AoIP+基帶架構廣播播控系統設計與典型技術方案分析

蘇彤

（遼寧廣播電視集團(臺)，遼寧沈陽，110003）

0 引言

數字化、網絡化視音頻技術的發展使得近年來專業視音頻領域的工作流程和制作設備、手段發生了深刻的變革；同時，IT 行業的大量技術和系統規劃設計思想融入專業廣電播控領域。應運而生的VoIP 和AoIP 相關技術不僅完成的是信號傳輸，而是進一步使廣播電視行業的節目制作、發布、用戶體驗等各方面都發生了質的改變。IP 化網絡已經成為信息傳遞相關領域的發展趨勢，網絡化數字系統逐漸成為支撐信息社會的大平臺，并且使得多種媒體相互滲透，為當前大力發展融媒體打下堅實的物質基礎。

1 總體設計思路

1.1 為什么廣播播控系統要采用AoIP+基帶架構

廣播播控系統涵蓋了廣播節目制作、控制、傳輸、播出以及融媒體生產、分發等技術環節?；贗P 架構的廣播智能化播控及監測系統（以下簡稱播控系統）的技術特點，主要包含了兩方面的意義：首先在音頻傳輸網絡中采用IP 技術，可以使音頻系統具備很多有利于設備操作維護以及系統流程管理的新特性，例如，可以進行網絡化分布式的調音臺、矩陣的設置；可以進行遠程音頻調用；可以在音頻系統內集成控制信號和內通對講信號等等。

另一方面，隨著專業廣播電臺播出頻率不斷增加；龐大的制播系統對高安全性需要不斷增強；音頻節目制作、自動播出系統的輔助系統對信號、流程、系統狀態、設備工況的智能化監控、偵錯與智能應急預案等等功能要求越來越高。這些要求已經不僅僅是傳統的信號監控，而是更強調流程控制、故障智能檢測、定位乃至智能恢復。為滿足以上這些技術需求，播控系統音頻系統的網絡化IP 化是一種必然。

但是，在考慮音頻網絡化IP 化的各方面優勢之外，我們也意識到，因為IP 化對傳統播控流程的設備、信號通路等各方面的硬軟件及邏輯流程都會帶來革命性的變化，新的IT 知識和應用技術對于播控系統信號流程和電臺傳統技術人員都是艱巨的考驗，因此，在系統設計中，必須要采用漸進式的、傳統基帶與AoIP 融合的方式來實現系統功能，并且可以讓傳統基帶和AoIP 做到各自獨立完成播控的主要功能，同時保證高標準安全性。本質上，采用了多少新技術并不是系統設計的最終目的，而能夠為實際工作帶來多少便利和提高多少效果，才是我們所追求的目標。

1.2 AoIP+基帶廣播播控系統包含內容

一套完整的廣播播控系統設計方案，應包括：直播系統、錄制系統、主控系統、傳輸系統、監測與控制系統等。直播系統完成廣播直播節目的制作與傳輸；錄制系統完成錄播節目的制作任務，由于錄制系統與整個系統相比，在安全性方面要求不高，只需具備接口設備完成系統接入即可，所以在這里不做贅述；主控系統負責整個廣播實時節目的調度分配，包括直播節目、錄播節目、外轉節目的采集與分發；傳輸系統完成實時節目應用端的高安全、高質量、低延時傳輸任務；監測與控制系統負責系統內所有音頻信號質量監測、設備工作狀態和環境的監測報警、故障應急時的報警及最優應急策略的確定及執行。

幾年前，對于音頻工程師來說，這樣一套播控系統的設計與施工是一項很繁雜的工程任務，尤其是對音頻信號的全流程監測，往往是監測點的接入反而降低了系統的安全性，后期維護更加困難。隨著AoIP 技術越來越成熟并不斷地被引用，事情變得簡單起來。

1.3 設計AoIP+基帶廣播播控系統主要應關注的幾個問題

合理可行的技術方案，首先要充分滿足用戶現有需求，同時兼顧長遠發展，具有較高性價比，一般來說應該具有以下幾個特征：

（1）高性能：網絡數字音頻技術演進的過程，就是不斷降低延時，提高碼率的過程，AoIP 技術發展到今天，已經實現了低延時無壓縮傳輸音頻，但在網絡設計時，需要充分考慮現在及未來業務發展所需網絡帶寬及性能容量要求，提供相應的Qos 服務，保證網絡的高效與通暢。

（2）可靠性：廣播播控系統對可靠性要求不言而喻，選用性能可靠的網絡設備時設計前提，這種對設備的可靠性要求是多方面、全方位的；采用成熟的網絡架構，主備網絡冗余是必不可少的；網絡重要節點設備應具有較高的容錯性能，以保證網絡系統的容錯自愈能力。

（3）安全性：網絡的安全性能必須充分考慮，一是異構網絡或子網連接時要保證物理連接是安全的；另外需要考慮的是網絡內部要進行邏輯劃分，形成由多個邏輯子網組成的三層網絡架構為最佳。通過防火墻和訪問策略，控制網絡安全也是非常必要的。

（4）擴展性：我們經歷的每個新的播控系統，大概率要不使用10 年左右，這期間總要根據業務需要，進行很多次的改造和擴容。這就需要設計當初在軟硬件設備乃至通訊協議選擇、IP 地址、帶寬容量都要規劃預留。

圖1 典型AoIP+基帶架構廣播播控系統信號傳輸流程示意圖

上述是一套完整的AoIP 網絡技術播控系統所必須具備的幾個特點。另外，AoIP 網絡系統應該充分發揮技術優勢，配置建立集中的軟硬件管理平臺，統一完成信號監測應急、信號路由配置、設備及GPIO 配置管理、監測信號投射等功能。而具體的設備選擇與配置，重點需要考慮以下幾點：

（1）通信協議的選擇： AoIP 技術的演進是伴隨著網絡通信技術及通信協議發展而不斷進步的。從原來的CobraNET、EtherSound、AVB 等 二層網絡音頻通信協議，發展到今天的AES67、AES70、Livewire+、Dante、Ravenna、Q-LAN，這一歷程經過了30 余年。這些通信協議大多是不同廠商或組織開發的，它們之間具有諸多相同和不同之處，與其說選擇協議不如說選擇的是廠商設備。需要關注的是2017年，電影電視工程師協會（SMPTE） 公布的ST 2110 標準協議系列。它是一個協議集合，對數字音視頻、時序、輔助數據等均做了框架式規定，本文的典型方案即采用了其中的ST 2110-10 和ST 2110-30 部分。

（2）網絡架構設計：對于一個AoIP 網絡，為保證時延足夠小，設計帶寬至少要留有30%的余量（參照1000Mbps 容納500 個音頻通道）。根據播控系統AoIP 網絡規劃以及帶寬和時延的需求，基本可以確定其網絡架構分為三層即：接入層、匯聚層、核心層。網絡拓撲結構如圖2所示。

圖2

（3）交換機的選擇：交換機的選擇與配置決定著網絡基本性能，否則將無法保證AoIP 網絡的安全、帶寬、時延等要求。一般來說，如果條件具備，整個系統推薦選擇同一品牌可管理型交換機，方便統一管理和配置；具有堆疊功能完成主備交換機堆疊。根據系統設計選擇交換機型號需要注意以下幾個參數：端口帶寬是交換機的最基本指標，AoIP網絡交換機一般需要千兆口或萬兆口；背板帶寬應支持全線速背板，即交換機端口數×1Gbps×2；對于包轉發率及緩存大小這兩個參數，不同通信協議要求不同，需要與AoIP設備提供商咨詢后進行選擇；交換機具體使用時，需要配合整個AoIP 網絡系統去完成VLAN 配置、DSCP 系統配置、組播路由配置。

（4）AoIP 同步系統

AoIP 系統必須采用嚴格的時鐘同步策略，完全遵守PTPv2 時鐘同步標準。系統一般主備兩臺同步信號發生器，強制設定核心交換機為主時鐘，其它設備配置為逐級跟隨。

（5）數字音頻矩陣

AoIP+基帶廣播播控系統的核心為數字音頻矩陣。這一核心矩陣必須能將模擬音頻、數字音頻、同異構網絡音頻、TDM、FDDI、MADI 等輸入、輸出信號進行整合調度。廣播播控系統對于故障應急及恢復響應時間要求較高，單純依靠AoIP 網絡音頻無法滿足播出安全要求。將基帶音頻信號通過音頻矩陣接入系統，不僅可以完成應急和災備功能，同時也滿足了傳輸應用端的快速靈活調用的要求。

2 典型技術方案分析

為方便更好地了解AoIP+基帶廣播播控系統，下文列舉一套廣播播控系統技術設計方案，供大家參考。案例自然條件為：業務樓內7 個直播間、1 個中心控制機房、1 個頂層微波機房，音頻信號需要雙向送往調頻發射塔傳輸機房、發射機房、衛星上行機房、中波發射臺。

2.1 總體設計

設計方案采用AoIP+基帶并行播出通路的思想進行設計，以音頻矩陣作為基帶矩陣核心，SMPTE ST2110 協議基礎上的IP 化網絡矩陣與其并行；直播間內也采用分體式IP 化數字調音臺為核心，根據機房配備的實際情況，分為用于多功能訪談類節目的大型直播機房和用于日常節目播出的直播機房。圖3 是整體系統設計信號流程示意圖。

圖3

圖3 中，中部為主控內設備及系統；左側為主控音頻信號來源，右側為各類輸出應用接口。

從播出的音頻信號流程角度來看，7 套直播間生產的播出音頻PGM 信號，同時通過AES3 數字和SMPTE ST2110-30 協議的IP 流送往主控，分別進入基帶矩陣和網絡矩陣進行調度；同時，應急信號、異地直播間PGM 信號、外來轉播信號等也同時通過這兩種格式將信號分別送往基帶和IP網絡矩陣。部分不具備IP 接口的信號源設備，例如衛星接收機等，先通過基帶轉AoIP 音頻單元，在產生IP 信號流的同時，又通過轉換單元直通將基帶信號送往主備基帶矩陣。

所有信號源經過基帶+IP 網絡矩陣的調度，并行送往后端智能多選一切換器，在智能監測和人工判斷后，優選當前最佳播出節目源，送出至FM 處理器、流媒體處理器等后級應用接口。

在整體系統中，無論直播間調音臺和主要周邊設備、基帶轉AoIP 音頻單元和智能多選一切換器等，都具備SMPTE ST2110-30協議的網絡接口；基帶矩陣雖然以基帶應用為主，但同時也具備AoIP 網絡接口，可以將自身的輸入信號轉換為IP 流的方式送出至其他功能模塊。因此，除IP 網絡矩陣可取得所有音頻信號流以外，智能監測系統也可以獲得所有系統內各音頻流程階段的音頻信號，以此為基礎完成信號監測、比對、故障判斷和應急預案優選等功能。

2.2 音頻矩陣

主控基帶矩陣部分，采用STAGETEC 公司的 NEXUS 矩陣。硬件上采用主、備矩陣完全相同的配置，軟件上可實現主、備矩陣的完全鏡像操作或部分獨立操作。主、備矩陣硬件分別為一個3U 機箱，可獨立工作、分別具備獨立播出的能力。同時，利用NEXUS 系統的統一管理和自動路由的機制，本系統方案中光端機的選型也同樣適用NEXUS 機箱，并將光端機與基帶矩陣通過TDM 總線光纖連接成為一個“NEXUS 管理系統”，使用原廠軟件，將基帶矩陣和光端機（包括主控機房內的發射端，以及22 層微波機房、彩塔中心等遠程接收端）作為一個統一的硬件平臺進行直接監控。

主控的IP 矩陣部分，在物理體現上則是以主、備交換機為核心的AoIP 局域網。所有播控系統內的主要設備（包括直播間調音臺、周邊、主控外來信號接口單元、智能切換器等），都以主備方式在這個局域網中相互收發信號流。同時，使用 專用管理服務器對整個AoIP 網絡內的設備進行統一設置管理，并配合監測系統完成系統監測監看。

2.3 主控系統

本部分系統內包括基帶矩陣、IP 矩陣，以及后級智能信號切換器、FM 音頻處理器和光端機等節目產品制作完畢后的調度、分發流程。

矩陣作為播控系統的調度核心，本方案中做到了基帶、IP 矩陣相互獨立的全直播流程調度路徑，兩者可做到自動優先切換，邏輯優先級別由用戶自定義可隨時修改；同時，在IP 網絡流程和基帶流程中，各自也已具備系統內的熱冗余主備通路架構，即不論采用基帶鏈路，或者采用IP 鏈路作為主播出路由，都可做到本格式本系統內的熱冗余零秒切換；同時，在此基礎上，又可以使用另一種格式和協議作為智能備份播出路由，在主、備通路出現同性質的播出問題時，可手動或自動切換到另一協議、不同架構的系統路由上進行安全播出，而另一鏈路的測試、調試與現有播出通路的安全完全無關，毫無影響。

2.4 監測系統

在主控系統中，采用了智能監測系統。這套系統采用模塊化的開發方式，在軟件服務平臺上（配置了主備熱冗余服務器），大屏顯示、信號監聽、報警日志、智能切換策略選擇等等都是分布式模塊化結構，單獨安裝、獨立使用，任一模塊都可多硬件安裝以作互備；任何一個模塊或客戶端的故障都不影響整體系統的正常運行。

在監測環節，還采用了網絡管理服務器。它不但起到備份監測的作用，同時更有價值的部分在于，可對所有系統內支持網絡設備進行深層管理。簡言之，主監測系統統一全面管理播控系統整個流程的音頻質量，更專注于整體系統運行和播出信號健康；網絡管理服務器則管理播控系統中的大部分設備，對音頻信號、設備自身參數級設置和調整進行干預，兩者完全獨立互為備份并各有側重。

智能監測系統是全IP 化系統優勢體現的核心，也是系統實際運行工作時的核心。它負責系統內所有音頻信號質量的監測、設備基本工作狀態和環境的監測報警，以及故障應急時的報警及最優應急策略的確定及執行。

圖4 為智能監測系統功能示意圖。在這一整套監測服務平臺上，完成大屏綜合監測、網絡狀態監測、音頻信號監聽/輪聽、音頻質量比對、應急策略優選、日志記錄和人員管理等各類不同功能。

圖4

2.5 直播分系統

直播間分系統共有8套（臺內）節目生產單元。圖5 是方案內標準直播間的系統示意圖。

圖5

直播間子系統是廣播電臺主要節目生產單元，其系統核心是數字調音臺。但直播間子系統的搭建和設備選型，要考慮到播控系統的整體需求。

在IP 化直播間內所采用的協議和信號格式需要與主控保持一致，才可以得到最大化的系統統合優勢；其次在系統中如何考慮主備關系和備份冗余通路的設計，都會影響到播控系統整體性能。本方案設計的直播間子系統綜合考慮以上兩點，使直播間能同時保證直播節目信號送基帶矩陣、IP網絡矩陣和直通矩陣后智能切換器三個不同輸出路徑，以達到最佳PGM 節目源盡可能進入主播出通路的目的。

本方案設計中，采用AXIA 公司的QUASAR 調音臺作為主調音臺，同時采用的延時器、通話單元等都支持SMPTE ST2110 協議。