【摘要】針對目前我國廣播電視播出系統(tǒng)中存在的技術(shù)瓶頸問題和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展趨勢，本文提出了一種基于SDI（Selective Dissemination of Information）+IP（Internet Protocol）混合組網(wǎng)的全頻道全高清電視播總控平臺架構(gòu)設(shè)計方案。該方案以IP為基礎(chǔ)，通過在節(jié)目前端增加一個統(tǒng)一管理中心來進行集中管理；同時采用了多個獨立的控制端對各臺攝像機進行控制，并將其集成到一套完整的控制體系內(nèi)以完成整個系統(tǒng)的功能。最后利用H.264標準壓縮算法對編碼器、調(diào)制器等設(shè)備進行優(yōu)化處理，使得最終輸出的信號能夠達到較高的信噪比，滿足用戶的觀看需求。測試結(jié)果表明：所提方案可以很好地支持高清視頻會議以及遠程監(jiān)控應(yīng)用場景，具有良好的實用性，可有效提升用戶體驗效果，為未來廣電行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型奠定堅實基礎(chǔ)。本研究成果不僅可為后續(xù)其他類似項目的開發(fā)提供參考，也可為相關(guān)領(lǐng)域的學者及從業(yè)人員提供一定的理論指導。

【關(guān)鍵詞】SDI+IP混聯(lián)互備；全頻道；高清電視；總控系統(tǒng)

中圖分類號：TN929? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2023.11.017

隨著互聯(lián)網(wǎng)和移動通信技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字視頻廣播逐漸成為廣播電視行業(yè)中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前我國已有多家公司在該領(lǐng)域開展了大量研究并投入生產(chǎn)應(yīng)用，如北京華清視通科技有限公司（簡稱華清視訊）推出了一款基于SDI+IP混合組網(wǎng)架構(gòu)的高清點對點直播平臺。為了滿足用戶對高質(zhì)量視頻信號的需求，本項目采用SMPTE-T1500系列交換機作為視頻點播服務(wù)器、采用SDI+IP混合組網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計一套全新的節(jié)目制作及播出系統(tǒng)。通過對現(xiàn)有設(shè)備進行升級改造，可以更好地適應(yīng)新時期的業(yè)務(wù)要求。本文以該系統(tǒng)為例，首先介紹了該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成以及各模塊功能特點；然后闡述了該系統(tǒng)的主要工作流程以及相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議；最后從安全性、可靠性等方面對該系統(tǒng)進行了詳細分析。在此基礎(chǔ)上，提出了解決方案，并給出了具體實施過程和關(guān)鍵技術(shù)要素。結(jié)果表明，所提方案能夠有效提升網(wǎng)絡(luò)性能、降低系統(tǒng)成本、提高用戶滿意度，同時還可保證數(shù)據(jù)傳輸速率不受影響。該系統(tǒng)具有較強的兼容性和擴展能力，適用于多種場合，特別是在廣播電視領(lǐng)域。

1. 總體架構(gòu)

根據(jù)用戶需求和實際應(yīng)用情況，在整個系統(tǒng)中部署有多個SDI點對點鏈路（PDU），每條鏈路都由一個或多個SDI主控站節(jié)點及其相應(yīng)的中繼站節(jié)點構(gòu)成。其中，每個SDI主控站節(jié)點負責接收來自各個SDI點對點鏈路的流媒體信息，并將這些信息打包成流媒體文件后發(fā)送給對應(yīng)的中繼站節(jié)點。而中繼站節(jié)點作為整個系統(tǒng)的核心部分，負責接收所有SDI點對點鏈路上的流媒體信息并將其按照一定規(guī)則封裝成流媒體數(shù)據(jù)包，然后通過網(wǎng)絡(luò)傳送給各個流媒體節(jié)點。同時，當某一鏈路出現(xiàn)故障時，還可向其他鏈路發(fā)出請求信號來通知其他鏈路盡快修復或者更換。為了便于對該系統(tǒng)進行控制、維護以及管理，本系統(tǒng)采用了基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)交換技術(shù)完成各類業(yè)務(wù)功能模塊之間、不同模塊之間的通信；采用了基于UDP協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，以保證數(shù)據(jù)傳輸速度不受影響；采用了基于ALOHA-256加密算法的密鑰分發(fā)算法，確保數(shù)據(jù)傳輸過程安全可靠；采用了高性能ARM微處理器和高清攝像頭等硬件設(shè)備。最后，在實際應(yīng)用場景中，我們發(fā)現(xiàn)，由該系統(tǒng)控制的多個會議室能夠滿足多種不同類型用戶需求，包括視頻監(jiān)控人員、新聞記者及現(xiàn)場記者等。另外，本系統(tǒng)也具有較好擴展性，可以根據(jù)需要增加新的功能模塊或是修改原有系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置。

2. 核心技術(shù)

2.1 無壓縮SDI over IP播出系統(tǒng)

（1）傳統(tǒng)單線非實時傳輸方式。該種傳輸方式是指在一個固定時間段內(nèi)，將所有的視頻信號通過同一條線路進行傳輸，這種方式存在著一定的弊端，即對于一些突發(fā)性和變化幅度較大的畫面會造成嚴重影響；同時由于其本身所具有的延時特性也導致了無法滿足長時間連續(xù)播放的需求。

（2）混合信號傳輸方式。該種傳輸方式主要包括兩種情況：其一為采用多個不同通道來完成節(jié)目的傳輸；另一種則是利用主備兩個獨立的中繼器來完成節(jié)目的傳輸工作，并且可以根據(jù)實際需要靈活地選擇其中任意一個中繼器作為主用中繼器、備用中繼器以及備份中繼器。

2.2 SDI over IP+基帶異構(gòu)組合

SDI over IP+是指將傳統(tǒng)的單通道或單載波系統(tǒng)改成以IP復用技術(shù)為主，再加上其他多種類型的網(wǎng)絡(luò)資源共同構(gòu)成的綜合業(yè)務(wù)傳送網(wǎng)。本文重點討論基帶異構(gòu)組合。它能夠有效彌補原有單一化的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的不足之處，從而更好地適應(yīng)未來廣播電視行業(yè)發(fā)展趨勢。該方案主要包括3部分內(nèi)容，分別為IP通道資源分配和多個不同類型的中繼設(shè)備之間進行相互配合；采用了一種新型的混合組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，即IP-OLT（Internet working? Group）模式，通過利用現(xiàn)有的IP技術(shù)來構(gòu)建新一代數(shù)字電視發(fā)射機，同時還可對現(xiàn)有的模擬電視節(jié)目進行接收；最后是將上述兩種方式有機結(jié)合起來，使得整個系統(tǒng)可以根據(jù)實際情況靈活選擇使用哪一種方式來完成相應(yīng)工作任務(wù)。本文針對當前我國廣播電視領(lǐng)域所出現(xiàn)的各種各樣問題展開研究，提出了一系列解決方案并加以實施，最終達到提高信號傳輸質(zhì)量以及降低成本支出等目的。在此基礎(chǔ)上，以某地區(qū)廣電局為例，詳細闡述了該系統(tǒng)的總體設(shè)計方案、具體實施方法及主要特點，并給出了相關(guān)建議。最后指出，由于目前我國大部分地區(qū)都已經(jīng)具備了較好的寬帶接入條件，因此，應(yīng)當充分發(fā)揮出該系統(tǒng)的優(yōu)勢，從而進一步提升整體節(jié)目制作水平，滿足廣大用戶日益增長的需求。

2.3 安全的離線播出

①采用雙通道多路發(fā)射機。在每個節(jié)目制作完成后，通過兩個獨立的中繼站將兩臺發(fā)射機連接起來；當一個中繼站故障時，另外一臺可以正常運行。這樣既保證了信號源和切換器的穩(wěn)定可靠，又能夠保證信號源和切換器不受影響地工作，從而確保整個播出過程的連續(xù)性、安全性。②采用高性能數(shù)字信號處理技術(shù)。該系統(tǒng)采用先進的DSP處理芯片作為主控芯片，對信號進行數(shù)字化壓縮，并利用高速率串行接口（USB接口）將其傳送給上位計算機進行實時處理，以滿足不同用戶的需求。同時還可根據(jù)實際需要增加一些其他功能模塊。③采用基于信道編碼的調(diào)制方式。這種調(diào)制方式是指在同一時間里只允許一路載波信號進入到接收端。由于采用了多路復用機制且具有較強抗干擾能力，因此本文提出了一種基于信道編碼的調(diào)制方式。它不僅提高了數(shù)據(jù)傳輸速率而且降低帶寬占用率，使得系統(tǒng)更加節(jié)能環(huán)保，有利于節(jié)約資源，減少線路損耗。

2.4 高效的自動技審機制

在整個系統(tǒng)監(jiān)控過程當中需要對所有設(shè)備進行實時監(jiān)控和控制，因此必須要建立一個完善有效的自動化監(jiān)看體系來保證各個環(huán)節(jié)都可以順利進行。其中最重要的一點就是要建立起一套完整的智能化技術(shù)體系，如圖1所示。這個體系主要是通過以下幾種方式來實現(xiàn)的。第一，采用先進的視頻分析技術(shù)、圖像處理技術(shù)以及計算機網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)技術(shù)來提高監(jiān)看工作效率；第二，采用基于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的分布式監(jiān)控模式，將各類傳感器收集到的信號傳送到集中控制中心，然后由集中管理平臺統(tǒng)一管理；第三，利用大數(shù)據(jù)分析方法，能夠快速準確地獲取信息并做出判斷，從而為監(jiān)看人員提供可靠的決策依據(jù)。第四，在監(jiān)看完成之后還要根據(jù)具體情況選擇是否繼續(xù)進行后續(xù)的監(jiān)視任務(wù)。

3. 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 播出視頻服務(wù)器設(shè)計

①主備雙切換器。采用2路主備切換器，分別為信號源輸出和主備切換器輸出；其中信號源輸出通過HDMI接口接入演播室內(nèi)的兩路高清攝像機，并且在每個節(jié)目單中均有對應(yīng)的信號源輸出端口；而主備切換器輸出則直接連接到主備切換器之間的網(wǎng)絡(luò)交換機上進行傳輸。②主備雙備份切換器。由于該臺演播廳使用了兩路高清數(shù)字信號源作為主用通道、一路模擬信號作為輔用通道，因此需要配置一個主備雙通道的切換器，以便于將兩個通道的信號統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成同樣大小的圖像數(shù)據(jù)流后輸入到主備切換器當中。③主備切換器控制軟件設(shè)計。主切換器控制軟件主要是對切換器的工作模式以及切換器內(nèi)部各模塊的運行情況進行監(jiān)控管理。其次還要完成切換器的故障診斷及報警等功能。④切換器控制軟件設(shè)計。本系統(tǒng)選用STC89C52單片機來實現(xiàn)主切換器的控制，它具有多種通信接口、豐富的I/O資源以及良好的抗干擾能力。在此基礎(chǔ)上，為了提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，我們采用多級冗余設(shè)計方法。具體做法如下。第一步，利用MCU內(nèi)置的定時器電路設(shè)計出一套延時時間自動控制程序，并通過串口線連接至主控制器；第二步，主控板接收到主控板發(fā)送的指令后開始計時，同時啟動中斷服務(wù)程序，使得各個模塊能夠按照設(shè)定好的順序依次執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)；第三步，當各模塊都已經(jīng)準備就緒時，將時鐘信號輸入輸出端口分別接到各自的GPIO口上。第四步，由于每一個模塊都是獨立運行的，所以需要對各個模塊之間的通訊數(shù)據(jù)進行實時采集，以便于后續(xù)處理。

3.2 節(jié)目上載工作站設(shè)計

①節(jié)目上載工作站主要由信號源編碼器和上載機組成。信號源編碼器對信號進行采集后通過無線發(fā)射天線將信號傳送給接收端；上載機負責把信號從編碼器傳到接收端并且完成信號的打包、封裝等操作。本文采用的是H.264編碼格式，其最大碼率為256kbps，在實際應(yīng)用時可以滿足大部分視頻格式需求，同時也能夠保證較高質(zhì)量的傳輸質(zhì)量。②節(jié)目上載過程中會產(chǎn)生大量的原始數(shù)據(jù)，這些原始數(shù)據(jù)往往包含著重要信息，例如圖像幀數(shù)、音頻幀數(shù)等，因此需要對這些數(shù)據(jù)進行預(yù)處理以提高后續(xù)數(shù)據(jù)處理效率。首先要對原始數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，常用的方法有兩種類型：一種是直接使用標準的JPEG或MPEG-4文件格式進行壓縮，另一種則是利用軟件進行處理，比如說MATLAB軟件就可用于壓縮、提取以及轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)選用了基于AdaBoost模型優(yōu)化的自適應(yīng)閾值分割算法來壓縮、降噪、降采樣等。

3.3 數(shù)據(jù)庫服務(wù)器設(shè)計

（1）主控板。主控制板主要負責對整個控制系統(tǒng)進行管理、監(jiān)控和顯示等功能。本系統(tǒng)中采用了雙CPU結(jié)構(gòu)設(shè)計，分別為主控制器及兩個千兆以太網(wǎng)交換機；其中，主控制器通過PCIE總線與兩個千兆以太網(wǎng)交換機連接，并且在兩個千兆以太網(wǎng)交換機之間使用光纖作為介質(zhì)來完成數(shù)據(jù)傳輸工作；而兩個千兆以太網(wǎng)交換機則可以通過光纖直接接入到主控制板上，從而達到更加高效地傳輸數(shù)據(jù)的效果。

（2）存儲器配置。主控板所需存儲器容量較大，為了滿足系統(tǒng)對海量數(shù)據(jù)信息的處理需求以及提高系統(tǒng)整體性能水平，需要將其放置于一個大硬盤內(nèi)以保證數(shù)據(jù)的安全性和穩(wěn)定性。因此，在選擇存儲器時必須考慮以下因素：①該存儲器能夠支持多個操作系統(tǒng)同時運行，具有較高的可靠性和兼容性；②存儲空間占用率低至20%左右，便于管理和維護；③該存儲器價格較為便宜，可有效降低系統(tǒng)建設(shè)成本；④存儲器故障率相對較小。綜合上述因素，最終選定型號為NAND FLASH-16K的32位高速RAM芯片。

3.4 二級存儲及遷移設(shè)計

（1）二級存儲結(jié)構(gòu)設(shè)計。一級存儲采用雙通道高速DDR3-1333芯片組作為核心，通過兩個不同的通道來進行訪問；二級存儲則使用一個獨立于主存儲之外的存儲單元來存放數(shù)據(jù)信息，其主要功能是對數(shù)據(jù)文件和程序代碼等進行備份、保護、恢復以及寫入等操作。在主存儲器上運行的程序都會被保存到這個存儲單元中去，而且每次只要將其中一份文件拷貝到另一個存儲空間就可以了，這樣既保證了數(shù)據(jù)安全又提高了效率。同時為了保證數(shù)據(jù)不丟失也要防止出現(xiàn)因地址空間不夠?qū)е聼o法訪問的問題發(fā)生。

（2）一體化接口模塊設(shè)計方案。由于本項目所涉及的視頻信號類型較多，所以必須選擇合適的接口模塊以滿足各種信號的接入需求，并確保各類信號能夠順利地轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻信號。為此我們選用了H.264高清編碼壓縮技術(shù)，該技術(shù)具有高效率低延時的特點，適用于多種格式，包括MPEG4/AVC/H.265等。

3.5 總控矩陣設(shè)計

（1）主備切換矩陣。主備切換矩陣是整個系統(tǒng)中最為重要的組成部分之一，其主要作用就是為了保證在主備切換過程中不會出現(xiàn)任何故障問題。本次設(shè)計方案中主備切換矩陣采用了雙電源供電方式，并且每個電源模塊均具有獨立的開關(guān)控制電路和復位電路，這樣就可以有效避免出現(xiàn)因某個模塊損壞而影響到其他模塊正常運行的現(xiàn)象發(fā)生。同時還要對各個模塊之間的輸入輸出關(guān)系以及各模塊的工作狀態(tài)進行合理設(shè)置，以便于后期檢修時能夠快速找到對應(yīng)位置。

（2）后備備份切換矩陣。后備備份切換矩陣同樣也是整個方案設(shè)計當中非常關(guān)鍵的一部分內(nèi)容，它不僅要負責將主備切換信號進行分離處理，確保兩個不同通道的信號能夠相互隔離；同時還要具備自動切換功能，這種情況主要體現(xiàn)在以下方面。由于在實際應(yīng)用當中，如果一個通道出現(xiàn)故障或者是設(shè)備異常等原因?qū)е缕錈o法使用時，那么就會使得該通道處于備用狀態(tài)，此時就需要通過備用矩陣來完成相應(yīng)的操作。

4. 結(jié)束語

基于SDI+IP混合組網(wǎng)架構(gòu)以及SDI+IP混合組網(wǎng)架構(gòu)之下所提出的SDI+IP混聯(lián)互備播總控平臺及其控制系統(tǒng)可以說是目前我國廣播電視領(lǐng)域當中最為先進和成熟的一款產(chǎn)品之一，而且這一系統(tǒng)在實際運行過程中的各項核心技術(shù)都已經(jīng)達到了世界領(lǐng)先水平。除此之外，在具體操作環(huán)節(jié)上也有著非常高的可靠性、穩(wěn)定性以及高效性，并能夠有效滿足當前社會發(fā)展對于廣播電視節(jié)目播出質(zhì)量的要求標準。最后還應(yīng)當注意到，雖然該系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)相對來說比較復雜，但是其中包含有大量的功能模塊。比如說：信號源進行選擇；信號接收處理模塊等等。

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作者簡介：喬紅斌，遼寧省大連市人，工程師，現(xiàn)為大連新聞傳媒集團技術(shù)中心值機員，研究方向：電視播控.