電視制作播出系統IP化網絡架構解決方案技術研究

呂斌

摘 要 科學技術的發展帶動了多個行業的創新，在電視制作行業，高清視頻信號的出現，對電視制作播出提出了更高的要求。基于此，文章將電視制作播出系統在創新改革中存在的問題作為基礎，給出了一種IP化網絡架構解決方案，該方案將SDI基帶信號轉變成IP數據包，實現了電視制作播出系統的優化，提高了系統的靈活性與拓展性，從整體上提升了電視制作播出系統的性能。

關鍵詞 電視制作播出系統；IP化；網絡架構

中圖分類號 TN94 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）221-0089-02

在電視技術迅猛發展的背景下，3D、4K超高清設備的出現，提高了電視節目的清晰度，使電視節目的色彩更為豐富。但是在實際的應用過程中，由于3D、4K等超高清設備對信號有較高的要求，使得傳統電視制作播出系統難以滿足其需求，這就要求技術人員進行相應的創新，確保電視制作播出系統能夠制作出高質量的節目。因此，對于IP化網絡架構解決方案技術的分析是很有必要的。

1 電視制作播出系統存在的問題

互聯網時代的到來，促進了電視技術的發展，電視節目制作播出技術的水平有顯著的提升。在2K高清電視節目制作播出逐漸呈現規模化發展的同時，3D、4K甚至8K技術的出現，對電視制作播出提出了更高的要求。4K超高清設備憑借豐富的色彩、較高的性價比與圖像清晰度，促進了4K技術的發展。但是在電視制作播出系統中，3D、4K等超高清電視技術的應用受到了阻礙，傳統電視制作播出系統的帶寬并不適用于3D、4K等先進技術。

一般來說，標清SD的電視制作播出系統標準為SMPTE295、帶寬為270Mbit/s；高清HD的電視制作播出系統標準為SMPTE292、帶寬為1 485Mbit/ s；3D電視制作播出系統標準為SMPTE424、帶寬為2970Mbit/s；4K電視制作播出系統標準為SMPTE2036、帶寬為11 880Mbit/s。

觀察上述數據可知，在帶寬方面，4K高清電視的信號約為2K信號的8倍。在實際的電視制作播出系統中，4K高清電視信號的每一路都是由4根3G-SDI綁定。這就表示4K電視制作播出系統所用的設備電纜約為傳統系統的四倍，需要的跳線排及接口數量也有所增加，提高了電視制作播出系統的建設難度。與此同時，4K電視制作播出系統由四根線纜傳輸一路信號，一旦其中一根線纜出現問題，將會對電視信號的傳輸造成影響，電視制作波出系統的信號故障率提升了近4倍。因此，技術人員需要采取先進的技術，有效解決上述問題[1]。

2 電視制作播出系統IP化網絡架構解決方案

2.1 解決方案的整體思路

通過上述分析可知，在電視制作播出系統的發展過程中，存在一定的問題，需要技術人員采用有效的方案解決。基于上述問題，電視工程行業的專家提出了電視IP化網絡架構的解決方案，想要通過IP網絡技術的應用，實現電視SDI基帶信號與IP數據包（SDI OVER IP）的有效轉換，將光纖等性能優異的高速網絡傳輸介質代替以往的傳輸線路。

在IP化網絡架構中，電視制作播出系統中的設備大都利用網絡連接方式，僅有少數設備需要將SDI基帶信號轉變成SDI OVER IP。其中，網絡連接方式屬于雙向多通道連接，有助于電視制作播出系統網絡架構的優化。

和傳統的基帶信號傳輸方式相比，網絡IP數據包的傳輸方式能夠有效提升電視信號的傳輸效率及質量。眾所周知，在實際的電視圖像傳輸過程中，不僅具備有效圖像周期，還在行、場消隱期中會出現較多的空余時間。在這些空余時間內，系統主要進行圖像格式的傳輸以及音頻數據的嵌入等操作，而這些操作需要的時間相對較短，大部分空余時間都被浪費。

因此，技術人員可以充分利用互聯網技術，提高傳輸帶寬的應用效率，在空余時間內進行其他有價值信息的傳輸，實現傳輸帶寬的最大化應用；技術人員可以充分利用數據壓縮技術（比如JPEG 2000等技術），降低圖像傳輸的碼率，以此降低系統對網絡帶寬的需求，使一條線路進行多路電視信號的傳輸。

2.2 解決方案的優化

2.2.1 解決方案存在的不足

上文中提到將SDI基帶信號轉變成SDI OVER IP的解決方案，在方案的落實過程中，存在信號延時問題，對電視制作播出系統的性能提升造成了不利影響，需要受到技術人員的重視。在電視節目制作播出的過程中，多路電視信號需要進行實時傳輸與處理，如果電視信號出現延時問題，將會對節目制作造成困難。一般來說，電視節目制作過程中出現的信號延時需要控制在5幀以內。

與此同時，在電視信號傳輸的過程中，信號延時需要具備一定的穩定性，不可以超過電視節目制作播出系統的緩沖時間，以此保障電視圖像與聲音的流暢性，避免電視節目產生停頓問題。因此，在進行電視制作播出系統的IP化網絡架構構建時，技術人員需要確保系統滿足上述要求[2]。

2.2.2 解決方案的優化對策

相關數據統計表明，大部分10G交換機在進行大數據包（視頻信號）的信號切換時，產生的延時相對較小，和高清電視（1080/50i）的信號相比，交換機產生的延時要比其1行的周期（18微秒）更低。同時，在局域網等網絡環境相對優異的網絡下，交換機具備更好的延時恒定性，與時間同步系統進行配合應用，IP化網絡架構解決方案可以有效避免信號延時問題的出現。為了保障SDI基帶信號與SDI OVER IP的有效轉化，貫徹了落實IP化網絡架構解決方案，電視工程師協會（SMPTE）頒布了《SMPTE 2022》標準法規。

在避免信號延時的同時，技術人員需要保障時間的精確同步。在電視節目制作領域，圖像切換精度是將幀、場作為單位，圖像切換需要在場消隱期進行，避免切換過程中發生閃動問題，而圖像切換的穩定性則由時間精確同步來實現。在互聯網領域，IEEE標準委員會分別于2002年和2008年頒布了IEEE1588-2002標準以及IEEE1588-2008升級標準，標準中明確定義了精確時間協議PTP。

該協議指出，要想使系統中的主時鐘（同步機應用的時鐘）和系統的從時鐘（終端設備應用的時鐘，包括交換機以及SDI-IP轉換器等設備）的精準同步。具體而言，技術人員需要明確系統的主時鐘和從時鐘存在的基準時間差（用offset表示），還需要明確系統主時鐘和從時鐘在進行數據包通信時，受到信號交換以及線路等因素影響導致的延時，從而實現時鐘的科學準確校準。

上述時鐘精準同步的工作原理如下：在系統中，主時鐘會按照一定的周期（通常是每2s一次），進行報文信息的同步發送，系統的所有從時鐘會及時回應，并進行報文信息發送時間的記錄，并在相應的信息中添加“時間戳”。基于從時鐘的時間記錄，接收端能夠計算出網絡的延時以及基準誤差。為了有效處理主從時鐘傳遞的信息，PTP協議定義了報文類型，通過不同報文的應用，實現時間同步。

其一，同步報文（Sync），同步報文中含有的時間為信息預計發送的時間，并不是信息真實發出的時間。

其二，跟隨報文（Follow_up），在跟隨報文發送之后，系統開始進行時間記錄，直到從時鐘接收到同步報文，由跟隨報文中記錄的真實發出時間和接收端的真實接收時間，得出主時鐘和從時鐘的時差，實現從時鐘時間的校準。

其三，延遲請求報文（Delay_Req），在實際的數據信息傳輸過程中，網絡存在一定的延時，所以技術人員需要分析時差中的延時，大都通過延遲請求報文，進行網絡傳輸延時的定義。

其四，延遲應答報文（Delay_Resq），當接收端接收到同步報文之后，從時鐘會發出延遲應答報文，用于記錄真實的接收時間，以此得出時鐘間的誤差及網絡傳輸的延時[3]。

3 電視制作播出系統IP化網絡架構解決方案技術分析

在實際的應用過程中，上文中構建的IP化網絡架構解決方案具備如下優勢。

第一，架構簡單。上述解決方案利用10G光纖進行高清電視信號的傳輸，能夠有效降低電視制作播出系統中設備所需的連接電纜數量，減少設備的接口，實現系統的簡化。再加上網絡傳輸信號具備雙向性，電視制作播出系統只需要一條線纜，就能夠實現攝像機和切換臺的有效連接，高效傳輸誰頻信號、切換指示信號以及返送信號等信號。

第二，靈活性強。基于IP化網絡架構，電視制作播出系統的主體架構為網絡架構，技術人員可以充分利用網絡技術進行系統的設計，有助于系統靈活性的提升。比如，技術人員可以利用IP化網絡架構協議，進行在線包裝設備中音視頻信號以及鍵盤等信息的網絡配置，實現系統設備的自動化配置，避免了繁瑣的接線工作，在很大程度上提高了系統的靈活性。

第三，拓展性強。基于IP化網絡架構，電視制作播出系統可以看作是互聯網系統，系統內部的設備可以看作是計算機設備。從理論角度而言，技術人員可以根據相應的標準，進行系統內部設備的升級更新，提高系統的拓展性，降低系統的升級更新成本。另外，在IP化網絡架構的支持下，電視制作播出系統可以在傳輸音視頻信號的同時，傳輸信息數據，為電視節目的制作與再加工提供了便利[4]。

4 結論

綜上所述，電視制作播出系統需要根據電視技術的發展腳步進行創新，不斷提升電視節目的質量。通過本文的分析可知，技術人員需要認識到電視制作播出系統的不足，合理應用IP化網絡架構解決方案，根據行業標準規范，結合PTP協議中的四種報文，實現IP化網絡架構解決方案的優化，充分發揮其重要作用，實現電視制作播出系統的創新，為廣大觀眾提供豐富且優質的電視節目。

參考文獻

[1]李太明，王嵐，桂新華.廣播電視接入網絡IP化與2×100G超高速PON系統的結合應用分析[J].有線電視技術，2018（5）：99-102.

[2]王帆.IP化電視制作系統的技術思考和理論設計[J].現代電視技術，2017（8）：78-80，128.

[3]梁偉明，王普學.電視演播室與后期制作系統IP化互聯技術探討[J].現代電視技術，2016（12）：38-41.

[4]蔡維萍，蔡維堅.廣電網絡數字電視系統IP化設計——以江西廣電網絡數字電視系統IP化為例[J].科技創新導報，2015，12（23）：64-66.