)地址訪問的獨(dú)立主備交換方式。網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬方面,從4K播出目前使用的XAVC Class300格式500 Mb·s-1碼率文件來看,在頻道數(shù)不多的情況下,使用萬兆網(wǎng)絡(luò)能夠滿足傳輸要求。

        控制域網(wǎng)絡(luò)主要完成播控機(jī)對周邊設(shè)備控制指令的傳輸,數(shù)據(jù)量較小,但需要考慮設(shè)備的控制接口。目前,主流IP設(shè)備的控制接口多使用千兆網(wǎng)絡(luò)接口,支持NMOS IS-04/05協(xié)議。這與傳統(tǒng)基帶設(shè)備使用串口控制有所不同,也是IP化建設(shè)中容易被忽略的問題。

        信號域網(wǎng)絡(luò)接入直播信號、硬盤播出信號以及處理環(huán)節(jié)中的各級無壓縮4K信號,通過用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(User Datagram Protocol,UDP)進(jìn)行傳輸分發(fā),每路信號帶寬大(12 Gb·s-1帶寬),精度要求高,并且實(shí)時播出對于安全性有嚴(yán)苛的要求。因此,對于信號域網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,要求吞吐量高、交換延時小,需要支持大規(guī)模的多播,支持PTP時鐘協(xié)議,以及具備流量監(jiān)控能力等。

        2.2 信號域網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)及控制方式

        信號域網(wǎng)絡(luò)是IP系統(tǒng)三層網(wǎng)絡(luò)中要求最高的一層,是系統(tǒng)設(shè)計的重點(diǎn)。4K播出系統(tǒng)的信號域網(wǎng)絡(luò)通常選擇主備架構(gòu)的25 Gb·s-1光纖網(wǎng)絡(luò),并且從獨(dú)立運(yùn)行的角度出發(fā),與總控調(diào)度系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解耦,只保持信號傳輸通道。如考慮將來大規(guī)模多4K頻道運(yùn)行的情況,可能需要100 Gb·s-1或更高帶寬的葉脊架構(gòu)網(wǎng)絡(luò),這里暫不討論。

        組網(wǎng)方面,為保障信號傳輸安全,設(shè)計主備25 Gb·s-1網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備,適配SMPTE 2022-7的冗余鏈路傳輸標(biāo)準(zhǔn),使每路信號通過主備路徑傳輸。所接入的設(shè)備也同樣要求具備主備端口接入的能力。這種方式從信號的處理順序邏輯來講屬于串聯(lián)方式,而信號域網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的物理連接為星型連接方式,各處理設(shè)備均連接到交換機(jī),信號處理邏輯是由播控軟件來定義的。IP網(wǎng)絡(luò)星型連接方式如圖3所示。

        圖3 IP網(wǎng)絡(luò)星型連接方式圖

        在這種架構(gòu)下,當(dāng)發(fā)生某一級處理設(shè)備故障時,可以通過軟件控制下游設(shè)備從交換機(jī)中獲取更上一級的信號進(jìn)行播出,類似于傳統(tǒng)基帶鏈路中的跳線功能。系統(tǒng)中的設(shè)備支持SMPTE 2022-7標(biāo)準(zhǔn),能夠雙鏈路連接到交換機(jī)來傳輸和接收信號,保證鏈路安全[4]。

        信號切換的控制方面,播出考慮采用Internet組 管 理 協(xié) 議(Internet Group Management Protocol,IGMP)的邊緣切換方式。播控機(jī)向信號接收設(shè)備發(fā)送指令,受控設(shè)備通過IGMP協(xié)議通知交換機(jī)所希望接收的特定組播組的信息(即獲取相應(yīng)信號的組播流),然后離開之前所接收的組播組(即斷開前一個信號的組播流),從而實(shí)現(xiàn)信號切換。并且,交換機(jī)通過IGMP協(xié)議周期性地查詢網(wǎng)內(nèi)的組播組成員是否處于活動狀態(tài),實(shí)現(xiàn)信號連接狀態(tài)的收集與維護(hù)。播控機(jī)對受控設(shè)備發(fā)送指令這一過程,對于目前主流的IP設(shè)備,主要是通過NMOS IS-04/05協(xié)議完成。

        2.3 信號處理流程

        隨著IP硬件周邊的逐漸豐富,采用功能分離的IP播出服務(wù)器+IP切換鍵混處理的系統(tǒng)架構(gòu),逐漸成為4K播出系統(tǒng)的主流架構(gòu)。其特點(diǎn)是服務(wù)器和硬件周邊在功能上實(shí)現(xiàn)了解碼播出、切換和鍵功能的獨(dú)立。其邏輯鏈路與傳統(tǒng)處理流程也比較相近,如圖4所示。

        圖4 IP播出服務(wù)器+IP切換鍵混處理邏輯鏈路圖

        在此架構(gòu)中,IP播出服務(wù)器只保留了核心的文件解碼功能,享有獨(dú)立的資源,充分保證了服務(wù)器播出的安全性和穩(wěn)定性,也與傳統(tǒng)播出服務(wù)器的設(shè)計理念相契合。同時,IP播出服務(wù)器的計算資源壓力減小,可以使用通用IT設(shè)備結(jié)合軟件完成。這樣的方式符合IP技術(shù)的IT化、通用化、微服務(wù)化技術(shù)路線。運(yùn)維方面,可按照通用設(shè)備類型進(jìn)行管理,后期維護(hù)方便。對于無壓縮IP的流量整形技術(shù),在通用IT架構(gòu)服務(wù)器中也已經(jīng)實(shí)現(xiàn),通過網(wǎng)絡(luò)接口完成大流量的規(guī)范發(fā)包,能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量的IP播出。

        處理通道方面,獨(dú)立的IP切換和鍵控設(shè)備針對信號的幀精度無縫切換需求,在硬件內(nèi)部設(shè)置AB通道。A通道用作鍵功能處理并輸出PGM信號。B通道用作預(yù)卷通道,負(fù)責(zé)提前從IP交換機(jī)上將待切換信號通過IGMP協(xié)議拉流接入,在IP流穩(wěn)定接入后,設(shè)備再將信號切入A處理通道疊加臺標(biāo)字幕輸出。AB通道設(shè)計也使切換和鍵混功能更加穩(wěn)定。

        切換鍵混設(shè)備可以自由選擇前級獨(dú)立的主、備IP播出服務(wù)器、墊片等信號,實(shí)現(xiàn)了交叉互備。此架構(gòu)下可以方便地選擇獨(dú)立的字幕設(shè)備,字幕的制作在單獨(dú)的軟件中,與播出互不影響,并且支持更加復(fù)雜的臺標(biāo)、角標(biāo)、字幕效果。

        2.4 關(guān)于PTP和校時

        IP系統(tǒng)中的同步是通過高精度時間同步協(xié)議(Precision Time Protocol,PTP)實(shí)現(xiàn)的。PTP對信號域的穩(wěn)定運(yùn)行起到非常重要的作用。信號的精準(zhǔn)切換、主備網(wǎng)絡(luò)交換的同步,都需要依靠PTP。SDI over IP過程中,以IP格式傳輸?shù)囊曇纛l及輔助數(shù)據(jù)包的發(fā)送、接收和重組節(jié)目信息都需要通過統(tǒng)一的時間標(biāo)識來實(shí)現(xiàn)[5]。與基帶系統(tǒng)中的B.B同步信號一樣,IP化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)里也必須加入同步基準(zhǔn)信號,以對視音頻數(shù)據(jù)流的傳輸進(jìn)行同步鎖定。系統(tǒng)設(shè)計需要充分考慮安全,配置冗余的北斗/GPS雙模接收PTP時鐘設(shè)備,通過信號域交換機(jī)向所有接入設(shè)備分發(fā)。如果作為全臺PTP分發(fā)使用,建議考慮建設(shè)獨(dú)立的PTP分發(fā)網(wǎng)絡(luò)。在校時方面,PTP是絕對時間,所以可以通過PTP時鐘設(shè)備產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)時鐘(Network Time Protocol,NTP),供文件域各類型服務(wù)器及工作站校時使用。這樣的方式下,PTP與NTP為同源,更加統(tǒng)一。

        3 結(jié) 語

        本文對4K超高清電視播出系統(tǒng)技術(shù)策略進(jìn)行研究探討,能夠使相關(guān)技術(shù)人員認(rèn)識到IP技術(shù)給播出架構(gòu)帶來的變革,為舟山廣播電視臺將來的4K超高清播出建設(shè)提供了思路。同時,新技術(shù)對運(yùn)維人員的技術(shù)儲備、運(yùn)維工作管理流程都提出了更高的要求,需要運(yùn)維人員提前完善相關(guān)知識技能體系,轉(zhuǎn)變思維方式。

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