基于AoIP與NDI技術(shù)的廣播融媒直播系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建設(shè)

陳宜峰

（作者單位：福建省廣播影視集團(tuán)）

廣播因傳播快、覆蓋廣、收聽方式簡單方便，有著廣大的受眾群體，尤其是在私家車數(shù)量逐年增長的城市，收聽廣播已經(jīng)成為不少駕乘人員的習(xí)慣。隨著融媒體時(shí)代的到來，廣播不能止步于傳統(tǒng)的傳播方式，福建省廣播影視集團(tuán)播出中心主動(dòng)邁入融媒體時(shí)代，因時(shí)而動(dòng)、順勢而為，將FM987廣播音頻直播系統(tǒng)升級(jí)改造，建成了音視頻相結(jié)合的融媒直播系統(tǒng)。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

根據(jù)融媒直播系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)上遵循以下幾個(gè)原則：

（1）功能多樣。融媒直播系統(tǒng)按功能被劃分為音頻系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)，集廣播直播間和電視演播室于一體。傳承廣播特點(diǎn)，融合電視需求，結(jié)合舞美與背景屏，在布局、攝像、燈光等方面充分考慮取景需求，為受眾提供更好的視聽體驗(yàn)。

（2）技術(shù)先進(jìn)。充分應(yīng)用NDI和AoIP等視音頻新技術(shù)，信號(hào)IP化，實(shí)現(xiàn)基帶和IP信號(hào)雙通道傳輸，并組成一張覆蓋廣播各頻率的NDI網(wǎng)絡(luò)，接入集團(tuán)視頻矩陣，實(shí)現(xiàn)資源共享。

（3）安全可靠，性能優(yōu)良。依據(jù)《廣播電視安全播出管理規(guī)定》的要求，該系統(tǒng)的主要通路和設(shè)備均實(shí)現(xiàn)有主有備，互通互聯(lián)，既能獨(dú)立運(yùn)行，也能協(xié)同工作。超高清的信號(hào)參數(shù)符合《超高清晰度電視系統(tǒng)節(jié)目制作和交換參數(shù)值》（GB/T 41809-2022）和《高動(dòng)態(tài)范圍電視節(jié)目制作和交換圖像參數(shù)值》（GB/T 41808-2022）[1]，音頻滿足《數(shù)字音頻設(shè)備的滿度電平》（GY/T 192-2003）和《廣播聲頻通路運(yùn)行技術(shù)指標(biāo)等級(jí)》（GY/T 75-1989）等要求。

2 音頻系統(tǒng)

近年來，基于AoIP技術(shù)的音頻系統(tǒng)已經(jīng)得到越來越多的應(yīng)用，AoIP即Audio over IP，是一種在標(biāo)準(zhǔn)局域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)字音頻無損透傳技術(shù)，是不同音頻傳輸與控制協(xié)議的統(tǒng)稱，常見的有Dante協(xié)議、Livewire+協(xié)議、Ravenna協(xié)議、WheatNet-IP協(xié)議[2]。目前，各協(xié)議均可以通過AES67標(biāo)準(zhǔn)（AoIP互聯(lián)互通的正式標(biāo)準(zhǔn)）實(shí)現(xiàn)互相通信。鑒于AoIP技術(shù)的優(yōu)勢，融媒直播系統(tǒng)的音頻系統(tǒng)采用AoIP技術(shù)作為主要的傳輸手段，同時(shí)考慮到與周邊設(shè)備和總控傳輸通路的兼容性，基帶仍然作為必要的傳輸手段。該音頻系統(tǒng)分為音頻主系統(tǒng)和音頻備系統(tǒng)，主系統(tǒng)位于直播間，備系統(tǒng)位于導(dǎo)播間，二者互聯(lián)互通，應(yīng)急情況下可以互相替代。音頻系統(tǒng)的具體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 音頻系統(tǒng)

2.1 音頻主系統(tǒng)

綜合周邊設(shè)備和傳輸特性，融媒直播系統(tǒng)的音頻主系統(tǒng)按傳統(tǒng)廣播直播間布局，配置于直播桌，以LAWO RUBY調(diào)音臺(tái)為核心，采用“模擬+AES3+MADI+AoIP”傳輸結(jié)構(gòu)。模擬輸入信號(hào)中，由于信號(hào)源是唯一格式和通路，對有線話筒的信號(hào)采用通過無源話筒分配器分配的方式[3]；模擬輸出有耳機(jī)監(jiān)聽、延時(shí)器、音箱監(jiān)聽、無線監(jiān)聽和效果器等設(shè)備。數(shù)字輸入信號(hào)有主/備播出站、CD、外來信號(hào)、音頻備系統(tǒng)的輸出等；數(shù)字輸出則傳輸至總控主切、總控備切、音頻矩陣和音頻路由器，用于監(jiān)聽監(jiān)測和傳輸播出使用。此外，與總控的NOVA73數(shù)字音頻矩陣之間采用多通道數(shù)字音頻接口（Multi-channel Audio Digital Interface, MADI）傳輸技術(shù)，是以AES/EBU（Audio Engineering Society/European Broadcast Union，是專業(yè)數(shù)字音頻較為流行的標(biāo)準(zhǔn)）接口標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的多通道數(shù)字音頻設(shè)備間的互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)[4]。同時(shí)，調(diào)音臺(tái)IP傳輸接口支持Ravenna協(xié)議，直連核心交換機(jī)，匯入“AoIP+NDI”音視頻混合網(wǎng)。

2.2 音頻備系統(tǒng)

音頻備系統(tǒng)配置于導(dǎo)播間，作為視頻錄制使用，也可接管替代音頻主系統(tǒng)。備系統(tǒng)以Vi2000數(shù)字調(diào)音臺(tái)為核心，內(nèi)置Dante網(wǎng)絡(luò)音頻主備接口。模擬輸入有無源話筒分配器、主導(dǎo)播切換系統(tǒng)（TC2）返送輸出和電話耦合器2等，模擬輸出分別送至備導(dǎo)播切換系統(tǒng)（一體機(jī)）、音箱監(jiān)聽、主導(dǎo)播切換系統(tǒng)（TC2）等。數(shù)字輸入來自音頻主系統(tǒng)RUBY調(diào)音臺(tái)、CD、錄播站、音頻路由器等，數(shù)字輸出送至音頻主系統(tǒng)RUBY調(diào)音臺(tái)、錄播站和音頻切換器。此外，MADI接口與Dante接口分別連接總控NOVA73數(shù)字音頻矩陣和核心交換機(jī)，與主音頻系統(tǒng)同時(shí)傳輸，提高傳輸效率和傳輸安全性。

2.3 AoIP網(wǎng)絡(luò)

AoIP網(wǎng)絡(luò)采用星型結(jié)構(gòu)（見圖2），由核心交換機(jī)、主/備音頻系統(tǒng)、主/備導(dǎo)播切換臺(tái)、路由控制主機(jī)等部分組成。雖然在網(wǎng)絡(luò)中存在著Ravenna和Dante兩種協(xié)議，但都支持AES67，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)互相兼容。接入網(wǎng)絡(luò)的音頻設(shè)備，可以被控制軟件發(fā)現(xiàn)并獲取通道信息，加入路由矩陣中并自由分配和調(diào)度。

2.4 應(yīng)急切換和備份手段

常規(guī)情況由主音頻系統(tǒng)完成廣播節(jié)目的制作與播出，備音頻系統(tǒng)負(fù)責(zé)將音頻信號(hào)轉(zhuǎn)至主導(dǎo)播切換系統(tǒng)（TC2）用于視頻直播或錄制，應(yīng)急切換和備份手段分為以下幾種情況：

（1）主音頻系統(tǒng)不能正常工作，備音頻系統(tǒng)隨時(shí)接管，備音頻系統(tǒng)涵蓋了主持人話筒、CD、錄播站及由NOVA73矩陣送來的各路信號(hào)等多種常備通路。切換步驟：將音頻切換器切換開關(guān)選擇至備音頻系統(tǒng)，則備音頻系統(tǒng)信號(hào)通過音頻路由器傳輸至總控，由總控選擇該信號(hào)并切換。同時(shí)，備音頻系統(tǒng)的信號(hào)通過MADI常態(tài)化傳輸至總控NOVA73矩陣，形成一主一備兩路傳輸通路，可以完全取代主音頻通路。

（2）備音頻系統(tǒng)不能正常工作，將導(dǎo)致主導(dǎo)播切換系統(tǒng)（TC2）無音頻源，而主音頻系統(tǒng)的AoIP信號(hào)接入核心交換機(jī)，可以通過AoIP網(wǎng)絡(luò)的路由，將該信號(hào)送至主導(dǎo)播切換系統(tǒng)（TC2）。

（3）備音頻系統(tǒng)的基帶通路故障，主導(dǎo)播切換系統(tǒng)（TC2）和備音頻系統(tǒng)是基帶與AoIP同時(shí)傳輸，日常以基帶信號(hào)為主，當(dāng)基帶信號(hào)發(fā)生故障，則通過TC2將輸入切換至AoIP通路，避開故障點(diǎn)。

3 視頻系統(tǒng)

視頻系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的主要部分，包括視頻的監(jiān)看、制作、錄制、分發(fā)、管理與控制、音頻系統(tǒng)嵌入、通話、指揮調(diào)度及直接面向互聯(lián)網(wǎng)的直播。傳統(tǒng)的視頻系統(tǒng)中，視頻信號(hào)大多由數(shù)字分量串行接口（Serial Digital Interface, SDI）或高清多媒體接口（High Definition Multimedia Interface, HDMI）傳輸，這種點(diǎn)對點(diǎn)的傳輸方式布線復(fù)雜、傳輸距離有限。近年來，視頻IP化傳輸技術(shù)快速發(fā)展，以ST2110和NDI技術(shù)為代表，ST2110將視頻、音頻和輔助數(shù)據(jù)分開打包，規(guī)定了如何使用精確時(shí)鐘同步協(xié)議（Precision Time Protocol, PTP）進(jìn)行時(shí)鐘同步，規(guī)定了IP流的基本要求，使用會(huì)話描述協(xié)議（Session Description Protocol, SDP）通知終端每一路IP流中包含的數(shù)據(jù)類型[5]。雖然實(shí)現(xiàn)了4K無壓縮傳輸，但是對硬件、帶寬、同步要求非常高，因此成本昂貴。NDI是I幀幀內(nèi)壓縮方案，最新的是NDI5版本，NDI 1 080p的帶寬在130 Mbps左右，4K在250 Mbps左右，使用千兆網(wǎng)絡(luò)即可滿足高畫質(zhì)的需求，并支持共享鏈接上的多路超低延遲、超高質(zhì)量視頻流，兼容該協(xié)議的產(chǎn)品種類豐富齊全，成本低。在視頻系統(tǒng)中，引入NDI技術(shù)可以減少線路敷設(shè)，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

3.1 NDI網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

視頻系統(tǒng)以NDI網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)（見圖3），NDI網(wǎng)絡(luò)涵蓋云臺(tái)（PTZ CAM）、攝像機(jī)（CAM），推流編碼器、主導(dǎo)播切換系統(tǒng)（TC2）和備導(dǎo)播切換系統(tǒng)（一體機(jī)），以及包裝機(jī)、提詞器、拼接器等子系統(tǒng)。

圖3 NDI網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

核心交換機(jī)S 5 5 6 0 X-3 0 C-E I，擁有2 4 個(gè)10/100/1000BAse-T自適應(yīng)以太網(wǎng)端口，4個(gè)萬兆SFP，電口連接各信號(hào)源和音頻源，光口連接TC2切換臺(tái)和位于廣播總控機(jī)房的NDI視頻矩陣交換機(jī)。不論是主導(dǎo)播切換系統(tǒng)（TC2）還是備導(dǎo)播切換臺(tái)（一體機(jī)），以及推流編碼器，均配置“基帶+NDI”模式，做到設(shè)備和通路均有備份，避免單一故障點(diǎn)。

攝像機(jī)采用松下AG-CX98MC 4K NDI攝錄一體機(jī)，有多路輸出接口，支持SDI、HDMI輸出與Wi-Fi以太網(wǎng)高清直接流傳輸，更重要的是兼容NDI的IP連接功能，能夠直接接入核心交換機(jī)，匯入NDI網(wǎng)絡(luò)。兩臺(tái)支持NDI的PTZ云臺(tái)索尼4K SRG-HD1M2布置在高處，采集全景畫面或近景特寫畫面。提詞器子系統(tǒng)由1臺(tái)提詞器主機(jī)、無線文稿控制器和固定于攝像機(jī)腳架上的3塊顯示屏組成，實(shí)現(xiàn)多機(jī)位同步播放。包裝機(jī)和拼接器能夠提供豐富的背景大屏元素，可播放靜態(tài)圖片、動(dòng)態(tài)圖片、視頻及拉流等多種形式的素材。

3.2 主導(dǎo)播切換系統(tǒng)（TC2）

主導(dǎo)播切換系統(tǒng)以NEWTEK TC2切換臺(tái)作為切換臺(tái)，基帶輸入通過SDIIN接口接入3臺(tái)攝像機(jī)，2臺(tái)云臺(tái)攝像機(jī)以及直播OA和導(dǎo)播OA的顯卡輸出（見圖4），而NDI輸入可以靈活配置，NDI網(wǎng)絡(luò)中的信源均可獲取并使用。

圖4 主導(dǎo)播切換系統(tǒng)

在制作效果上，動(dòng)畫字幕和轉(zhuǎn)場、色度鍵控器和實(shí)時(shí)虛擬場景，可以在切換器上集合完成，可以實(shí)現(xiàn)9∶16豎屏以及正方形視頻等非標(biāo)準(zhǔn)視頻寬高比的輸入和輸出，多路SDI輸出和NDI輸出，分別送往監(jiān)視器、直播間返送屏、包裝機(jī)、硬盤錄像機(jī)和推流編碼器1等設(shè)備。在音頻方面，雖然硬件接口輸入只提供1組平衡XLR（俗稱卡儂接口）立體聲，但TC2還支持AES67協(xié)議，軟件中集成16路音頻混音器，以及常見的限幅、延時(shí)、增益、solo（獨(dú)奏、獨(dú)唱）等功能，滿足基本調(diào)音需求。錄像機(jī)BMD HyperDeck錄制主切換臺(tái)的PGM信號(hào)，可同時(shí)插入兩塊固態(tài)硬盤（Solid State Disk, SSD），支持不間斷錄制，當(dāng)一塊硬盤數(shù)據(jù)寫滿后，錄像機(jī)會(huì)自動(dòng)開始在另一塊硬盤上繼續(xù)寫入。

3.3 備導(dǎo)播切換系統(tǒng)（一體機(jī)）

備導(dǎo)播切換系統(tǒng)（見圖5）以高清導(dǎo)播切換一體機(jī)TC-Live SP作為切換臺(tái)，不論是接口還是功能，與主切換臺(tái)類似。視頻源支持HDMI、HD-SDI、SDI、分量、S-Video、4K及NDI網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，但為了減少重復(fù)布線，視頻信號(hào)源全部取自NDI網(wǎng)絡(luò)，音頻不支持AES67，因此只能走基帶，一對模擬立體聲輸入，制作上具有字幕、轉(zhuǎn)場、摳像、虛擬場景等基本功能，輸出至編碼推流器2，實(shí)現(xiàn)熱備份，在主切換系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)快速接管。

圖5 備導(dǎo)播切換系統(tǒng)

3.4 NDI網(wǎng)絡(luò)拓展——視頻矩陣

利用NDI的優(yōu)點(diǎn)，將各獨(dú)立的節(jié)目源組成視頻矩陣并調(diào)度分配，能夠更好地實(shí)現(xiàn)資源共享。廣播總控配置一臺(tái)萬兆交換機(jī)，各直播間配置千兆交換機(jī)，通過萬兆光纖口連接至廣播總控萬兆交換機(jī)，信號(hào)源來自各直播間視頻切換臺(tái)，傳統(tǒng)的視頻切換臺(tái)不支持NDI，則需要網(wǎng)關(guān)完成基帶信號(hào)和NDI信號(hào)的互相轉(zhuǎn)換，TC2視頻切換臺(tái)則可以直接接入千兆交換機(jī)，由此實(shí)現(xiàn)廣播頻率視頻節(jié)目組網(wǎng)匯聚，同時(shí)，在電視總控配置一臺(tái)萬兆交換機(jī)，與廣播總控萬兆交換機(jī)互連，并通過網(wǎng)關(guān)接入電視視頻矩陣，組成一個(gè)NDI矩陣。NDI視頻矩陣如圖6所示：

圖6 NDI視頻矩陣示意圖

電視總控是電視信號(hào)的匯聚核心，擁有眾多的信號(hào)源，除了電視信號(hào)，還有4G背包等外場信號(hào)，以及架設(shè)在頂樓的戶外攝像機(jī)信號(hào)，實(shí)時(shí)捕捉街景、江景。通過連接在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的軟件NDI tools，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的監(jiān)看和調(diào)度，NDI視頻矩陣監(jiān)看調(diào)度平臺(tái)如圖7所示：

圖7 NDI視頻矩陣監(jiān)看調(diào)度平臺(tái)

在該圖中，下面四個(gè)畫面是來自電視總控的信號(hào)源，前三個(gè)是電視頻道，最后一個(gè)是戶外攝像機(jī)采集的閩江江景；上面四個(gè)畫面則是來自廣播各頻率的視頻信號(hào)，其中兩個(gè)頻率視頻PGM采用了電視總控江景畫面，實(shí)現(xiàn)了資源共享。

4 結(jié)語

AoIP和NDI技術(shù)的應(yīng)用，極大簡化了廣播融媒直播系統(tǒng)的硬件規(guī)模，功能和配置上更勝一籌，支持SDI、HDMI、NDI和AES67各類基帶與IP信號(hào)，還支持PTP同步。融媒直播系統(tǒng)配置了4K超高清攝像系統(tǒng)、雙制作切換臺(tái)、4K在線包裝等，能夠?qū)崿F(xiàn)4K超高清及1 080P高清雙標(biāo)準(zhǔn)綜合節(jié)目制作、實(shí)時(shí)直播，是一種基于新理念和新體系架構(gòu)的制作平臺(tái)，其開放式架構(gòu)有助于將各種外部信號(hào)源連接至終端設(shè)備，有助于硬件和軟件系統(tǒng)的集成，也有助于系統(tǒng)的擴(kuò)容。自投入運(yùn)行以來，穩(wěn)定流暢，沒有發(fā)生卡頓、死機(jī)等故障，經(jīng)多次測試，指標(biāo)滿足行業(yè)各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到設(shè)計(jì)目的，滿足節(jié)目要求。今后，要在信號(hào)源拓展上，通過NDI視頻矩陣，與4G背包外場直播系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量視頻連線直播，挖掘系統(tǒng)潛在功能。