SDI+IP 混合架構的播總控系統設計

吳 超

（海口廣播電視臺，海南 海口 570000）

0 引言

近年來，廣電行業各方面技術轉型速度加快，電視視頻信號開始向超高清4K 發展，電視制作和直播向多內容跨平臺應用轉型。傳統串行數字接口（Serial Digital Interface，SDI）基帶技術因其單向傳輸、傳輸帶寬和距離不足以及系統靈活性差等缺點開始成為廣電技術發展的瓶頸。隨著通用信息技術（Information Technology，IT）不斷發展，網際互連協議（Internet Protocol，IP）化傳輸可以達到100 Gb·s-1的高帶寬傳輸速度。電影和電視工程師協會（The Society of Motion Picture and Television Engineers，SMPTE）ST 2110 系列標準的完善，使得廣電行業傳統基帶SDI 信號IP 化已經消除了技術障礙[1]。IP 系統可扁平化部署，資源共享，可分配、共享和高效管理，能在技術上解決SDI 架構在超高清時代的發展瓶頸，還能在內容運營方面整合互聯網和廣播電視行業資源，在時效性、實時性、交互性及吸引用戶等角度找到新的突破口[2]。本文主要論述以互聯網協議網關（Internet Protocol Gateway，IPG）取代傳統的SDI 矩陣作為關鍵設備，搭建SDI+IP 混合播總控系統的一種設計思路。

1 SDI+IP 混合系統的定義和意義

為了兼顧傳統SDI 信號和設備的使用，近年來，很多電視系統使用了IPG 網關進行SDI 和IP互轉，建設SDI 與IP 的混合系統。但是這些系統只是應用IPG 來完成系統連接任務，IPG 網關僅僅作為SDI/IP 信號接口。本文探討的SDI+IP 混合系統指的是以16×16 的IPG 網關堆疊組合取代傳統的SDI 矩陣搭建播總控系統，以此為基礎完成SDI和IP 信號的相互轉換以及信號調度。這種播總控系統支持下的任何一個應用系統既可以具有完整的SDI 信號流程，也可以具有完整的IP 工作流程。無論通過SDI 流程還是IP 流程，都可以完成應用任務。

按照這個思路，在全臺范圍建立SDI-IP 混合總控系統進行SDI 和IP 信號的轉換和調度，具有很強的實用意義。首先，將SDI 信號通過IP 網絡連接起來，在保證信號傳輸低延時的同時，可以保證各系統連接可獲得高質量保證信號，可以支撐全臺采編播所有應用。其次，各系統使用什么格式的信號，是由應用面向的對象決定的，可以根據不同應用需求選擇信號格式。最后，SDI-IP 用于各類系統連接的優勢還體現在作為資源的信號可靈活調度、靈活管理，視音頻處理能力可以在全網分配，提高生產能力和管理效率。

2 SDI+IP 混合播總控系統設計

新技術的應用可能引起相關人員對安全播出的擔心。而SDI 鏈路為線性物理可跟蹤設計，通常技術人員認為其安全性比IP 系統更高，應盡量采取平滑過渡的方式實現SDI 系統向IP 系統轉換。因而在播總控設計SDI+IP 的混合系統是必要的。

根據本文對SDI+IP 混合系統的定義，播總控功能應該能夠在一個平臺上，既可以完成SDI 信號流程的構建，也可以完成IP 信號流程的構建。雖然SDI 和IP 之間具有部分鏈路的主備關系，但作為獨立的鏈路，SDI 和IP 本身都應可以獨立地完成總控和播出信號的調度和切換。這樣設計，現階段可以完全兼容既有SDI 系統，也可以保證將來平滑過渡到全面的IP 系統，因而有助于全臺范圍內逐步完成IP 基礎架構建設[3]。

SDI 和IP 混用的關鍵設備是具有視音頻處理功能，同時具有SDI 輸入和輸出，也具有IP 輸入和輸出的IPG 網關設備。目前，市場上大多數IPG 均具有這類功能。IPG 作為網關設備，具有幀同步、上下變換、多畫面、加解嵌功能（ST2110 音視頻分開傳輸）。本文以16 路輸入+16 路輸出的IPG 網關為例（目前市場上很多品牌具有這個規模的產品），討論如何通過堆疊組合IPG 來取代傳統SDI 矩陣，完成較大規模SDI 信號調度，為播出域提供SDI 信號；IP 輸入輸出如何獨立切換，作為當前安全播出的提升手段，及過渡到未來全面IP 播出的意義。

2.1 SDI 信號調度功能的實現

一個獨立的具有16 路輸入和16 路輸出的IPG模塊，當作為SDI 輸入和輸出使用時，可以視作一個具有獨立交叉點的16×16 矩陣。可以將兩個這樣獨立的模塊設置為上下游關系，并且讓上游16×16 矩陣僅輸出一路給下游的16×16。若需要將下游的所有16 路輸入都占滿，則上游需要16 個16×16 規模的IPG 模塊，這個思路如圖1 所示。

圖1 上下游IPG 16×1 路由

利用上游的16×16 的IPG 模塊，每個輸出1路，總共有16 個這樣的模塊，因而可以得到總數為16×16=256 路SDI 輸入信號，輸出總數為16 路SDI信號的矩陣，這個矩陣的路由是分散在16+1=17 個獨立模塊完成的[4]。現在通用化這個例子的應用。假設IPG 具有X個SDI 輸入接口、并具有Y個輸出接口，在設置N個模塊后（N≤X，Y≤X），將N個IPG 放置在上游，對應到播出通道，可以獲得N×X個輸入、Y個輸出的SDI 規模矩陣。Y個SDI信號輸出到播出頻道IPG 的輸入。如果存在主備SDI 通道，則將IPG 模塊數設置為2（N+1），如圖2所示。

圖2 上下游IPG X×Y 路由

如果是多個頻道（比如數量為S個頻道），且在總控和播出均有主備通道，則IPG 模塊數量應設置為2（N+S）。按此配置：總控到播出信號調度的規模為主備各N×X路，每個播出頻道具有主備Y路信號輸出。也可以這樣理解，如果播出頻道需要Y路信號，則應配置不少于Y路的X路（Y≤X）SDI輸入IPG。在考慮主備通道播出情況下，S個頻道需要調度的路數為N×X路信號，IPG 配置數量為2（N+S）。這種方式利用了IPG 的SDI 輸入輸出通道和物理交叉點疊加的特點，完成了總控和播出域的SDI 信號路由和切換。

2.2 IP 信號調度功能的實現

IPG 具有SDI 接口，也有IP 接口，可以利用IPG 的IP 輸入輸出和IPG 虛擬交叉點特性，結合控制軟件，更容易完成IP 域的切換和播出。虛擬交叉點具有更多的靈活性，可以和物理交纏點一致，也可以是多個物理交叉點的疊加融合，也可能根據應用的需要創建不同的虛擬交叉點規模[5]。比如，可以創建256×256 的總控交叉點，也可以將每經過一次處理的信號作為新的信號源（如上下變換、延時前后的信號）作為虛擬交叉點的輸入信號源，從而完成更多的信號調度應用；也可以為每個播出頻道創建不同規模的交叉點應用；可能根據實際使用需要，比如在信號測試時創建測試應用的交叉點，在信號直播時主備信號創建直播應用的交叉點，在SDI 和IP 混合播出域為重要信號播出創建不同的備播場景等。將物理交叉點和虛擬交叉點結合使用，可以充分發揮SDI 和IP 信號在各自領域的優勢，也可以融合SDI 和IP 的混合使用，更好地為安全播出和可定義信號流程服務。

3 SDI+IP 混合播總控管理

SDI+IP 混合播總控管理，既要完成對SDI 信號和設備的管理，也完成對IP 設備和信號的管理，SDI 和IP 之間也有流程關聯的需要[6]。因而，SDI+IP 混合播總控管理必須涵蓋需要管理的所有設備、所有信號以及與業務流程相關的信號流程和監控的融合管理。融合管理應主要包括如下功能。

第一，設備管理。對系統中全部設備，包括IP設備、IPG 設備及SDI 設備的管理，定義信號源等。第二，切換控制。目的通道完全可自定義分級分組，一個目的通道可在多個分組中，并可從默認分組中復制分組，可實現按應用需要的切換控制。第三，多畫面管理。操作人員面向對象操作時，“所見即所得”將大大提高操作的可視性和安全性。多畫面監視可實現系統中所有的畫分信號源切換。第四，系統監控。為保證操作人員隨時知道系統的在用狀態，特別是信號或者鏈路的在用狀態，可在信號源列表中指定信號源，實時分析該信號在整個系統中被哪些通道使用，列出相應的使用鏈路圖；系統建立了通用協議監控平臺，可通過簡單網絡管理協議（Simple Network Management Protocol，SNMP）、安全外殼協議（Secure Shell，SSH）、WebSocket等協議，實現自定義的數據級別監控。第五，集成控制。結合設備管理、通道定義，可以將與協議相關的設備管理集中到統一的控制平臺，將信號和需求虛擬化為操作對象，操作人員只關心如何對對象執行操作系統自定義模式設置。可將系統中設備參數的修改、信號調度、畫分布局切換及備份數據等功能設置到模式中，只需一鍵就能執行模式內所有功能[7]。

4 SDI+IP 混合系統的優勢

本文所述的SDI+IP 混合架構播總控系統在實現傳統SDI 信號鏈路調度功能的同時，也利用IPG設備的基本功能，完成對系統內全部SDI 信號的IP化。結合主備核心交換機，就可以實現完全獨立的IP 架構應用鏈路。這種混合架構的播總控系統能夠取代傳統SDI 矩陣，仍然保留SDI 信號鏈路功能。基于平穩過渡的目的，可以在這種架構下使用傳統SDI 播控通道，保持SDI 信號播控鏈路清晰直觀，在主備鏈路模式下單一設備故障點對系統影響較小的特點；也能利用IPG 設備本身自帶的幀同步、上下變換、多畫面及加解嵌（ST2110 音視頻分開傳輸）等功能，省去大量繁雜的周邊設備。同時，由于系統中的信號已經實現了IP 化，就可以在本系統的支持下以較小成本實現IP 化的制播流程[8]。

5 結語

目前，對大多數電視臺來說，采取SDI+IP 混合核心架構的制播系統雖然略顯復雜，但是能夠保證電視生產的安全性，又能兼顧系統發展升級前景，同時幫助技術人員熟悉和掌握IP 化技術，為下一步電視技術系統的超高清化和IP 化做好充分準備。