基于AoIP与NDI技术的广播融媒直播系统的设计与建设

陈宜峰

（作者单位：福建省广播影视集团）

广播因传播快、覆盖广、收听方式简单方便，有着广大的受众群体，尤其是在私家车数量逐年增长的城市，收听广播已经成为不少驾乘人员的习惯。随着融媒体时代的到来，广播不能止步于传统的传播方式，福建省广播影视集团播出中心主动迈入融媒体时代，因时而动、顺势而为，将FM987广播音频直播系统升级改造，建成了音视频相结合的融媒直播系统。

1 设计目标

根据融媒直播系统的应用特点，在设计上遵循以下几个原则：

（1）功能多样。融媒直播系统按功能被划分为音频系统、视频系统，集广播直播间和电视演播室于一体。传承广播特点，融合电视需求，结合舞美与背景屏，在布局、摄像、灯光等方面充分考虑取景需求，为受众提供更好的视听体验。

（2）技术先进。充分应用NDI和AoIP等视音频新技术，信号IP化，实现基带和IP信号双通道传输，并组成一张覆盖广播各频率的NDI网络，接入集团视频矩阵，实现资源共享。

（3）安全可靠，性能优良。依据《广播电视安全播出管理规定》的要求，该系统的主要通路和设备均实现有主有备，互通互联，既能独立运行，也能协同工作。超高清的信号参数符合《超高清晰度电视系统节目制作和交换参数值》（GB/T 41809-2022）和《高动态范围电视节目制作和交换图像参数值》（GB/T 41808-2022）[1]，音频满足《数字音频设备的满度电平》（GY/T 192-2003）和《广播声频通路运行技术指标等级》（GY/T 75-1989）等要求。

2 音频系统

近年来，基于AoIP技术的音频系统已经得到越来越多的应用，AoIP即Audio over IP，是一种在标准局域网络内的数字音频无损透传技术，是不同音频传输与控制协议的统称，常见的有Dante协议、Livewire+协议、Ravenna协议、WheatNet-IP协议[2]。目前，各协议均可以通过AES67标准（AoIP互联互通的正式标准）实现互相通信。鉴于AoIP技术的优势，融媒直播系统的音频系统采用AoIP技术作为主要的传输手段，同时考虑到与周边设备和总控传输通路的兼容性，基带仍然作为必要的传输手段。该音频系统分为音频主系统和音频备系统，主系统位于直播间，备系统位于导播间，二者互联互通，应急情况下可以互相替代。音频系统的具体架构如图1所示。

图1 音频系统

2.1 音频主系统

综合周边设备和传输特性，融媒直播系统的音频主系统按传统广播直播间布局，配置于直播桌，以LAWO RUBY调音台为核心，采用“模拟+AES3+MADI+AoIP”传输结构。模拟输入信号中，由于信号源是唯一格式和通路，对有线话筒的信号采用通过无源话筒分配器分配的方式[3]；模拟输出有耳机监听、延时器、音箱监听、无线监听和效果器等设备。数字输入信号有主/备播出站、CD、外来信号、音频备系统的输出等；数字输出则传输至总控主切、总控备切、音频矩阵和音频路由器，用于监听监测和传输播出使用。此外，与总控的NOVA73数字音频矩阵之间采用多通道数字音频接口（Multi-channel Audio Digital Interface, MADI）传输技术，是以AES/EBU（Audio Engineering Society/European Broadcast Union，是专业数字音频较为流行的标准）接口标准为基础的多通道数字音频设备间的互联标准[4]。同时，调音台IP传输接口支持Ravenna协议，直连核心交换机，汇入“AoIP+NDI”音视频混合网。

2.2 音频备系统

音频备系统配置于导播间，作为视频录制使用，也可接管替代音频主系统。备系统以Vi2000数字调音台为核心，内置Dante网络音频主备接口。模拟输入有无源话筒分配器、主导播切换系统（TC2）返送输出和电话耦合器2等，模拟输出分别送至备导播切换系统（一体机）、音箱监听、主导播切换系统（TC2）等。数字输入来自音频主系统RUBY调音台、CD、录播站、音频路由器等，数字输出送至音频主系统RUBY调音台、录播站和音频切换器。此外，MADI接口与Dante接口分别连接总控NOVA73数字音频矩阵和核心交换机，与主音频系统同时传输，提高传输效率和传输安全性。

2.3 AoIP网络

AoIP网络采用星型结构（见图2），由核心交换机、主/备音频系统、主/备导播切换台、路由控制主机等部分组成。虽然在网络中存在着Ravenna和Dante两种协议，但都支持AES67，已经实现互相兼容。接入网络的音频设备，可以被控制软件发现并获取通道信息，加入路由矩阵中并自由分配和调度。

2.4 应急切换和备份手段

常规情况由主音频系统完成广播节目的制作与播出，备音频系统负责将音频信号转至主导播切换系统（TC2）用于视频直播或录制，应急切换和备份手段分为以下几种情况：

（1）主音频系统不能正常工作，备音频系统随时接管，备音频系统涵盖了主持人话筒、CD、录播站及由NOVA73矩阵送来的各路信号等多种常备通路。切换步骤：将音频切换器切换开关选择至备音频系统，则备音频系统信号通过音频路由器传输至总控，由总控选择该信号并切换。同时，备音频系统的信号通过MADI常态化传输至总控NOVA73矩阵，形成一主一备两路传输通路，可以完全取代主音频通路。

（2）备音频系统不能正常工作，将导致主导播切换系统（TC2）无音频源，而主音频系统的AoIP信号接入核心交换机，可以通过AoIP网络的路由，将该信号送至主导播切换系统（TC2）。

（3）备音频系统的基带通路故障，主导播切换系统（TC2）和备音频系统是基带与AoIP同时传输，日常以基带信号为主，当基带信号发生故障，则通过TC2将输入切换至AoIP通路，避开故障点。

3 视频系统

视频系统是整个系统的主要部分，包括视频的监看、制作、录制、分发、管理与控制、音频系统嵌入、通话、指挥调度及直接面向互联网的直播。传统的视频系统中，视频信号大多由数字分量串行接口（Serial Digital Interface, SDI）或高清多媒体接口（High Definition Multimedia Interface, HDMI）传输，这种点对点的传输方式布线复杂、传输距离有限。近年来，视频IP化传输技术快速发展，以ST2110和NDI技术为代表，ST2110将视频、音频和辅助数据分开打包，规定了如何使用精确时钟同步协议（Precision Time Protocol, PTP）进行时钟同步，规定了IP流的基本要求，使用会话描述协议（Session Description Protocol, SDP）通知终端每一路IP流中包含的数据类型[5]。虽然实现了4K无压缩传输，但是对硬件、带宽、同步要求非常高，因此成本昂贵。NDI是I帧帧内压缩方案，最新的是NDI5版本，NDI 1 080p的带宽在130 Mbps左右，4K在250 Mbps左右，使用千兆网络即可满足高画质的需求，并支持共享链接上的多路超低延迟、超高质量视频流，兼容该协议的产品种类丰富齐全，成本低。在视频系统中，引入NDI技术可以减少线路敷设，简化系统结构。

3.1 NDI网络架构

视频系统以NDI网络为基础（见图3），NDI网络涵盖云台（PTZ CAM）、摄像机（CAM），推流编码器、主导播切换系统（TC2）和备导播切换系统（一体机），以及包装机、提词器、拼接器等子系统。

图3 NDI网络架构

核心交换机S 5 5 6 0 X-3 0 C-E I，拥有2 4 个10/100/1000BAse-T自适应以太网端口，4个万兆SFP，电口连接各信号源和音频源，光口连接TC2切换台和位于广播总控机房的NDI视频矩阵交换机。不论是主导播切换系统（TC2）还是备导播切换台（一体机），以及推流编码器，均配置“基带+NDI”模式，做到设备和通路均有备份，避免单一故障点。

摄像机采用松下AG-CX98MC 4K NDI摄录一体机，有多路输出接口，支持SDI、HDMI输出与Wi-Fi以太网高清直接流传输，更重要的是兼容NDI的IP连接功能，能够直接接入核心交换机，汇入NDI网络。两台支持NDI的PTZ云台索尼4K SRG-HD1M2布置在高处，采集全景画面或近景特写画面。提词器子系统由1台提词器主机、无线文稿控制器和固定于摄像机脚架上的3块显示屏组成，实现多机位同步播放。包装机和拼接器能够提供丰富的背景大屏元素，可播放静态图片、动态图片、视频及拉流等多种形式的素材。

3.2 主导播切换系统（TC2）

主导播切换系统以NEWTEK TC2切换台作为切换台，基带输入通过SDIIN接口接入3台摄像机，2台云台摄像机以及直播OA和导播OA的显卡输出（见图4），而NDI输入可以灵活配置，NDI网络中的信源均可获取并使用。

图4 主导播切换系统

在制作效果上，动画字幕和转场、色度键控器和实时虚拟场景，可以在切换器上集合完成，可以实现9∶16竖屏以及正方形视频等非标准视频宽高比的输入和输出，多路SDI输出和NDI输出，分别送往监视器、直播间返送屏、包装机、硬盘录像机和推流编码器1等设备。在音频方面，虽然硬件接口输入只提供1组平衡XLR（俗称卡侬接口）立体声，但TC2还支持AES67协议，软件中集成16路音频混音器，以及常见的限幅、延时、增益、solo（独奏、独唱）等功能，满足基本调音需求。录像机BMD HyperDeck录制主切换台的PGM信号，可同时插入两块固态硬盘（Solid State Disk, SSD），支持不间断录制，当一块硬盘数据写满后，录像机会自动开始在另一块硬盘上继续写入。

3.3 备导播切换系统（一体机）

备导播切换系统（见图5）以高清导播切换一体机TC-Live SP作为切换台，不论是接口还是功能，与主切换台类似。视频源支持HDMI、HD-SDI、SDI、分量、S-Video、4K及NDI网络设备，但为了减少重复布线，视频信号源全部取自NDI网络，音频不支持AES67，因此只能走基带，一对模拟立体声输入，制作上具有字幕、转场、抠像、虚拟场景等基本功能，输出至编码推流器2，实现热备份，在主切换系统出现故障时快速接管。

图5 备导播切换系统

3.4 NDI网络拓展——视频矩阵

利用NDI的优点，将各独立的节目源组成视频矩阵并调度分配，能够更好地实现资源共享。广播总控配置一台万兆交换机，各直播间配置千兆交换机，通过万兆光纤口连接至广播总控万兆交换机，信号源来自各直播间视频切换台，传统的视频切换台不支持NDI，则需要网关完成基带信号和NDI信号的互相转换，TC2视频切换台则可以直接接入千兆交换机，由此实现广播频率视频节目组网汇聚，同时，在电视总控配置一台万兆交换机，与广播总控万兆交换机互连，并通过网关接入电视视频矩阵，组成一个NDI矩阵。NDI视频矩阵如图6所示：

图6 NDI视频矩阵示意图

电视总控是电视信号的汇聚核心，拥有众多的信号源，除了电视信号，还有4G背包等外场信号，以及架设在顶楼的户外摄像机信号，实时捕捉街景、江景。通过连接在当前网络的软件NDI tools，可以实现信号的监看和调度，NDI视频矩阵监看调度平台如图7所示：

图7 NDI视频矩阵监看调度平台

在该图中，下面四个画面是来自电视总控的信号源，前三个是电视频道，最后一个是户外摄像机采集的闽江江景；上面四个画面则是来自广播各频率的视频信号，其中两个频率视频PGM采用了电视总控江景画面，实现了资源共享。

4 结语

AoIP和NDI技术的应用，极大简化了广播融媒直播系统的硬件规模，功能和配置上更胜一筹，支持SDI、HDMI、NDI和AES67各类基带与IP信号，还支持PTP同步。融媒直播系统配置了4K超高清摄像系统、双制作切换台、4K在线包装等，能够实现4K超高清及1 080P高清双标准综合节目制作、实时直播，是一种基于新理念和新体系架构的制作平台，其开放式架构有助于将各种外部信号源连接至终端设备，有助于硬件和软件系统的集成，也有助于系统的扩容。自投入运行以来，稳定流畅，没有发生卡顿、死机等故障，经多次测试，指标满足行业各项标准，达到设计目的，满足节目要求。今后，要在信号源拓展上，通过NDI视频矩阵，与4G背包外场直播系统相结合，实现高质量视频连线直播，挖掘系统潜在功能。