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电视台4K/8K超高清SDI信号IP化传输方案

2022-10-27 15:21:21| 发布者: admin| 查看: 733

电视台4K/8K超高清SDI信号IP化传输方案

随着国家鼓励支持超高清摄录与制播技术的发展,国内超高清电视转播行业发展势头良好。2018年以来“天猫双11”晚会采用HD、4K同播,2019年中超联赛咪咕采用5G+4K转播,2022春节联欢晚会5G+4K/8K+AI直播,北京2022冬季奥林匹克运动会全面采用4K HDR技术直播等,国内4K超高清直转播节目越来越多,技术含量越来越高。央视、各省(市、自治区)卫视基本都拥有超高清转播系统或转播车,所采用的系统架构也略有不同。目前,国内广播电视行业实现4K转播系统视频信号部分的架构传输方式主要有传统基带4×3G SDI架构、新兴基带12G SDI架构和IP架构。


1 SDI系统IP化基础


电视转播系统的IP化,是通过将转播系统视音频信号经过编码、纠错、封装,转换成IP信号传输到以以太网交换机为核心的网络系统中。交换机是一种用于电或光信号分发的网络设备,其中以太网交换机是在数据链路层工作,由高带宽的背板总线和交换矩阵组成,可以同时进行多端口的数据传输。SDI系统IP化涉及信号转换、技术标准、网络协议、核心交换机架构等相关技术。


1.1 基带信号的数据封装


在技术层面,电视转播的基带信号链路在高清、4K、HDR等技术要求的推动下,必须改造升级从而支持3G、6G甚至是12G的数字视频信号。随着网络速率的不断提高,网络传输技术异军突起,其吞吐量、存储容量、处理速度等方面也得到了大幅度的增加和提升,逐渐超越SDI接口的传输能力,基于视音频文件化的网络体系也影响着转播系统的架构,相关标准和协议的不断发布,也促使越来越多的转播系统IP化架构方案随之出现。


SDI系统IP化的基础就是将基带信号转化成IP信号数据流。即根据网络标准协议,将数字基带信号进行IP化的编码封装形成数据包,从而使信号满足IP化后的网络系统传输要求。将基带信号进行IP化遵循的标准协议有很多,其中最主要有SMPTE、AVB、NOMS等,都各自确立了信号进行IP化工程中的分类、编码、纠错、封装等规范。


针对广播电视对信号传输IP化需求,SMPTE前后分别发布了SMPTE ST2022及SMPTE ST2110两种标准,都是主要定义SDI信号和音频信号封装成IP信号的标准,还涉及信号压缩和同步等标准。但不同的是,SMPTE ST2022要求将所有信号合并后封装成一个数据包,SMPTE ST2110则要求根据不同种类的信号(视频、音频、辅助数据)进行单独封装。


SMPTE ST2022不存在延迟问题,但是对于端口的带宽要求较高,一路信号占据1个10G通道进行传输。针对4K视频信号(12.295 Gbps),如果不进行编码浅压缩明显不能胜任其传输任务。SMPTE ST2110封装传输方式虽然存在延时,但其需要的带宽较小(4K视频信号为8755 Gbps)。除此之外,目前在电视转播领域中,视音频信号在节目制作中大多分开在各自工作区进行制作,SMPTE ST2022并不适合电视转播制作的数据传输需求,SMPTE ST2110成为目前电视转播系统IP化的主要标准。

无损SDI视频信号在经过媒体分析和FEC前向纠错编码后,首先在SMERT ST2110-10协议的支持下进行IP化封装,其间经过最重要PTP协议、RTP实时传输协议、SDP 协议等3个封装环节。

PTP协议(precision time protocol)是精确时间控制协议。使用SMPTE ST2110协议的设备使用PTP时钟协议将同步信息以时间戳的方式添加在每一个数据包中,从而将同步的精度控制到微秒级。


RTP是实时传输协议,和PTP一样虽然都与时间相关,但PTP是相当于时间线,RTP协议定义的RTP时间戳相当于时间点。RTP配合PTP协议能使整个系统所有媒体完成同步。


SDP(session description protocol)是会话描述协议,它的使用非常广泛,它可以在数据流中写入标记,用来介绍内部封装内容的概述,告诉接收到数据流的设备“封装的数据是谁,从哪来,到哪去”。


在经过一系列封装后形成IP数据包,通过以太网交换机系统中转后,再在接收端进行IP数据包的解封、FEC解码、数据校验和前向纠错等操作,才能再一次以SDI信号的形式输出。


1.2 净切换


在电视转播制作中,往往需要从多个视频信号源中选取一个或多个视频信号源画面进行输出,这种操作称之为切换。在切换时,一个画面迅速替代另一个画面,对应的画面也没有错误或者乱码,即帧精确、净切换的视频切换。为保障电视节目的制作质量,基于IP实时系统的视频切换工作仍需采用帧精确、净切换,鉴于以太网交换机功能对等的特点,故在实现视频净切换时就可以将交换机作为信号控制中心。


在IP化转播系统中,SDI信号经过IP化封装成数据包后形成数据流,系统可以从数据流中抓包,从抓取出数据包的RTP时间戳包头中获取帧头的位置,同时通过SDP协议,获取整个数据包内记录的视频信号格式和时间等相关信息,经过计算即可找到需要进行切换的位置来做信号净切换。

1.3 网络系统安全


在习惯了基带转播系统的工程师运作网络化的转播系统时,最不熟悉也最容易出错的地方也就是系统的网络安全问题,因为在基带系统中主要需要考虑物理链路和数据通道的安全,而不用考虑网络问题。在日常生活中,在IP网络转播系统中,网络安全一度影响了IP化系统的大规模使用,可能工程师操作中一个小漏洞,就能直接让整个系统发生崩溃,并严重影响安全播出和节目制作。针对IP化系统的网络安全性问题,经过了大量试验和技术经验,也总结了一套技术对策。


首先,在系统设计时,可以设计成三层模式的数据中心,让网络设备与交换机都采用三层单播地址链接,并设置掩码为30,让主机地址只有两个,使对应设备与交换机之间的连接是唯一的,其他设备无法连接到该设备与交换机组成的网络中。

其次,系统和主机不允许接入互联网,要定期杀毒并更新病毒库,及时安装系统补丁和防火墙,保证外接设备的安全性。此外还需要管理员保管好服务器的密钥等工作。

最后,针对外来IP信号进入系统时,需要对不同系统间的IP信号进行隔离,外来IP信号要经过先解封再封装的过程才允许进入本地网络,保证本地网络与外网的绝对隔离,才能确保本地网络系统的安全。

2 SDI over IP架构设计

伴随着网络技术和全媒体的不断发展,电视转播系统信号传输中的以SDI接口和数字基带视频矩阵为基础的系统技术架构,已经无法满足业务扩展和技术进步的需求,采用SDI与IP混合的架构方式也是势在必行。

本设计主要使用SMPTE ST2110、NOMS、PTP、SMPTE ST2022-5等协议,可满足体育赛事、综艺制作、政治活动等大型节目制作和转播。

2.1 设计概况

网络系统采用IP双核心,使用两组交换机系统,由以太网管理系统进行管理。每组交换机系统使用叶脊结构组成交换机网络,由一台交换机作为脊梁,另两台交换机围绕脊梁一上一下作为叶片,在网络架构中使用VLAN的方式进行数据交换,在网络路由链路上通过混用25G SFP和100G QSFP,实现数据调用。此外,系统还使用一块光纤转化面板辅助交换机系统进行25G SFP输出,更加节省交换机有限接口资源。


与SDI基带系统不同,无损压缩视频信号经过内部封装后,被SNP赋予网关以数据包形式通过25G SFP进入主备交换机网络系统,通过IP系统管理平台设定分配。信号由交换机的光网转换模块,数据流经过打点,通过100G QSFP将多通道的视频信号送入切换台进行制作。制作出的信号再通过100G QSFP链路重新进入交换机系统,按照调用分配发往终端。

以SDI over IP设计中摄像机作为信号源为例,讯道摄像机拾取的画面,通过光电转换形成未压缩数字视频信号,再经过电光转换模块,形成光信号进入光纤通道,传输给摄像机控制单元,摄像机控制单元将接收到的光信号还原成未压缩数字视频信号,根据传输接口的输出需要,重新编码进行传输。摄像机控制单元的背板除了一路经分割的SDI信号用于提供给示波器作为技术监看不变以外,Slot1输出的2组4×3G SDI,一组进入4K监视器用于技术区监看,另一组进EVS进行慢动作制作,EVS输出的慢动作画面进入NXIK-IP50F板卡,进行IP化封装,之后通过25G SFP进入以太网交换机系统。此外,摄像机控制单元还输出一路网络信号,该信号由设备内部自带IP封装模块,将为压缩视频信号进行IP化封装,通过25G SFP进入交换机系统。至此,一路摄像机信号已经有两路信号进入交换机系统。


交换机将输入的CAM1和EVS1两组信号,分别与对应的其他三组信号进行混合转化成并行的光信号以便使用QSFP传输在交换机系统内交换数据。转化后的两组信号,首先经过以太网交换机内路由,通过100G QSFP进入到主备切换台,切换台将每个光信号还原成网络信号分解出4组,再对每组网络信号进行解封装,编码后得到未压缩视频信号传输切换台系统进行切换制作,得到PGM等信号,然后进行与以上相反的过程,再次传输进入交换机系统。

此时的交换机系统已经获取了节目制作中产生的所有信号,这些信号以数据流的形式在交换机系统内进行调用传输,进入光纤转化面板分解成各自单独的网络信号向外发送。一部分信号通过25G SFP输入多视频划分服务器,用作电视墙的画面划分;一部分信号转换为4线SDI信号输入录像机进行画面录制,其次还需要一组PGM信号转换为4线SDI信号,再输入变换器转成HD信号,输入视频分配器分成多路信号传输给摄像机控制单元用作RET返送。除此之外,节目制作中的信号发给其他系统或者网络端,这里不再赘述。


2.2 设备选型


IP化电视转播系统主要依托于以太网交换机作为数据中心。设备选型中,使用交换机取代之前的3G视频矩阵。共选取6台交换机。其中2台交换机尺寸为1U,延迟小于1 ms,支持每秒3.6 Tbps带宽和每秒超过26亿个数据包,拥有48个1/10/25 Gbps光纤端口和6个40/100 Gbps四通道小型可插拔QSFP28端口;另外4台交换机尺寸为1U,拥有高达7.2 Tbps带宽和40 MB缓冲区、36个40/100 Gbps QSFP28端口,并支持1/10/25/40/100 Gbps灵活端口速度。

由于所选切换台为模块化设计,仅需更换输入输出模块即可实现符合系统IP化的要求。


除了交换机和切换台之外,还选用一些板卡和转换卡,辅助SDI与IP之间进行信号转换;多画面分配器用于节目制作使用的电视划分,可以连接操作系统,进行画面划分管理。


2.3 设计分析


SDI基带系统IP化后,最能吸引人的就是交换机的负载能力大且扩展能力强,可以使用多个交换机组成网络系统,系统的制作规模也随之大幅增加。在4×3G SDI基带系统中,由于视频矩阵无法满足需求,从而限制了整个系统的硬件能力。在IP化后,数据核心足够匹配切换台的制作需要,业务规模可以涵盖节目的转播制作。而且IP化后技术架构扩展性好,能够搭配多种多样的媒体设备进行制作。其次最直观的就是线材数量减少。4×3G SDI信号线材需求量大,IP化系统使用网线、线材数量大大减少。且网线使用成本相对较低,运营维护简单。

除此之外,SDI宽带系统采用SDN(软件定义网络)技术,信号调用更加灵活便捷,以往需要把许多单根线在狭窄的系统后台进行接线,现在只需要在IP系统管理平台上进行操作即可,方便又快捷,而且有更加逻辑化的拓扑图呈现,可以实时确认系统内每条通道的状态,系统更加简洁明了。


SDI系统IP化也存在着诸多问题:首先,没有详细且统一的规范。目前虽然有相关指导文件和规范标准,但视频系统IP化本身就有多种可选标准协议,各协议之间都存在着或多或少的优缺点。其次,协议标准存在很多问题。如主流的SMPTE ST2110标准协议,存在延时造成画面还原问题。最后,目前大规模投入市场使用的IP化标准协议基本源于国外,很多专业领域使用的标准协议都需要付费授权,存在一定安全问题。


3 结语


随着IP化的发展,广播电视技术人员要转变思想、更新知识结构,要不断学习网络技术,与时俱进,不断提高自身专业技能,保障好每次节目制作和转播活动。


段永良,郑帅,南京传媒学院传媒技术学院



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