計算演播室IP視頻信號帶寬

韋斯·辛普森

計算一個IP網上視頻信號要求的帶寬不很難，但確實要求相當熟悉基礎技術和封包格式。對像估算某一網絡連接上可傳輸的視頻數量或計算傳輸兩個設施之間信號的長距離連接之成本這樣的任務來說，獲得正確的答案非常重要。

本文將探討1080p59.94視頻信號以兩個目前流行的不壓縮IP視頻傳輸格式傳輸時將消耗的帶寬。

第一個格式為SMPTE ST 2022-6，它最初為在長距離網絡上傳輸不壓縮信號（包括所有嵌入音頻及其它包含在HANC和VANC空間內的信號）而設計。這個格式目前依然受歡迎，原因是它很容易接收一個SDI信號源（SD、HD或3G），將它轉換為ST 2022-6以便在IP連接上傳輸，并且在不改變一個比特的情況下在目的地恢復為完全相同的SDI信號。它已經被很多設備供應商廣泛采用，并且在不少業內活動（如VSF（視頻服務聯盟）主辦的VidTrans）上證實了互操作性。

另一個格式較新，但它允許以獨立的IP打包流形式傳輸每種媒體要素（視頻、音頻等）。這種方式無需嵌入和解嵌音頻及其它信號到傳輸的SDI流中，并且如下面的計算所示，減少視頻傳輸所需的IP網絡帶寬。VSF TR-03建議基于RFC 4175，它接收成組像素，并直接把它們映射到RTP包。此推薦標準預計很快演進為SMPTE ST 2110-20，它將使用類似的包格式。

包有效載荷

計算信號帶寬的第一步是估計每個包內可傳輸的媒體要素量。對于ST 2022-6，這一步很容易，每個包攜帶固定的1376B有效載荷。對于VSF T R-03，可能有好幾種選擇，因此為簡化計算，每個包含1920像素的視頻行將被分為4個各有480像素的相等部分。使用4：2：2取樣，每對像素要求4個10b取樣（2個亮度和2個色度），這相當于40b或5B。因此，480像素將占（480/2）*5=1200B。

包報頭和開銷

如圖1所示，在每一層，當包通過協議棧時，增加了新報頭。對于ST 2022-6，增加了一個高碼率媒體報頭。對于TR-03（即將成為ST 2110-20），使用了一個8B有效載荷報頭。接著，加上12B RTP報頭和8B UDP報頭，隨后是IPv4報頭和8B UDP報頭。在以太網層，14B的標準以太網報頭往往被一個4B VLAN標記擴張，而所需的4B幀檢驗序列被添加到包，因此總共有22B的開銷。在標準的路徑上傳輸時，每個以太網幀之前有一個8B前導碼，隨后是一個相當于12B長度的幀間間隔，總開銷等于20B長度。

包傳輸速率計算

一旦知道了每個包的大小，計算信號帶寬所需的另一因素是每秒包數量。這必須用原始信號速率計算。

對于ST 2022-6，由于傳輸整個 1080p59.94有效載荷，此計算必須基于完整視頻幀。每行有2200個取樣，每幀有1125行，每個取樣有20b（采用4：2：2 10b取樣），每幀總字節數為6187500。每個包有1376B，也就是每個視頻幀有4492個包。在59.94fps，總包速率為269550包/秒。

對于TR-03/ST 2110-20，僅僅傳輸有效視頻區。由于每個包攜帶一個視頻行的四分之一，一個完整的視頻幀需要4x1080 = 4320個包。以59.94fps幀率，此碼流將每秒消耗258941個包。

為獲得總碼率，余下的就是包速率乘以以比特為單位的包尺寸。如圖1最后一行所示，2022-6信號帶寬約比1080p視頻正常要求的2.97Gb/s高200Mb/s，而TR-03/ST 2110-20比原生SDI低約300Mb/s。

音頻怎么樣？

在現代化制作設施內唯一的其它高帶寬信號就是音頻信號。在ST 2022-6中，音頻信號是在SDI有效載荷內傳輸的，因此對音頻無額外的帶寬要求（假定音頻聲道數量少于S D I能夠傳輸的數量）。

但在TR-03/SMPTE ST 2110中，將需要分配更多帶寬給音頻。由于一個48 KHz、24b立體聲信號占不到3Mb/s，因此音頻流一般不是千兆級網絡上的大負擔。

值得注意的問題

任何傳輸I P視頻信號的網絡連接中指配的實際帶寬要比本文中計算的原生碼率大。特別是部分由于視頻（帶VANC所在間隔的像素塊）的突發性，穿過每個網絡躍點應當提供更多帶寬，大于本文中計算的數量。SMPTE委員會目前正在研究增加帶寬的建議量。B&P