电视制作播出系统IP化网络架构解决方案技术研究

吕斌

摘 要 科学技术的发展带动了多个行业的创新，在电视制作行业，高清视频信号的出现，对电视制作播出提出了更高的要求。基于此，文章将电视制作播出系统在创新改革中存在的问题作为基础，给出了一种IP化网络架构解决方案，该方案将SDI基带信号转变成IP数据包，实现了电视制作播出系统的优化，提高了系统的灵活性与拓展性，从整体上提升了电视制作播出系统的性能。

关键词 电视制作播出系统；IP化；网络架构

中图分类号 TN94 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2018）221-0089-02

在电视技术迅猛发展的背景下，3D、4K超高清设备的出现，提高了电视节目的清晰度，使电视节目的色彩更为丰富。但是在实际的应用过程中，由于3D、4K等超高清设备对信号有较高的要求，使得传统电视制作播出系统难以满足其需求，这就要求技术人员进行相应的创新，确保电视制作播出系统能够制作出高质量的节目。因此，对于IP化网络架构解决方案技术的分析是很有必要的。

1 电视制作播出系统存在的问题

互联网时代的到来，促进了电视技术的发展，电视节目制作播出技术的水平有显著的提升。在2K高清电视节目制作播出逐渐呈现规模化发展的同时，3D、4K甚至8K技术的出现，对电视制作播出提出了更高的要求。4K超高清设备凭借丰富的色彩、较高的性价比与图像清晰度，促进了4K技术的发展。但是在电视制作播出系统中，3D、4K等超高清电视技术的应用受到了阻碍，传统电视制作播出系统的带宽并不适用于3D、4K等先进技术。

一般来说，标清SD的电视制作播出系统标准为SMPTE295、带宽为270Mbit/s；高清HD的电视制作播出系统标准为SMPTE292、带宽为1 485Mbit/ s；3D电视制作播出系统标准为SMPTE424、带宽为2970Mbit/s；4K电视制作播出系统标准为SMPTE2036、带宽为11 880Mbit/s。

观察上述数据可知，在带宽方面，4K高清电视的信号约为2K信号的8倍。在实际的电视制作播出系统中，4K高清电视信号的每一路都是由4根3G-SDI绑定。这就表示4K电视制作播出系统所用的设备电缆约为传统系统的四倍，需要的跳线排及接口数量也有所增加，提高了电视制作播出系统的建设难度。与此同时，4K电视制作播出系统由四根线缆传输一路信号，一旦其中一根线缆出现问题，将会对电视信号的传输造成影响，电视制作波出系统的信号故障率提升了近4倍。因此，技术人员需要采取先进的技术，有效解决上述问题[1]。

2 电视制作播出系统IP化网络架构解决方案

2.1 解决方案的整体思路

通过上述分析可知，在电视制作播出系统的发展过程中，存在一定的问题，需要技术人员采用有效的方案解决。基于上述问题，电视工程行业的专家提出了电视IP化网络架构的解决方案，想要通过IP网络技术的应用，实现电视SDI基带信号与IP数据包（SDI OVER IP）的有效转换，将光纤等性能优异的高速网络传输介质代替以往的传输线路。

在IP化网络架构中，电视制作播出系统中的设备大都利用网络连接方式，仅有少数设备需要将SDI基带信号转变成SDI OVER IP。其中，网络连接方式属于双向多通道连接，有助于电视制作播出系统网络架构的优化。

和传统的基带信号传输方式相比，网络IP数据包的传输方式能够有效提升电视信号的传输效率及质量。众所周知，在实际的电视图像传输过程中，不仅具备有效图像周期，还在行、场消隐期中会出现较多的空余时间。在这些空余时间内，系统主要进行图像格式的传输以及音频数据的嵌入等操作，而这些操作需要的时间相对较短，大部分空余时间都被浪费。

因此，技术人员可以充分利用互联网技术，提高传输带宽的应用效率，在空余时间内进行其他有价值信息的传输，实现传输带宽的最大化应用；技术人员可以充分利用数据压缩技术（比如JPEG 2000等技术），降低图像传输的码率，以此降低系统对网络带宽的需求，使一条线路进行多路电视信号的传输。

2.2 解决方案的优化

2.2.1 解决方案存在的不足

上文中提到将SDI基带信号转变成SDI OVER IP的解决方案，在方案的落实过程中，存在信号延时问题，对电视制作播出系统的性能提升造成了不利影响，需要受到技术人员的重视。在电视节目制作播出的过程中，多路电视信号需要进行实时传输与处理，如果电視信号出现延时问题，将会对节目制作造成困难。一般来说，电视节目制作过程中出现的信号延时需要控制在5帧以内。

与此同时，在电视信号传输的过程中，信号延时需要具备一定的稳定性，不可以超过电视节目制作播出系统的缓冲时间，以此保障电视图像与声音的流畅性，避免电视节目产生停顿问题。因此，在进行电视制作播出系统的IP化网络架构构建时，技术人员需要确保系统满足上述要求[2]。

2.2.2 解决方案的优化对策

相关数据统计表明，大部分10G交换机在进行大数据包（视频信号）的信号切换时，产生的延时相对较小，和高清电视（1080/50i）的信号相比，交换机产生的延时要比其1行的周期（18微秒）更低。同时，在局域网等网络环境相对优异的网络下，交换机具备更好的延时恒定性，与时间同步系统进行配合应用，IP化网络架构解决方案可以有效避免信号延时问题的出现。为了保障SDI基带信号与SDI OVER IP的有效转化，贯彻了落实IP化网络架构解决方案，电视工程师协会（SMPTE）颁布了《SMPTE 2022》标准法规。

在避免信号延时的同时，技术人员需要保障时间的精确同步。在电视节目制作领域，图像切换精度是将帧、场作为单位，图像切换需要在场消隐期进行，避免切换过程中发生闪动问题，而图像切换的稳定性则由时间精确同步来实现。在互联网领域，IEEE标准委员会分别于2002年和2008年颁布了IEEE1588-2002标准以及IEEE1588-2008升级标准，标准中明确定义了精确时间协议PTP。

该协议指出，要想使系统中的主时钟（同步机应用的时钟）和系统的从时钟（终端设备应用的时钟，包括交换机以及SDI-IP转换器等设备）的精准同步。具体而言，技术人员需要明确系统的主时钟和从时钟存在的基准时间差（用offset表示），还需要明确系统主时钟和从时钟在进行数据包通信时，受到信号交换以及线路等因素影响导致的延时，从而实现时钟的科学准确校准。

上述时钟精准同步的工作原理如下：在系统中，主时钟会按照一定的周期（通常是每2s一次），进行报文信息的同步发送，系统的所有从时钟会及时回应，并进行报文信息发送时间的记录，并在相应的信息中添加“时间戳”。基于从时钟的时间记录，接收端能够计算出网络的延时以及基准误差。为了有效处理主从时钟传递的信息，PTP协议定义了报文类型，通过不同报文的应用，实现时间同步。

其一，同步报文（Sync），同步报文中含有的时间为信息预计发送的时间，并不是信息真实发出的时间。

其二，跟随报文（Follow_up），在跟随报文发送之后，系统开始进行时间记录，直到从时钟接收到同步报文，由跟随报文中记录的真实发出时间和接收端的真实接收时间，得出主时钟和从时钟的时差，实现从时钟时间的校准。

其三，延迟请求报文（Delay_Req），在实际的数据信息传输过程中，网络存在一定的延时，所以技术人员需要分析时差中的延时，大都通过延迟请求报文，进行网络传输延时的定义。

其四，延迟应答报文（Delay_Resq），当接收端接收到同步报文之后，从时钟会发出延迟应答报文，用于记录真实的接收时间，以此得出时钟间的误差及网络传输的延时[3]。

3 电视制作播出系统IP化网络架构解决方案技术分析

在实际的应用过程中，上文中构建的IP化网络架构解决方案具备如下优势。

第一，架构简单。上述解决方案利用10G光纤进行高清电视信号的传输，能够有效降低电视制作播出系统中设备所需的连接电缆数量，减少设备的接口，实现系统的简化。再加上网络传输信号具备双向性，电视制作播出系统只需要一条线缆，就能够实现摄像机和切换台的有效连接，高效传输谁频信号、切换指示信号以及返送信号等信号。

第二，灵活性强。基于IP化网络架构，电视制作播出系统的主体架构为网络架构，技术人员可以充分利用网络技术进行系统的设计，有助于系统灵活性的提升。比如，技术人员可以利用IP化網络架构协议，进行在线包装设备中音视频信号以及键盘等信息的网络配置，实现系统设备的自动化配置，避免了繁琐的接线工作，在很大程度上提高了系统的灵活性。

第三，拓展性强。基于IP化网络架构，电视制作播出系统可以看作是互联网系统，系统内部的设备可以看作是计算机设备。从理论角度而言，技术人员可以根据相应的标准，进行系统内部设备的升级更新，提高系统的拓展性，降低系统的升级更新成本。另外，在IP化网络架构的支持下，电视制作播出系统可以在传输音视频信号的同时，传输信息数据，为电视节目的制作与再加工提供了便利[4]。

4 结论

综上所述，电视制作播出系统需要根据电视技术的发展脚步进行创新，不断提升电视节目的质量。通过本文的分析可知，技术人员需要认识到电视制作播出系统的不足，合理应用IP化网络架构解决方案，根据行业标准规范，结合PTP协议中的四种报文，实现IP化网络架构解决方案的优化，充分发挥其重要作用，实现电视制作播出系统的创新，为广大观众提供丰富且优质的电视节目。

参考文献

[1]李太明，王岚，桂新华.广播电视接入网络IP化与2×100G超高速PON系统的结合应用分析[J].有线电视技术，2018（5）：99-102.

[2]王帆.IP化电视制作系统的技术思考和理论设计[J].现代电视技术，2017（8）：78-80，128.

[3]梁伟明，王普学.电视演播室与后期制作系统IP化互联技术探讨[J].现代电视技术，2016（12）：38-41.

[4]蔡维萍，蔡维坚.广电网络数字电视系统IP化设计——以江西广电网络数字电视系统IP化为例[J].科技创新导报，2015，12（23）：64-66.