廣播電視同步系統研究

李軼瑋

（上海東方傳媒技術有限公司，上海 200072）

0 引言

對于傳統廣播電視系統，系統的定時與同步直接決定了系統運行的穩定性。以數字分量串行接口（Serial Digital Interface，SDI）等信號交互方式為主的基帶系統，通常采用建立獨立的同步參考信號分發鏈路的方式。例如，由主、備同步信號發生器產生模擬黑場或高清三電平等同步參考信號，經同步信號倒換器進行主、備倒換后，送入多級同步信號分配器進行分配放大，供各終端設備接入，以實現全系統的同步鎖定[1]。

隨著SMPTE ST2022-6 以及SMPTE ST2110 系列標準的發布，廣播電視系統的基礎架構開始逐漸向IP 化演進。IP 系統引入了高精度時間同步協議（Precision Time Protocol，PTP）時鐘作為系統同步參考信號進行分發，其同步運作機制與傳統基帶系統的同步機制有較大區別[2]。特別是當前大量SDI與IP 共存的混合架構系統，需要混合使用傳統的同步參考信號分發機制和PTP 時鐘參考分發機制。為確保該類廣電系統的穩定運行，系統工程師需要充分理解兩種不同同步參考信號分發機制的原理，規避兩種同步機制交互時容易產生的問題。

基于以上原因，通過梳理目前廣播電視系統使用的同步參考信號類型，本文研究各類同步信號鎖定機制的原理，分析同步系統實踐中可能出現的問題，為建設穩定、可靠的廣播電視系統提供技術保障。

1 廣播電視對同步的要求

在電視系統的早期階段，為了確保能夠正確地重現圖像，要求圖像信號的接收端與信號發送端同步進行圖像掃描，引入了同步的機制，實現了圖像行、場掃描的同步[3]。廣播電視系統進入數字化時代以后，不同數字系統間的信號采樣頻率同步也成為系統當中重要的一部分。

與大多數其他領域的時鐘鎖定需求一致，廣播電視系統對同步鎖定也同時存在頻率參考和相位參考兩方面的要求，不同形式的參考信號在頻率參考和相位參考兩個維度提供了不同程度的鎖定精度。

（1）頻率鎖定。需要確保系統不同設備運行在一個統一的采樣時鐘頻率，如幀頻、場頻、行頻以及數字音頻采樣頻率等。而且，需要確保數字音頻采樣頻率與視頻幀頻互相鎖定。

（2）相位鎖定。需要確保系統同步設備具有統一的視頻相位參考點以及音頻相位參考點，如視頻的幀參考點、行參考點等[4]。

2 同步參考信號分類

2.1 頻率與相位參考信號

2.1.1 模擬黑場信號

模擬黑場同步又稱為“BB（Black Burst）同步”，如圖1 所示，它是一種有效視頻信號均為消隱電平（PAL 制為0 mV）的復合模擬視頻信號，分為PAL和NTSC 兩種制式類型，分別由ITU BT.470 標準和SMPTE ST170 標準所定義。

圖1 模擬黑場同步信號

模擬黑場信號主要攜帶了行同步脈沖、場同步脈沖以及彩色副載波這三種為視頻設備提供頻率和相位參考的信號類型。

（1）行同步脈沖。行同步脈沖為視頻設備提供行頻率和相位參考，位于PAL 和NTSC 視頻信號每一行的行消隱期[5]。行同步脈沖是幅度為300 mV的負極性脈沖，脈沖寬度4.7 μs，10%到90%幅度的基準沿建立時間不超過210 ns。

（2）場同步脈沖。場同步脈沖為視頻設備提供場/幀頻率和相位參考，位于視頻信號場消隱期，是幅度為300 mV 的負極性脈沖，脈沖寬度較大，也稱為“寬脈沖”。

（3）彩色副載波。彩色副載波也稱為“色同步”，為復合模擬彩色電視信號提供彩色副載波頻率參考和色相位參考。色同步信號位于行同步脈沖之后，在PAL 制中頻率為4.433 618 75 MHz，在NTSC 制中頻率為3.579 545 MHz。根據SMPTE ST318 標準的描述，在數字系統環境中，模擬黑場同步信號可以不攜帶彩色副載波信號。

2.1.2 數字黑場信號

數字黑場同步信號又稱為“數字BB”，如圖2所示，是一種不攜帶有效視頻音頻數據、僅攜帶同步參考標志位的SDI 信號。數字黑場采用特定的編碼字序列來代表有效視頻的開始（Start of ActiveVideo，SAV），而以另一種特定的編碼字序列來表示有效視頻的結束（End of Active Video，EAV）。

圖2 數字黑場信號

2.1.3 高清三電平信號

高清三電平信號（Tri-level）又稱為“模擬三電平信號”，如圖3 所示，是一種模擬高清視頻信號，同步脈沖為正負300 mV 的雙極性脈沖。同步的基準點位于消隱期的脈沖上升沿，該基準點高度為三電平行同步高度的一半[6]。高清三電平信號有較快的上升沿，可以改善抖動的狀況和同步分離的性能。

圖3 高清三電平信號

每一種高清視頻格式都有一個對應的三電平信號，行頻、場頻與視頻格式一一對應。因此，采用三電平同步，能獲得更加精準的定時。而模擬黑場信號的行頻與高清視頻信號無法對應。在高清系統中使用模擬黑場同步時，設備需要對參考信號進行多次倍頻與分頻操作來進行鎖定，會引入一定的定時誤差和抖動。

2.1.4 字時鐘信號

字時鐘信號又稱為“Word Clock 信號”，是一種頻率為系統音頻采樣頻率、電平為5 V TTL 電平、占空比為50%的方波信號[7]。

字時鐘接口采用75 Ω 阻抗的BNC 接口，在專業數字音頻設備上十分常見，可作為數字音頻信號48 kHz 采樣的頻率參考，又可以作為AES3 信號的相位參考。

由于TTL 電平信號的分配放大存在一定的技術難度，因此，字時鐘信號在實際使用中多為LOOP OUT 形式，且字時鐘信號至今未被標準化。

2.1.5 數字音頻參考信號

數字音頻參考信號簡稱“DARS”（Digital Audio Reference Signal，DARS），是一種不含有效音頻采樣點數據、僅包含同步標志位的AES3 數字音頻信號。與數字黑場信號原理類似，DARS 信號一般通過75 Ω 同軸線纜進行傳輸，可以使用傳統AES3信號的分配鏈路進行同步信號的分發。

2.2 時間參考信號

2.2.1 GPS 時鐘

全球定位系統（Global Positioning System，GPS）是一種能達到納秒級授時精度的衛星授時系統。GPS 能實現高精度的頻率和時間信號輸出，全球范圍的時鐘均可用這種方式鎖定在相同的基準時間上。因此，GPS 時鐘在廣播電視時鐘系統中應用十分廣泛。

GPS 時間起算的原點定義在1980 年1 月6 日世界協調時UTC 00:00:00，啟動后不跳秒，以保證時間的連續。

2.2.2 PTP 時鐘

精確時間協議（Precise Time Protocol，PTP）是一種可以達到亞微秒級別時間同步精度的網絡授時系統。PTP 標準化協議編號為IEEE 1588，于2002年發布版本1，2008 年發布版本2，2019 年發布版本2.1。目前廣播電視系統使用的PTP 協議多為版本2，即IEEE 1588-2008[10]。PTP 時間起算的原點定義在1970 年1 月1 日國際原子時TAI 00:00:00，即世界協調時UTC 1969 年12 月31 日23:59:52。

PTP 時鐘系統在運行時，首先根據最佳主時鐘算法從多個PTP設備中選舉出一個系統主時鐘設備。在系統同步過程中，主時鐘周期性地發布PTP 時間同步信息數據包，從屬時鐘端口接收主時鐘端口發來的時間戳信息，系統據此計算出主從線路時間延遲及主從時間差，并利用該時間差調整本地時間，使從設備的時間保持與主設備時間一致的頻率和相位。PTP 可以同時實現頻率同步和時間同步。

2.2.3 NTP 時鐘

網絡時鐘協議（Network Time Protocol，NTP）是一種同步精度在毫秒級別的網絡授時系統。以世界協調時UTC 為時間源標準，NTP 時間同步報文中包含的時間是格林威治時間，是從1900 年開始計算的秒數。

由于NTP 協議的時間同步精度在1 毫秒到幾十毫秒，無法滿足廣播電視系統的定時精度要求，因此NTP 在廣播電視系統中僅作為“日期-時間”的同步使用，不用作系統定時。

2.2.4 時間碼

時間碼（Time Code）是系統中的一種為設備提供定時和定位控制信息的重要的基準信號。時間碼用來描述時間的方式是“時、分、秒、幀”，其格式為HH:MM:SS:FF，其標準化文件為SMPTE ST12 標準，因此也被稱為“SMPTE 時碼”。本文所討論的時碼均為SMPTE 格式的時碼，其余的如音頻領域使用的MTC 時碼等不在本文討論范圍。

時間碼有多種傳輸形式，常見的有線性時間碼（Linear Time Code，LTC）、場消隱時間碼（Vertical Internal Time Code，VITC）以及輔助數據空間時間碼（Ancillary Time Code，ATC）三種。

（1）LTC。線性時間碼LTC 是一種低頻模擬信號，信號幅度在1～4.5 V。SMPTE 時間碼信息被編碼進80 bit，由于LTC 的信號頻譜在模擬音頻信號的范圍之內，因此，在系統中，可以將LTC 時間碼信號視為模擬音頻信號進行傳輸和分發。這也是LTC 時碼是應用范圍最廣的SMPTE 時間碼形式的原因所在。

（2）VITC。場消隱時間碼VITC 是將SMPTE 時間碼信息插入到625 行（PAL 制式）或525 行（NTSC制式）模擬視頻信號的場消隱期間，與模擬視頻信號一起傳送的時間碼信號。在PAL 制式中，VITC 可以插入到每一場的第6 行到第22 行之間，首選第19行和21 行。在NTSC 制式中，VITC 可以插入到每一場的第10 行到20 行之間，首選第14 行和第16 行。

VITC 能夠插入到模擬黑場信號中，隨同步參考信號一起在系統中分發。

（3）ATC。輔助數據空間時間碼ATC，是將LTC 或VITC 時間碼編碼格式按照SMPTE ST12-2標準[8-9]的定義，作為附屬數據包插入到SDI 信號場消隱區內。SDI 接收設備可直接讀取該時間碼。

由于時間碼信號本身僅僅提供了每一個視頻幀的標簽，因此只是作為視頻音頻信號的位置參考信息存在于系統中。如果要將時間碼信號作為系統的頻率和相位參考使用，需要確保LTC 或VITC 時間碼信號與某種頻率、相位參考信號相互鎖定，此時的時間碼信號才能被視為攜帶了頻率和相位信息。

3 視音頻信號的同步過程

3.1 頻率與相位參考信號下的同步

3.1.1 視頻信號同步

對于視頻系統而言，參考信號同步的目標是要讓所有的設備都知道什么時候是視頻信號一行的開始、一場的開始、一幀的開始，以便讓所有設備能夠同步運行，這就是相位參考點。

視頻設備鎖定外來參考信號，從中提取出行（H）、場（V）相位參考信息，并讓自身輸出信號與之鎖定的過程稱為“GenLock”（Generator Locking）。

以高清攝像機為例，如圖4 所示，將Bi-level（模擬黑場）或Tri-level（高清三電平）同步參考信號輸入設備Reference 接口后，同步信號分離器將從同步參考信號中分離出行同步（H）、場同步（V）信號。其中行同步信號用于鎖定設備內部時鐘振蕩器，用于生成像素采樣時鐘信號。對于高清系統而言，像素亮度（Y）采樣脈沖信號為74.25 MHz 或74.25/1.001 MHz（1/1.001 幀率系統）。

圖4 高清視頻信號同步過程

當輸入的同步參考信號為Bi-level（模擬黑場）信號時，設備時鐘振蕩器PLL 內部的H 行同步脈沖與需要合成的像素采樣時鐘的頻率之間有著非常大的分頻比，PLL 極容易受到同步參考信號中H 行同步脈沖抖動的影響，從而影響輸出的像素采樣時鐘的精度。而當輸入的同步參考信號為Tri-level（高清三電平）信號時，由于每一種高清格式都對應了相應行頻和場頻的Tri-level 信號，PLL 鎖相環中，H 行同步的頻率與輸出的像素采樣時鐘頻率之間有著非常簡單的分頻比，受行同步脈沖抖動的影響很小，因此能生成精度較高的像素采樣時鐘信號用于視頻畫面處理。

定時同步振蕩器生成的像素采樣時鐘信號直接用于攝像機內部的模擬-數字轉換器，用于對圖像信號進行精準的數字化過程。同時，像素采樣時鐘信號也會用于SDI 串行處理器，用于SDI 信號傳輸。

由此，系統中的所有視頻設備都運行在相同的頻率基準和視頻相位基準。

3.1.2 音頻信號同步

對于數字音頻系統，需要從同步參考信號獲得音頻采樣頻率參考以及音頻采樣點數據的相位參考。如果是與視頻系統的同步，還需要獲得視頻的場和行參考點信息。

音頻的同步問題是廣播電視系統中最為復雜的問題之一，因為人耳對音頻時鐘抖動產生的噪聲（類似于“咯噠”聲）非常敏感，敏感程度要遠高于視頻時鐘抖動產生的結果。因此，充分理解音頻同步鎖相的原理，對于在實際系統實施中減少音頻時鐘的抖動至關重要。

根據AES11-2009 標準，所有的數字音頻設備應該具備鎖定到一個數字音頻參考信號（DARS）的能力。音頻系統接受同步參考信號一般有以下幾種形式。

（1）使用數字音頻參考信號。此方法可以確保所有輸入/輸出設備的取樣時鐘鎖定在該參考信號上。這種方法通常在演播室使用。

（2）數字音頻輸入信號中使用嵌入的取樣時鐘，使輸入/輸出取樣時鐘鎖定。這種方法會增加級聯系統的定時誤差。

（3）使用可提取數字音頻參考信號的視頻參考信號，把視頻和音頻信號鎖定在同精度取樣頻率上。

不同種類的同步參考信號與數字音頻信號之間的鎖定關系如圖5 所示。

圖5 數字音頻信號鎖定關系

在視頻和音頻相結合的環境中，數字音頻參考信號源需要與視頻保持鎖定關系，如表1 所示。

表1 音頻采樣點與視頻幀對應關系

對于每一視頻幀包含整數個AES3 數字音頻幀周期的系統，AES3 音頻信號可以與視頻幀保持同步鎖定。例如，對于25 Hz 幀率系統，每個視頻幀包含1 920 個音頻采樣點數據（48 kHz 采樣率下），因此25 Hz 的視頻與音頻樣值有著直接的對應關系。

對于每一視頻幀包含非整數個AES3 數字音頻幀的系統，需要視頻參考信號帶有相應的指示信號，標識出場的序號。如果沒有特殊的指示信號，視頻與音頻輸出不可能達到所需要的相位鎖定要求。

對于1/1.001 幀率系統而言，假設幀頻為29.97 Hz、場頻為59.94 Hz，每一視頻幀包含的音頻樣值數不是整數，而是每5 個視頻幀包含8 008 個音頻采樣點。按照SMPTE ST318 標準的規定，使用一種十場識別序列（Ten-field identification sequence），如圖6 所示。該序列通過脈沖形式，以每5 幀進行分組標記，以提供給音頻設備5 個視頻幀的參考，以便音頻設備能夠將數字音頻信號與視頻信號進行鎖定。在日常的系統實施中，對于29.97 Hz 或59.94 Hz 幀頻系統的音頻同步問題，需要格外留意。

圖6 SMPTE ST318 十場識別序列

3.2 時間參考信號下的同步

能夠在廣電系統中作為同步參考信號使用的時間信號，一般只有GPS 時鐘和PTP 時鐘信號。這兩種授時系統都能夠提供精度達到納秒級別的精確時間。但若要在廣電系統中用它們作為同步參考信號，還需要進一步分析。

（1）在系統的頻率鎖定方面，由于GPS 和PTP都是納秒級的精準時間信號，可以直接用于鎖定同步脈沖發生器中的10 MHz 時鐘，以實現系統與GPS 或PTP 的頻率鎖定。

（2）在系統的相位鎖定方面，由于GPS 和PTP是時間信號，不含有任何視頻幀和音頻數據相位信息，因此GPS 和PTP 時鐘需要一種相位鎖定機制來對廣播電視系統實現相位鎖定。

解決時間信號的相位鎖定問題的機制如下：為各種信號（包括視頻、音頻以及各種制式的信號）定義一個統一的計時原點，在該時間點，所有信號的相位全部實現對齊；之后根據不同種類信號的周期特性，計算出任一時間點該信號的相位狀態，由此實現通過日期-時間信號完成系統的相位鎖定。這個統一的計時原點被稱為“SMPTE Epoch”。

在IP 系統出現以前，SMPTEEpoch一直使用國際原子時TAI1958年1月1日00:00:00，所 有信號的相位均與該時間點進行校準，這是《SMPTE 404M Draft》標準草案的定義，并未正式發表。IP 系統出現以后，PTP 時鐘被引入廣播電視系統。2015年，在SMPTE ST2059-1標準[11]中，SMPTE Epoch被正式定義為國際原子時TAI 1970 年1 月1 日00:00:00，與IEEE Std 1588-2008 標準所定義的PTP 時鐘的計時起點（PTP Epoch）一致，簡化了系統鎖相過程。目前，SMPTE Epoch 均使用1970 年1 月1 日。SMPTE ST2059-1 標準規定了不同格式制式的視頻、音頻、時間碼、同步信號與SMPTE Epoch 之間的相位校準關系以及同步相位參考點的計算方法，如圖7 所示。

圖7 SMPTE ST2059-1 信號相位計算

GPS 與PTP 本質上都是精確的時間信號，只是授時方式不同。GPS 通過衛星授時，PTP 通過網絡授時，但其實現相位同步的原理都是一樣的，即對所有信號相位在SMPTE Epoch 時間點進行校準。

3.3 系統對外來信號的鎖定

3.3.1 外來視頻信號鎖定

未與本系統進行同步鎖定的視頻和音頻信號稱為“外來信號”。對于一個數字視頻外來信號，一般使用幀同步處理手段，將其與本系統進行同步鎖定。

如圖8 所示，幀同步器將輸入的SDI 視頻信號首先執行去串行化操作。在該過程中，提取出外來SDI 信號的行H、場V、幀F 的定時，該數據會在時序控制單元中作為輸入定時使用。該過程也被視為提取輸入同步信息。

圖8 視頻幀同步器原理

系統本地同步參考信號輸入幀同步器同步分離單元，提取出本地系統的H、V、F 定時數據，在時序控制單元中作為輸出定時使用。

幀同步器的核心是一個幀緩存單元，輸入信號在時序控制單元的指揮下，將數據按照輸入信號的H、V、F 定時寫入幀緩存單元。同時，時序控制單元控制輸出級按照本地系統H、V、F 定時，從幀緩存單元中讀取數據，串行化為SDI 信號后輸出。此時的視頻信號已經被本系統同步信號鎖定。幀同步技術也因此被稱為“幀緩存同步技術”。

如果外來信號的時鐘頻率與本系統有一定差別，當緩存器中信號的緩存行數超過1 幀時，幀同步器輸出丟棄1 幀；當緩存器中的信號緩存行數不足時，幀同步器的輸出復制1 幀之前的畫面。由于人眼的視覺惰性，人眼不會覺察到幀同步器所做的視頻幀偶爾的增加或者減少。但這樣的操作會對嵌入式音頻產生嚴重影響，這將在本文后續討論。

3.3.2 外來音頻信號鎖定

由于人耳對于聲音信號的采樣點增減操作有著非常靈敏的反應，因此，對于數字音頻外來信號而言，無法參照視頻幀同步器的工作原理，僅簡單采取采樣點緩存的方式來完成。目前，對外來數字音頻信號的鎖定均采用音頻異步采樣頻率轉換技術（Sample Rate Conversion，SRC）。

音頻異步采樣頻率轉換用于兩個異步時鐘的音頻系統之間實現數字音頻信號交互。傳統的SRC采用跟蹤檢測發送端和接收端的時鐘頻率比值，經過插值-濾波-抽取方法進行處理。但目前大部分的數字音頻設備所采用的SRC 處理方法是在每個輸出采樣時刻選擇對應相位的多相FIR 濾波器組進行卷積運算完成。這種SRC 處理方法具有更好的性能和更低的延遲，使得多通道串行多通道音頻數字接口（serial Multi-channel Audio Digital Interface，MADI）的SRC 成為可能。

有部分音頻設備還提供了Output SRC。這種SRC 一般出現在MADI 輸入輸出上。音頻設備通過對方的Output 抽取出對方的時鐘，在信號輸出端按照對方時鐘對音頻信號做SRC。由此，對方接收到的信號已經是與接收方系統同步鎖定的信號。但在使用帶有Output SRC 的音頻設備時需要特別注意，由于其是根據對方的輸出信號鎖定對方時鐘，如果雙方均開啟Input SRC 和Output SRC，將會導致雙方信號全部失鎖，信號傳輸無法完成。

3.3.3 視頻幀同步對嵌入式音頻的影響

上文提到，視頻幀同步器在對外來視頻信號進行鎖相的過程中，當遇到幀緩存溢出或清空時，會通過增加一幀或減少一幀畫面來進行填補，這樣的操作并不會被人眼所察覺，因為人眼對一幀畫面的變化并不十分敏感。但當輸入的視頻信號中帶有嵌入式音頻時，隨著視頻幀的重復或丟棄，聲音也會跟著按照40 ms（25 Hz 幀率）一幀重復或丟棄，將會產生明顯的聲音失真和噪聲，這樣的聲音無法使用。

目前，視頻幀同步器對于嵌入式音頻的處理有以下兩種方式：一種常見于切換臺自帶的輸入幀同步，即當開啟輸入幀同步功能后，直接丟棄輸入信號中的嵌入式音頻數據，相當于做了靜音處理；另外一種是更為普遍的做法，如圖9 所示，在幀同步器的輸入端進行嵌入式音頻的解嵌操作，將視頻畫面與聲音進行分離，然后視頻畫面通過幀緩存器進行同步鎖相，音頻信號單獨進行SRC 采樣率轉換處理，最后在輸出端將鎖相后的視頻和經過采樣頻率轉換的音頻數據重新進行加嵌，作為幀同步器的輸出。

4 IP 系統的鎖相

4.1 IP 系統的同步機制

現階段的IP 廣播電視系統均包含IP 設備以及部分傳統基帶設備。IP 設備能夠僅通過PTP 時鐘信號就完成頻率和相位的鎖定，而基帶設備則必須通過傳統相位參考信號如模擬黑場、高清三電平信號等來進行頻率和相位的鎖定。

圖10 是一個典型的IP 系統同步架構。

圖10 IP 系統同步架構

系統主同步脈沖發生器鎖定在GPS 時鐘，同時產生模擬黑場BB、高清三電平、SDI 測試信號、Word Clock時鐘、DARS信號、PTP網絡時鐘、LTC時間碼、VITC 時間碼，并且可以確保這些參考信號之間已經互相鎖定。這些參考信號進入系統后，會按照以下兩條路徑進行分發。

（1）路徑A。傳統參考信號（模擬黑場、三電平、Word Clock 等）從同步脈沖發生器或同步倒換器輸出之后，經過不同種類的多級同步分配放大器，最終到達設備參考信號輸入口。設備以此作為媒體信號相位和頻率參考。

（2）路徑B。同步脈沖發生器按照PTP 時鐘協議規則，作為一個PTP 時鐘源接入IP 核心網絡，經過IP 網絡的多級Boundary Clock（邊界時鐘）交換機，IP設備按照PTP 時鐘協議規則，將本地時鐘與主PTP時鐘的時間進行校準。設備再根據經過校準的時間信息，結合媒體信號格式（通常需要手動設定），按照SMPTE ST2059-1 標準進行信號校準點的計算，從而恢復出媒體時鐘，用于媒體信號的相位和頻率參考。

4.2 同步脈沖發生器的工作機制

同步脈沖發生器工作機制如圖11 所示。廣播電視系統常用的同步脈沖發生器內部主要有Genlock引擎、時間引擎、幀引擎以及作為兩個引擎之間的橋梁的Epoch 引擎等幾個最為重要的功能部件。

圖11 同步脈沖發生器工作機制

Genlock 引擎是整個同步系統最核心的組件，承擔了實現同步脈沖發生器與外來參考信號之間頻率鎖定的任務，使得整個同步系統運行在一個相同的基準時鐘頻率。

時間引擎負責處理時間信號，包括接收GPS 時鐘、PTP 時鐘、VITC 及LTC 等，進行重新鎖定、處理、偏置等操作，向系統輸出PTP 時鐘、NTP 時鐘、LTC 時碼及VITC 時碼等時間參考信號。

幀引擎負責處理相位參考信號，包括接收Black Burst信號、Tri-level信號以及由Epoch 引擎生成的相位參考信號等，進行重新鎖定等操作，產生新的不同格式的相位脈沖信號，向系統輸出Black Burst、Tri-level 等相位參考信號。

Epoch 引擎在輸入參考信號為GPS 或PTP 信號時，根據SMPTE ST2059-1 標準的計算方法，計算出不同格式參考信號的相位參考點，用于生成時間碼數據，還用于幀引擎進行相位參考信號合成。

同步脈沖發生器的簡要工作過程如下。

（1）當無外來參考信號時，同步脈沖發生器處于內同步狀態，使用Internal Time 模塊自行生成時間信號進入時間引擎。時間引擎生成LTC，VITC，PTP 信號，同時將時間數據送入Epoch 引擎。Epoch引擎計算生成視頻、音頻相位參考信號，進入幀引擎進行相位同步參考信號的合成，最終在輸出端與時間碼信號合成進入系統。這種模式下，同步脈沖發生器輸出的所有參考信號之間均互相鎖定。

（2）當外來參考信號為GPS 時鐘或PTP 時鐘，同步脈沖發生器會將頻率與外來時鐘進行鎖定；時間引擎會將內部時鐘與GPS 或PTP 時鐘的時間進行精確鎖定；時間引擎生成LTC，VITC，PTP 信號，同時將時間數據送入Epoch 引擎。Epoch 引擎計算生成視頻、音頻相位參考信號，進入幀引擎進行相位同步參考信號的合成，最終在輸出端與時間碼信號合成進入系統。這種模式下，同步脈沖發生器輸出的所有參考信號之間均互相鎖定。

（3）當外來參考信號為Black Burst 或Tri-level等相位參考信號時，同步脈沖發生器將會使Genlock引擎與外來參考信號頻率保持鎖定，并使用幀引擎合成新的同步相位參考信號，不會再根據時間信號由Epoch 引擎重新計算相位。對于時間引擎，如果外來參考信號中含有時間信息，如VITC 或者LTC時間碼，時間引擎將會鎖定在外來時間參考上，時間引擎生成PTP 時鐘信號和時間碼信號進入系統。如果沒有外來時間參考信號供時間引擎鎖定，同步發生器將利用Internal Time 模塊自行生成時間信號進入時間引擎，生成PTP 時鐘和時間碼信號。該種模式下，同步脈沖發生器輸出的各種參考信號之間無法確保互相鎖定。

4.3 IP 系統鎖定外來相位參考信號

上文提到，當IP 系統的同步脈沖發生器鎖定在外來相位參考信號（BB、Tri-level 等）時，同步脈沖發生器輸出進系統的Black Burst 或Tri-level 等相位參考信號，與PTP 時鐘信號是從兩個不同的外部參考源經由兩個不同的引擎分別提供的。相位參考信號是經由Genlock 引擎和幀引擎鎖定外部BB 或Tri-level 信號得到，PTP 時鐘是時間引擎鎖定外部LTC 或VITC 得到。這有可能造成4.1 章節中路徑A 和路徑B 分別得到的參考信號之間發生失鎖。這種參考信號間的失鎖分以下兩種情況。

（1）當外來的LTC或VITC時間碼與Black Burst 或Tri-level 參考信號之間已經被互相鎖定，即它們之間有著一致的時鐘頻率和固定的相位關系，此時，路徑A 與路徑B 得到的參考信號具有一致的時鐘頻率，但可能會出現固定的相位差。這種情況下，可以通過同步脈沖發生器提供的輸出信號相位偏置（Timing Offset）調整，使得兩者相位一致，從而解決相位失鎖問題。

（2）當外來的LTC或VITC時間碼與Black Burst 或Tri-level 參考信號之間沒有被互相鎖定，即兩者有著不同的基準時鐘頻率。這種情況下，同步脈沖發生器的時間引擎和幀引擎之間將會完全失鎖，無法通過相位偏置設定進行校準，系統同步無法正常工作。這種情況下，可將同步脈沖發生器鎖定在Black Burst 或Tri-level 信號上，然后使用內部時間Internal Time Set 模塊為時間引擎提供時間，最終的輸出參考信號能確保頻率互相鎖定。而相位的失鎖可以通過同步脈沖發生器提供的輸出信號相位偏置（Timing Offset）調整進行矯正，使得整個系統處于頻率和相位鎖定狀態。

4.4 1/1.001 幀率下可能發生的問題

當IP 系統鎖定外來相位參考信號時，同時需要鎖定與外來相位參考信號相互鎖定了的時間碼信號，從而為IP 系統提供PTP 時鐘信號。但對于1/1.001幀率系統下的外來LTC和VITC時間碼信號，需要特別考察。

時間碼的記錄格式為“小時:分:秒:幀”的形式（HH:MM:SS:FF）。由于時間碼中的每個數值均為整數值，因此，對于整數幀率（如每秒24幀、25幀、30幀、50幀、60幀）的系統而言，每秒含有整數個幀，時間碼記錄沒有問題。但是，對于幀率為1/1.001（如每秒23.98 幀、29.97 幀、59.94 幀）的系統而言，每秒的幀數不是整數，而時間碼中的“時:分:秒”是實際時間（Real Time），如果幀數按照整數計數，將導致實際時間發生偏離。

為了解決1/1.001 幀率系統的時間碼誤差問題，研究人員開發了時間碼信號計數法的“丟幀”（Drop Frame）機制。除了“分”計時為00、10、20、30、40 及50 之外，當分計時為其他值時，每秒的前兩幀（計數為00 和01）的計數被略過。這種機制將1/1.001 幀率系統的時間碼計數與實際時間偏離為每小時3.6 ms，每24 小時86 ms。

由于1/1.001 幀率時碼的Drop Frame 機制以及其始終與實際時間之間存在偏離，因此，將這種時間碼信號（包括LTC 和VITC）用于同步脈沖發生器的時間引擎鎖定時，將會造成系統PTP 時鐘抖動，從而影響系統穩定性。

在實際使用中，如果不能確保同步脈沖發生器對于1/1.001 幀率時碼信號有較為完備的鎖相機制，建議對時間鎖相不要采用“跟隨”模式，以確保系統時鐘不會因為外來時間碼而產生抖動。

4.5 SMPTE ST2110-10 系統定時模型

SMPTE ST2110 是目前主流的廣播電視IP 系統技術，其中ST2110-10 協議[12]對采用SMPTE ST2110架構的系統的定時模型進行了描述，如圖12 所示。

圖12 SMPTE ST2110 系統定時模型

不同視音頻媒體流間的同步依賴于RTP 數據包標頭中的RTP 時間戳值。RTP 時間戳由鎖定在公共參考時鐘的各發送方傳輸。公共參考時鐘通過IEEE 1588-2008 精確時間協議分發給系統中所有發送端與接收端設備。通過比較公共參考時鐘及其相關相位計算，在接收設備上實現跨多個基本媒體流的同步。

設備本地時鐘需與公共參考時鐘同步，每個設備都應維護一個設備本地時鐘。系統通過IEEE 1588-2008 精確時間協議（PTP）在網絡上提供和分發公共參考時鐘。如果設備處于PTP 從屬狀態，則設備本地時鐘應與公共參考時鐘同步。如果設備處于PTP 主時鐘狀態，則設備本地時鐘是公共參考時鐘的源，設備本地時鐘可以直接同步到可跟蹤的時鐘同步源。且所有符合此標準的設備都應支持SMPTE ST 2059-2 PTP 規范。

媒體時鐘的頻率應鎖定到上文指定的設備本地時鐘。媒體時鐘應按照為特定媒體類型指定的準確頻率遞增。當使用PTP 時鐘作為同步參考時，媒體時鐘在SMPTE ST 2059-1 中規定的SMPTE Epoch處應具有零值。

用于數字視音頻信號重建的采樣時鐘可以從媒體時鐘中導出。RTP 時鐘應與每個特定媒體類型的媒體時鐘進行頻率鎖定。

5 結語

目前，在電視轉播領域，基于IP 架構的系統越來越多，PTP 時鐘同步協議的引入，簡化了同步系統的復雜性的同時，也帶來了一些新的問題，如時鐘的微小擾動可能會造成整個系統的失鎖以及IP系統鎖定外來同步信號時所面臨的各種問題。很多問題的出現都是源于很小的技術細節。因此，只有明白同步系統中各個模塊的工作原理，工程師才能在日常的系統運營中更加得心應手，而不至于被蒙蔽在“黑盒”之中。