SDI/IP混合播出系統(tǒng)的視頻信號監(jiān)測及測量方法

梁 波，茹國鈺

（云南省曲靖市廣播電視臺，云南 曲靖 655000）

0 引 言

傳統(tǒng)數(shù)字分量串行接口（Serial Digital Interface，SDI）基帶視頻信號的測量一直遵循兩個基本目的：一是檢測視頻信號質(zhì)量的優(yōu)劣，判斷其是否符合國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；二是通過對視頻信號的測量和分析，快速定位制播系統(tǒng)的故障原因并解決問題。IP架構(gòu)的制播系統(tǒng)出現(xiàn)之后，信號測量的目的沒有改變，發(fā)生變化的是測量的內(nèi)容、方法及工具[1]。為此，本文著重介紹SDI基帶視頻信號的測量與IP數(shù)據(jù)流信號測量之間的聯(lián)系和區(qū)別。

1 SDI基帶視頻信號測量與IP數(shù)據(jù)流信號測量的聯(lián)系和區(qū)別

SDI基帶視頻信號測量與IP數(shù)據(jù)包信號測量的相似點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下方面：對于系統(tǒng)工程師來說，IP架構(gòu)下的數(shù)據(jù)包信號只是另一種獲取視頻、音頻和輔助數(shù)據(jù)的接口，原來插在矩陣上的BNC視頻線纜換成了插在交換機(jī)上的光纖。兩種方式下，信號測量的方法、排除故障的思路都沒有改變，仍是在信號源、傳輸?shù)穆酚杉澳康闹信挪閿?shù)據(jù)及報(bào)錯情況[2]。IP系統(tǒng)和SDI系統(tǒng)的對比如表1所示。

SDI基帶視頻信號系統(tǒng)通過同步信號進(jìn)行鎖相，實(shí)現(xiàn)整個制播系統(tǒng)設(shè)備的同步。一般通過循環(huán)冗余校驗(yàn)（Cyclic Redundancy Check，CRC）以及定時(shí)基準(zhǔn)信號（Timing Reference Signal，TRS）來判斷視頻以及同步在傳輸中是否發(fā)生錯誤。但是在IP系統(tǒng)中，基帶信號的CRC（循環(huán)冗余校驗(yàn)）和TRS（定時(shí)基準(zhǔn)信號）在轉(zhuǎn)換后將無法被檢測出來，需要監(jiān)看網(wǎng)絡(luò)的幀校驗(yàn)序列（Frame Check Sequences，F(xiàn)CS）和CRC錯誤來判斷傳輸是否發(fā)生錯誤[3-5]。為避免發(fā)生數(shù)據(jù)包不完整或者丟失的情況，采取使用前向糾錯（Forward Error Correction，F(xiàn)EC）等補(bǔ)償手段保證數(shù)據(jù)能夠完整重現(xiàn)。如果網(wǎng)絡(luò)帶寬、接收端緩存不夠大，會導(dǎo)致一些數(shù)據(jù)包沒有按時(shí)到達(dá)接收端，出現(xiàn)畫面卡頓的情況。

從表1可以看到，SDI基帶視頻系統(tǒng)與IP數(shù)據(jù)包系統(tǒng)的區(qū)別還有很多，而在測量中主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

表1 IP系統(tǒng)和SDI系統(tǒng)對比

1.1 測量內(nèi)容不同

由于傳輸原理和鏈路不同，SDI基帶視頻信號測量是對串行數(shù)字信號進(jìn)行直接測量，即測量的是物理層，而IP架構(gòu)系統(tǒng)內(nèi)傳輸?shù)氖荌P數(shù)據(jù)流，想要測量視頻信號，必須先測量IP數(shù)據(jù)流。反映在測量上的區(qū)別就是由原來的電平、波形、眼圖檢測變成了數(shù)據(jù)包檢測。如圖1所示。

圖1 IP系統(tǒng)測量相比SDI系統(tǒng)測量的區(qū)別

兩個系統(tǒng)的同步信號鎖定方式也有所不同。SDI基帶系統(tǒng)由BB等同步信號鎖定，通過相位檢測確定同步信號是否鎖定；IP架構(gòu)系統(tǒng)由PTP同步信號鎖定，通過檢測系統(tǒng)內(nèi)主從時(shí)間差即PTP offset值確定同步信號是否鎖定，若絕對值在1μs內(nèi)，即認(rèn)為示波器鎖定上了時(shí)鐘源。

總體來看，SDI基帶信號測量的主要指標(biāo)有眼圖，同步相位，CRC error、Log及Payload，IP架構(gòu)測量對應(yīng)的指標(biāo)為IP數(shù)據(jù)包狀態(tài)信息，PTP delay和offset，F(xiàn)CS error和SDP。

1.2 測量過程不同

在SDI基帶信號系統(tǒng)中，如果視頻監(jiān)控畫面異常，可以快速地定位到相關(guān)的線纜或者故障設(shè)備。但是在IP架構(gòu)系統(tǒng)中，當(dāng)視頻畫面出現(xiàn)異常，不能馬上定位到故障節(jié)點(diǎn)，因?yàn)閳D像是被封裝到數(shù)據(jù)包中。在保證數(shù)據(jù)包正確的情況下，具有較大時(shí)間差異的數(shù)據(jù)包也可能導(dǎo)致視頻中斷，因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)包沒有出現(xiàn)丟失，甚至順序也是正確的，只是到達(dá)的時(shí)間晚了，堆積在接收端的緩沖區(qū)之外，導(dǎo)致視頻中斷。

因此，IP架構(gòu)下信號的測量是一個間接的測量過程。在保證數(shù)據(jù)包正確的情況下，還要關(guān)注網(wǎng)絡(luò)流量過載、網(wǎng)絡(luò)延時(shí)及前向糾錯等情況，甚至需要綜合IP架構(gòu)下信號的各項(xiàng)指標(biāo)以及結(jié)合FCS和CRC錯誤，綜合各項(xiàng)指標(biāo)來進(jìn)行判斷。

1.3 測量工具多樣

SDI基帶信號系統(tǒng)的檢測工具主要為傳統(tǒng)示波器，IP架構(gòu)系統(tǒng)不再使用SDI基帶信號進(jìn)行傳輸，而是使用RTP數(shù)據(jù)包進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，在帶來靈活性、敏捷性的同時(shí)，將給信號測量帶來挑戰(zhàn)。因?yàn)檫@種傳輸形式是間接的，無法直接進(jìn)行測量。根據(jù)檢測對象不同，實(shí)踐中將檢測工具分類為網(wǎng)絡(luò)檢測類、流狀態(tài)檢測類以及圖像檢測類三種，如表2所示。從曲靖市廣播電視臺的使用經(jīng)驗(yàn)來看，在IP系統(tǒng)的日常使用中，選用一套包含IP/SDI混合示波器和系統(tǒng)IP controller的軟件，能夠比較全面地對系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測，同時(shí)能夠照顧到現(xiàn)階段的IP和SDI混合方式播出系統(tǒng)。

表2 常用測量工具分類

2 測量思路

有了合適的測量工具，需要確定測量的順序，明確IP數(shù)據(jù)包和SDI基帶信號指標(biāo)之間的關(guān)系。從以下幾個方面進(jìn)行分析。

2.1 信號要求

測量應(yīng)采用基于信號標(biāo)準(zhǔn)（協(xié)議）的信號指標(biāo)。SMPTE ST2110標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了系統(tǒng)中視頻、音頻和輔助數(shù)據(jù)之間保持同步的方法，IP架構(gòu)系統(tǒng)域內(nèi)封裝打包以及描述的方法。因此該標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)的檢測內(nèi)容就是系統(tǒng)測量的重要參考指標(biāo)。

2.2 測量順序

測量過程應(yīng)利用分層網(wǎng)絡(luò)模型確定測量順序。IP系統(tǒng)中，傳統(tǒng)七層網(wǎng)絡(luò)模型被簡化為五層模型，以便清晰對應(yīng)IP系統(tǒng)應(yīng)用，如圖2所示。每層網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)有需要監(jiān)測的參數(shù)。

圖2 網(wǎng)絡(luò)模型對應(yīng)關(guān)系

根據(jù)五層模型所示，IP測量包括物理層檢查，數(shù)據(jù)鏈路層檢查，網(wǎng)絡(luò)層檢查（IP地址和組播地址），傳輸層檢查（SDP文件、PTP狀態(tài)），應(yīng)用層檢查（IP設(shè)定是否符合標(biāo)準(zhǔn)，NMOS控制參 數(shù)等）。

2.3 綜合考量雙系統(tǒng)下的比對測量

目前，多數(shù)廣播電視臺從安全播出的角度出發(fā)，還處在SDI基帶系統(tǒng)向IP技術(shù)架構(gòu)系統(tǒng)過渡的時(shí)期，IP技術(shù)架構(gòu)系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目會同時(shí)涉及IP數(shù)據(jù)流和SDI基帶信號接口。要完整體現(xiàn)系統(tǒng)狀況，需要同時(shí)對IP數(shù)據(jù)流和SDI基帶信號指標(biāo)進(jìn)行同步測試。日常工作中，技術(shù)人員不僅要檢查基帶SDI視頻信號是否正常，還要確認(rèn)在IP路由中的數(shù)據(jù)包信號是否正常，最終SDI基帶信號指標(biāo)與IP數(shù)據(jù)包指標(biāo)相互結(jié)合，分析定位問題產(chǎn)生的節(jié)點(diǎn)和原因。

從實(shí)際看，目前IP/SDI融合制播系統(tǒng)中，往往最終信號的輸出主要還是以基帶SDI視頻信號接口的形式出現(xiàn)，而末級信號往往同時(shí)經(jīng)過了IP路由和SDI基帶路由。當(dāng)末級信號出現(xiàn)問題，技術(shù)人員不僅要檢查基帶路由中視頻信號是否正常，還要檢查確認(rèn)信號是否在IP路由中就已經(jīng)出現(xiàn)問題，或是在IP和SDI轉(zhuǎn)換的過程中出現(xiàn)問題，最終相互結(jié)合IP指標(biāo)和SDI指標(biāo)，定位問題產(chǎn)生的節(jié)點(diǎn)和原因。

曲靖市廣播電視臺的IP/SDI融合制播系統(tǒng)建設(shè)完成并投入試播時(shí)，技術(shù)人員對整個環(huán)節(jié)信號檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，payload ID與實(shí)際信號不符。技術(shù)人員使用基帶示波器逐級檢查，發(fā)現(xiàn)基帶信號中均有這個問題，據(jù)此推斷問題很可能不是發(fā)生在基帶系統(tǒng)中，而是在IP系統(tǒng)中產(chǎn)生的。經(jīng)過層層排查，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)在SDI基帶視頻信號轉(zhuǎn)IP數(shù)據(jù)流的設(shè)備上，由于設(shè)置不正確導(dǎo)致payload ID信息與實(shí)際信號格式不符。

另外，如果只依靠肉眼監(jiān)看圖像細(xì)節(jié)和質(zhì)量并不可行，還需要依靠傳統(tǒng)的波形矢量范圍顯示等工具以及高標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)視器來進(jìn)行畫面監(jiān)看。傳統(tǒng)的波形圖和矢量圖顯示依舊是視頻工程師查看畫面、進(jìn)行質(zhì)量把控的重要工具。

2.4 測量重點(diǎn)

IP架構(gòu)系統(tǒng)指標(biāo)本身的特性要求需要組合多個指標(biāo)來測量IP系統(tǒng)。在IP架構(gòu)系統(tǒng)中，即使將光纖插入到示波器，設(shè)備收到了正確的數(shù)據(jù)包，也會出現(xiàn)各種圖像問題，因?yàn)閿?shù)據(jù)包間隔過大也會導(dǎo)致圖像顯示不正確。同時(shí)，還要關(guān)注流量過載、網(wǎng)絡(luò)延時(shí)、前向糾錯等情況，甚至需要綜合IP信號的各項(xiàng)指標(biāo)，結(jié)合FCS和CRC錯誤來進(jìn)行判斷。

目前，IP系統(tǒng)測量聚焦于與媒體IP數(shù)據(jù)流特點(diǎn)相關(guān)的指標(biāo)，而一些通用網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)則不在重點(diǎn)關(guān)注之列。在媒體流大數(shù)據(jù)帶寬的前提下，測量的一個隱性前提是網(wǎng)絡(luò)基本特性是良好的，否則大數(shù)據(jù)無法實(shí)現(xiàn)正常通信。一些非SMPTE ST2110標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的指標(biāo)，比如IT網(wǎng)絡(luò)常用的網(wǎng)絡(luò)性能測試指標(biāo)，包括速率、帶寬、帶寬利用率、吞吐量、時(shí)延、丟包率等，主要表現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的基本性能。這些指標(biāo)與其他已有標(biāo)準(zhǔn)的IP指標(biāo)有關(guān)聯(lián)性，在檢測完相關(guān)SMPTE ST 2110標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)后，對于這些非SMPTE ST 2110標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)如何檢測，指標(biāo)對系統(tǒng)的好處和重要性等，還需要繼續(xù)深入認(rèn)識。

傳統(tǒng)的SDI示波器會測量眼圖、抖動、payload等指標(biāo)，因?yàn)檫@些指標(biāo)是基帶信號本身的特性，即測量的對象是物理層。IP系統(tǒng)傳輸?shù)谋举|(zhì)是RTP包的傳輸，RTP數(shù)據(jù)包本身并沒有基帶信號的這些特性。RTP數(shù)據(jù)需要復(fù)合OSI的7層模型，每層的傳輸都會添加不同的數(shù)據(jù)包頭，技術(shù)人員通過解析數(shù)據(jù)包來間接測量IP信號的參數(shù)。基帶系統(tǒng)中的指標(biāo)如電平、波形、眼圖等，不再適用于IP系統(tǒng)，而通過數(shù)據(jù)包本身看不出來圖像質(zhì)量的情況，只有將數(shù)據(jù)包解析出來，才能對圖像進(jìn)行分析。

3 結(jié) 語

通過SDI基帶信號和IP數(shù)據(jù)包的對比分析，曲靖市廣播電視臺技術(shù)團(tuán)隊(duì)對于SDI/IP混合播出系統(tǒng)逐漸有了一個基本的測量思路，即IP測量順序基于五層網(wǎng)絡(luò)模型，測試內(nèi)容是基于信號標(biāo)準(zhǔn)的各種指標(biāo)，同時(shí)結(jié)合SDI基帶信號指標(biāo)以及傳統(tǒng)的示波器視頻波形和矢量等參數(shù)綜合考量。