高清电视IP 融合播出系统结构浅析

梁 波，李锐锋

（云南省曲靖市广播电视台，云南 曲靖 655000）

0 引 言

电视播控系统通过视频切换矩阵，承担着来自视频服务器、演播室现场、转播车回传、央视新闻节目、卫星接收视频以及垫播视频等多种信号的接收、调度及分配任务。随着技术的发展，电视信号从标清、高清到超高清的逐步过渡以及频道数量的增加，原有数字分量串行接口（Serial Digital Interface，SDI）基带信号播出系统的劣势逐渐显现。SMPTE ST2110 技术标准正式发布以后，以IP 数据流为主的融合高清、超高清电视播出系统优势尽显[1]。

根据SMPTE ST2110 技术标准，综合其他城市广播电视台播出系统的建设经验，曲靖市广播电视台初步确立了以IP 总控调度为中心，涵盖IP 总控、频道分控、时钟同步、监测监看四个大系统的融合IP 高清电视播出控制系统。本文重点从IP 总控系统、频道分控两方面阐述曲靖市广播电视台新一代播出系统的结构特点。

1 IP 总控矩阵系统

根据曲靖市广播电视台现有3 个高清电视频道播出的要求，同时兼顾未来4K 超高清电视节目播出的需求，结合以往案例的实施经验，在兼顾安全和经济的基础上，技术部门对IP 融合高清播出总控系统的信号源、调度矩阵、控制面板、设备状态监控、信号监看以及测量系统进行了全面的考虑和设计。方案采用无压缩SDI over IP 矩阵，实现信号流的集中控制[2]。

1.1 IP 总控系统构成

IP 总控系统由视频切换矩阵、GPS 时钟基准同步授时、卫星接收机、多画面监看和提示（UMD）、技术指标监测报警以及周边辅助设备等构成。

1.2 总控系统的功能

IP 总控系统为曲靖市广播电视台3 套高清电视频道提供播出节目所需的信号来源，为演播室、播控中心提供同步信号，实现外部源视频与台内播出视频信号的同步、无台标播出净信号的节目回录调度，实现曲靖市广播电视台各演播室、新闻直播间、转播车之间电视信号的互连互通，为全台播出系统、演播室提供统一的GPS 卫星授时。

1.3 总控系统设计原则

IP 总控系统的设计遵循以下原则。

（1）设备安全可靠。主、备链路设备具有稳定、可靠运行的能力及冗余备份，不能存在单一设备崩溃点。

（2）系统先进合理。总控播出系统须充分考虑制播设备IT 化、系统IP 化的发展趋势，具有一定的前瞻性，确保未来发展需求。

（3）硬件扩展灵活。总控播出系统的核心设备应具备调度灵活、扩展潜力大的特征，能充分满足节目生产制作部门对不同格式视频信号的交换及播出需要。

（4）结构简洁易于维护。总控系统的设计应力求结构简单、逻辑清楚，方便播控值机人员操作及技术人员日常维护检修。

2 IP 总控矩阵设计

IP 总控矩阵设计采用IP 架构矩阵替代以往的视频矩阵，通过软件定义网络（Software Defined Network，SDN）控制软件对高清SDI over IP 信号进行调度控制[3]。

2.1 交换机切换

SDN 控制下的切换方式为交换机切换，如图1所示。

图1 交换机切换示意图

视频净切换的实现机制为：在基带SDI 转IP 数据流网关卡端，对接入的基带信号进行帧同步确保基准相同、相位一致，根据SMPTE ST 2110 技术标准将基带SDI 信号转码成IP 数据流信号，并确保帧结束信号相邻同步，为视频净切换创造必备条件；切换检测模块一旦检测到SDN 控制软件通过串口发过来的切换组播地址和端口号命令，就去检测该通道对应的IP 包中的帧结束信号，为保证两通道的切换同步进行，在接收到第一条切换命令后，切换控制模块并不会在检测到MARK BIT 后马上执行切换操作（实时地改变当前通道的组播地址和端口号），而是要再等下一个MARK BIT 到来时再执行切换操作，从而给下一个通道切换命令的发送预留足够的时间[4]。切换过程分为3 个阶段。

（1）切换前。切换前，源网关卡输出视频源1（10.0.0.1：10001）到通过SDN 目的1 网关卡，视频源2（10.0.0.2：10001）到目的2 网关卡。

（2）切换中。切换时，Node 程序通过千兆交换机向SDN 发送切换视频源2 指令，SDN 接收到切换指令后通过千兆交换机到服务器调取流表，获取流表后返回数据到Node 程序。Node 程序收到返回数据后发送指令到源网关卡，源网关卡收到指令后建立视频源1 组播地址（10.0.0.1：10001）和视源2组播地址（10.0.0.2：10001）。SDN 根据流表信息建立视频源2 至目的1 网关卡，建立视源1 至目的2 网关卡。

（3）切换后。SDN 通过流表信息会对视频源1和视源2 同时转换到预留组播地址，最终将视源1（10.0.0.1：10001）输出至目的2 网关卡，将视源2（10.0.0.2：10001）输出至目的1网关卡。完成切换后，SDN 将通过交换机到服务器进行新流表存储、旧流表删除动作。

2.2 视频信号数据流同步对齐

由于进入总控系统的视频信号格式多样，为确保技术指标符合国家广播电视总局的播出标准，需要对到达总控系统的源视频信号进行格式变换、统一的GPS 授时及信号同步，确保时间、相位的精确一致。网关卡在接收到同步信号后，会从BB 同步信号中分离出与之相对应的时钟和帧头信号。在SDI 基带信号转IP 数据流网关卡实现净切换，以及最终IP 数据流转SDI 基带信号过程中，网关卡将IP 信号封装成SDI 输出时，都会利用从BB 同步信号分离出来的时钟信号。首先实现SDI 与BB 同步信号的频率同步，之后利用从BB 同步信号中分离出来的帧头信号，配合网关卡中的行场相位调整模块，可以将SDI 基带信号与BB 信号相位调齐[5]。

2.3 GPS 卫星同步校时

同步时钟系统是保障广播电视安全播出的重要手段之一。为确保播控系统正常运行，设计时，曲靖市广播电视台3 个频道的分控系统、新闻演播室、直播间、中央电视台卫星接收信号、转播车需要通过网路和时码分配器接收一个来自总控播出系统中心卫星时钟接收机发出的时钟同步信号，以实现日常播出特别是现场直播的准时。

3 频道独立分控系统设计

3.1 频道分控系统设计原则

分控系统设计为3 个独立的电视播出频道，每个频道使用主备SDI over IP 链路方式。主、备通道路由是两个具有断电旁通和同步的功能的独立信号路由构成，主、备播出信号最终通过自动倒换器进行倒换。频道分控系统由视频源信号、格式变换、视频切换、监测画面显示、同步、时钟显示系统及设备组成。通过自动播控软件控制的RS-422、RS-232 接口进行控制。

3.2 频道分控系统原理

3 个频道分控系统独立完成电视播出任务。SDI over IP 链路通过IP 键控器实现信号的调度切换、台标及字幕叠加功能，并通过IP4 选1 倒换器实现信号自动倒换输出以及转换为SDI 信号送编码器。各频道播出信号的监看采用大屏幕多画面分割结合的方式实现，实现SDI 信号、SDI over IP 信号的混合监看。

3.3 分控配套设备

分控配套设备主要包括数字视频分配器、倒换器等模块以及数字键控器、字幕机、网络设备检测模块等设备，主要完成数字信号分配、通道信号处理，实时监测机箱板卡模块的工作状态和参数。

3.4 分控系统信号显示与监看

采用简单网络管理协议（Simple Network Management Protocol，SNMP），通过远程设置软件实现监控画面的快速创建、布局结构修改、多种画面分割预置的快速调用，实现各个频道视频信号的独立显示与监看。分控系统具备嵌入音频的SDI、万 兆SFP+ 接 口 的SDI over IP 信号、HDMI 信 号的输入及HDMI、HDSDI 同步输出、动态UMD 和Tally 显示，嵌入音频的PPM 与VU 表音柱显示，还可根据提前设置的监测门限，实时检测播出节目视频信号丢失、黑场、静帧、嵌入音频丢失、静音以及失真情况，并同步显示在电视墙上。

4 结 语

IP 融合架构高清电视播出系统自2021 年7 月建设完成后，经过9 个多月的稳定运行，各项播控技术指标符合国家广播电视总局安全播出管理要求，但在使用过程中也暴露了一些技术人员的部分短板，主要是IP 播出架构涉及的IT 技术、使用的协议较多，与传统基带SDI 视频信号相比，部分技术维护人员认为IP 数据流信号的维护、流程检修及监测不够直观，需要进行学习，更新相关知识，但整个高清电视播出控制系统在安全性、稳定性、可靠性方面以及扩展性方面展现出较大的灵活优势。