湯 浩

內(nèi)蒙古廣播電視臺(tái) 內(nèi)蒙古 呼和浩特市 010050

2018年國家廣播電視總局印發(fā)的《關(guān)于促進(jìn)智慧廣電發(fā)展的指導(dǎo)意見》以及2019年工業(yè)和信息化部、國家廣播電視總局、中央廣播電視總臺(tái)印發(fā)《超高清視頻產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2019-2022年）》，按照“4K 先行、兼顧8K”的總體技術(shù)路線，大力推進(jìn)超高清視頻產(chǎn)業(yè)發(fā)展和加快建立面向5G 的移動(dòng)交互廣播電視相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用，加快廣播電視網(wǎng)絡(luò)傳播體系整體性轉(zhuǎn)型升級(jí)，加快大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第六版（IPv6）、第五代移動(dòng)通信（5G）、新一代衛(wèi)星直播技術(shù)等新一代信息技術(shù)在廣播電視網(wǎng)絡(luò)中的部署和應(yīng)用，推動(dòng)超高清電視業(yè)務(wù)發(fā)展，進(jìn)一步加快廣播電視媒體與新興媒體融合發(fā)展，推動(dòng)廣播電視制播、傳輸、服務(wù)一體化，加強(qiáng)臺(tái)網(wǎng)聯(lián)動(dòng)和統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，著力打造融媒化制作、智慧化傳播、精準(zhǔn)化服務(wù)的廣播電視智慧融媒體。目前，4K采編播等專用設(shè)備已形成產(chǎn)業(yè)化能力，建立較了為完善的超高清視頻產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系。

與當(dāng)前主流的高清視頻相比，4K 超高清節(jié)目的畫面更通透、景物更逼真、色彩更豐富。截止到2022年，央視、廣東臺(tái)、杭州臺(tái)、廣州臺(tái)、北京臺(tái)、深圳臺(tái)及上海文廣集團(tuán)均已開辦4K頻道，大部分省級(jí)電視臺(tái)及地市級(jí)電視臺(tái)均將4K 頻道建設(shè)列入近幾年建設(shè)計(jì)劃中，將有更多的4K頻道落地。內(nèi)蒙古廣播電視臺(tái)4K 超高清電視還處于空白狀態(tài)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了觀眾的需求，為了在新一輪的競爭中不處于劣勢(shì)，應(yīng)盡快發(fā)展超高清電視及智慧廣電，規(guī)劃4K、5G 超高清電視傳輸、總控、播出相關(guān)系統(tǒng)。

現(xiàn)已規(guī)劃兩個(gè)頻道的4K 超高清播出系統(tǒng)、4K超高清總控系統(tǒng)、4K 超高清節(jié)目收錄系統(tǒng)、4K 超高清衛(wèi)星車和5G 傳輸系統(tǒng)。遵循現(xiàn)有規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，兼顧安全、穩(wěn)定和未來擴(kuò)展需求，在基于以太網(wǎng)環(huán)境建設(shè)安全、可靠、高質(zhì)量的4K 播出平臺(tái)，具備外來信號(hào)接受處理能力，文件化播出能力，臺(tái)內(nèi)演播室信號(hào)交流、綜合調(diào)度處理能力。

1 4K超高清播出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于超高清技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，選用IP 架構(gòu)規(guī)劃兩個(gè)頻道4K 超高清電視播出系統(tǒng)，節(jié)目播出采用HLG標(biāo)準(zhǔn)，制作可選用中間格式，播出前統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為HLG 標(biāo)準(zhǔn)，節(jié)目播出采用ITU-R BT.2020色域。

1.1 基于IP 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組建播出平臺(tái)

如圖1 系統(tǒng)視音頻信號(hào)流程圖所示，系統(tǒng)設(shè)備主要包括4K IP播出服務(wù)器、信號(hào)轉(zhuǎn)換、調(diào)度信號(hào)及監(jiān)看、信號(hào)處理等設(shè)備；調(diào)度信號(hào)通過轉(zhuǎn)換后進(jìn)入調(diào)度交換機(jī)；經(jīng)制作后的UHD節(jié)目通過上載導(dǎo)入主備的UHD視頻服務(wù)器系統(tǒng)播出，通過SDN實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信號(hào)的調(diào)度切換。視頻服務(wù)器系統(tǒng)輸出信號(hào)經(jīng)過主、備的UHD鍵控設(shè)備后輸出給編碼設(shè)備；4K信號(hào)經(jīng)過編碼器輸出主備兩路信號(hào)。

圖1 系統(tǒng)視音頻信號(hào)流程圖

本次系統(tǒng)同步信號(hào)采用PTP同步方式，采用主備兩臺(tái)PTP 主鐘，為整個(gè)IP系統(tǒng)提供同步信號(hào)。

1.2 IP架構(gòu)鏈路系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

目標(biāo)是規(guī)劃兩個(gè)支持直播信號(hào)的4K 超高清電視播出頻道，本平臺(tái)基于IP架構(gòu)設(shè)計(jì)。主要核心部件為4K IP 專用交換機(jī)，非IP信號(hào)通過轉(zhuǎn)換設(shè)備轉(zhuǎn)換為IP信號(hào)（以SMPTE ST2110 作為標(biāo)準(zhǔn)接入），再接入交換機(jī)進(jìn)行信號(hào)交換。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，線路簡單，如圖2 IP 架構(gòu)系統(tǒng)框圖所示，系統(tǒng)配置交叉變換設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)完成信號(hào)的上下變換、幀同步等處理功能，選用48口25G接口交換機(jī)，支持PTP接入。

圖2 IP架構(gòu)系統(tǒng)框圖

4K 播出視頻服務(wù)器滿足UHD無壓縮IP信號(hào)播出需求，每臺(tái)完成一路UHD 信號(hào)播出，并提供臺(tái)標(biāo)疊加；播出主要以3840*216050p XAVC Class300500Mbps MXF文件格式存儲(chǔ)，服務(wù)器支持音頻播出不少于16 通道，能夠輸出IP信號(hào)，支持HD轉(zhuǎn)UHD上變換和UHD轉(zhuǎn)HD下變換。

IP/UHD 格式轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)選用主備12 臺(tái)或以上IP 網(wǎng)關(guān)（IPG），完成4K SDI 與SMPTE ST 2110 IP 信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)信號(hào)間的同步處理。使播出系統(tǒng)同時(shí)具有IP和基帶兩種播出信號(hào)。

1.3 播出控制系統(tǒng)

播出控制系統(tǒng)是系統(tǒng)控制核心，主要由播控軟件根據(jù)節(jié)目單控制完成信號(hào)切換播出，發(fā)送UHD視頻服務(wù)器播出、外來信號(hào)播出、墊片播出、應(yīng)急播出指令。與上載系統(tǒng)是文件交互，播出視頻服務(wù)器接收備播系統(tǒng)傳輸過來的視頻文件和圖文文件；與編單系統(tǒng)是串聯(lián)單的交互，接收編單系統(tǒng)發(fā)送過來的播出編排單，并將播后單返回給編單系統(tǒng)；與輔助系統(tǒng)主要是日志交互，提供故障、日志信息。

2 4K超高清總控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

規(guī)劃矩陣規(guī)模不少于60*60的4K 總控調(diào)度系統(tǒng)，采用網(wǎng)絡(luò)核心+邊緣切換的IP 方案。主備核心調(diào)度交換設(shè)備+邊緣網(wǎng)關(guān)切換的IP方案，主備核心交換采用通用交換設(shè)備，邊緣媒體節(jié)點(diǎn)設(shè)備包括ST2110 IP 4K 網(wǎng)關(guān)、ST2110 NAT 設(shè)備及ST2110 上下變換設(shè)備。信號(hào)監(jiān)視采用IP 4K多畫面+4K監(jiān)視器方式，4K多畫面不少于4路UHD信號(hào)監(jiān)視，配備IP 4K 超高清技監(jiān)設(shè)備，可以直接對(duì)ST21104K 信號(hào)進(jìn)行技術(shù)監(jiān)視。系統(tǒng)配備主備2臺(tái)4K超高清延時(shí)器，延時(shí)時(shí)間不低于180s。系統(tǒng)需配備IP 流監(jiān)測(cè)設(shè)備，可以對(duì)選切IP流進(jìn)行技術(shù)分析及呈現(xiàn)、報(bào)警。系統(tǒng)配備SDN調(diào)度系統(tǒng)（含可編程面板），對(duì)IP總控信號(hào)進(jìn)行靈活調(diào)度，提供播出系統(tǒng)統(tǒng)一的PPT 同步。選用IP 架構(gòu)建設(shè)4K 超高清電視總控系統(tǒng)流程如圖3 所示。需要配置IP 流業(yè)務(wù)交換機(jī)2 臺(tái)、IP 網(wǎng)關(guān)12臺(tái)、IP NAT 網(wǎng)關(guān)2 臺(tái)、4K IP 交叉變換2 臺(tái)、4K-IP 多畫面2 臺(tái)、4KUHD—HDMI 轉(zhuǎn)換盒4 臺(tái)、4K信號(hào)180s 延時(shí)器2 臺(tái)、IP 信號(hào)技監(jiān)設(shè)備1 臺(tái)、4K 信號(hào)監(jiān)視器2臺(tái)、同步信號(hào)發(fā)生器2 臺(tái)、總控SDN 控制調(diào)度系統(tǒng)1 套、IP 流監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)1 套、可編程綜合調(diào)度面板6臺(tái)來實(shí)現(xiàn)以上功能。

圖3 總控系統(tǒng)流程圖

3 4K超高清節(jié)目收錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4K 收錄系統(tǒng)配備衛(wèi)星接收機(jī)，用于對(duì)衛(wèi)星接收機(jī)接收下來的4K IP 流進(jìn)行收錄，可對(duì)上星4K 信號(hào)進(jìn)行接收同時(shí)轉(zhuǎn)換為TS over IP形式進(jìn)行收錄；系統(tǒng)配備4K 編碼器，用于對(duì)系統(tǒng)4K 基帶信號(hào)進(jìn)行編碼，對(duì)編碼后的TS over IP （H.265） 信號(hào)進(jìn)行收錄；系統(tǒng)收錄模式采用約單式和全天24 小時(shí)資源收錄式兩種模式；對(duì)于24小時(shí)收錄，應(yīng)不少于主備共12 通道；對(duì)于約單收錄，應(yīng)不少于主備共12通道；系統(tǒng)配置壓縮IP 流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)TS 4K IP 信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)看分析；收錄系統(tǒng)具有存儲(chǔ)、遷移、回看、推送等多種功能，可存儲(chǔ)至少3 個(gè)月的系統(tǒng)收錄素材。采用IP收錄架構(gòu)流程，如圖4所示。

圖4 收錄系統(tǒng)流程圖

建設(shè)4K 超高清節(jié)目收錄系統(tǒng)，需要配置衛(wèi)星接收機(jī)（4K）4 臺(tái)、4K 信號(hào)編碼器2 臺(tái)、約傳單收錄服務(wù)器3 臺(tái)、資源收錄服務(wù)器3 臺(tái)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器2 臺(tái)、遷移、接口服務(wù)器2 臺(tái)、IP 流監(jiān)測(cè)服務(wù)器2 臺(tái)、IP 流監(jiān)測(cè)終端2臺(tái)、收錄核心服務(wù)軟件1 套、IP流監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)軟件1 套、交換機(jī)2 臺(tái)、存儲(chǔ)系統(tǒng)1 套來實(shí)現(xiàn)上述功能。

4 4K編碼傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主備各2 路高清SDI 信號(hào)通過2組編碼器按照AVS2編碼格式編碼，編碼后輸出IP 碼流信號(hào)，通過SDH 設(shè)備傳送到下游單位。采用1+1 熱備份方式組網(wǎng)，保障系統(tǒng)安全性。為進(jìn)一步加強(qiáng)節(jié)目質(zhì)量監(jiān)測(cè)，通過多畫面顯示監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行上屏顯示對(duì)2 主2備共4 套4K 節(jié)目進(jìn)行上屏監(jiān)看，當(dāng)出現(xiàn)異態(tài)情況時(shí)進(jìn)行語音報(bào)警提示，提高節(jié)目的安全播出質(zhì)量?；贗P網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的播出平臺(tái)視音頻信號(hào)編碼系統(tǒng)流程如圖5所示。

圖5 編碼系統(tǒng)流程圖

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)2套4K高清節(jié)目的編碼傳輸系統(tǒng)，需要配置AVS2超高清編轉(zhuǎn)碼器4 臺(tái)、網(wǎng)管軟件系統(tǒng)1 套、節(jié)目多畫面顯示監(jiān)測(cè)1 套、交換機(jī)3 臺(tái)、SDH 傳輸設(shè)備2臺(tái)來實(shí)現(xiàn)上述功能。

5 4K超高清5G、衛(wèi)星車設(shè)計(jì)

4K 超高清5G、衛(wèi)星車能滿足衛(wèi)星方式和5G 方式同時(shí)傳輸信號(hào)，滿足超高清信號(hào)傳輸，超高清編碼分系統(tǒng)支持超高清基帶、IP 流輸入輸出，且滿足SMPTE2110 及完善后的相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。5G、衛(wèi)星傳輸基于IP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)流程如圖6所示。

圖6 5G、衛(wèi)星傳輸IP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)流程圖

支持衛(wèi)星、5G傳輸超高清信號(hào)，編解碼系統(tǒng)支持H.265/HEVC 編解碼，支持10bit 4∶2∶2 及4∶2∶0 采樣方式，并且支持HDR（高動(dòng)態(tài)碼率），支持5.1環(huán)繞聲（杜比E）旁通。調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)支持DVB-S2X 標(biāo)準(zhǔn)下的8PSK 及16PSK 調(diào)制解調(diào)，通過在編碼環(huán)節(jié)增加BISS/RAS加密功能，可以對(duì)傳輸?shù)乃夭倪M(jìn)行加密，任何一臺(tái)沒有得到授權(quán)的接收設(shè)備都無法解碼傳輸?shù)墓?jié)目內(nèi)容。除天線系統(tǒng)外，所有主要系統(tǒng)均具備1∶1或主備熱備份，保證在調(diào)制輸出節(jié)點(diǎn)及功放輸出節(jié)點(diǎn)有自動(dòng)及手動(dòng)切換器。同時(shí)配有應(yīng)急跳線系統(tǒng)，并具備衛(wèi)星接收環(huán)測(cè)能力。配備手持頻譜儀（自帶顯示屏），頻率檢測(cè)范圍不小于100kHz～7.5GHz。

需要配置車輛1 臺(tái)、信號(hào)源接收天線1 臺(tái)、4K 解碼器2 臺(tái)、4K 編碼器2 臺(tái)、切換器2 臺(tái)、調(diào)制及高功放部分各1 套、主供電系統(tǒng)（市電三相380V/50Hz 四線或單相220V/50Hz 三線）輸入和輔助供電系統(tǒng)（DC）、UPS 應(yīng)急供電系統(tǒng)、5kW 車載取力供電系統(tǒng)1 套、充電機(jī)1 臺(tái)、蓄電瓶1組、配電盤1套來實(shí)現(xiàn)上述功能。

6 4K超高清5G背包設(shè)計(jì)

4K 超高清5G 背包能滿足4K超高清在5G 方式下信號(hào)傳輸，超高清編碼分系統(tǒng)支持超高清基帶、IP 流輸入輸出，且滿足SMPTE2110 及完善后的相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。5G背包結(jié)構(gòu)流程如圖7所示。需配備2 套5G 背包、2 臺(tái)服務(wù)器互為主備，當(dāng)主服務(wù)器出現(xiàn)意外停止，前端會(huì)自動(dòng)連接上備用服務(wù)器并正常工作，保障系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

圖7 5G背包結(jié)構(gòu)流程圖

審稿人：安國利 內(nèi)蒙古廣播電視臺(tái)正高級(jí)工程師