基于IP的傳輸技術(shù)在廣播電視領(lǐng)域應(yīng)用分析與研究

梁衛(wèi)東

內(nèi)蒙古新聞出版廣電局501臺(tái) 內(nèi)蒙古 呼和浩特市 010050

廣播電視在傳統(tǒng)的運(yùn)行模式下，經(jīng)編碼壓縮后的數(shù)據(jù)，使用異步串行方式或同步并行方式進(jìn)行傳輸，有多種應(yīng)用需求時(shí)就需要布置多條同軸電纜來滿足需求，技術(shù)發(fā)展的瓶頸制約其未來的發(fā)展，維護(hù)量巨大，可靠性較差?；贗P的傳輸網(wǎng)絡(luò)，具有分組交換方式傳輸?shù)乃袃?yōu)點(diǎn)，廣播電視視音頻的傳輸與分發(fā)迎來新的曙光。交換機(jī)的引入使得用戶需求無需借助多條物理鏈路來實(shí)現(xiàn)，往往通過組播或單播的方式實(shí)現(xiàn)視音頻數(shù)據(jù)的傳輸與使用。與傳統(tǒng)傳輸方式相比，設(shè)備和連接電纜的數(shù)量驟減，維護(hù)量大幅降低，相應(yīng)的可靠性卻很高。

基于IP的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展可謂是方興未艾，有網(wǎng)絡(luò)的地方都離不開使用IP數(shù)據(jù)包傳輸數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)最早是以傳遞數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的，使用的大都是TCP/IP協(xié)議，其最大特點(diǎn)是面向連接的可靠的傳遞數(shù)據(jù)。視音頻在互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的傳輸，由于數(shù)據(jù)量較大，必須通過編碼壓縮，然后才能夠在IP網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳輸。

在網(wǎng)絡(luò)上傳輸以視音頻為代表的多媒體信息時(shí)，必須要求實(shí)時(shí)的，對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和抖動(dòng)較為敏感。因此要對(duì)時(shí)延和抖動(dòng)限制在合理的范圍內(nèi)。

新的傳輸需求必然推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的不斷演進(jìn)，一些符合視音頻傳輸?shù)膮f(xié)議應(yīng)運(yùn)而生。出現(xiàn)了RTP（實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議）、UDP（用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）、RTCP（實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議）、RTSP（實(shí)時(shí)流協(xié)議）等適合傳輸視音頻的協(xié)議。RTP是提供實(shí)時(shí)端到端的視音頻信息傳輸，但是對(duì)傳輸服務(wù)質(zhì)量不保證，視音頻經(jīng)過編碼壓縮后，使用RTP協(xié)議產(chǎn)生RTP分組，然后放入傳輸層的UDP，最后送入IP層進(jìn)行封裝。RTP和UDP同屬傳輸層，RTP分組使用UDP傳送，具有UDP傳輸?shù)囊磺刑攸c(diǎn)。

UDP協(xié)議和TCP協(xié)議傳送數(shù)據(jù)的區(qū)別類似于打電話和寄明信片的區(qū)別。TCP協(xié)議工作過程像打電話一樣，首先檢測(cè)對(duì)方線路空閑時(shí)才能建立通信。UDP協(xié)議工作像是在寄明信片，每次傳遞信息量小，但每次的成功率高。UDP協(xié)議首部使用8個(gè)字節(jié)的開銷，TCP協(xié)議首部使用最長(zhǎng)可達(dá)60字節(jié)，兩個(gè)協(xié)議中每個(gè)報(bào)文字段的首部相差懸殊，UDP協(xié)議具有較小的開銷，面向無連接，時(shí)延短，因此更適合視音頻的實(shí)時(shí)傳輸。RTP協(xié)議在UDP協(xié)議之上同屬傳輸層協(xié)議，不具備數(shù)據(jù)傳輸可靠性和擁塞控制機(jī)制。RTP協(xié)議封裝TS流時(shí)為了減少網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)，同步發(fā)端和收端間的相對(duì)時(shí)間漂移設(shè)置了Time Stamp字節(jié)，它與TS流的PCR同步，產(chǎn)生于90Khz的參考時(shí)鐘。每個(gè)RTP包含了1～7個(gè)TS包，放入RTP包負(fù)載中，還有12個(gè)字節(jié)的RTP包頭，8字節(jié)的UDP首部，最短20字節(jié)的IP包頭，經(jīng)過層層封裝，最終的數(shù)據(jù)鏈路層分組長(zhǎng)度為188×7+12+8+20=1356字節(jié)。小于數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議最大數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度1500字節(jié)的限制，實(shí)際傳輸中的封包個(gè)數(shù)因情況而變，最多為7個(gè)TS包，多數(shù)情況為7個(gè)包，不夠7個(gè)包的可以填充空包。

以下是基于IP的TS流傳輸?shù)膽?yīng)用分析與研究案例。

1 在異地電視直播領(lǐng)域的應(yīng)用

內(nèi)蒙古自治區(qū)幅員遼闊，東西橫跨距離達(dá)2400多公里，一般電視直播需要租用衛(wèi)星資源，通過衛(wèi)星車實(shí)現(xiàn)直播，但是成本較高，光纜干線在12個(gè)盟市都有部署，大部分旗縣也有連通，有較好的光纜資源供使用，使用基于IP的網(wǎng)絡(luò)直播傳輸方案實(shí)現(xiàn)低成本、高效直播的目標(biāo)。首先將加嵌的HD SDI信號(hào)送入編碼器并輸出IP流，通過網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器送入網(wǎng)絡(luò)公司光纜進(jìn)行傳輸，本地電視臺(tái)使用網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器和IP解碼器解碼輸出SDI或直接使用IP流。對(duì)于鏈路的測(cè)試可使用支持IP的碼流分析儀進(jìn)行三級(jí)傳輸錯(cuò)誤分析，只要確保沒有一、二級(jí)錯(cuò)誤就可以滿足使用需求。

2 在有線電視系統(tǒng)基帶傳輸部分的應(yīng)用

傳統(tǒng)的有線電視系統(tǒng)中，復(fù)用器的輸入端有許多ASI輸入接口，衛(wèi)星接收機(jī)的輸出信號(hào)直接到了復(fù)用器的輸入端，設(shè)備間的連接電纜較多，系統(tǒng)龐大而且復(fù)雜?，F(xiàn)在用千兆網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)替換以前的復(fù)用器，使用六類線作為網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)，并且使用了IP QAM 調(diào)制器?，F(xiàn)在使用復(fù)用器和電纜的數(shù)量大為減少，優(yōu)化了系統(tǒng)架構(gòu)。IP QAM 調(diào)制器對(duì)欲傳輸節(jié)目的復(fù)用、提取、排序更加靈活方便，而且便于對(duì)傳輸信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該架構(gòu)可擴(kuò)展性好，增加設(shè)備靈活。

傳統(tǒng)的廣電領(lǐng)域，為了高效利用頻譜資源，通常編碼完成后經(jīng)復(fù)用為多節(jié)目傳輸流而后在信道里傳輸。如CCTV1、CCTV2、CCTV7、CCTV10電視節(jié)目復(fù)用為1 個(gè)包后通過衛(wèi)星上行站上傳到中星6B 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到全國(guó)。某個(gè)省有線網(wǎng)絡(luò)公司接收該衛(wèi)星上的CCTV1 節(jié)目時(shí)，會(huì)同時(shí)收到該節(jié)目包的所有節(jié)目，此時(shí)如果想分離出CCTV1 進(jìn)而重新組合節(jié)目包時(shí)，必須加復(fù)用器進(jìn)行篩選。如果使用基于IP 系統(tǒng)架構(gòu)的有線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，衛(wèi)星接收的下行信號(hào)經(jīng)過交換機(jī)進(jìn)入IP QAM 調(diào)制器輸出到網(wǎng)絡(luò)。此時(shí)需要衛(wèi)星接收機(jī)具備多個(gè)單節(jié)目傳輸流的IP 接口。用來實(shí)現(xiàn)多節(jié)目傳輸流中的多個(gè)節(jié)目分別輸出到不同IP 端口。如何實(shí)施這一過程？首先將需要的節(jié)目的視音頻、PCR 包取出，把其他無用包過濾。解包的流程如同是在用一個(gè)PSI 信息處理器處理PSI 信息。先獲得該節(jié)目中的PAT表，由PAT 表得到PMT 表的PID，再由PMT 得到節(jié)目中視頻、音頻、輔助數(shù)據(jù)等的PID 值，然后根據(jù)PID 從輸入的傳送流中分離出不同的數(shù)據(jù)流。同時(shí)根據(jù)PMT 表中的PCR_PID 找到該節(jié)目的PCR。提取出來的某路節(jié)目經(jīng)IP 封裝成單節(jié)目IP流。同一節(jié)目包里的所有節(jié)目可以分別設(shè)置不同的主機(jī)和端口實(shí)現(xiàn)按需訪問和使用。

3 有線電視網(wǎng)絡(luò)信號(hào)源異地備份的有效手段

有線電視網(wǎng)絡(luò)公司的信號(hào)源主要有衛(wèi)星和國(guó)干網(wǎng)兩種主要方式，大多數(shù)節(jié)目只有衛(wèi)星信號(hào)源，由于衛(wèi)星下行信號(hào)易受到本地同頻信號(hào)的干擾，導(dǎo)致接收信號(hào)突然中斷，這種干擾解決起來比較棘手，往往具有很多不確定性。這樣會(huì)造成前端機(jī)房的信號(hào)切換設(shè)備頻繁切換到中央一套節(jié)目（沒有備份信號(hào)源時(shí)，使用中央一套作為應(yīng)急信號(hào)），給用戶帶來不佳體驗(yàn)，為此本文提出一種基于IP 傳輸?shù)男盘?hào)源有效備份手段。一般有線網(wǎng)絡(luò)以環(huán)形網(wǎng)絡(luò)部署，可將各地有線網(wǎng)絡(luò)前端的復(fù)用器輸出設(shè)置為不同的組播地址，并接入環(huán)網(wǎng)。欲將設(shè)置異地備份信號(hào)源的地區(qū)，在前端復(fù)用器中通過軟件設(shè)置將異地節(jié)目作為備用節(jié)目源，輸入組播地址并予以設(shè)置一定的切換條件。此種備份信號(hào)手段能有效解決由于本地接收的下行衛(wèi)星信號(hào)受到干擾時(shí)，可及時(shí)通過切換使用異地的未干擾的衛(wèi)星信號(hào)，是一種經(jīng)濟(jì)可行的技術(shù)手段，此外，也解決了由于本地下行接收設(shè)備故障引起的信號(hào)中斷的情況，如下行天線、高頻頭、饋線、衛(wèi)星接收機(jī)等設(shè)備故障時(shí)能有效避免信號(hào)中斷產(chǎn)生的停播。

4 在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的廣播電視監(jiān)測(cè)是將監(jiān)測(cè)輸出的視頻信號(hào)，通過視頻監(jiān)測(cè)信號(hào)采集卡采集，然后在多畫面分割器上顯示。若監(jiān)測(cè)的節(jié)目套數(shù)較多時(shí)，這樣的接收監(jiān)測(cè)系統(tǒng)勢(shì)必會(huì)龐大復(fù)雜。不同類型的信號(hào)首先通過解碼器解碼輸出為AV 信號(hào)，才能進(jìn)入多畫面系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)投資大，效果也不好，此時(shí)若將不同格式的信號(hào)在碼流層進(jìn)行IP 封裝打包，之后送到交換機(jī)，監(jiān)測(cè)畫面主機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)接口在交換機(jī)上取流。封裝打包在監(jiān)測(cè)板卡上進(jìn)行，通過不同類型的檢測(cè)板卡可將CMMB、有線DVB-C、無線DTMB 等不同類型的信號(hào)，接入不同的監(jiān)測(cè)打包卡輸出到交換機(jī)，完成信號(hào)的集中采集。這種基于IP 的信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、可靠，無需解碼器等硬件設(shè)備給監(jiān)測(cè)系統(tǒng)帶來方便靈活的監(jiān)測(cè)手段。基于IP 的系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)視音頻層、碼流層、信道層的信號(hào)監(jiān)測(cè)，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段是不具備如此全面的監(jiān)測(cè)的能力。

隨著廣播電視領(lǐng)域各種傳輸設(shè)備的接口IP化，基于IP 化的系統(tǒng)架構(gòu)被廣泛采用，傳統(tǒng)的接口也在不斷演進(jìn)，相信未來IP 傳輸技術(shù)將會(huì)大有可為。