淺談融媒體下的4K視音頻信號傳輸

徐興斌

摘要：IP技術(shù)和新的12G SDI技術(shù)將逐漸取代3G SDI技術(shù)，技術(shù)朝著虛擬化、集中化管理和遠程化控制的趨勢發(fā)展。高標清電視已經(jīng)無法滿足觀眾的需求了，4K，8K等超高清電視應(yīng)運而生，新技術(shù)的發(fā)展對于信號的傳輸提出了更高的要求。

關(guān)鍵詞：4K； HDR； SDN； PTP； SMPTE 2022（2110）

什么是4K？

4K技術(shù)=HDR（高動態(tài)）+WCG（寬色域）+4K（高分辨率、高帶寬）

標清電視分辨率：720x576；高清電視分辨率：1920x1080；4K電視分辨率：3840x2160；8K電視分辨率：7680x4320。

HDR高動態(tài)范圍圖像（High-Dynamic Range，簡稱HDR），又叫高動態(tài)光照渲染，相比普通的圖像，可以提供更多的動態(tài)范圍和圖像細節(jié)，根據(jù)不同的曝光時間的LDR（Low-Dynamic Range）圖像，利用每個曝光時間相對應(yīng)最佳細節(jié)的LDR圖像來合成最終HDR圖像，能夠更好的反映出真實環(huán)境中的視覺效果。

廣播電視工業(yè)界現(xiàn)存的核心實時視音頻信號處理系統(tǒng)與流程的特點：

A.專業(yè)和獨有：高度可管可控，安全級數(shù)高。

B.封閉不開放：無法高效地實現(xiàn)和互聯(lián)網(wǎng)和IP寬帶網(wǎng)絡(luò)的對接。

C.高成本擴展性差：系統(tǒng)建設(shè)與運營的成本很高，靈活性和擴展性差。

SDI系統(tǒng)更適合轉(zhuǎn)播車、演播室、后期制作系統(tǒng)應(yīng)用，技術(shù)成熟標準確定，技術(shù)熟悉程度高、穩(wěn)定、維護方便，現(xiàn)階段實現(xiàn)成本低；系統(tǒng)靈活性差。4鏈路SDI：可兼容現(xiàn)有HD系統(tǒng)監(jiān)看環(huán)境；電纜數(shù)量多、系統(tǒng)復(fù)雜。12G-SDI：技術(shù)已經(jīng)成熟、系統(tǒng)簡單；缺點是和HD系統(tǒng)無法兼容，需要建設(shè)全新的監(jiān)看系統(tǒng)，對帶寬的要求較高。IP系統(tǒng)：更適合播總控系統(tǒng)應(yīng)用。借用IT技術(shù)，系統(tǒng)靈活性好；缺點是標準沒有確定、兼容性差，需要全新的系統(tǒng)設(shè)計及運營管理技術(shù)，系統(tǒng)穩(wěn)定性稍差。

為什么大部分電視臺仍然使用SDI傳輸，SDI仍然是電視臺的主流呢？因為SDI無壓縮內(nèi)容，圖像質(zhì)量高；不丟幀；具有很低的延遲和抖動；基于幀的精確切換很簡單；單向傳輸，簡單的協(xié)議；系統(tǒng)連接簡單；SDI是開放的，沒有專利的全球支持的標準。

為什么要通過IP傳輸視音頻信號呢？使用IP信號傳輸，可以使用現(xiàn)有的IT低成本的設(shè)備，更加經(jīng)濟，降低布線的成本，減輕線纜的重量；與SDI路由和網(wǎng)絡(luò)相比，IP的路由和網(wǎng)絡(luò)有更大的靈活性，可以實現(xiàn)中心和下變換流制作的全新的工作流程；全IP網(wǎng)絡(luò)化的流程具有可擴展性，對于以后的升級擴容更加便捷。

使用IP帶來的問題有哪些？網(wǎng)絡(luò)延遲、抖動、丟包、同步問題、對稱性、復(fù)雜的雙向協(xié)議都是需要考慮的。

IP視頻淺壓縮有三種形式：LLVC，TICO，VC-2。目前大部分采用的是TICO淺壓縮。

淺壓縮與非壓縮：淺壓縮在不損失圖像質(zhì)量的前提下，能有效降低網(wǎng)絡(luò)帶寬；廠家間標準不統(tǒng)一，兼容性差。

Prism填補了SDI和IP轉(zhuǎn)換之間的空白，這是一個新平臺。Prism是3RU半機架平臺，帶有9英寸高清顯示器和觸摸面板；簡化的用戶界面（網(wǎng)絡(luò)瀏覽器操作）；靈活適應(yīng)標準。

軟件確定的平臺，提供了擴充能力和靈活性，處理各種不斷進化的新技術(shù)和新標準（面向未來，保護客戶投資）。Prism采用全內(nèi)置解決方案，無縫遷移到基于SDI和基于IP的混合基礎(chǔ)設(shè)施。PRISM支持SMPTE2022-6和PTP，還可以增加更多的格式例如：AES67，TR-03，SMPTE2110，NMOS，ASPEN，NMI，TICO，LLVC。

什么是SDN？軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN），是Emulex網(wǎng)絡(luò)一種新型網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新架構(gòu)，是網(wǎng)絡(luò)虛擬化的一種實現(xiàn)方式，其核心技術(shù)OpenFlow通過將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制面與數(shù)據(jù)面分離開來，從而實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)流量的靈活控制，使網(wǎng)絡(luò)作為管道變得更加智能。

PTP有哪些特點呢？

PTP是基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)本身是異步的。精密時間協(xié)議（IEEE 1588）旨在同步以太網(wǎng)絡(luò)上不同節(jié)點的實時時鐘。PTP 沒有使網(wǎng)絡(luò)本身同步（同步以太網(wǎng)或SyncE中的網(wǎng)絡(luò)本身是同步的）。最新版本是IEEE 1588-2008，也稱為PTP第2版。SMPTE最近發(fā)布了一項基于PTP第2版的標準，專門用于廣播視頻應(yīng)用。

聯(lián)網(wǎng)測量和控制系統(tǒng)使用的精密時鐘同步協(xié)議標準：根據(jù)SMPTE ST 2059-1 2015，把時鐘信號生成并把接口信號對準SMPTE Epoch，SMPTE ST 2059-2 2015，專業(yè)廣播應(yīng)用中使用的IEEE-1588精密時間協(xié)議配置。

現(xiàn)在我們來聊聊通信模式。一般分為單播，組播，混SMPTE。對于混合模式有哪些要求呢：首先主設(shè)備和從設(shè)備必須匹配或兼容；其次組播和混合模式可能需要IGMP加入和離開，全部單播必須在所有從AMT中有主設(shè)備地址；沒有協(xié)商的單播不允許主設(shè)備調(diào)整負載，在不同域中可以使用兩個主設(shè)備，因此在不兼容的通信模式下為從設(shè)備服務(wù)。

SMPTE-2022：一個早期無壓縮的標準，被早期的IP設(shè)備廣泛采用?；谝曨l結(jié)構(gòu)的IP封包及傳輸、同步、容錯標準。

SMPTE-2110：一個逐漸成熟的標準，將被未來的IP設(shè)備廣泛采用。完全基于數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)的IP封包及傳輸、同步、容錯標準。

不同形式下的傳輸速率：SD 270Mb/s SMPTE 125；HD 1.5Gb/s SMPTE 292；Dual Link SMPTE 372；3Gb/s SMPTE 425/424；12Gb/s SMPTE 2082；4 x HD-SDI；4 x 3Gb/s SDI。

4鏈路SDI傳輸有哪些需要考慮的要素呢：鏈路間的同步問題；單路 SDI傳輸；有效的同軸電纜，眼圖測量；安全性；傳輸抖動；傳輸協(xié)議；淺壓縮方式。

結(jié)束語：IP化既給廣電行業(yè)帶來了機會，也帶來了挑戰(zhàn)。IP化也會帶來技術(shù)維護、應(yīng)急和售后服務(wù)的變化。IT的售后服務(wù)模式在IP化過程中將會進入到廣電領(lǐng)域。遷移到IP是個逐步的過程，在可以預(yù)見的未來，“混合”SDI/IP工作流程將一直存在。