SDI/IP混合播出系统的视频信号监测及测量方法

梁 波，茹国钰

（云南省曲靖市广播电视台，云南 曲靖 655000）

0 引 言

传统数字分量串行接口（Serial Digital Interface，SDI）基带视频信号的测量一直遵循两个基本目的：一是检测视频信号质量的优劣，判断其是否符合国家及行业标准；二是通过对视频信号的测量和分析，快速定位制播系统的故障原因并解决问题。IP架构的制播系统出现之后，信号测量的目的没有改变，发生变化的是测量的内容、方法及工具[1]。为此，本文着重介绍SDI基带视频信号的测量与IP数据流信号测量之间的联系和区别。

1 SDI基带视频信号测量与IP数据流信号测量的联系和区别

SDI基带视频信号测量与IP数据包信号测量的相似点主要体现在以下方面：对于系统工程师来说，IP架构下的数据包信号只是另一种获取视频、音频和辅助数据的接口，原来插在矩阵上的BNC视频线缆换成了插在交换机上的光纤。两种方式下，信号测量的方法、排除故障的思路都没有改变，仍是在信号源、传输的路由及目的中排查数据及报错情况[2]。IP系统和SDI系统的对比如表1所示。

SDI基带视频信号系统通过同步信号进行锁相，实现整个制播系统设备的同步。一般通过循环冗余校验（Cyclic Redundancy Check，CRC）以及定时基准信号（Timing Reference Signal，TRS）来判断视频以及同步在传输中是否发生错误。但是在IP系统中，基带信号的CRC（循环冗余校验）和TRS（定时基准信号）在转换后将无法被检测出来，需要监看网络的帧校验序列（Frame Check Sequences，FCS）和CRC错误来判断传输是否发生错误[3-5]。为避免发生数据包不完整或者丢失的情况，采取使用前向纠错（Forward Error Correction，FEC）等补偿手段保证数据能够完整重现。如果网络带宽、接收端缓存不够大，会导致一些数据包没有按时到达接收端，出现画面卡顿的情况。

从表1可以看到，SDI基带视频系统与IP数据包系统的区别还有很多，而在测量中主要体现在以下几个方面。

表1 IP系统和SDI系统对比

1.1 测量内容不同

由于传输原理和链路不同，SDI基带视频信号测量是对串行数字信号进行直接测量，即测量的是物理层，而IP架构系统内传输的是IP数据流，想要测量视频信号，必须先测量IP数据流。反映在测量上的区别就是由原来的电平、波形、眼图检测变成了数据包检测。如图1所示。

图1 IP系统测量相比SDI系统测量的区别

两个系统的同步信号锁定方式也有所不同。SDI基带系统由BB等同步信号锁定，通过相位检测确定同步信号是否锁定；IP架构系统由PTP同步信号锁定，通过检测系统内主从时间差即PTP offset值确定同步信号是否锁定，若绝对值在1μs内，即认为示波器锁定上了时钟源。

总体来看，SDI基带信号测量的主要指标有眼图，同步相位，CRC error、Log及Payload，IP架构测量对应的指标为IP数据包状态信息，PTP delay和offset，FCS error和SDP。

1.2 测量过程不同

在SDI基带信号系统中，如果视频监控画面异常，可以快速地定位到相关的线缆或者故障设备。但是在IP架构系统中，当视频画面出现异常，不能马上定位到故障节点，因为图像是被封装到数据包中。在保证数据包正确的情况下，具有较大时间差异的数据包也可能导致视频中断，因为这些数据包没有出现丢失，甚至顺序也是正确的，只是到达的时间晚了，堆积在接收端的缓冲区之外，导致视频中断。

因此，IP架构下信号的测量是一个间接的测量过程。在保证数据包正确的情况下，还要关注网络流量过载、网络延时及前向纠错等情况，甚至需要综合IP架构下信号的各项指标以及结合FCS和CRC错误，综合各项指标来进行判断。

1.3 测量工具多样

SDI基带信号系统的检测工具主要为传统示波器，IP架构系统不再使用SDI基带信号进行传输，而是使用RTP数据包进行网络传输，在带来灵活性、敏捷性的同时，将给信号测量带来挑战。因为这种传输形式是间接的，无法直接进行测量。根据检测对象不同，实践中将检测工具分类为网络检测类、流状态检测类以及图像检测类三种，如表2所示。从曲靖市广播电视台的使用经验来看，在IP系统的日常使用中，选用一套包含IP/SDI混合示波器和系统IP controller的软件，能够比较全面地对系统运行情况进行监测，同时能够照顾到现阶段的IP和SDI混合方式播出系统。

表2 常用测量工具分类

2 测量思路

有了合适的测量工具，需要确定测量的顺序，明确IP数据包和SDI基带信号指标之间的关系。从以下几个方面进行分析。

2.1 信号要求

测量应采用基于信号标准（协议）的信号指标。SMPTE ST2110标准规定了系统中视频、音频和辅助数据之间保持同步的方法，IP架构系统域内封装打包以及描述的方法。因此该标准相应的检测内容就是系统测量的重要参考指标。

2.2 测量顺序

测量过程应利用分层网络模型确定测量顺序。IP系统中，传统七层网络模型被简化为五层模型，以便清晰对应IP系统应用，如图2所示。每层网络对应有需要监测的参数。

图2 网络模型对应关系

根据五层模型所示，IP测量包括物理层检查，数据链路层检查，网络层检查（IP地址和组播地址），传输层检查（SDP文件、PTP状态），应用层检查（IP设定是否符合标准，NMOS控制参 数等）。

2.3 综合考量双系统下的比对测量

目前，多数广播电视台从安全播出的角度出发，还处在SDI基带系统向IP技术架构系统过渡的时期，IP技术架构系统建设项目会同时涉及IP数据流和SDI基带信号接口。要完整体现系统状况，需要同时对IP数据流和SDI基带信号指标进行同步测试。日常工作中，技术人员不仅要检查基带SDI视频信号是否正常，还要确认在IP路由中的数据包信号是否正常，最终SDI基带信号指标与IP数据包指标相互结合，分析定位问题产生的节点和原因。

从实际看，目前IP/SDI融合制播系统中，往往最终信号的输出主要还是以基带SDI视频信号接口的形式出现，而末级信号往往同时经过了IP路由和SDI基带路由。当末级信号出现问题，技术人员不仅要检查基带路由中视频信号是否正常，还要检查确认信号是否在IP路由中就已经出现问题，或是在IP和SDI转换的过程中出现问题，最终相互结合IP指标和SDI指标，定位问题产生的节点和原因。

曲靖市广播电视台的IP/SDI融合制播系统建设完成并投入试播时，技术人员对整个环节信号检查时发现，payload ID与实际信号不符。技术人员使用基带示波器逐级检查，发现基带信号中均有这个问题，据此推断问题很可能不是发生在基带系统中，而是在IP系统中产生的。经过层层排查，技术人员发现在SDI基带视频信号转IP数据流的设备上，由于设置不正确导致payload ID信息与实际信号格式不符。

另外，如果只依靠肉眼监看图像细节和质量并不可行，还需要依靠传统的波形矢量范围显示等工具以及高标准监视器来进行画面监看。传统的波形图和矢量图显示依旧是视频工程师查看画面、进行质量把控的重要工具。

2.4 测量重点

IP架构系统指标本身的特性要求需要组合多个指标来测量IP系统。在IP架构系统中，即使将光纤插入到示波器，设备收到了正确的数据包，也会出现各种图像问题，因为数据包间隔过大也会导致图像显示不正确。同时，还要关注流量过载、网络延时、前向纠错等情况，甚至需要综合IP信号的各项指标，结合FCS和CRC错误来进行判断。

目前，IP系统测量聚焦于与媒体IP数据流特点相关的指标，而一些通用网络指标则不在重点关注之列。在媒体流大数据带宽的前提下，测量的一个隐性前提是网络基本特性是良好的，否则大数据无法实现正常通信。一些非SMPTE ST2110标准所规定的指标，比如IT网络常用的网络性能测试指标，包括速率、带宽、带宽利用率、吞吐量、时延、丢包率等，主要表现网络的基本性能。这些指标与其他已有标准的IP指标有关联性，在检测完相关SMPTE ST 2110标准的指标后，对于这些非SMPTE ST 2110标准的指标如何检测，指标对系统的好处和重要性等，还需要继续深入认识。

传统的SDI示波器会测量眼图、抖动、payload等指标，因为这些指标是基带信号本身的特性，即测量的对象是物理层。IP系统传输的本质是RTP包的传输，RTP数据包本身并没有基带信号的这些特性。RTP数据需要复合OSI的7层模型，每层的传输都会添加不同的数据包头，技术人员通过解析数据包来间接测量IP信号的参数。基带系统中的指标如电平、波形、眼图等，不再适用于IP系统，而通过数据包本身看不出来图像质量的情况，只有将数据包解析出来，才能对图像进行分析。

3 结 语

通过SDI基带信号和IP数据包的对比分析，曲靖市广播电视台技术团队对于SDI/IP混合播出系统逐渐有了一个基本的测量思路，即IP测量顺序基于五层网络模型，测试内容是基于信号标准的各种指标，同时结合SDI基带信号指标以及传统的示波器视频波形和矢量等参数综合考量。