IP技術在4K超高清電視系統中的應用

陳文旭

（作者單位：廣東廣播電視臺）

隨著電視技術的發展，對圖像質量的要求也越來越高，從最初的標清信號到高清信號，再從目前的高清信號發展到4K超高清電視信號，都是電視行業不斷的追求更高的圖像質量，以滿足觀眾欣賞高品質節目的需求。相對于高清電視信號，4K超高清電視信號有更高的圖像質量要求，采用3 830×2 160的圖像分辨率，信息量是高清的4倍，采用逐行掃面方式，信息量是高清的2倍，因此，4K超高清信號的信息量是高清的8倍，基帶信號傳輸帶寬需求達到12 GB。面對高帶寬的需求，傳統的SID傳輸方式越來越有局限性，同時隨著計算機技術和網絡技術的發展，IP技術在電視行業的應用已越趨成熟，因此，構建一套IP化的電視系統架構將成為發展趨勢。下面將從電視系統架構IP化的驅動力、系統架構以及相關技術等方面進行闡述和探討。

1 系統架構IP化驅動力

目前，4K超高清電視基帶信號帶寬達到12 GB，在SDI架構下采用4×3 GB SDI線和12 GB SDI線兩種方式傳輸。采用4×3 GB SDI方式將導致系統連接線過多，走線更加困難，同時給后期系統的維護、改造和擴容帶來不便。采用12 GB SDI方式受限于技術發展，目前在傳輸距離、整個系統的互聯互通等方面都有一定的局限性。同時，在維護方面，采用SDI方式系統需要維護人員進行信號的監測、故障的發現、重復、實驗、判斷等多項流程后才能確定故障點，因此，系統故障點的排查和解決具有一定的不確定性。

圖1 基于SDI的系統

圖2 基于IP的系統

采用IP架構來構建演播室系統將是未來發展的方向，目前相關電視臺和影視制作公司在建的4K超高清系統中，大部分都采用了IP化的系統架構，以滿足系統的靈活性，簡化性、易用性等方面的要求。如圖1所示，基于SDI的系統連線復雜，單臺設備需分別連接至不同的對端，若采用4×3 GB SDI方式，連線更是4倍之多。如圖2所示，采用IP的系統，突破傳統端到端的對應關系，所有設備都連接至IP交換機，輕松實現連線自由，同時視頻數據、音頻數據、同步數據等都可在同一根網線中傳輸，極大簡化了系統架構，使系統在建設、維護、擴容等方面提供靈活性和便利性。同時，系統IP化后，打破傳統單個系統形成一個孤島的局面，形成多個系統互聯互通，實現各路資源共享，以順應媒體融合的發展趨勢。

2 IP化的4K超高清演播室系統架構

一個演播室系統由信號源系統、切換系統、音頻系統、同步系統、監看系統、管理系統等部分組成。如圖3所示，系統基于IP交換機為核心的系統架構，各系統的信號進行IP數據包封裝后通過IP網絡同時連接至主、備核心交換機，通過核心交換機實現信號的轉發和調度，同時通過切換臺系統和音頻系實現PGM信號的處理和切換，實現視、音頻PGM信號向外圍系統的輸出，外圍系統包括總控系統、加嵌系統、媒資系統等。

在演播室系統中，外來信號格式具有多樣化的特點，具有IP格式的4K信號源，也會有12 GB SDI和4×3 GB SDI的信號源。對于SDI格式的4K外來信號源，可通過SDI轉換IP的方式實現信號格式的轉換，目前SDI轉IP或者IP轉SDI的技術和產品已成熟，為系統信號的格式統一提供了有利條件。

圖3 系統架構圖

在IP網絡端口方面，目前100 Gbps的光發送和接收模塊技術已成熟，為切換臺系統、監看系統實現單個端口傳輸多路4K信號提供了基礎條件，一個100 Gbps的端口最大可實現8路4K超高清信號同時發送和接收。同時，交換機可提供多種規格的光收發器，包括1 Gbps、10 Gbps、25 Gbps、50 Gbps等，各個系統可根據自身帶寬需求選擇不同規格的光收發器進行連接，實現最大化的連接自由。

同時，為節省系統網絡負載，系統交換機采用組播的方式進行信號的轉發，實現單個發送者對應多個接收者的數據通信。組播傳輸采用D類IP地址，地址范圍是224.0.0.0-239.255.255.255。通過組播組管理協議（IGMP）對各個系統主機進行管理，主機通過組播組管理協議加入和離開組播組，核心交換機通過組播組管理協議維護組成員信息。因此，通過組播的方式，實現單路4K超高清信號在切換臺系統、監看系統以及外網系統等系統間自由交換。

3 IP化系統的關鍵技術

3.1 IP系統同步鎖相

電視系統所有的信號在時間必須同步，兩個以上的信號切換、混合必須在同步基礎上才能操作，傳統的電視架構一般采用BB黑場信號或者三電平信號進行同步。而在IP架構下，采用的是PTP精準時間協議，其具體流程如圖4所示，通過主從同步發送和接收的四個時間戳，從時鐘相對于主時鐘的時鐘偏差為 [(t2-t1)-(t4-t3)]/2。PTP采用基于網絡的主-從模式定時協議，網絡內所有設備均可被PTP同步，同步可實現亞秒級精度。

圖4 PTP處理流程

3.2 網絡冗余備份

采用主、備交換機雙鏈路冗余備份，所有信號通道都連接至主備交換機，當一臺交換機出現故障時，信號無縫切換至另一臺交換機。同時，根據SMPTE 2022-7標準，定義了在高碼率傳輸下數據保護切換機制，從而實現信號的應急切換。

3.3 SDN管理

SDN（軟件定義網絡），是網絡虛擬化的一種實現方式，通過網絡設備控制面與數據面的分離，從而實現網絡流量的靈活控制，使網絡作為管道變得更加智能。在電視系統中，SDN是IP化架構的關鍵組成部分，通過SDN管理系統實現對系統內所有設備進行監控、配置、維護等操作，同時，SDN具備預警、告警、故障分析等處理能力。因此，通過SDN管理系統可實現運維流程簡單化和智能化。

3.4 IP凈切換

采用末端凈切換方式，由于系統采用IP組播技術實現數據的分發，因此，流接收通過加入/離開源相對應的組播組實現源的選擇，通過IGMP協議實現加入/離開組播組，當接收者從當前組播組離開并加入新的組播組，從而實現信號的切換。但交換機數據包并不是連續的數據流，因此，交換機并不知道視頻幀的邊界，導致數據流重疊的現象。為達到信號凈切換的目的，接收者邊接收邊解析兩路IP化信號流，并丟掉不必要的數據包，從而實現信號流的凈切換。

4 結語

廣播電視正處于變革的時代，隨著4K超高清電視的發展，傳統基于SDI的系統已不能滿足廣播電視高清化的需求，隨著IP技術的成熟，為傳統廣電向IP化發展提供了新的機會，雖然目前在IP化道路上還有一定的困難，包括系統的穩定性問題、全產業鏈產品發展問題、運維人員能力問題等，都給我們提出了新的挑戰，但這也是發展的必經之路，我們將在這條道路上努力前行